从系列中:电机控制
梅尔达·乌卢索伊,马修斯
空间矢量调制(vector modulation, SVM),又称空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation, SVPWM),是感应永磁同步电动机(PMSM)场定向控制中常用的一种技术。支持向量机产生脉宽调制信号来控制三相逆变器的开关,然后产生所需的三相电压以所需的速度或扭矩驱动电机。在本视频中,您将学习如何通过在基本和零向量之间交替生成任意给定角度和大小的电压向量。视频还比较了空间矢量调制和另一种常用的电机控制方法——正弦PWM (SPWM)。支持向量机让我们充分利用直流电源电压,并增加总线利用率比正弦PWM 13.3%。
之前我们讨论了磁场定向控制,以及如何使用磁场定向控制在不同速度下控制永磁同步电机。在本视频中,我们将重点介绍空间矢量调制,这是FOC算法的最后一步,该算法生成所需的三相电压,以期望的速度驱动电机。在搜索此主题时,您可能会遇到不同的首字母缩略词,如空间矢量调制的SVM、空间矢量脉宽调制的SVPWM和正弦脉宽调制的SPWM。这两个术语可以互换使用,但它们是相同的技术,而正弦PWM是一种稍微不同的方法,用于生成电机所需的三相电压。SVM比SPWM有一些优势,因为它更有效地利用了直流电源电压,并为电机产生了更高的电压输出,我们将在视频后面讨论。
上一次,我们解释了如何使用Clarke和Park变换来计算Id和Iq电流,并使用PI控制器将其控制在期望值。这个控制图帮助我们从概念上解释FOC的不同组件以及它们是如何工作的。但是我们实现这个算法的方式略有不同,看起来是这样的。让我们首先谈谈我们试图通过空间矢量调制实现的目标。我们的目标是产生驱动永磁同步电动机所需的三相电压。我们产生三相电压的方法是使用三相逆变器,它的输入是恒定的直流电压。为了正确地将直流电源转换为交流电源,我们需要控制逆变器开关的开关状态及其开关顺序。这就是空间矢量脉宽调制发挥作用的地方。它获取由逆驻车变换产生的参考电压,并生成将发送到微控制器上的PWM驱动器的占空比。PWM驱动器向三相逆变器输出所需的脉宽调制信号,然后逆变器向电机产生所需的三相电压。请注意,空间矢量调制消除了使用克拉克逆变换。
如果您想使用MATLAB和Simulink设计和模拟FOC算法,可以使用不同的选项来实现空间矢量调制。一个选项是使用Simscape 金宝appElectrical中提供的PWM发生器块。在块参数中,您可以选择PWM生成技术:正弦或空间矢量PWM。该模块获取三相参考电压和直流链路电压,并生成两个输出;第一个是控制逆变器开关的脉冲,第二个是调制波形。根据连接到PWM发生器的逆变器,可以使用其中一个输出。例如,对于高保真仿真,y您可以使用需要调制波形的平均值反相器块。或者,您可以使用三相反相器来模拟反相器中的开关效应,并需要开关控制脉冲作为输入。
如果要从电机控制算法生成代码并将其部署到嵌入式硬件,可以使用电机控制块集提供的空间向量生成器块实现空间向量调制。该模块采用逆park变换产生的参考电压,并生成调制的三相电压。有关使用MATLAB和Simulink的SVM的更多信息,请查看视频下面提供的链接。金宝app
你们会记得之前的视频,在FOC中,我们感兴趣的是创建一个与转子场正交的连续旋转的定子场向量。为了解释空间矢量调制背后的概念,我们将把重点放在一个静态的,如红色所示的场矢量上,而不是旋转场矢量。如前所述,三相逆变器开关的通断状态决定了电机的输出电压。为了清楚地看到这些开关状态,我们将使用矩形表示三相逆变器的开关。红色表示开关关闭,白色表示开关打开。现在对于我们想要沿0度形成的空间向量,开关结构看起来是这样的沿着a相有一个正的电压沿着B和c相有一个负的电压,如果我们画一个简化版本的电路,我们可以看到a相到中性点的电压是直流电源电压的2/3,而B相和C相到中性点的电压是直流电源电压的-1/3。这是我们如何用空间矢量图上的电压矢量来表示这些电压。对于正电压,空间矢量是正相位方向,而负电压矢量则指向相反的相位方向。把这三个向量加起来就得到了沿0°方向的空间向量,我们称之为V1。 The states for this space vector are shown here; it is [100]. At each time, only one of the two switches along each inverter leg is closed giving us 8 different switching combinations. Six of them lead to these voltage vectors on the space vector diagram, each 60 degrees apart. These are also referred to as basic vectors. And the remaining two configurations give us zero or null vectors, which occur when either all the upper or all the lower switches are closed simultaneously. Since in this case, no current is flowing through the phases, no voltage is generated, and the resulting space vectors are null vectors shown on the origin.
现在我们知道如何控制三相逆变器的开关,以在这里显示的角度创建空间电压矢量。但我们真正感兴趣的是生成任意角度任意大小的空间向量。这将使我们创建一个任意大小的连续旋转的电压矢量。这可以通过PWM实现。在之前的一个视频中,我们讨论了PWM的平均效应。通过在两个高频率电压电平之间切换,我们能够得到一个平均输出电压。同样,空间矢量也可以使用PWM进行平均。这个空间向量的角度是通过在两个相邻的基本向量之间切换来控制的,其大小是通过在基本向量和零向量之间切换来控制的。
为了更好地理解空间矢量PWM的工作原理,我们将使用此动画。洋红色矢量是我们正在创建的电压矢量,我们将其称为参考矢量。我们生成此参考矢量的方法是在两个相邻的基本矢量之间切换,以红色显示。为了更好地理解我们的意思,让我们让我们放慢动画的速度,关注每个扇区中发生的事情。这里我们要创建的电压向量就是这个扇区。首先,我们找到与该扇区相关的基本向量,在本例中是V1和V2,然后在这两个向量之间切换以合成参考向量。这是空间向量pul背后的基本思想se宽度调制。如果参考向量在另一个扇区中,我们仍然遵循相同的逻辑,根据该扇区选择基本向量,并在它们之间交替以平均参考向量。如果仔细观察,您可能已经注意到,在某些情况下,我们根本看不到任何基本向量,比如这个或那个这一个。为了理解在这段时间内发生了什么,让我们看看逆变器开关的状态是如何变化的。这个动画显示,当没有基本向量时,我们实际上处于空状态。因此,开关模式不仅包括基本向量,在本例中为V3和V4,还包括ude表示零向量V0和V7。这两个零向量都会导致电机端子上的零电压。那么,我们在切换模式中使用哪一个真的很重要吗?答案是肯定的;这很重要,原因如下。让我们先关注一下切换模式。当我们从零向量V0转换到V3时,我们只改变swi的状态当我们保持其余开关处于相同状态时,沿相位B切换。当我们从V3转换回V0时,情况也是如此。但是,如果在此转换期间使用另一个零向量,则需要沿相位A和相位C更改开关的状态。这将导致逆变器中更大的开关损耗。Sim同样,对于需要在V4和其中一个零向量之间转换的开关模式的这一部分,我们选择V7,因为该配置减少了逆变器中的开关损耗。
现在我们已经理解了零向量的选择,让我们从不同的角度看问题。这个动画展示了空间矢量调制的另一种可视化方法。在左边,它显示了我们在A、B和C阶段的高边开关在每个扇区的累计时间。让我们暂停一下,试着解释一下我们所看到的。正如我们之前讨论的,对于我们的参考向量所在的扇区,切换序列看起来像这样,它包括这些状态。将它们垂直排列有助于我们了解不同电压矢量之间的共同开关模式。我们立即注意到,大部分时间花在B相高状态,因为它在7个电压向量中的5个重复。接下来是相位C,最后是相位A,只有由于零向量V7才会开启。如果我们现在播放动画,我们将能够确认花在BH或B高的时间最多,然后是CH,最后是AH,我们花费的时间最少,这只是由于零向量V7。对于其他部门,你可以做一个类似的练习,就像我们在这里做的那样,来估计不同阶段的累计启动时间。
让我们回到之前的动画。你可能注意到的另一件重要的事情是我们在每个向量上花费的时间是不同的。如果我们想要创建的参考向量更接近于其中一个相邻的向量,那么我们就会在这个向量上花费更多的时间。如果参考向量恰好在两个相邻向量的中间,那么我们在每个向量上花费的时间相等。让我们启动动画并监控V1和V2的时间持续时间。现在,参考向量更接近V1,所以我们花在V1上的时间比V2多。当参考向量经过30度后,它变得更接近V2,所以我们花更多的时间在V2上。类似地,让我们看看零状态的持续时间对平均电压矢量有什么影响。零矢量的持续时间影响电压矢量的大小。让我们比较一下这两个动画。 For a voltage vector that is larger in magnitude, we spend less time in the null state; however, if we increase the duration of the null state, then we end up with a voltage vector that is smaller in magnitude.
最后,我们将讨论空间矢量调制与我们之前提到的正弦PWM技术的区别。这里的动画展示了空间矢量PWM和正弦PWM是如何工作的。它们的工作原理非常相似。在切换时间上只有细微的差别。尽管这种差异很小,但却显著影响了这些不同技术产生的信号。空间矢量PWM产生的调制波形具有双驼峰特性,而在正弦PWM中它们看起来像正弦波。
这两种技术都产生正弦三相电压,但空间矢量PWM中调制波形的形状使我们能够充分利用直流电源电压。这里,直流电源电压为1伏。如果我们仔细观察电压输出,我们将看到空间矢量PWM使用100%的源电压,而在正弦PWM中,总线利用率为86.6%,导致三相电压振幅小于1伏。
让我们总结一下我们在这段视频中看到的内容。我们已经介绍了基本矢量和零矢量,以及如何在它们之间交替,以合成具有一定角度和大小的电压矢量。我们已经讨论了选择零矢量以最小化逆变器中的开关损耗。最后,我们展示了空间矢量PWM使总线利用率比正弦PWM提高了13.3%。有关空间矢量调制的更多信息,请查看视频下方的链接。
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