多相异步电机SVPWM控制技术研究

摘要：多相异步电机调速系统具有诸多优势，如可用低压功率器件实现大功率调速、具有多相冗余结构使调速系统的可靠性更强，转矩脉动小等等，已在一些特殊场合得到成功应用。然而，作为一种新技术，在用多相异步电机替代三相异步电机时，还存在许多问题需要研究和解决。本文以五相异步电机调速系统为研究对象，分析了五相系统中的SVPWM调制技术，并把它应用在五相异步电机模型中。

关键词：多相异步电机 空间矢量脉宽调制（SVPWM）

0 引言

空间矢量脉宽调制（SVPWM）依据“伏秒等效”原则，利用6个非零电压矢量和2个零矢量来合成每个扇区内的任意电压矢量。它把逆变器和电机作为一个整体来进行考虑，主要目的是让电机的磁通能近似成一个幅值恒定的圆，也就是按正弦规律变化的磁通，其手段主要就是通过逆变器中的开关模式，从而产生出相应的磁通，让其能近似成一个幅值恒定的圆，这样做最直观的好处就是能使电机的转矩脉动减少，从而让电机的性能提高。由于上述好处，SVPWM控制方法在开环和闭环系统中都有着广泛的应用。

五相逆变器拓扑结构

图1 五相逆变器拓扑结构

观察图1，每一个桥臂上有两个开关元器件，为了不让电源侧短路，每一个桥臂的两个开关不能同时闭合，在这里我们定义上桥臂导通，下桥臂打开为1，下桥臂导通，上桥臂关断为0，这里我们可以得到一共32种开关状态，不同的开关状态将会产生不同的输出效果，下面我们将进行具体分析。

1 五相空间矢量分析

图2 五相电压矢量图

如图2，五相输出电压向量如图所示，而当不同的开关状态时，输出的电压也不定，如当开关状态是 时

（1）

按照这种规律我们容易得出，在不同开关状态下的所有合成向量表示：

（2）

其中我们为了表示方便设

，那么我们得到 ， 为开关函数，

当开关函数为 和 时合成矢量为零，我们把这两个矢量叫做零矢量，其他的向量组成了如图3的一个多边形。依据上面的描述，我们可以得到表格1：

图3五相电压空间矢量图

2 五相系统的SVPWM调制技术

空间矢量调制是把逆变器的一个工作周期分成10个扇区，每个扇区相当于一拍，为了使得电动机旋转磁场能近似一个圆形，我们可以再在扇区里继续分若干个小区间，区间越短磁场轨迹越接近于圆形，但此时的开关频率也会加大。

在多相系统调制中，我们一般都采用PWM法，就是通过一系列脉冲信号来等效成我们所需要的正弦波，脉冲信号的产生来自于开关状态，随着相数的增多开关次数会明显增多，为了减少开关通断所带来的开关损耗，我们尽量在相近两次开关更迭时只存在一次开关变化，具体的开关态图见图4

图4在Ro扇区开关导通状态

我们发现，如此选择的开关变化规律，其导通的向量都集中在Ro扇区，并且有效的减少了开关次数，在这里，我们只要适当的选择时间段，就可以通过矢量合成，得到我们所期望的矢量。

根据对称性，我们只要分析 时间段内的情况，其中 为PWM周期。

依据空间矢量调制的原理，以Ro扇区为例，我们把这个扇区划分为很多份，每一份在时间上占一个PWM周期，在这个周期里面，我们如图4对其再进行划分，其中划出的每一小段时间对应一个开关状态，也即对应一个矢量。由于PWM周期很小，所以我们可以认为在这段时间内输出的电压是恒定的。

下面我们再来讨论，各个时间段的电压矢量在空间上的关系。依据电机原理 ，也就是 ，我们注意到电压和一个很短时间量的乘积为一个磁链在这段时间内的增量，我们还注意到磁链在空间上的一个增量是和相应的这个电压同相位的。我们在这里利用SVPWM技术控制电机，而我们希望的控制效果是，能使电机中 的轨迹近似成一个圆。在Ro扇区中，如图5：

图5 电压和磁链的空间关系图

（3）

我们容易发现

（4）

也即

（5）

所以实际上在一个PWM周期里面我们只要能得出每段时间的一个表达式，我们就不难合成出我们所期望的一个输出电压。

从这里我们看到，把时间分的越细，其磁链的轨迹就越接近一个扇形，也就越达到调制的目的。

但是当其分的越细，我们所需要的开关次数就会增大，这就对逆变器中的开关器件的选择，以及我们的控制方法的改进提出了一个要求。图5所示的是一种最小开关次数的调制方法，也就是每次开关状态变化时，只需要改变一个开关的状态。依据这个思想，我们把这种在其他扇区内的开关通关顺序用下表表示。

表2 各扇区开关通断顺序表

下面我们来计算每一段的开关时间量，如图6所示

图6 Ro扇区电压矢量合成图

我们可以得到t的表达式：

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

其中 为调制系数， 为比例系数， 为输出电压向量和参考向量的夹角

（11）

（12）

（13）

得出

（14）

（15）

（16）

（17）

（18）

很显然调制比M必须满足如下关系

（19）

（20）

3 结论

通过上面的推导和描述，我们认识到，利用SVPWM技术对电机控制有更好的意义，而且这种技术在实现上也并不复杂，同样也用到了PWM的一些基本特性，其输出电压对电机磁链有着更好的调制作用。

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