SVPWM过调制技术在同步电机控制系统中的应用(审稿后修改)

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划（2013KTCQ01-20）

作者简介：卫丽超 女，1991年生，硕士研究生，研究方向为电机与电机控制； 刘景林 男，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为电机及其控制 SVPWM 过调制技术在同步电机

控制系统中的应用

卫丽超，刘景林，鲁家栋，杨奔

(西北工业大学自动化学院，西安，710129)

摘要：空间电压脉宽调制（SVPWM ）技术在永磁同步电机(PMSM)矢量控制中已经得到了广泛的应用，但当逆变器输出电压达到最大值时，电机转速便受到限制，此时逆变器输出电压没有达到母线电压的最大值，所以电压利用率较低。SVPWM 过调制技术可以在母线电压不变的情况下增大逆变器输出电压，提高母线电压的利用率，进而提高电机的最高转速和负载转矩。本文介绍了一种SVPWM 过调制方法，该方法模型简单，易于编程，并通过仿真和实验验证了其正确性，在工程应用中具有较好的应用价值。 关键词：永磁同步电机; 空间电压脉宽调制; 过调制 中图分类号：TM341；TM351 文献标志码:A

Application of SVPWM Overmodulation Technique in the PMSM Control System

Wei lichao ，Liu jinglin ，Lu jiadong ，Yang ben

(School of Automation Northwestern Polytechnical University Xi’an 710129 China)

Abstra ct ：SVPWM technology has been widely used in permanent magnet synchronous motor (PMSM) vector control system. But the motor speed is limited when the inverter output voltage get maximum. And the bus voltage utilization ratio is low because the inverter output voltage has not reached the maximum of bus voltage. SVPWM Over modulation technology can increase the inverter output voltage when the bus voltage remains the same. It will be improve the utilization rate of bus voltage. And also improve the speed and load torque of the PMSM. This paper introduces a kind of SVPWM overmodulation method. It is simple modeling and easy to programming. And the method is verified by simulation and experiment. It has good value in engineering application. Key words ：PMSM; SVPWM; Overmodulation

0引言

永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠，具有高功率因数和高效率的特点，广泛应用于航空航天、数控机床、工业机器人和制造业等高性能自动化设备领域中[1]。

空间电压矢量脉宽调制（SVPWM ）控制技术使得同步电机转矩脉动小、调速范围宽、动态响应快。但是逆变器输出电压随着电机转速的升高达到最大时，电机相电流不

能再增大，此时合成电压矢量幅值U ∗=U dc /√3，U dc 为逆变器直流侧母线电压

[1~3]。SVPWM 过调制技术可以提高母线电压的利用率，提高逆变器的输出电压，从而提高电机的最高转速和负载转矩，在机床加工行业中，可以显著地提升加工速度，具有广泛的应用前景和显著的经济效益。

本文给出了一种SVPWM 过调制策略，在Matlab/Simulink 中搭建模型，仿真及实验结果验证了本文的正确性。

1 SVPWM 原理及过调制算法的实现

SVPWM 调制分为线性调制区域和过调制区域。SVPWM 根据伏秒平衡原则，通过在一个PWM 周期内对8个基本电压矢量组合，使逆变器输出电压的平均值与给定电压矢量相等[4~7]。电压调制的控制指令是矢量控制系统给出的参考矢量信号U ∗，它以某一角频率在空间逆时针旋转，当旋转到矢量图的某个60°扇区中时，控制系统计算该区间所需的基本电压空间矢量，并以此矢量所对应的状态驱动功率管的开关。

在SVPWM 线性调制模式下，逆变器能够输出的最大不失真圆形旋转电压矢量为图1所示六边形内切圆，其幅值即逆变器输出的不失真最大正弦相电压幅值为U ∗=U dc /√3。

U

图1 SVPWM 电压矢量图

当参考电压矢量U ∗

60

U θ

图2 电压空间矢量合成原理图

{

U α=|U ∗|cosθ=T 4T |U 4|+T 6T |U 6|cos

π

3U β=|U ∗|sinθ=T 6

T |U 6|sin

π3

(1)

所以：

{

T 4=√3T U dc (√32U α−12U β

)T 6=

√3T

U dc U β (2)

SVPWM 线性调制首先需要判断合成

电压矢量U ∗处于六边形内哪一个扇区，然后根据式（2）计算U ∗相邻两个矢量的作用时间。当零电压矢量作用时间为零时，一个PWM 周期T 内非零电压矢量的作用时间最长，此时的合成空间电压矢量幅值最大。由图1可知其幅值最大不会超过图中所示的六边形边界。当合成矢量落在该边界之外时,将发生过调制。

SVPWM 过调制策略主要有两种：电压相位跟随方法和电压幅值跟随方法[4,5]。相位跟随方式是使输出电压相位与参考电压一致，这种方案谐波比较小，但由于其幅值存在一定偏差，不能实现母线电压的最大化利用。幅值跟随方式则是使电压矢量的相位与参考值有偏差，保持幅值上的最大化输出，其谐波会有所增加。

根据参考电压矢量U ∗的幅值将SVPWM 过调制分为两个区域，当U dc /√3

1.1 SVPWM 过调制Ⅰ区算法

SVPWM 过调制Ⅰ区算法为相位跟随算法，如图3所示，当合成参考电压矢量U dc /√3

60

4

图3 过调制Ⅰ区矢量调制原理图