基于SVPWM电机控制系统中电流环的设计

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基于空间矢量控制(SVPWM)技术的三相电压型整流器设计

基于空间矢量控制（SVPWM）技术的三相电压型整流器设计作者：佚名来源：本站整理发布时间：2010-9-9 10:54:01 [收藏] [评论]传统的变压整流器和非线性负载的大量使用使电网中电流谐波含量较高，对飞机供电系统和供电质量造成很大影响。

消除电网谐波污染、提高整流器的功率因数是电力电子领域研究的热点。

空间矢量PWM(SVPWM)控制具有直流侧电压利用率高、动态响应快和易于数字化实现的特点。

本文采用空间矢量技术对三相电压型整流器进行研究，使其网侧电压与电流同相位，从而实现高功率因数整流。

1 空间矢量控制技术SVPWM控制技术通过控制不同开关状态的组合，将空间电压矢量V控制为按设定的参数做圆形旋转。

对任意给定的空间电压矢量V均可由这8条空间矢量来合成，如图1所示。

任意扇形区域的电压矢量V均可由组成这个区域的2个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

这几个矢量的作用时间可以一次施加，也可以在一个采样周期内分多次施加。

也就是说，SVPWM通过控制各个基本空间电压矢量的作用时间，最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转。

主电路功率开关管的开关频率越高，就越逼近圆形旋转磁场。

为了减少开关次数，降低开关损耗，对于三相VSR某一给定的空间电压矢量，采用图2所示的合成方法。

在扇区I中相应开关函数如图3所示。

零矢量均匀地分布在矢量的起、终点上，除零矢量外，由V1、V2、V4合成，且中点截出2个三角形。

一个开关周期中，VSR上桥臂功率开关管共开关4次，由于开关函数波形对称，谐波主要集中在整数倍的开关频率上。

2 直接电流控制策略三相VSR的电流控制策略主要分为直接电流控制和间接电流控制。

直接电流控制采用网侧电流闭环控制，提高了网侧电流的动、静态性能，并增强电流控制系统的鲁棒性。

而在直接控制策略中固定开关频率的PWM电流控制因其算法简单、实现较为方便，得到了较好应用，在三相静止坐标系中，固定开关频率的PWM电流控制电流内环的稳态电流指令是一个正弦波信号，其电流指令的幅值信号来源于直流电压调节器的输出，频率和相位信号来源于电网;PI电流调节器不能实现电流无静差控制，且对有功电流和无功电流的独立控制很难实现。

基于FPGA的SVPWM算法的实现

基于FPGA的SVPWM算法的实现基于FPGA的SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）算法的实现是一种用于驱动三相交流电机的技术。

在这种方法中，通过控制电机的电压向量的位置和尺寸来实现对电机的精确控制。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以根据用户的需求重新编程以实现特定的功能。

在FPGA上实现SVPWM算法有以下几个关键步骤：1.电压向量生成：SVPWM算法通过构造一个六段可调节电压波形，使其在不同时间点上可以形成不同电压向量的组合。

每个电压向量由两个电压矢量之间的比例组成。

在FPGA上，可以使用可编程逻辑来实现这个功能。

2.电流测量：为了实现电机的闭环控制，需要测量电机的电流。

通过使用电流传感器或其他测量方法（如电压降法或电流传感器），可以获取电机的电流值。

在FPGA上实现电流测量可以使用模数转换器（ADC）模块，将模拟信号转换为数字信号。

3.PI控制器：SVPWM算法中使用PI控制器来控制电压向量的位置和尺寸，以达到所需的电机运行状态。

PI控制器根据电机的误差信号来调整电压向量的输出。

在FPGA上，可以使用可编程逻辑来实现PI控制器的功能。

4.PWM产生：在SVPWM算法中，需要通过调制信号产生脉冲宽度调制（PWM）信号，以控制电机的转矩和速度。

在FPGA上，可以使用特定的计数器来生成PWM信号。

这可以通过编程FPGA来实现。

5.输出驱动器：最后，FPGA需要输出PWM信号来驱动电机。

可以使用外部电路或FPGA的IO引脚来连接到电机的驱动器。

驱动器可以将逻辑电平的PWM信号转换为适合电机的电压和电流信号。

在FPGA上实现SVPWM算法可以提供高度可配置和灵活的控制方式，并且可以实现高效的电机控制。

通过使用FPGA，可以根据实际需求对电机的控制算法进行调整和优化，实现更好的性能和效率。

此外，FPGA还具有可编程性和可重复使用性的优势，可以适应不同的电机类型和控制需求。

基于SVPWM的永磁同步电机控制

正弦波永磁同步电机，其电压和磁链方程是一组带有周期性变系数的微分方程，微分方程的系数是随着转子位置的变化而变化的周期函数，属于一种非线性、多变量、强耦合的系统。
因此通过坐标变换将电机方程转换为一系列的常系数微分方程，以简化分析便于研究。
01 永磁同步电机及其矢量控制系统
1.2 永磁同步电机的数学模型
2.1 SVPWM基本理论
SVPWM技术,也称作磁通正弦PWM技术,其调制波相当于在原正弦波的基础上叠加了一个三次谐波。其主要思路是从电机的角度出发,采用整流器空间电压矢量的切换以获得幅值恒定的准圆形旋转磁场,从而在不高的开关频率（1-3kHz）条件下,使交流电动机获得了较控制更好的性能。
基于SVPWM的三相整流器控制具有如下优点：（1）三相直流电压利用率提高了15.47%,由于直流电压利用率的提高,在相同直流电压条件下,可以提高三相SWPWM整流器网侧电压的设计,相对减少了三相整流器网侧电流,降低了整流器网侧及功率开关管导通损耗,提高了整流器的运行效率；（2）相同的波形品质条件下,SVPWM控制具有较低的开关频率,且平均降低约30%,有效降低了功率开关管的开关损耗：（3）SVPWM控制具有更好的动态性能、更易于数字化实现。因而,SVPWM控制具有很好的研究价值。
N 5 N 4
N 1
通过计算： N=4*C+2*B+A
N 6
N 3 N 2
02 SVPWM控制技术
2.2 SVPWM的算法实现
第二步：计算电压矢量作用时间Tx，Ty，T0：根据扇区I电压矢量合成的过程，则每个矢量的作用
时间可以通过Uα和Uβ计算得到：
引人三个变量X，Y，Z，计算方法为：
U
T1 T

基于SVPWM的PMSM矢量控制伺服系统研究

１交流伺服系给数学模型．２由于ＰＭ具有多变量、强耦合及非线性等ＭＳ
特点，为了获得高动态性能，ＰＭ交流伺服控制ＭＳ系统采用矢量控制，即通过坐标变换，把ＰＭＭＳ等效为直流电动机。在坐标变换过程中，应保证变
０引言
随着计算机技术及控制理论的发展，数控系
统广泛的应用于数控机床、玻璃深加工设备及机器人等领域。伺服系统是数控系统的重要组成部分，接受来自ＣＮＣ的指令信息，控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量，以加工出符合要求的零件 …。伺服系统的动态响应和伺服精度是影响数控
标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，
从而形成ＰＷＭ波，以所形成的实际磁链矢量来追
踪其准确磁链圆。由于ＳＷＭ方法将逆变系统ＶＰ
和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，
也便于微处理器的实时控制，而且电流谐波分量、谐波转矩也减少，电机的转矩脉动得到抑制，而且与ＳＷＭ技术相比直流利用率有很大提高，并Ｐ
此数控系统的速度和精度等技术指标，很大程度上由伺服系统的性能所决定。伺服系统性能，主要体现在稳态跟踪误差、动态响应的精确性和快速性及
控制功率管通断时间。ＰＭ伺服进给系统要求电流环具有输出电ＭＳ流谐波分量小、响应速度快等性能，因此，ＰＭＭＳ

有源电力滤波器不定频滞环SVPWM电流控制方法

ＬＵＦｅｎｇ，ＴＩＡＮＭｉｎｇ — ｘｉｎｇ，ＺＨＵＱｉａｎｇ — ｈｕａ２
（１．ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｃｕｔｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
第４８卷第１期
２０１４年１月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．４８，Ｎｏ．１

Ｊａｎｕａｒｙ２０１４
有源电力滤波器不定频滞环ＳＶＰＷＭ电流控制方法
卢锋，田铭兴，朱强化
ｐｏｓｅｄ．ＴｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｓｈｅｔｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｗｉｔｈＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅｂｅｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｏｆｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｕｓｉｎｇｈｅｔｓｐａｃｅｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｃｕｒｒｅｎｔｅｒｒｏｒｖｅｃｔｏｒａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒ，ａｎｄｔｈｅｎｃｏｎｔｒｏｌｓｈｅｔｃｕｒｒｅｎｔｅｒｒＤｒｗｉｔｈｉｎａｇｉｖｅｎｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｗｉｄｔｈ．Ｖｏｌｔａｇｅｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｔｏｅｌｉｍｉ — ｎａｔｅｈｅｔｐｈａｓｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｉｔｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｓｉｍｐｌｙｗｉｈｏｔｕｔｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｖｅｃｔｏｒｔｒａｎｓｆｏｍ．ｒＤｕｉｒｎｇｔｈｅｔｉｍｅｏｆａｅ — ｑｕｉｒｉｎｇｆａｓｔｃｕｒｅｎｔｅｓｒｐｏｎｓｅ，ｉｔｄｅｂａｓｅｓｈｅｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｅｎｈａｎｃｅｓｈｅｔｒｕｎｎｉｎｇｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｖｅｉｒｆｙｈｅｔｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｈｅｔｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｉｆｌｔｅｒ；ｉｎｄｅｔｅｍｉｒｎａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ；ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

基于SVPWM永磁同步电机控制系统的建模与仿真

控制原理。

理论便可得到路 q轴下 PMsM数学模型。
电压平衡方程:
仇二心 p化一汽尺 + 衅
式中， p为微分算子; R:为电枢绕组电阻( 。) :
U。凡 +夕 = 几几+衅礼
( 1)
补翁罪迎
位宜与庄公砚翻
僻为子速 (r 眺); 化、确 q轴链。转角度a 九为磁
. 2 2 PMSM 矢量控制系统
( 1) 矢量控制原理矢量控制技术可以实现交流电动机产生转矩
和产生磁通的电流分量之间的解祸控制，使交流电
入嘛、谕。后相电检电检然由流测路测到礼、 . 0 1 经标换到、，、分与坐变得与 i 将与与别它 v ，们的参考给定愉、瑞进较这里控制、行比嗬 =0 通个电 I 调器到，过两流P 节得理想的控
文在分析PMSM数学模型的基础上，借助Ma a 强 l t b
大的真模能在 m n 中立了于仿建力，影 u k 建基 i l
SVPw M的PMSM控制系统的仿真模型，并进行了仿真实验，为PMSM伺服控制系统的分析与设计提供了有效理论依据。
目 PMsM的矢量控制己前，被证明是一种高性能的控制策略.1 ，但系统结构、具体实现方案还需 ] 进一步研究。脉宽调制技术以正弦脉宽 ( SPWM)
者提出了空间电压矢量脉宽调制 ( SVPWM) 方法，它具有线性范围宽，高次谐波少，易于数字实现等优点，在新型的驱动器中得到了普遍应用。仿真和建模是各工程领域分析、设计各种复杂系统的有利工具，因此，如何建立有效的Ph1SM控制系统的仿

异步电机SVPWM控制系统设计

异步电机SVPWM控制系统设计摘要：介绍了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的基本原理，详细阐述了在仿真软件MATLAB/SIMULINK环境下实现SVPWM的方法，最后给出了仿真实验结果。

关键词：SVPWM SIMULINK MATLAB 仿真大规模集成电路和计算机控制技术在20世纪70年代后迅速发展，现代控制理论也大规模应用。

变频调速在交流调速技术中占有绝对优势，再加上变频调速在不断完善的调速性能和可靠性的同时不断降价，以及过程自动化实现简单节电效果显著的优点使得变频调速在工业行业深受喜爱。

近年来，空间电压矢量调制SVPWM 技术迅速发展，是一种新颖的控制方法，它一种由三相功率逆变器的六个功率开关构成的特殊开关模式，可以产生一种特定的能够使输出电流的波形尽量类似于理想正弦波的脉宽调制波。

由三相输出电压发出的空间电压矢量PWM不同于传统的正弦PWM，主要目的是怎样使得到整体效果更接近于理想圆形磁链轨迹。

比较SPWM，SVPWM技术绕组电流波形较小的谐波成分，会降低电机转矩脉动，更接近圆形旋转磁场，这样会提高直流母线电压的利用率，更方便数字化的实现。

1 SVPWM控制方法的基本原理原理SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 波形。

2 基于DSP的SVPWM交流调速系统的硬件实现异步电机矢量控制系统使用的是交—直—交电压型逆变电路，其中整流电路，逆变电路和智能功率模块IPM构成的逆变电路构成了主回路。

基于永磁同步电机的电流滞环控制和SVPWM控制的研究分析

基于永磁同步电机的电流滞环控制和SVPWM控制的研究分
析
张继勇;杨茂朕;马一鸣;王凯;嵇仁君;许根柱
【期刊名称】《电器工业》
【年(卷),期】2022()6
【摘要】永磁同步电机(PMSM)因其结构及工作效率的优势受到广泛关注,对永磁同步电机的工作特点进行分析,说明电流滞环控制以及空间矢量控制技术(SVPWM)的控制原理。

使用Matlab/Simulink软件以上述两种控制方式对永磁同步电机的仿真结果进行分析研究,实验证明:在SVPWM控制方式下的永磁同步电机的稳定性更高、响应速度更快。

为工程应用中的控制方式给出了相关的原理参考。

【总页数】5页(P27-30)
【作者】张继勇;杨茂朕;马一鸣;王凯;嵇仁君;许根柱
【作者单位】扬州大学电气与能源动力工程学院;南京地铁运营有限责任公司【正文语种】中文
【中图分类】TM4
【相关文献】
1.基于电流控制环的参数自适应永磁同步电机研究
2.永磁同步电动机SVPWM和电流滞环控制仿真分析
3.基于simulink的永磁同步电机的SVPWM控制和电流滞环控制
4.基于AMESim同步电机滞环电流控制策略仿真研究
5.基于永磁直线电机的SVPWM滞环电流整流控制
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基于SVPWM电机控制系统中电流环的设计
摘要：介绍了SVPWM机理，设计了伺服电机的电流环控制的软硬件方案，对电流环伺服控制策略进行了研究，分析了电流采样原理，并对电机驱动中逆变器的死区补偿问题做了一些探讨，最后详细介绍了电流环中断的软件实现方法。

关键词：空间矢量脉宽调制; 逆变器; 死区补偿
Design of Current Loop for Motors Control System Based on SVPWM SUN Jie , LUAN Zhong-quan
Abstract : Introduce the SVPWM, design the software and hardware sche me of current loop in servo motor, study the control strategy, analyze the cu rrent sampling, and do some research to keep the force ripple of load moto r and compensate death-time in motor inverter. At last, the software realizati on plan about current loop interruption was focused on.
Key words : space vector pulse width modulation （SVPWM） ; inverter ; d ead-time compensation
0 引言
近十几年来，DSP控制器广泛应用于电机控制中。

TI公司的TMS320F2 812 DSP具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路。

它的事件管理器（EV）含有硬件SVPWM产生电路。

产生SVPWM具有硬件结构简单, 控制精度高, 实时性强, 软件编程容易等优点。

电机控制策略主要采用三闭环控制，位置环、速度环和电流环。

他们的主要的作用是使误差越来越少,使控制精度更高更准确更迅速并实现自动控制。

其中电流控制环是一个内环, SV PWM控制算法的实现主要集中在电流环上。

在一个电流环周期内需完成反馈电流的采样、电压死区补偿和输出电压等运算。

它的性能指标好坏, 特别是动态特性, 将全面影响速度环和位置环, 从而影响整个伺服系统。

1 SVPWM与电机的电流环控制
在电机变频调速中，脉宽调制技术已经得到了广泛的应用。

而空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法与经典的脉宽调制方法相比，具有直流电压利用率高、控制简单、损耗较小、便于数字化方案实现等优点，广泛应用在电机控制中。

1.1 SVPWM机理
空间矢量PWM 指的是三相功率逆变器中的六个功率管的一种特殊的开关方式。

空间矢量PWM 方法的实质就是利用六个功率管
的八种开关组合方式给出电机的供电电压向量。

通过α -β坐标变换,把8种状态组合对应的相电压映射到α-β坐标平面,即将（ a, b, c） 3个向量垂直映射到一个二维坐标（α-β坐标） , 这样就可以得到6个非零向量和2个零向量. 6个非零向量构成一个六边形, 相邻向量之间的夹角为60°, 2个零向量处于原点,如图1所示.
图1 α、β坐标系中基本电压空间矢量图
通过检测电机相电流的方向和大小，可以计算得到Uout的两个分量。

根据这两个分量的大小和所处的扇形区间，得到Ux作用的时间，写入DSP281 2的事件管理器（EV）的比较寄存器中，通过EV来实现PWM波的生成。

1.2 DSP2812电流环控制结构
电流环结构如下图所示：
Ia+Ib+Ic=0，因此，只要检测其中的两路电流即可。

电机相电流值由霍尔传感器检测，检测信号Iu经过运算放大器进行I-U转换后输出。

SVPWM硬件结构图如图3所示:
图2电流环控制结构图
电流环的控制算法采用PI，SVPWM（Space Vector PWM）。

PI为经典的比例积分控制，SVPWM控制技术可明显减少逆变器输出电流的谐波成分，减小脉动转矩，特别易于数字化实现，在电机控制领域得到广泛应用。

电流环控制结构图如图2所示，经过clarke变换、pake变换、逆Clarke 变换，作用于逆变器产生正弦波形。

2 电流采样
对于数字化伺服电机控制系统来说，电流采样的精度和实时性在很大程度上决定了系统的动、静态性能。

因此，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要条件，也是实现高性能闭环控制系统的关键。

因为本文研究的是三相平衡系统，即
图3 SVPWM硬件结构图
为减少电流信号高次谐实现高性能闭环控制，除了要设计合适的电流环控制器，还要尽量减少电流反馈值中的高次谐波成分，电流采样传感器可以在安装在每组IGBT桥臂的底部。

在一个PWM周期中，对电流进行采样的时间选在PWM波各开关周期的起点或中点时刻，能够获得谐波成分相对较少的基波电流值，有利于实现高精度的电流闭环控制。

3 DSP2812的死区补偿
在电压型脉宽调制（ PWM）逆变电路中,为避免同一桥臂上的开关器件的直通,必须插入死区时间。

然而，死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素。

对于电机驱动系统而言,死区效应会使得电机低速时的电压及电流发生严重畸变,引起转矩脉动和谐波，因此对逆变器的死区必须进行补偿。

常用死区补偿法方法有两种: 硬件补偿和软件补偿。

硬件补偿法需要增加额外的硬件电路,通过输出实际电压和电压参考值的比较得到所需要的补偿电压信号。

软件补偿法是采用纯软件的方法,在电机的控制程序中加入死区补偿的算法。

这类补偿算法也可以称之为死区时间补偿法。

在TMS320LF 2812中，死区补偿脉宽可以通过修改事件管理器EV中的CMPR1、CMPR2来实现。

4 软件实现
带有死区补偿的电流环控制程序流程图4所示
图4带死区补偿的电流环软件流程图
从主程序中进入电流环定时中断的语句：PieVectTable.T1PINT = &EvaT imer1P_ISR;
系统初始化函数void InitEv （void）,设置T1周期定为500us，T1的控制寄存器，比较使能，定时器使能，连续增减计数模式，设置pwm输出135为高有效,246为低有效。

void InitEv（void）
｛……
EvaRegs.T1PR=0x0BEBB;
EvaRegs.T1CON.all=0x0842;
EvaRegs.T1CMPR = 0x3c00;
EvaRegs.ACTRA.all = 0x666; EvaRegs.T1CNT = 0x0000;
EvaRegs.DBTCONA.all=0x088f;
CONA = 0xA600;
……｝
clarke变换、pake变换、PI算法以及逆Clarke 变换以函数的形式出现，函数定义如下：
void clarke_calc（CLARKE＊ g_Ci）;
void park_calc（PARK＊ g_Pi）;
double PID_calc1（PID ＊g_pid, double ProcessPoint）;
double PID_calc2（PID ＊g_pid, double ProcessPoint）;
void ipark_calc（IPARK＊ g_Iv）;
void CALC_SECTOR（）;
void CALC_T1T2（）;
定时器1计数到设定的周期值，比较寄存器根据计算的时间值自动重新装载，使输出的PWM 波形占空比发生变化。

装载语句如下：
EvaRegs.CMPR1=T1+Td1;
EvaRegs.CMPR2=T1+T2+Td2;
EvaRegs.ACTRA.all&=0x0fff;
EvaRegs.ACTRA.all|=（SVDIR << 15） + （vector << 12）;
5 结束语
本文详细介绍了SVPWM 的软件实现方法，以TI 的DSP 芯片对SVPW M 实现了全数字控制, 并通过对电流采样和死区补偿算法的改进, 有效减少了电机死区时间的影响，消除了谐波, 同时提升了电流输出能力。

所设计的电流环具有更高的控制效率。

动态性能得到改善, 为交流伺服系统中速度控制和位置环控制, 打下了良好的基础。