不同空间矢量调制算法对比研究
不同空间矢量调制算法对比研究[20200419161333]
摘 要
脉冲宽度调制（PWM）技术如今已经广泛应用于电力电子技术中，并且不断朝着数字化的方向发展，所以传统的PWM法已经不能满足现代电力电子技术的发展需要。电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术是经过优化了的PWM控制技术，该方法算法简单且易于数字化实现，输出谐波少，提高了电压源逆变器直流供电电源的利用率。本文首先介绍了脉宽调制技术的发展现状,然后对电压空间矢量脉宽调制技术的发展概况、理论基础和三种不同的调制方式进行了详细的分析。接着运用MATLAB／SIMULINK建立SVPWM仿真模型，进行了零矢量分散、以零矢量0111为单一零矢量、以零矢量0000为单一零矢量的三种SVPWM调制方式仿真研究，得到三种输出波形；最后对SVPWM的波形及其谐波进行对比分析。
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关键字:电压空间矢量脉宽调制MATLAB
目 录
第一章 绪论 1
1.1脉宽调制(PWM)技术发展及应用 1
1.2电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展 2
1.3论文章节安排 2
第二章 SVPWM技术的理论基础 4
2.1电压空间矢量的基本原理 4
2.2三相逆变器的基本电压矢量 5
2.3电压空间矢量的合成 8
2.4本章小结 8
第三章 SVPWM算法分析 9
3.1判断参考电压矢量所在的扇区 9
3.2计算相邻两电压空问矢量的作用时间T1,T2，T0 9
3.3 三种不同的SVPWM调制算法 10
3.3.1零矢量分散的实现方法 11
3.3.2以 0111为单一零矢量的实现方法 12
3.3.3以0000为单一零矢量的实现方法 13
3.4计算A、B、C 三相相应的切换点时间Tc1、Tc2、Tc3 15
3.5本章小结 17
第四章 仿真模型建立 19
4.1 MATLAB及仿真工具SIMULlNK 19
4.2 SVPWM的SIMULINK仿真 20
4.2.1判断电压空间矢量所在扇区 20
4.2.2空间矢量作用时间T1、T2、T0仿真 21
4.2.3切换点时间的计算 22
4.2.4 PWM触发信号的仿真 26
4.3本章小结 27
第五章 算法对比分析 28
5.1输出SVPWM波形的对比分析 28
5.2谐波的对比分析 30
5.3 SVPWM与SPWM的波形分析 32
5.3本章小结 32
第六章 总结 33
参考文献 34
致谢 35
第一章 绪论
1.1脉宽调制(PWM)技术发展及应用
脉宽调制（PWM）技术的基本原理在很早之前就已经被提出，但在上世纪80年代以前,电力电子器件的发展水平还比较低下，所以一直未能实现。直至进入到上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅猛发展，脉宽调制技术才得到了真正的应用。由于脉宽调制技术对波形的调制具有很好的灵活性和通用性，所以在电力电子领域得到了广泛的应用，成为了电力变换器控制的基础。脉宽调制就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波，再对各脉冲的宽度进行调制，从而达到对逆变电路输出电压和输出频率的调制。脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制。当其应用于电动机时，可以大幅降低电动机功耗，且具有很强的抗噪性。正是由于以上原因，脉宽调制技术得到了很广泛的应用，经过多年的发展产生了了许多改进型的脉宽调制方法。主要有以下八种：
1. 相电压控制PWM
2. 线电压控制PWM
3. 电流控制PWM
4. 空间电压矢量控制PWM
5. 矢量控制PWM
6. 直接转矩控制PWM
7. 非线性控制PWM
8. 谐振软开关PWM
PWM控制技术在电力电子的许多领域都有应用，并极大的推动了电力电子技术的发展。以IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件给脉宽调制技术提供了强大的物质基础。到目前为止，脉宽调制技术已经在以下几个方面得到了较好的应用：
1.脉宽调制技术在直流载波电路中的应用。这是脉宽调制技术较早应用的电路，如果将其应用于电动机调速系统中就构成了直流脉宽调速系统。
2.脉宽调制技术在交流-交流变流电路中的应用。在这类电路中应用的代表就是斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路，其中矩阵式变频电路易实现集成化，发展前景良好。
3.脉宽调制技术在逆变电路PWM控制技术中的应用。正是由于脉宽调制技术在逆变电路的成功应用，才奠定了其在电力电子技术中的重要地位。如今，脉宽调制技术在逆变电路中的应用已经十分的广泛，可以说，逆变电路的发展与成熟离不开脉宽调制技术的支持。
4.脉宽调制技术在整流电路脉宽调制技术中的应用。脉宽调制整流电路就是由脉宽调制技术与整流电路脉宽控制技术整合而来。这是脉宽调制技术延伸发展的典型案例。
1.2电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展
上世纪80年代，德国人H. W. Van Der Broek等率先在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）就是在此基础上发展而来。SVPWM，又称磁链追踪型PWM法，该方法的核心就是如何使电机获得圆形旋转磁场。
SVPWM技术是将逆变器和交流电动机视为一个整体，根据逆变器的开关状态可以生成八个基本电压矢量，期望的电压矢量由相邻的两个基本电压矢量合成而来，并通过电机磁链和电压的关系来对电动机进行变频调速，在理想情况下，当对定子绕组施加正弦电压时，由于电压空间矢量是等幅的旋转矢量，所以气隙磁通以恒定的角速度旋转，并产生圆形的旋转轨迹[1]。
电压空间矢量脉宽调制的应用可使逆变器输出线电压幅值大幅提高，与传统的SPWM法相比提高了约15%。另外，由于电压空间矢量脉宽调制的调制方式多样且灵活，所以可以通过使用低开关损耗的SVPWM法来减少逆变器功率器件开关次数，从而降低功率器件的开关损耗，提高其控制性能。在同样的采样频率下，采用低开关损耗SVPWM法的逆变器的功率器件开关次数比采用常规SVPWM法逆变器的功率器件开关次数减少了1/3，这可以大大的延长功率器件的使用寿命，节约成本。SVPWM是一种基于空间矢量在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种改进的SPWM，是一种经过优化的PWM方法。与传统的PWM相比，电压空间矢量脉宽调制能明显减少逆变器输出电流的谐波，电机的脉动转矩也能被有效的降低[2]。SVPWM的物理概念清晰，其控制算法也非常简单，并且很容易实现数字化，所以有替代传统的SPWM法的趋势。
1.3论文章节安排
本文分为六个部分，主要研究的对象是电压空间矢量脉宽调制系统，对其进行了零矢量分散、以零矢量0111为单一零矢量、以零矢量0000为单一零矢量的三种SVPWM算法仿真研究，并对这三种输出波形和谐波进行对比研究。
第一章 阐述了PWM技术和SVPWM技术的发展历程及其应用。
第二章 介绍了SVPWM技术的理论基础，重点阐述了电压空间矢量的原理。
第三章 对SVPWM算法进行了详细的分析。
第四章 介绍了如何基于Matlab/Simulink来实现SVPWM控制算法的仿真。
第五章 对不同SVPWM算法的输出波形及其谐波进行对比研究。
第六章 全文总结。
第二章 SVPWM技术的理论基础
SPWM控制的主要是为了使变压变频器的输出电压接近正弦波，但输出电流却没有得到有效的控制[3]。电流跟踪控制则能很好的解决这一问题，与SPWM不同的是，电流跟踪控制着重于让输出电流为正弦波，从而形成圆形的旋转磁场，最终产生恒定的电磁转矩。磁链跟踪控制把逆变器和交流电动机视为一个整体，控制逆变器形成圆形旋转磁场，这种方法是通过使用不同的电压空间矢量来实现对磁链轨迹的控制，所以又称为电压空间矢量PWM(SVPWM)控制。
摘 要
脉冲宽度调制（PWM）技术如今已经广泛应用于电力电子技术中，并且不断朝着数字化的方向发展，所以传统的PWM法已经不能满足现代电力电子技术的发展需要。电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术是经过优化了的PWM控制技术，该方法算法简单且易于数字化实现，输出谐波少，提高了电压源逆变器直流供电电源的利用率。本文首先介绍了脉宽调制技术的发展现状,然后对电压空间矢量脉宽调制技术的发展概况、理论基础和三种不同的调制方式进行了详细的分析。接着运用MATLAB／SIMULINK建立SVPWM仿真模型，进行了零矢量分散、以零矢量0111为单一零矢量、以零矢量0000为单一零矢量的三种SVPWM调制方式仿真研究，得到三种输出波形；最后对SVPWM的波形及其谐波进行对比分析。
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关键字:电压空间矢量脉宽调制MATLAB
目 录
第一章 绪论 1
1.1脉宽调制(PWM)技术发展及应用 1
1.2电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展 2
1.3论文章节安排 2
第二章 SVPWM技术的理论基础 4
2.1电压空间矢量的基本原理 4
2.2三相逆变器的基本电压矢量 5
2.3电压空间矢量的合成 8
2.4本章小结 8
第三章 SVPWM算法分析 9
3.1判断参考电压矢量所在的扇区 9
3.2计算相邻两电压空问矢量的作用时间T1,T2，T0 9
3.3 三种不同的SVPWM调制算法 10
3.3.1零矢量分散的实现方法 11
3.3.2以 0111为单一零矢量的实现方法 12
3.3.3以0000为单一零矢量的实现方法 13
3.4计算A、B、C 三相相应的切换点时间Tc1、Tc2、Tc3 15
3.5本章小结 17
第四章 仿真模型建立 19
4.1 MATLAB及仿真工具SIMULlNK 19
4.2 SVPWM的SIMULINK仿真 20
4.2.1判断电压空间矢量所在扇区 20
4.2.2空间矢量作用时间T1、T2、T0仿真 21
4.2.3切换点时间的计算 22
4.2.4 PWM触发信号的仿真 26
4.3本章小结 27
第五章 算法对比分析 28
5.1输出SVPWM波形的对比分析 28
5.2谐波的对比分析 30
5.3 SVPWM与SPWM的波形分析 32
5.3本章小结 32
第六章 总结 33
参考文献 34
致谢 35
第一章 绪论
1.1脉宽调制(PWM)技术发展及应用
脉宽调制（PWM）技术的基本原理在很早之前就已经被提出，但在上世纪80年代以前,电力电子器件的发展水平还比较低下，所以一直未能实现。直至进入到上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅猛发展，脉宽调制技术才得到了真正的应用。由于脉宽调制技术对波形的调制具有很好的灵活性和通用性，所以在电力电子领域得到了广泛的应用，成为了电力变换器控制的基础。脉宽调制就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波，再对各脉冲的宽度进行调制，从而达到对逆变电路输出电压和输出频率的调制。脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制。当其应用于电动机时，可以大幅降低电动机功耗，且具有很强的抗噪性。正是由于以上原因，脉宽调制技术得到了很广泛的应用，经过多年的发展产生了了许多改进型的脉宽调制方法。主要有以下八种：
1. 相电压控制PWM
2. 线电压控制PWM
3. 电流控制PWM
4. 空间电压矢量控制PWM
5. 矢量控制PWM
6. 直接转矩控制PWM
7. 非线性控制PWM
8. 谐振软开关PWM
PWM控制技术在电力电子的许多领域都有应用，并极大的推动了电力电子技术的发展。以IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件给脉宽调制技术提供了强大的物质基础。到目前为止，脉宽调制技术已经在以下几个方面得到了较好的应用：
1.脉宽调制技术在直流载波电路中的应用。这是脉宽调制技术较早应用的电路，如果将其应用于电动机调速系统中就构成了直流脉宽调速系统。
2.脉宽调制技术在交流-交流变流电路中的应用。在这类电路中应用的代表就是斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路，其中矩阵式变频电路易实现集成化，发展前景良好。
3.脉宽调制技术在逆变电路PWM控制技术中的应用。正是由于脉宽调制技术在逆变电路的成功应用，才奠定了其在电力电子技术中的重要地位。如今，脉宽调制技术在逆变电路中的应用已经十分的广泛，可以说，逆变电路的发展与成熟离不开脉宽调制技术的支持。
4.脉宽调制技术在整流电路脉宽调制技术中的应用。脉宽调制整流电路就是由脉宽调制技术与整流电路脉宽控制技术整合而来。这是脉宽调制技术延伸发展的典型案例。
1.2电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展
上世纪80年代，德国人H. W. Van Der Broek等率先在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）就是在此基础上发展而来。SVPWM，又称磁链追踪型PWM法，该方法的核心就是如何使电机获得圆形旋转磁场。
SVPWM技术是将逆变器和交流电动机视为一个整体，根据逆变器的开关状态可以生成八个基本电压矢量，期望的电压矢量由相邻的两个基本电压矢量合成而来，并通过电机磁链和电压的关系来对电动机进行变频调速，在理想情况下，当对定子绕组施加正弦电压时，由于电压空间矢量是等幅的旋转矢量，所以气隙磁通以恒定的角速度旋转，并产生圆形的旋转轨迹[1]。
电压空间矢量脉宽调制的应用可使逆变器输出线电压幅值大幅提高，与传统的SPWM法相比提高了约15%。另外，由于电压空间矢量脉宽调制的调制方式多样且灵活，所以可以通过使用低开关损耗的SVPWM法来减少逆变器功率器件开关次数，从而降低功率器件的开关损耗，提高其控制性能。在同样的采样频率下，采用低开关损耗SVPWM法的逆变器的功率器件开关次数比采用常规SVPWM法逆变器的功率器件开关次数减少了1/3，这可以大大的延长功率器件的使用寿命，节约成本。SVPWM是一种基于空间矢量在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种改进的SPWM，是一种经过优化的PWM方法。与传统的PWM相比，电压空间矢量脉宽调制能明显减少逆变器输出电流的谐波，电机的脉动转矩也能被有效的降低[2]。SVPWM的物理概念清晰，其控制算法也非常简单，并且很容易实现数字化，所以有替代传统的SPWM法的趋势。
1.3论文章节安排
本文分为六个部分，主要研究的对象是电压空间矢量脉宽调制系统，对其进行了零矢量分散、以零矢量0111为单一零矢量、以零矢量0000为单一零矢量的三种SVPWM算法仿真研究，并对这三种输出波形和谐波进行对比研究。
第一章 阐述了PWM技术和SVPWM技术的发展历程及其应用。
第二章 介绍了SVPWM技术的理论基础，重点阐述了电压空间矢量的原理。
第三章 对SVPWM算法进行了详细的分析。
第四章 介绍了如何基于Matlab/Simulink来实现SVPWM控制算法的仿真。
第五章 对不同SVPWM算法的输出波形及其谐波进行对比研究。
第六章 全文总结。
第二章 SVPWM技术的理论基础
SPWM控制的主要是为了使变压变频器的输出电压接近正弦波，但输出电流却没有得到有效的控制[3]。电流跟踪控制则能很好的解决这一问题，与SPWM不同的是，电流跟踪控制着重于让输出电流为正弦波，从而形成圆形的旋转磁场，最终产生恒定的电磁转矩。磁链跟踪控制把逆变器和交流电动机视为一个整体，控制逆变器形成圆形旋转磁场，这种方法是通过使用不同的电压空间矢量来实现对磁链轨迹的控制，所以又称为电压空间矢量PWM(SVPWM)控制。
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