空间电压矢量调制SVPWM技术详解

一路上

SVPWM是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化[1]。

永磁同步电机的控制原理：当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时，电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势。

电机结构图

我们将三相绕组（A）抽象为图（B）所示的A、B、C绕组，通过对三相供电得到需要的磁场方向。

三相绕组示意图

在实际的电路控制中，一般采用MOSFET或者IGBT控制电机的半桥驱动电路，通过控制A+，A-，B+，B-，C+，C-六个开关元件实现定子磁场的旋转。

电机驱动电路示意图

下图列举了六种通断组合而得到的磁场方向。另外，这六种组合也是六步换相输出的具体实现方式。

磁场方向举例

按照如下顺序进行MOSFET的通断，可以实现电机的正转反转。假设检测到当前的霍尔信号为： 霍尔#1、 霍尔#2、 霍尔#3分别为 1、0、1，那么此时我们应该控制A-和C+桥臂导通，而其他桥臂都关断，在A-和C+桥臂导通情况下，电机的转子会向着目标位置旋转；在旋转到达目标位置之前，霍尔传感器信号就会发生改变， 此时变为霍尔#1、霍尔#2、霍尔 #3分别对应为0、0、1，此时我们马上把C+桥臂关断，而把B+桥臂开通。

温馨提示：电机控制过程中，电机转子不能长时间堵转，因为电机绕组都是漆包线铜丝，电阻非常小，如果一直提供电源，电路中电流将会非常大，严重的化会烧掉电机或者电源。

六步换相输出控制（正转）

六步换相输出控制（反转）

前面所述的六步换相输出控制采用的是非正弦发布的定子绕组，所以难以应用在需要低转矩脉动和低噪音运行的场合。具有非正弦绕组分布的电机将产生梯形波的反电动势，在电机运行过程中导致转矩脉动，进而产生音频噪音。采用正弦电流进行驱动，可以减小电机转矩脉动，从而将音频噪音降低到最低限度，即永磁同步电机（PMSM）

正弦波反电动势

使用正弦波驱动可以提高电机运转性能，需要复杂的控制程序是支持。正弦波驱动最基本的问题就是如何产生所需正弦波的电压信号。后面我们就具体讲一讲产生所需正弦波的关键技术SVPWM（空间电压矢量调制）。

BLDC和PMSM驱动方法

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。

一下子接收这么多概念很难消化，我们用图表来说明一下：

设直流母线侧电压为UDC ，逆变器输出的三相相电压为 UaN、UbN 、 UcN ，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量 a`、b` 、 c` ，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°。

另外，我们将A+，A-；B+，B-；C+，C-分别组成开关函数Sx(x=a、b、c)：上桥臂导通为1，下桥臂导通为0。(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量 Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量U0(000)、U7(111)。我们以U1(001)举例得到图中所示的方程组，计算可以得到

我们控制的目标是通过这八个基本矢量合成我们需要的理想磁通圆：

Uref是等效电压矢量
T 为PWM波周期
Ux、Uy 、Uz 为基础的电压矢量
Tx 、Ty 、Tz 为基础电压矢量对应的作用时间。

我们拿扇区1举例：

而其中的：

所以可以得到：

其中m为SVPWM的调制系数：

最后可以得到零矢量所分配的时间： T7=T0=(T-T4-T6)/2或者T7=T-T4-T6

根据以上公式求得基础电压矢量对应的工作时间T 4、T 6、T 7，为了避免圆形电压失真，需要对工作时间进行等比例缩小T`4、T`6、T`7，基于此工作时间就可以得到UWV三相半桥电路的PWM占空比。

这里用了网上的视频，帮助我们直观的理解SVPWM