基于空心杯電機(jī)的SPWM與SVPWM仿真研究

董大為，邵定國(guó)，許路，楊墨

    (上海大學(xué)，上海200072)

    摘要：SPWM與SVPWM是日前常用的調(diào)制模式，被廣泛應(yīng)用于各種交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中。空心杯電機(jī)，南于其便捷的控制特性，作為高性能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，代表了交流電機(jī)的發(fā)展方向之一。理論分折了SPWM與SVPWM調(diào)制方法的特點(diǎn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)條件，基于空心杯電機(jī)的實(shí)際參數(shù)，在Matlab／simuIink中建立他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，SVPWM相對(duì)于SPWM的高電壓利用率一方面表現(xiàn)在其具有更大的線性調(diào)制范圍上，同時(shí)表現(xiàn)在相同的線性調(diào)制比下SVPWM比SPWM也能夠有更高的電源利用率；采用SVPWM可以有效減小電機(jī)的脈搌；在穩(wěn)態(tài)剛，對(duì)于同一種調(diào)制方式的線性調(diào)制比越高，相電流的幅值越大。

    關(guān)鍵詞：空心杯電機(jī)；SPWM；SVPWM；變頻：線洼調(diào)制比

O引言

    在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)采用合適的PWM調(diào)制波，一方面可以使電機(jī)對(duì)于給定的控制信號(hào)做出準(zhǔn)確快速的響應(yīng)，另一方面，可以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，并且拓寬電機(jī)的調(diào)速比^[1]。目前常用的調(diào)制波為SPWM和SVPWM。

    空心杯電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可以分為無(wú)刷和有刷兩類(lèi)。無(wú)刷空心杯電機(jī)，定子采用定子無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩；有刷空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯。空心杯電機(jī)在高精度、寬調(diào)速范圍伺服驅(qū)動(dòng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，作為高效率能量轉(zhuǎn)換裝鼉，代表了電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向之一^[2]。本文所采用的無(wú)刷空心杯電機(jī)從外特性上來(lái)看，可以等效為永磁同步電動(dòng)機(jī)，而其實(shí)際等效的交直軸電感量要遠(yuǎn)小于常規(guī)的永磁電動(dòng)機(jī)。

    本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)條件分析，基于仿真軟件，在試驗(yàn)空心杯電機(jī)上，通過(guò)開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)，對(duì)SVPWM和SPWM的性能進(jìn)行仿真比較。

1 SPWM與SVPWM原理比較

    一般PWM調(diào)制是將調(diào)制波與載波的波形進(jìn)行比較，從而得到的等高而不等寬的脈沖序列。SPWM調(diào)制方式是使脈沖的寬度按照正弦規(guī)律變化，從而在效果上和正弦波等效。即在算法上一開(kāi)始，就要以正弦波為調(diào)制波。其原理圖如圖1所示。

在數(shù)字系統(tǒng)中，一般按照規(guī)則采樣法的原則來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

當(dāng)M>1時(shí)，比較器的輸出就會(huì)處于飽和狀態(tài)，此時(shí)，輸出的基波分量的幅值就不與調(diào)制函

數(shù)(4)的值成比例的線性關(guān)系，從而造成波形發(fā)生畸變，諧波成分增加。因此，當(dāng)調(diào)制深度為1時(shí)，在星形連接的繞組中，相電壓Us。可以達(dá)到****值，為直流母線電壓的一半V_dc／2。

其中，r——線性調(diào)制比。

    可見(jiàn)在SPWM調(diào)制模式下，****線性調(diào)制比為1。

    而SVPWM的基本思想是通過(guò)八組三相電壓式逆變橋的基本電壓矢量(000、001、010、011、100、101、110、111，其中O表示上橋臂關(guān)斷，l表示上橋臂導(dǎo)通)在靜止α、β坐標(biāo)系中來(lái)合成定子相電壓矢量u_s。

    將八組基本矢量，按照開(kāi)關(guān)管動(dòng)作最小的順序進(jìn)行排列，其中u₁至u₆表示基本矢量，其模長(zhǎng)為V_dc2／3。u₀、u₇分別表示000與111為零矢量，相當(dāng)于電機(jī)的輸入端短路，則其基本矢量關(guān)系如下圖3所示。

    

并以圖中的定子電壓矢量位置為例來(lái)看，根據(jù)伏秒原則，可有：

廣到其余五個(gè)區(qū)間。由該結(jié)論可知：

    (1)定子相電壓可以達(dá)到的區(qū)域?yàn)樵摿�組基本矢量所構(gòu)成的六邊形的內(nèi)切圓，如圖4所示；

       

(3)對(duì)照公式(5)的定義，與SPWM相比，SVPWM的線性