异步电机发波方式总结与比较

wmwlove

导读：本期文章主要介绍一下电机的发波方式（滞环、SPWM和SVPWM），总结比较一下它们发波的工作原理和差异之处。

本文中的仿真模块是基于异步电机的。

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发波方式是交流电机控制的主要环节之一，发波方法的选择将直接影响电机控制的性能。所以本文将重点介绍滞环发波、SPWM、SVPWM和模型预测（MPC）01四种发波方法，并进行对比分析各自的优缺点。
一、滞环发波方式

1.1思想原理
滞环电流控制基本思想就是给定三相电流信号，并且与由电流传感器实测的三相电流相比较，以其差值通过滞环比较器来控制功率开关使实际电流值跟踪上参考电流值。



图1滞环电流跟踪控制
图 1为滞环电流跟踪控制的原理图，H为滞环比较器的环宽。在工作时ic_ref 与ic做差，得到的误差电流 ∆ ic 且始终处于以 0 为中心，H和 -H 为上下限的滞环内。H的设置是为了避免逆变器开关状态变换的速度过快，在ic_ref的基础上设计了上下两个宽度为h的误差滞环。

具体工作过程为：当ic_ref- ic ＞ H时，滞环比较器输出高电平，驱动上桥臂的开关器件S1导通，使ic增大，当ic增加到与ic_ref相等时，滞环比较器仍然输出高电平，S1保持导通，ic继续增大；当ic - ic_ref ＞ H时，滞环比较器翻转，输出低电平信号关断S1，并经过死区时间后驱动下桥臂的开关S4.但此时S4未必导通，因为ic（负载电流）并未反向，而是通过续流二极管D4维持原方向流通，其数值逐渐减小。
1.2仿真建模





图2滞环发波模块
1.3总结分析

通过滞环控制，逆变器的实际输出电流与给定值的偏差保持在-h~h之间，在给定电流上下做锯齿状变化。当给定电流为正弦波时，输出电流也十分接近正弦波。

滞环电流控制法具有控制精度高，响应速度快，电流跟踪能力强等优点。但是滞环宽度 H 的选取合适与否，会直接影 响补偿电流跟踪指令电流，进而影响谐波补偿效果。但滞环电流控制因为电流纹波大，开关频率不确定，所以很少被采用。
二、正弦波脉宽调制（SPWM发波方式

2.1思想原理


2.2仿真建模





图3 SPWM发波模块2.3总结分析



三、SVPWM发波方式

3.1思想原理
电压空间矢量调制技术（SVPWM ,Space Vector Pulse Width Modulation）是从控制电机中推导出来的。由于电机旋转时产生圆形的旋转磁场，可以把逆变器和交流电机当成是一个整体考虑，按照交流电机产生圆形磁场来控制逆变器，这时的逆变器输出波形会更好。SVPWM也可以叫磁链跟踪控制，它是在假象的静止坐标系下控制不同电压矢量得到的。SVPWM的实质就是用逆变器可输出的电压空间矢量与作用时间的线性组合去逼近所期望的电压空间矢量，具体的做法就是对逆变器中功率器件的开通和关断状态进行正确控制。
3.2仿真建模





图4 SVPWM发波模块3.3、总结

现今常用的调频技术主要是利用脉宽调制技术(SPWM), 让电压随频率的变化而变换，但在实际应用中，在低频情况下，这种调频技术往往会由于电压的减小，而不能得到理想的控制性能。
空间矢量控制 (SVPWM) 技术与传统意义上的正弦脉宽调制 (SPWM) 相比，空间矢量控制技术的电流谐波成份更加的少， 从而使电机转矩的脉动大大减小，有利于电机使用寿命的提高。并且空间矢量控制技术对直流侧母线的利用率比 SPWM技术提高了15.4%。空间矢量技术采用的是互补导通方式，并且每一次都只有一个开关动作，所以一周期内，开关的使用频率大幅减少，从而能够延长功率开关器件的使用时间，减少功率开关器件的损耗。空间矢量控制技术的优越性，使其成为未来电机控制的主流技术．

注：SVPWM电压利用率提高15.4%分析！



图5马鞍波（SVPWM）

从分析理解马鞍波的角度去解释SVPWM相比较于SPWM，电压利用率提高了15.4%：SVPWM产生了马鞍波，马鞍波也会产生正弦波的电流。从图中可以发现，马鞍波就是被拉宽的正弦波，拉宽了就代表相电压的持续时间边长了，所以就提高了母线电压的利用率，电机的动态响更好。

当调制比为1时，SPWM相电压的峰值是母线电压的0.5倍，而SVPWM的相电压峰值是母线电压的0.557倍，也就是根号3/3.

SVPWM（0.557）/SPWM（0.5）=1.1547，所以SVPWM的电压利用率相比较于SPWM，提高了15.47%。
四、MPC中01发波方式

4.1思想原理



图6模型预测转矩控制系统框图

由图6可以看出，MPTC 策略主要由有限控制集、电机预测模型、定子磁链观测器和价值函数组成。其中，有限控制集是包含所有的备选开关状态的集合，两电平逆变器的有限控制集包含8种开关状态。定子磁链观测器利用三相电流的采样值和电机模型计算出当前时刻的定子磁链矢量值和位置，进而提供给预测模型进行下一时刻定子磁链和转矩的预测。

异步电机单矢量模型预测转矩控制是通过成本函数直接求出最优的电压矢量，然后把最优的电压矢量对应的开关状态（01）给到逆变器，从而控制电机。
4.2仿真建模







图7 模型预测转矩控制发波方式
4.3、总结

单矢量模型预测控制，六个有效矢量和两个零矢量对应的01组成的开关状态，在寻得最优电压矢量后便可以直接得到PWM发波信号给到逆变器。

双矢量的话，就是引入占空比后用两个电压矢量来合成最优电压矢量，然后得到发波信号，三矢量也是同样的方法。