用于电机控制的空间矢量调制 (SVM)

空间矢量调制 (SVM) 是感应电机和永磁同步电机 (PMSM) 磁场定向控制的常用方法。

空间矢量调制负责生成脉宽调制信号以控制逆变器的开关，由此产生所需的调制电压，以所需的速度或转矩驱动电机。

空间矢量调制也称为空间矢量脉宽调制 (SVPWM)。您可以使用 MATLAB® 和 Simulink® 来实现空间矢量调制方法，或利用预置 SVM 库来实现电机控制应用。

SVM 的目标

试考虑三相逆变器电机控制的空间矢量调制，该逆变器具有六个开关，如以下等效电路所示。注意，有八种有效的开关配置。

连接到电机定子绕组的三相逆变器电路。

** 开关 S2、S4、S6 分别与 S1、S3、S5 互补。*

每种开关配置都会产生特定的电压，施加于电机端子。电压是基本空间矢量，以空间矢量六边形表示其幅值和方向。

空间矢量六边形，包含基本矢量 U1-U8。

连接到电机定子绕组的三相逆变器电路。

通过对开关区间内的基本空间矢量（方向）和零矢量（幅值）作用时间进行调节，可以近似得到空间矢量六边形内任意位置、任意幅值的电压矢量。

例如图中，一个脉宽调制 (PWM) 周期内，选择两个相邻空间矢量（图中的 U3 和 U4）分别作用一段时间、在周期其余时间内由零矢量（U7 或 U8）作用，从而得到近似平均参考矢量 Uref。

通过控制开关序列，即控制脉冲的导通持续时间，就可以在每个 PWM 周期获得具有变化幅值和方向的任何电压矢量。

空间矢量调制方法的目标是在每个 PWM 周期生成与参考电压矢量相符的开关序列，以实现连续旋转的空间矢量。

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旋转的参考空间矢量的示意图。

SVM 的操作

空间矢量调制方法基于参考电压矢量进行操作，在每个 PWM 周期为逆变器生成适当导通信号，目标是实现连续旋转的空间矢量。

采用空间矢量调制的磁场定向控制架构示意图。

该模块图显示了一个空间矢量调制工作流示例。

在每个 PWM 周期，以电压矢量作为输入参考，SVM 算法会：

• 基于参考电压矢量计算开关导通时间
• 基于导通时间生成马鞍波
• 基于导通时间为逆变器开关生成适当的导通脉冲

SVM 算法生成的空间矢量调制电压信号。

所生成的马鞍波能够最大程度地利用直流总线电压。与正弦脉宽调制 (SPWM) 方法相比，该方法能提供更好的额定电压输出。

通过比较调制波（马鞍波）和载波生成导通脉冲。

然后，您可以将生成的导通信号应用于三相逆变器的开关，以所需的速度或转矩驱动电机。

PWM 硬件支持

硬件板卡（如 Arduino®、Raspberry Pi™ 和 TI 板）通过接收调制波形生成导通脉冲来驱动电力逆变器。

根据设计要求，采用 PWM 方法的电机控制算法通常需要以 kHz 级的较高频率执行。在耗费人力物力执行硬件测试之前，必须尽早评估控制架构的正确性。

为此，您可以使用仿真环境。例如，使用 Simulink，您可以基于电机模型来仿真和验证控制架构，包括空间矢量调制等脉宽调制方法，并尽早修正错误。