CN110492829A - 电机在三相定子坐标系下的svpwm实现方法 - Google Patents

电机在三相定子坐标系下的svpwm实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机在三相定子坐标系下的SVPWM实现方法，在三相坐标下，直接根据三相相电压值大小判断出空间矢量所在扇区，同时对三相电压值进行简单的加减除法计算可以得到两个非零矢量的导通时间。三相坐标下的SVPWM算法避免了αβ坐标变换，实现方式简单快速，同时大大降低了SVPWM算法实现对硬件的要求，在工程应用上具有一定的现实意义。

Description

电机在三相定子坐标系下的SVPWM实现方法
技术领域
本发明属于电力电子和变流计算领域，尤其涉及一种电机在三相定子坐标系下的SVPWM实现方法。
背景技术
经过几十年的研究与发展，空间矢量PWM算法已经广泛地应用于工业当中。SVPWM算法由于其直流侧电压利用率高、动态响应快速、输出电压畸变较小以及易于数字化实现的特点在电机控制以及功率变换等领域获得了广泛的应用。但是大部分的SVPWM算法首先需要对a、b、c三相参考电压进行Clark变换，把三相参考电压从三相坐标系转换到αβ坐标系，再根据参考电压矢量在αβ坐标系下的值求得参考电压所在的实时扇区值和占空比。
这种算法有很大的缺点：首先要进行αβ坐标变换后再求得扇区值和占空比，过程中要做多次乘法，对硬件资源要求比较高；其次αβ坐标变换过程中带有根号，算法实现的时候会产生截断误差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种电机在三相定子坐标系下的SVPWM实现方法，即一种新颖的在三相坐标系下直接判断旋转电压矢量所在扇区和计算导通时间的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
在三相坐标下，直接根据三相相电压值大小判断出空间矢量所在扇区，同时对三相电压值进行简单的加减除法计算可以得到两个非零矢量的导通时间。三相坐标下的SVPWM算法避免了αβ坐标变换，实现方式简单快速，同时大大降低了SVPWM算法实现对硬件的要求，在工程应用上具有一定的现实意义。
1，判断旋转电压矢量所在扇区；
设直流无刷电机控制器需要产生的三相电压分别为
Ura＝UphmCOSwt
Urb＝UphmCOS(wt-120) (1)
Urc＝UphmCOS(wt+120)
式中的三相电压瞬时值用电压矢量V在三相坐标系下各轴上的投影表示，V的大小为相电压幅值Uphm，以角速度w＝2π f在空间旋转，f指电压矢量的旋转的频率，t指的是从开始计时到当前时间的时间间隔。由式(1)得到三相电压Ura，Urb，Urc，比较Ura，Urb，Urc的大小关系，得出电压矢量V所在扇区。
结合电压矢量分布图可以知道当电压矢量V位于第1扇区时，Ura＞Urb＞Urc，反过来，只知道Ura＞Urb＞Urc时就可以判断出输入电压矢量位于第1扇区。同理，其他扇区各相输入电压关系如表1所示：
表1
从表1可以看出，可以直接根据三相电压Ura，Urb，Urc之间的大小关系判断出电压矢量V所在的扇区。
在三相坐标系下直接根据三相电压Ura，Urb，Urc的大小关系来判断扇区的方法与进行了αβ变换的空间矢量扇区判断方法相比计算简单，物理意义清晰。
步骤2，计算PWM导通时间：
根据三相输入电压Ura，Urb，Urc的大小关系，最大的为Ux，第二为Uy，最小的为Uz；由式(5)直接写出两个非零矢量的导通时间t1和t2：
t1＝(Ux-Uy)·T/UD
t2＝(Uy-Ux)·T/UD (5)
T表示单片机驱动PWM信号的周期时间，UD表示驱动器供电电源的电压。可以根据三相输入电压Ura，Urb，Urc直接写出两个非零矢量的导通时间，显著减少了计算导通时间的工作量。
其中零矢量的导通时间为：
t0＝T-t1-t2 (6)
由此可以推出：只要知道三相输入电压值，对三相输入电压进行简单地减法运算后直接求出两个非零矢量的导通时间。从上面的推理过程可以看出新算法中导通时间的计算非常简单，不需要复杂的坐标变换，并且物理意义简单易懂。
本发明具有以下有益效果：本发明提出的基于三相坐标系下的空间矢量实现方法与其他空间矢量实现方法相比,它不需要进行αβ变换，它可以直接根据三相参考电压判断出参考矢量所在扇区和两个非零矢量的占空比，极大地简化了计算过程，同时更方便理解SVPWM的本质。新算法大大降低了空间矢量法对硬件资源的占用，使其更方便地应用于数字控制，在实际工程应用中具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例的SVPWM实现方法电压矢量分布图。
图2为本发明实施例的SVPWM实现方法的电流波形图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。
实施例：把三相坐标系下SVPWM实现方式应用于永磁无刷电机电动滑板车控制器项目中进行了试验，主控CPU为凌鸥创芯的lks32mc061c6t6芯片，驱动电机为36v350W永磁无刷电机。
步骤1，判断旋转电压矢量所在扇区；
设直流无刷电机控制器需要产生的三相相电压分别为
Ura＝UphmCOSwt
Urb＝UphmCOS(wt-120) (1)
Urc＝UphmCOS(wt+120)
式中的三相电压瞬时值可以用一个以角速度w＝2πf在空间旋转的电压矢量V在三相坐标系下各轴上的投影表示，V的大小为相电压幅值Uphm，V以角速度w逆时针旋转。由式(1)得到输入电压Ura，Urb，Urc。结合图1可以知道当电压矢量V位于第1扇区时，Ura>Urb>Urc，反过来，只知道Ura>Urb>Urc时就可以判断出输入电压矢量位于第1扇区。同理，其他扇区各相输入电压关系如下表：
从上表可以看出，可以直接根据三相电压Ura，Urb，Urc之间的大小关系立即判断出电压空间矢量V位于某一个扇区。所以对传统的做法需要的电压矢量从三相坐标系变换到αβ坐标系后再来进行扇区判断是完全不必要的。在三相坐标系下直接根据三相电压Ura，Urb，Urc的大小关系来判断扇区的方法与进行了αβ变换的空间矢量扇区判断方法相比计算简单，物理意义清晰。
步骤2，计算PWM导通时间
在计算导通时间时，传统的方法是对参考电压矢量进行αβ变换，在三相坐标系下也是完全不必要的，可以在三相坐标系下根据“伏秒相等”原则由下式(2)直接计算两个非零矢量的导通时间t1和t2。
Vref表示需要得到的矢量值，Vx表示目标矢量所在扇区一边的矢量值，Vx+60表示目标矢量所在扇区另一边的矢量值。以扇区N＝1为例，把N＝1时式(2)中相关的向量值：
代入式(2)可以得到t1和t2。
t1＝(Ura-Urb)·T/UD
t2＝(Urb-Urc)·T/UD (4)
Ura、Urb、Urc是目标矢量分解到三个坐标轴的分量，Ux＝Ura，Uy＝Urb，Uz＝Urc，T表示单片机驱动PWM信号的周期时间，UD表示驱动器供电电源的电压。
同理可以算出N＝2，3，4，5，6时和的导通时间t1和t2。可以发现一个规律：当Ux＞Uy＞Uz时，则两个非零矢量导通时间分别为：
t1＝(Ux-Uy)·T/UD
t2＝(Uy-Ux)·T/UD (5)
这样计算导通时间甚至不需要通过式(2)计算，根据三相输入电压Ura，Urb，Urc由式(5)直接写出两个非零矢量的导通时间，显著减少了计算导通时间的工作量。其中零矢量的导通时间为：
t0＝T-t1-t2 (6)
由此可以推出：只要知道三相输入电压值，对三相输入电压进行简单地减法运算后直接求出两个非零矢量的导通时间。从上面的推理过程可以看出新算法中导通时间的计算非常简单，不需要复杂的坐标变换，并且物理意义简单易懂。
根据上述结果得到下图2，为三相中的两相电流波形图，均为较好的正弦波。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.电机在三相定子坐标系下的SVPWM实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，判断旋转电压矢量所在扇区：
设直流无刷电机控制器需要产生的三相电压分别为
Ura＝UphmCOSwt
Urb＝UphmCOS(wt-120) (1)
Urc＝UphmCOS(wt+120)
式中的三相电压瞬时值用电压矢量V在三相坐标系下各轴上的投影表示，V的大小为相电压幅值Uphm，以角速度w＝2πf在空间旋转，f指电压矢量的旋转的频率，t指的是从开始计时到当前时间的时间间隔。由式(1)得到三相电压Ura，Urb，Urc，比较Ura，Urb，Urc的大小关系，结合电压矢量分布图得出电压矢量V所在扇区；
步骤2，计算PWM导通时间：
根据三相输入电压Ura，Urb，Urc的大小关系，最大的为Ux，第二为Uy，最小的为Uz；由式(2)直接写出两个非零矢量的导通时间t1和t2：
t1＝(Ux-Uy)·T/UD
t2＝(Uy-Uz)·T/UD (2)
T表示单片机驱动PWM信号的周期时间，UD表示供电电源的电压；
其中零矢量的导通时间为：
t0＝T-t1-t2 (3)。
2.根据权利要求1所述的电机在三相定子坐标系下的SVPWM实现方法，其特征在于：
当Ura>Urb>Urc，电压矢量V在1扇区；
当Urb>Ura>Urc，电压矢量V在2扇区；
当Urb>Urc>Ura，电压矢量V在3扇区；
当Urc>Urb>Ura，电压矢量V在4扇区；
当Urc>Ura>Urb，电压矢量V在5扇区；
当Ura>Urc>Urb，电压矢量V在6扇区。
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