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。

▲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。