技术传承——永磁同步电机驱动3

  1. 1. 逆变器
  2. 2. SVPWM

上回我们讲完了驱动中电流闭环的问题,这次我们讲一下如何将我们得到的控制量输入给电机!
也就是SVPWM调制与逆变器的那些事。
前方高能,请握紧扶好,准备发车!

逆变器

学过电力电子的同学肯定都听说过逆变器,为什么叫逆变呢?就是因为我们平常说的电的变换都是讨论的交流整流后变直流,而逆变器能将直流电变换为交流电,所以称其为逆变。
最常见的三相逆变器结构如图所示:
converter.PNG
可见,逆变器的电路结构很简单,由三个半桥构成,每个半桥都通过控制开关管的开通关断来控制输出电平高低,
通过控制占空比,即可控制输出任意大小的电压,为SVPWM电压调制提供了硬件基础。
关于逆变器的能量变化,可以通过忽略开关管压降,近似认为两端功率相同,
即直流部分的母线电压*母线电流=交流部分的电功率=alpha、beta轴(同时d、q轴)上的电压电流矢量积=上的电压电流矢量积,
注意这个功率可正可负,所以电流反向回灌母线是完全可能的(比如电机回馈制动时)。
而通过能量分析得到的这个母线电流的方向仅仅是个最终的表象(平均值),实际上的电流可能在不停地变化(由于电感的作用,电流不能突变,导致切换瞬间电流不变,母线电流方向就可能变化),到底如何变化这方面分析就涉及到电力电子方面的知识了。


SVPWM

终于到了永磁同步电机的重头戏:SVPWM
首先明确,SVPWM的目的在于将Ualpha、Ubet两输出量输出给电机,需要把他们变成成三相电压;
同时,它也是为了把操纵逆变器,把直流电变成交流电。在逆变器上,这两个任务同时完成了。
我们先来了解一下SVPWM的调制过程,
我们想要输出任意方向、任意大小的电压矢量,就要通过相差120°的三相电压合成的方式来做到
三相全部关断,自然是零电压,记为0;
三相中一相开通时,会产生一个沿abc轴向的电压,记为1;
三相中两相开通时,会产生一个沿abc轴中线方向的电压,记为2;
三相全部开通时,互相抵消,则也相当于没有电压,记为3;
SVPWM基于软件的调制方式如下图:
svpwm.PNG
我们可以看到,这种方法总是按照0-1-2-3-3-2-1-0的顺序打开、关断开关管,这样做的原因是这样可以最低限度地减少开关管开关的次数,提高效率。
其中有效的仅有开一个和开两个的时候,只要我们计算出这两段的时间,并将垃圾时间用等长的0与3填充,就可以完成了,1、2的长度由矢量分解的方法来计算,如下图:
vector.PNG

SVPWM的具体步骤如下:
第一步,我们要将360°的电角度分成六份,以方便我们选择合适的输出方式。
如何判断一个向量在那个分区呢,我们当然可以麻烦地计算角度,也可以用用的更多的方法——计算特征电压:
特征电压是指目标电压向量在三个垂直于abc轴得直线上的投影的长度,这个长度的正负决定了向量在abc三轴的哪一侧,得到了三个正负信息,组合起来就会有六种可能(两种不可能存在),这便对应着分区表的六个扇区。
IMG_20200226_205945.jpg
分区表如下:
sector.PNG
例如,在一号分区中,我们能使用的向量即a(1)与ab和(2)(同时确定能够使用的特征向量是+Uref2和+Uref1,正负号很重要!),我们根据分区就能确定所需要的向量。
之后,根据一个几何关系,再次利用特征电压得出占空比的分配,通过电压的值确定占空比的大小,完成一次SVPWM调制。
上面提到的几何关系如图,不太好解释:
IMG_20200226_210427.jpg