空间矢量调制的基本原理与MATLAB仿真应用

刘雪琴 王思琦 王佳浩 叶鸿凯 余启灿

摘要：空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）在电力电子变换控制与电机传动控制中有着广泛的应用。本文分析了SVPWM技术的基本原理以及其在Matlab/Simulink中模型的实现方法，并研究了SVPWM技术在永磁同步电机矢量控制中的应用。通过在Matlab中进行仿真，验证了所搭建SVPWM模型的准确性，并验证了该方法在电机应用中的实用性。

关键词：SVPWM;扇区;数学模型;仿真

The basic principle of space vector pulse width modulation and MATLAB simulation application

Liu Xueqin   Wang Siqi   Wang Jiahao  Ye Hongkai   Yu Qican

College of Information Science and Engineering， Wuhan University of Science and Technology   Hubei Wuhan 430080

Abstract：Space vector pulse width modulation （SVPWM） has a wide application in power electronic conversion control and motor transmission control. This paper analyzes the basic principle of SVPWM technology and the method of modeling in Matlab/Simulink， and also studies the application of SVPWM technology in vector control of permanent magnet synchronous motor. Through simulation in Matlab， the accuracy of the model is verified， and the practicability of the method in the application of motor is obtained.

Keywords：SVPWM，sector， mathematical model，simulation

1 緒论

空间电压矢量PWM（SVPWM）技术将逆变器和交流电机作为一个整体考虑，能有效地减小逆变器电压谐波损耗，同时能显著提升直流电压的利用率，且易于实现实时控制，因此比传统的正弦波PWM（SPWM）技术应用更为广泛，是电力电子变换控制与电机传动控制中重要的PWM调制方式 [1-3] 。

本文详细分析了SVPWM技术的基本原理和实现方法，并介绍了其在Matlab中结合三相交流永磁同步电机控制的应用仿真，通过仿真结果验证了该技术实现的可行性和正确性。

2 SVPWM的基本原理

依据传统三相电压型逆变器的拓扑结构，其正常工作时上下两桥臂呈现互补状态，不能同时打开或关断。设上桥臂开通时状态为1，下桥臂开通时状态为0，那么此电路一共有八种开关状态，依据逆变器空间电压矢量的定义，可以得到六个基本电压矢量以及两个零矢量，它们将复平面分为六个扇区。依据矢量合成的原理，在每一个扇区中参考电压矢量都可以由该扇区中相邻的两个非零电压矢量来进行合成。

实现SVPWM技术的基本步骤可以设计如下：（1）判断所在的扇区，明确该扇区起作用的两个相邻电压矢量;（2）求出两个相邻电压矢量的作用时间;（3）依据电压矢量的作用顺序和零矢量的插入时间，合成输出PWM信号[4， 5]。

3 仿真结果和分析

利用Matlab/Simulink仿真软件对SVPWM实现方法进行了仿真研究，按照上述原理和实现步骤，建立了扇区判断、XYZ计算、T1和T2时间计算等各个环节模块的仿真模型，并得出仿真实验波形，其中扇区判断模块设计如图1所示，XYZ计算模块设计如图2所示，T1和T2作用时间计算模块设计如图3所示，SVPWM模型输出的调制波波形如图4所示。

进一步，搭建永磁同步电机矢量控制的Simulink仿真模型，利用SVPWM模块对反PARK变换输出的两相控制电压进行调制，以输出三相PWM信号驱动电机运行。电机运行时给定速度为300r/min，仿真得到的实际电机转速波形如图5所示，稳态时三相电流波形如图6所示，仿真结果表明电机实现了转速的闭环控制，同时电机输出三相正弦电流，验证了搭建的SVPWM模块的正确性和实用性。

4 结论

本文分析了空间电压矢量PWM的原理和实现方法，在Matlab中建立仿真模型，验证了所述实现方法和模型的正确性，并验证了其在永磁同步电机矢量控制系统中的应用。

参考文献：

[1]曹海红.空间矢量调制SVPWM算法模型建立及仿真分析[J].自动化与仪器仪表， 2015， （9）：199-201.

[2]李翠萍，王新生，张华强.基于MATLAB的空间矢量PWM仿真研究[J].机床与液压， 2007， 35（7）： 219-221.

[3]李伟光，郭忺，侯跃恩.永磁同步电动机 SVPWM 和电流滞环控制仿真分析[J].现代制造工程， 2014， （5）： 75-84.

[4]郭语， 鞠全勇.永磁同步电机的等效 SVPWM 调制方法研究[J].机械设计与制造工程， 2020， 49（12）： 109-112.

[5]杨洋，贾文超，王洁涵，李超，张睿.基于SVPWM的逆变器仿真研究[J].科技与创新， 2018（10）： 99-100.