基于空心杯电机的spwm与svpwm仿真研究

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1、基于空心杯电机的SPWM与SVPWM仿真研究董大为，邵定国，许路，杨墨(上海大学，上海200072)摘要：SPWM与SVPWM是目前常用的调制模式，被广泛应用于各种交流电机的调速系统中。空心杯电机，由于其便捷的控制特性，作为高性能的传动机构，代表了交流电机的发展方向之一。理论分析了SPWM与SVPWM调制方法的特点，通过分析实验条件，基于空心杯电机的实际参数，在Matlab／Simulink中建立他控式变频调速系统。仿真结果表明，SVPWM相对于SPWM的高电压利用率一方面表现在其具有更大的线性调制范围上，同时表现在相同的线性调制比下SVPWM比SPWM也能够有更高的电源利用率

2、；采用SVPWM可以有效减小电机的脉振；在稳态时，对于同一种调制方式的线性调制比越高，相电流的幅值越大。关键词：空心杯电机；SPWM；SVPWM；变频；线性调制比O引言在交流电机调速系统中，通过采用合适的PWM调制波，一方面可以使电机对于给定的控制信号做出准确快速的响应，另一方面，可以减小电机的转矩脉动，提高电机的运行稳定性，并且拓宽电机的调速比【lJ。目前常用的调制波为SPWM和SVPwM。空心杯电机从结构上可以分为无刷和有刷两类。无刷空心杯电机，定子采用定子无齿槽结构。这种特殊结构可以消除齿槽转矩；有刷空心杯电机转子无铁芯。空心杯电机在高精度、宽调速范围伺服驱动中得到越来越

3、广泛的应用，作为高效率能量转换装置，代表了电动机的发展方向之一删。本文所采用的无刷空心杯电机从外特性上来看，可以等效为永磁同步电动机，而其实际等效的交直轴电感量要远小于常规的永磁电动机。本文通过理论分析和实验条件分析，基于仿真软件，在试验空心杯电机上，通过开环变频调速实验，对SVPWM和SPWM的性能进行仿真比较。1SPWM与SVPWM原理比较一般PWM调制是将调制波与载波的波形进行比较，从而得到的等高而不等宽的脉冲序列。SPWM调制方式是使脉冲的宽度按照正弦规律变化，从而在效果上和正弦波等效。即在算法上一开始，就要以正弦波为调制波。其原理图如图1所示。图1SPWM生成原理．7

4、3-在数字系统中，一般按照规则采样法的原则来实现，如图2所示。图2规则采样法原理设三角载波U：的幅值为l，正弦波调制信号为：U=Msincot(1)则可由图中相似三角形得N-l+Msincot2，^、t吨i2Tzf2一可得取样时刻SPWM的脉冲宽度为：to．=(1+Msinmt)Tz／2(3)其中，必——调制深度；(，——调制波的幅值。M=U／叱(4)当M>l时，比较器的输出就会处于饱和状态，此时，输出的基波分量的幅值就不与调制函数(4)的值成比例的线性关系，从而造成波形发生畸变，谐波成分增加。因此，当调制深度为l时，在星形连接的绕组中，相电压％可以达到最大值，为直流母线电压的

5、一半‰／2。定义：，．=2us／‰(5)其中，，．——线性调制比。可见在SPWM调制模式下，最大线性调制比为l。而SVPWM的基本思想是通过八组三相电压式逆变桥的基本电压矢量(000、001、010、01l、100、101、110、lll，其中0表示上桥臂关断，l表示上桥臂导通)在静止口、∥坐标系中来合成定子相电压矢量％。将八组基本矢量，按照开关管动作最小的顺序进行排列，其中91至U6表示基本矢量，其模长为‰2／3。“o、甜7分别表示000与111为零矢量，相当于电机的输入端短路，则其基本矢量关系如下图3所示。徐∽。、?弋N一砷如图3SVPWM基本矢量关系-74．．并以图中的定

6、子电压矢量位置为例来看，根据伏秒原则，可有：“o％+“2砭+材3五=usT其中晶、乃、乃、丁分别表示‰、屹、U3、l，的作用时间。将伏秒的乘积向∥轴做投影，可得usTcos(O一兀／2)=u2r2cos(兀／61进而可得：r2=x／3usTsin0／‰同理可得：乃=43usTsin(O一兀／3)／‰隐含条件：乃+乃≤T(7)(8)(9)(10)将式(7)式(8)代入，上式可得：甜。≤；垡。43cos(8一兀／61其中孚≤口≤兀，则在该取值范围内，Us可以取到的最大值为警。由于对称性，该结论可以推j、『)广到其余五个区间。由该结论可知：(1)定子相电压可以达到的区域为该六组基本矢

7、量所构成的六边形的内切圆，如图4所示；入疥一Vy一图4定子相电压区域图(2)与sPwM相比，其电压利用率升高了(警一粤)／争：15．47％；(3)对照公式(5)的定义，与SPWM相比，SVPWM的线性调制比大于l，相当于拓宽了其线性调制范围。2仿真实验2．1实验条件分析基于空心杯电机的实际参数，通过Matlab／Simulink仿真来验证以上结论；并且，通过仿真，来研究SPWM与SVPWM对空心杯电机的实际调速性能的影响。为了能够准确的比较两种调制波的性能，实验必须在仅由单一要素影响的情况下