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是日前常用的调制模式，被广泛应用于各种交流电机的调速系统中。空心杯电机，南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。理论分折了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／simuIink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；采用SVPWM可以有效减小电机的脉搌；在稳态刚，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：线洼调制比

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^[1]。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广泛的应用，作为高效率能量转换装鼍，代表了电动机的发展方向之一^[2]。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。

1 SPWM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。

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。

当M>1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1时，在星形连接的绕组中，相电压Us。可以达到****值，为直流母线电压的一半V_dc／2。

其中，r——线性调制比。

    可见在SPWM调制模式下，****线性调制比为1。

    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、011、100、101、110、111，其中O表示上桥臂关断，l表示上桥臂导通)在静止α、β坐标系中来合成定子相电压矢量u_s。

    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u₁至u₆表示基本矢量，其模长为V_dc2／3。u₀、u₇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。

    

并以图中的定子电压矢量位置为例来看，根据伏秒原则，可有：

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量所构成的六边形的内切圆，如图4所示；

       

(3)对照公式(5)的定义，与SPWM相比，SVPWM的线性