SVPWM控制

SVPWM VS SPWM

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation） 和 SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation） 是两种常用的脉宽调制技术，广泛应用于电机控制和功率电子领域。尽管它们的目标都是生成接近于理想正弦波的输出电压，但在实现方式和性能上存在显著差异。

SPWM（正弦脉宽调制）

原理

• 波形生成: SPWM通过将一个正弦参考波（通常是一个低频的正弦波）与一个高频的三角载波进行比较，生成脉宽调制信号。当正弦波的幅值高于三角载波时，输出高电平；反之则输出低电平。这样得到的PWM信号的占空比随着正弦波的变化而变化，从而生成近似正弦波的输出电压。

• 调制指数: 调制指数（$m$）是正弦波的峰值电压与三角波峰值电压之比。它决定了输出波形的幅值和线性度。在某些情况下，当调制指数超过1时，SPWM可能会进入过调制状态，导致波形失真。

特点

• 实现简单: SPWM实现相对简单，只需要比较正弦波和三角波的幅值即可。这使得SPWM在早期的模拟控制系统中得到了广泛应用。

• 谐波含量: 在低调制指数下，SPWM输出的谐波含量较低，但随着调制指数的增加，谐波含量会增加，特别是在过调制状态下，可能会导致波形失真。

• 直流电压利用率: 在SPWM中，直流电压的最大利用率为78.5%。这一限制意味着SPWM在某些应用中不能充分利用逆变器的输入直流电压。

SVPWM（空间矢量脉宽调制）

原理

• 空间矢量生成: SVPWM基于三相电压的空间矢量表示。它通过将三相电压转换为一个二维空间矢量，并利用逆变器的六个开关状态生成的固定矢量来逼近目标空间矢量。

• 矢量合成: 在每个开关周期内，SVPWM选择两个最接近目标空间矢量的非零矢量以及零矢量，通过调整它们的作用时间来合成出一个接近目标的电压矢量。

• 六边形调制区域: 由于逆变器的八个基本矢量（六个非零矢量和两个零矢量）形成了一个六边形调制区域，因此SVPWM能够更有效地利用直流电压，最大限度地逼近理想的正弦波形。

特点

• 更高的直流电压利用率: 与SPWM相比，SVPWM的直流电压利用率更高，达到86.6%。这意味着在相同的直流电压下，SVPWM能够提供更大的输出电压幅值。

• 低谐波失真: SVPWM生成的电压波形接近理想正弦波，谐波失真较低，这有助于提高电机的效率和减少电磁干扰。

• 复杂实现: 相对于SPWM，SVPWM的实现较为复杂，需要进行空间矢量的计算和开关时间的精确控制。这通常需要数字信号处理器（DSP）或微控制器来实现。

SVPWM vs SPWM

应用场景

• SPWM: 由于其实现简单且对硬件要求较低，SPWM适用于一些低成本和低性能要求的场合，如风扇、电动工具和低端家电的电机驱动。
• SVPWM: 由于其高效的直流电压利用率和低谐波失真，SVPWM广泛应用于需要高性能的电机控制系统，如电动车、伺服电机、工业自动化设备和高端家电中的变频控制器。

其余控制算法

在矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）中，除了**SVPWM（空间矢量脉宽调制）**外，还有其他几种常用的方法来生成逆变器的控制信号。这些方法各有优缺点，适用于不同的应用场景。以下是一些替代SVPWM的方法：

1. SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation, 正弦脉宽调制）

• 原理: SPWM通过将一个正弦参考波与高频三角载波进行比较，生成脉宽调制信号，控制逆变器的开关。
• 特点:
  • 实现简单，易于理解和实施。
  • 谐波含量较高，尤其在过调制情况下。
  • 直流电压利用率较低（最大为78.5%）。
• 应用: 适用于简单和低成本的电机驱动系统。

2. Hysteresis Control（滞环控制）

• 原理: 滞环控制是一种基于电流的直接控制方法。通过设置一个滞环带，控制器使实际电流保持在参考电流的上下限之间。
• 特点:
  • 响应速度快，具有较好的动态性能。
  • 实现简单，不需要载波或复杂计算。
  • 开关频率不固定，可能导致较高的开关损耗和电磁干扰（EMI）。
• 应用: 适用于需要快速动态响应的应用场景，如伺服驱动系统。

3. DTC（Direct Torque Control，直接转矩控制）

• 原理: DTC直接控制电机的转矩和磁通，通过选择逆变器的最佳开关状态，使电机的转矩和磁通误差保持在设定范围内。
• 特点:
  • 不依赖电流控制环，直接调节转矩和磁通。
  • 响应速度快，具有较好的动态性能。
  • 谐波含量高，且开关频率不固定。
• 应用: 广泛应用于高性能电机驱动系统，如工业自动化、机器人等。

4. SVM（Space Vector Modulation，空间矢量调制）

• 原理: SVM是SVPWM的基础，它直接利用空间矢量的概念来控制逆变器的输出，生成接近理想正弦波形的电压。
• 特点:
  • 高效利用直流电压，谐波含量低。
  • 比SPWM更复杂，但性能更好。
  • 与SVPWM基本相同，但概念更为广泛，可用于多电平逆变器等复杂场合。
• 应用: 高性能电机控制，如电动车、航空航天系统等。

5. DPWM（Discontinuous Pulse Width Modulation，间断脉宽调制）

• 原理: DPWM通过间断控制逆变器的某些开关状态，从而减少开关损耗和EMI。
• 特点:
  • 开关损耗较低，适合高功率应用。
  • 谐波含量较高，输出波形的质量低于SVPWM。
  • 实现复杂度介于SPWM和SVPWM之间。
• 应用: 适用于高效节能的电机驱动场合，尤其是高功率逆变器。

6. Predictive Control（预测控制）

• 原理: 预测控制通过预测电机未来状态，选择最佳的逆变器开关状态，以最小化控制误差。
• 特点:
  • 具有良好的动态性能和鲁棒性。
  • 实现复杂，计算量大，通常需要高性能处理器支持。
  • 谐波失真可控，开关频率不固定。
• 应用: 高精度、高动态响应要求的电机控制，如工业机器人、精密加工设备等。

7. PWM with Third Harmonic Injection（第三次谐波注入的脉宽调制）

• 原理: 通过在参考正弦波中注入一个小幅度的三次谐波，使得参考波的幅值超过直流电压的极限，从而提高直流电压利用率。
• 特点:
  • 提高直流电压利用率，接近SVPWM的性能。
  • 实现较为简单，可与传统SPWM兼容。
  • 谐波含量较低，适合需要较高输出电压的应用。
• 应用: 提升功率效率的电机驱动场合。