电机控制的空间矢量调制 (SVPWM)

目录

概述

1 电机控制的空间矢量调制 (SVPWM)介绍

2 实现原理

2.1 设计要求

2.2 SVPWM 的实现

3 SVPWM的C语言 

3.1 代码文件

3.2 STM32G4平台上验证

 4 源代码文件

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概述

本文主要介绍电机控制的空间矢量调制 (SVPWM)，空间矢量调制 (SVPWM) 是感应电机和永磁同步电机 (PMSM) 磁场定向控制的常用方法。空间矢量调制负责生成脉宽调制信号以控制逆变器的开关，由此产生所需的调制电压，以所需的速度或转矩驱动电机。空间矢量调制也称为空间矢量脉宽调制 (SVPWM)。文中介绍了该部分内容的实现原理，并实现C语言实现其代码。

1 电机控制的空间矢量调制 (SVPWM)介绍

空间矢量调制 (SVPWM) 是感应电机和永磁同步电机 (PMSM) 磁场定向控制的常用方法。空间矢量调制负责生成脉宽调制信号以控制逆变器的开关，由此产生所需的调制电压，以所需的速度或转矩驱动电机。空间矢量调制也称为空间矢量脉宽调制 (SVPWM)。

2 实现原理

2.1 设计要求

试考虑三相逆变器电机控制的空间矢量调制，该逆变器具有六个开关，如以下等效电路所示。注意，有八种有效的开关配置。

用于电机控制的空间矢量调制 (SVPWM)

电机控制的空间矢量调制 (SVM)

 每种开关配置都会产生特定的电压，施加于电机端子。电压是基本空间矢量，以空间矢量六边形表示其幅值和方向。

通过对开关区间内的基本空间矢量（方向）和零矢量（幅值）作用时间进行调节，可以近似得到空间矢量六边形内任意位置、任意幅值的电压矢量。

例如：  图中，一个脉宽调制 (PWM) 周期内，选择两个相邻空间矢量（图中的 U3 和 U4）分别作用一段时间、在周期其余时间内由零矢量（U7 或 U8）作用，从而得到近似平均参考矢量 Uref。 

通过控制开关序列，即控制脉冲的导通持续时间，就可以在每个 PWM 周期获得具有变化幅值和方向的任何电压矢量。空间矢量调制方法的目标是在每个 PWM 周期生成与参考电压矢量相符的开关序列，以实现连续旋转的空间矢量。

2.2 SVPWM的实现

空间矢量调制方法基于参考电压矢量进行操作，在每个 PWM 周期为逆变器生成适当导通信号，目标是实现连续旋转的空间矢量。

采用空间矢量调制的磁场定向控制架构示意图：

在每个 PWM 周期，以电压矢量作为输入参考，SVM 算法会：

• 基于参考电压矢量计算开关导通时间
• 基于导通时间生成马鞍波
• 基于导通时间为逆变器开关生成适当的导通脉冲

SVPWM算法生成的空间矢量调制电压信号的波形图：

所生成的马鞍波能够最大程度地利用直流总线电压。与正弦脉宽调制 (SPWM) 方法相比，该方法能提供更好的额定电压输出。然后，将生成的导通信号应用于三相逆变器的开关，以所需的速度或转矩驱动电机。

3 SVPWM的C语言 

3.1 代码文件

代码84行： 设置SVPWM的采样周期

代码85~87行： 设置象限的电压值

代码91行： 计算扇区

代码97 ~ 111 行： 实现第5扇区的波形

 代码116 ~ 129 行： 实现第1扇区的波形

 代码130~ 145 行： 实现第3扇区的波形

  代码147~ 162行： 实现第2扇区的波形

  代码165~ 179行： 实现第6扇区的波形

  代码181~ 196行： 实现第4扇区的波形

3.2 STM32G4平台上验证

1）测试代码实现

2）运行代码和查看波形

 查看α，β坐标系上的波形图：

经svm转换后的波形图：

 4 源代码文件

1）  .c文件中的代码

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* File Name        :  foc_ctrl.h* Description      :  foc driver base on stm32f446******************************************************************************* @attention*
* COPYRIGHT:    Copyright (c) 2024  [e-mail]* DATE:         JUL 05th, 2024*******************************************************************************/
/* USER CODE END Header *//* Includes ------------------------------------------------------------------*/#include "foc_ctrl.h"#define  SQRT_3           1.7320508f
#define  SQRT_3_DIV_2     0.8660254f
#define  DIV_1            0.5fFOC_T FOC;
/*****************************************************************************
Clarke变换 输入三相电流，输出alpha，bate电流
Iα = Ia
Iβ = (Ia + 2Ib) / sqrt(3)
******************************************************************************/
void clarkeTransform(Phase_T *abc, AlphaBeta_T *alphaBeta)
{alphaBeta->alpha = abc->Ua;alphaBeta->beta = (abc->Ua + 2 * abc->Ub) * SQRT_3;
}/****************************************************************************
Park变换，输入电角度、Ialpha和Ibeta，经过Park变换得到Iq、Id
Id = Iα · cosθ + Iβ · sinθ
Iq = Iα · sinθ + Iβ · cosθ
*****************************************************************************/
void parkTransform(const AlphaBeta_T *alphaBeta, float angle, DQ_T *dq)
{float sinAngle = sin(angle);float cosAngle = cos(angle);dq->d = cosAngle * alphaBeta->alpha + sinAngle * alphaBeta->beta;dq->q = -sinAngle * alphaBeta->alpha + cosAngle * alphaBeta->beta;
}/***************************************************************************
park逆变换，输入Uq、Ud得到Ualpha、Ubeta
Uα = Ud · cosθ - Uq · sinθ
Uβ = Ud · sinθ + Uq · cosθ
****************************************************************************/
void inverseParkTransform(DQ_T *dq, AlphaBeta_T *alphaBeta, float angle)
{float cosAngle = cos(angle);float sinAngle = sin(angle);alphaBeta->alpha = dq->d * cosAngle - dq->q * sinAngle;alphaBeta->beta = dq->d * sinAngle + dq->q * cosAngle;
}/**********************************************************************************************************
Clarke逆变换，输入Ualpha、Ubeta，得到Ua,Ub,Uc
Ua = Uα
Ub = -1/2 * Uα + sqrt(3)/2  * Uβ
Ub = -1/2 * Uα - sqrt(3)/2  * Uβ
**********************************************************************************************************/void inverseClarkeTransform(AlphaBeta_T *abVoltage, Phase_T *abc){abc->Ua = abVoltage->alpha;abc->Ub = -DIV_1 * abVoltage->alpha + SQRT_3_DIV_2 * abVoltage->beta;abc->Uc = -DIV_1 * abVoltage->alpha - SQRT_3_DIV_2 * abVoltage->beta;}void SVPWM(SVPWM_T *svpwm, Phase_T *abc)
{float sum;float k_svpwm;// step-1: 设置象限电压值svpwm->Ts = 1.0f;        // SVPWM的采样周期svpwm->u1 = abc->Ua;svpwm->u2 = abc->Ub;svpwm->u3 = abc->Uc;// step2：扇区判断// 根据u1、u2和u3的正负情况确定所处的扇区svpwm->sector = (svpwm->u1 > 0.0f) + ((svpwm->u2 > 0.0f) << 1) + ((svpwm->u3 > 0.0f) << 2); // N=4*C+2*B+A// step3:计算基本矢量电压作用时间（占空比）// 根据扇区的不同，计算对应的t_a、t_b和t_c的值，表示生成的三相电压的时间switch (svpwm->sector){case 5:// 扇区5svpwm->t4 = svpwm->u3;svpwm->t6 = svpwm->u1;sum = svpwm->t4 + svpwm->t6;if (sum > svpwm->Ts){k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //svpwm->t4 = k_svpwm * svpwm->t4;svpwm->t6 = k_svpwm * svpwm->t6;}svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t4 - svpwm->t6) / 2;svpwm->ta = svpwm->t4 + svpwm->t6 + svpwm->t7;svpwm->tb = svpwm->t6 + svpwm->t7;svpwm->tc = svpwm->t7;break;case 1:// 扇区1svpwm->t2 = -svpwm->u3;svpwm->t6 = -svpwm->u2;sum = svpwm->t2 + svpwm->t6;if (sum > svpwm->Ts){k_svpwm = svpwm->Ts / sum; // 计算缩放系数svpwm->t2 = k_svpwm * svpwm->t2;svpwm->t6 = k_svpwm * svpwm->t6;}svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t2 - svpwm->t6) / 2;svpwm->ta = svpwm->t6 + svpwm->t7;svpwm->tb = svpwm->t2 + svpwm->t6 + svpwm->t7;svpwm->tc = svpwm->t7;break; case 3:// 扇区3svpwm->t2 = svpwm->u1;svpwm->t3 = svpwm->u2;sum = svpwm->t2 + svpwm->t3;if (sum > svpwm->Ts){k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //svpwm->t2 = k_svpwm * svpwm->t2;svpwm->t3 = k_svpwm * svpwm->t3;}svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t2 - svpwm->t3) / 2;svpwm->ta = svpwm->t7;svpwm->tb = svpwm->t2 + svpwm->t3 + svpwm->t7;svpwm->tc = svpwm->t3 + svpwm->t7;    break;case 2:// 扇区2svpwm->t1 = -svpwm->u1;svpwm->t3 = -svpwm->u3;sum = svpwm->t1 + svpwm->t3;if (sum > svpwm->Ts){k_svpwm = svpwm->Ts / sum; svpwm->t1 = k_svpwm * svpwm->t1;svpwm->t3 = k_svpwm * svpwm->t3;}svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t1 - svpwm->t3) / 2;svpwm->ta = svpwm->t7;svpwm->tb = svpwm->t3 + svpwm->t7;svpwm->tc = svpwm->t1 + svpwm->t3 + svpwm->t7;    break;case 6:// 扇区6svpwm->t1 = svpwm->u2;svpwm->t5 = svpwm->u3;sum = svpwm->t1 + svpwm->t5;if (sum > svpwm->Ts){k_svpwm = svpwm->Ts / sum; // svpwm->t1 = k_svpwm * svpwm->t1;svpwm->t5 = k_svpwm * svpwm->t5;}svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t1 - svpwm->t5) / 2;svpwm->ta = svpwm->t5 + svpwm->t7;svpwm->tb = svpwm->t7;svpwm->tc = svpwm->t1 + svpwm->t5 + svpwm->t7;break;case 4:// 扇区4svpwm->t4 = -svpwm->u2;svpwm->t5 = -svpwm->u1;sum = svpwm->t4 + svpwm->t5;if (sum > svpwm->Ts){k_svpwm = svpwm->Ts / sum; // svpwm->t4 = k_svpwm * svpwm->t4;svpwm->t5 = k_svpwm * svpwm->t5;}svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t4 - svpwm->t5) / 2;svpwm->ta = svpwm->t4 + svpwm->t5 + svpwm->t7;svpwm->tb = svpwm->t7;svpwm->tc = svpwm->t5 + svpwm->t7;    break;default:break;}// step4：3路PWM输出
}void foc_test(void)
{int run_cnt = 10;float theta = 0;float ta,tb,tc;DQ_T dq_t;AlphaBeta_T alphaBeta_t;SVPWM_T svpwm_out;Phase_T phase_t;dq_t.d = 0.2f;dq_t.q = 0.0f;while( run_cnt--){for ( theta = 0; theta < 6.2831853f; theta += 0.275f ){// 逆Park变换inverseParkTransform(&dq_t,&alphaBeta_t,theta);// 逆Clark变换inverseClarkeTransform(&alphaBeta_t, &phase_t);// swpwm 转换SVPWM( &svpwm_out,&phase_t );ta = 100.0f*svpwm_out.ta;tb = 100.0f*svpwm_out.tb;tc = 100.0f*svpwm_out.tc;printf( "%.4f,%.4f,%.4f,%.4f,%.4f\n", alphaBeta_t.alpha*100.0f ,alphaBeta_t.beta*100.0f ,ta,tb,tc);//            printf("%.4f,%.4f,%.4f,%.4f,%.4f \n", alphaBeta_t.alpha,alphaBeta_t.beta,
//                                                  phase_t.Ua,phase_t.Ub,phase_t.Uc );}}
}/* End of this file */

2）  .h文件中的代码

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* File Name        :  foc_ctrl.h* Description      :  foc driver base on stm32f446******************************************************************************* @attention*
* COPYRIGHT:    Copyright (c) 2024  [e-mail]* DATE:         JUL 05th, 2024*******************************************************************************/
/* USER CODE END Header *//* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#ifndef __FOC_CTRL_H
#define __FOC_CTRL_H/*****************************************************************************/
/* Includes                                                                  */
/*****************************************************************************/
#include "main.h"
#include "utils_types.h"#ifdef _cplusplus
extern "C" {
#endif typedef struct 
{float Ia;  // Phase A currentfloat Ib;  // Phase B currentfloat Ic;  // Phase C currentfloat Ua;  // Phase A Voltagefloat Ub;  // Phase B Voltagefloat Uc;  // Phase C Voltage} Phase_T;typedef struct{float alpha;  // alpha-axis currentfloat beta;   // beta-axis current
} AlphaBeta_T;typedef struct 
{float d;  // d-axis currentfloat q;  // q-axis current
} DQ_T;typedef struct
{int sector;float u1;float u2;float u3;  float ta;float tb;float tc;float Ts;float t0;float t1;float t2;float t3;float t4;float t5;float t6;float t7;} SVPWM_T;typedef struct
{float U_d;float U_q;float theta;float U_alpha;float U_bate;Phase_T Phase_Curr;AlphaBeta_T  AlphaBeta;DQ_T DQ;
} FOC_T;extern FOC_T FOC;void foc_test(void);#ifdef _cplusplus
}
#endif   #endif    /* __FOC_CTRL_H */