逆变器怎么控制电流矢量



FOC矢量控制及仿真

FOC矢量控制是一种精密控制电机性能的方法，主要通过调整电流和电压来精细操控电机的转矩和磁场。其仿真可以通过Simulink模型来展示其在不同输入下的性能。以下是关于FOC矢量控制及其仿真的详细解答：

一、FOC矢量控制

定义与原理：

FOC，即矢量控制技术，通过变频器调整电流和电压，实现对电机性能的精密控制。它特别适用于直流无刷电机和永磁同步电机，能够确保电机平稳运行、低噪声、恒定转矩、快速响应和精确控制。

应用场景：

FOC在需要高精度电机控制的场合中广泛应用，如电动汽车、工业自动化、机器人等领域。

控制流程：

包括采样、变换和逆变器操作。涉及位置、速度和电流闭环控制，确保电机按照预设目标运行。

二、FOC矢量控制的仿真

仿真工具：

Simulink是常用的电机控制仿真工具，可以方便地搭建FOC矢量控制的仿真模型。

仿真内容：

通过Simulink模型展示FOC在不同输入下的性能。仿真结果可以直观地反映FOC在电机控制中的优越性能，如有效跟踪目标、响应速度快等。

仿真意义：

通过仿真，可以深入理解FOC矢量控制在电机控制中的实际应用和效果。仿真还可以帮助工程师在设计阶段就发现和解决潜在的问题，提高电机控制系统的可靠性和性能。

综上所述，FOC矢量控制是一种高效、精确的电机控制方法，其仿真通过Simulink等工具可以直观地展示其在实际应用中的优越性能。

电机学习过程（三）——SVPWM原理

SVPWM原理

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）是一种先进的控制方法，它通过三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生脉宽调制波，使输出电流波形尽可能接近理想的正弦波形。以下是对SVPWM原理的详细解析：

一、SVPWM的基本原理

SVPWM的理论基础是平均值等效原理。在一个开关周期Tpwm内，通过对基本电压矢量进行组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域时，可由组成这个区域的两个相邻非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转。通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

二、电压空间矢量的合成

定义电压空间矢量：设直流母线侧电压为Udc，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上。可以定义三个电压空间矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，时间相位互差120°。

合成空间矢量：三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)在三相静止坐标系下和αβ坐标系下均可表示。在αβ坐标系下，合成空间矢量Us(t)是一个旋转的空间矢量，其旋转速度为输入电源角频率，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转。

基本电压空间矢量：逆变器三相桥臂共有6个开关管，可以产生8个基本电压空间矢量，包括6个非零矢量和2个零矢量。这些矢量在电压空间向量平面上形成一个正六边形。

三、SVPWM的实现

扇区划分：将电压空间向量平面等分成6个扇区，每个扇区对应一个特定的电压矢量组合。

时间分配：在每个扇区内，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量。即Uref=TxUx/T+TyUy/T+T0*U0/T，其中Uref为期望电压矢量，T为采样周期，Tx、Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间。

PWM波形的生成：在确定了各个电压矢量的作用时间后，通过适当的开关切换顺序来生成PWM波形。为了减少开关次数和开关损耗，通常选择在每个开关状态转换时只改变其中一相的开关状态，并对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM波形对称。

四、SVPWM的优势

与SPWM相比，SVPWM具有以下优势：

绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低。旋转磁场更逼近圆形，提高了电机的运行性能。直流母线电压的利用率有了很大提高。更易于实现数字化控制。

五、SVPWM控制算法

要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要判断参考电压矢量Uref所在的区间位置，然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量。判断扇区的方法通常是通过计算Uα和Uβ的值，并根据其几何关系来确定Uref所在的扇区。在确定扇区后，根据伏秒平衡原则计算各个电压矢量的作用时间，并通过适当的开关切换顺序来生成PWM波形。

以下是SVPWM控制算法中的一些关键步骤和公式：

判断扇区：通过计算Uβ、Uα-Uβ和-Uα-Uβ的值，并根据其符号来判断Uref所在的扇区。

计算作用时间：根据伏秒平衡原则，计算各个电压矢量的作用时间Tx、Ty和T0。

确定开关切换顺序：为了减少开关次数和开关损耗，通常选择在每个开关状态转换时只改变其中一相的开关状态，并对零矢量在时间上进行了平均分配。

生成PWM波形：根据计算出的作用时间和开关切换顺序，生成相应的PWM波形。

以上展示了逆变电路的结构、电压空间矢量的合成以及八个基本电压空间矢量的大小和位置，有助于更好地理解SVPWM原理。

无刷电机控制（九）SVPWM之三相逆变器

SVPWM之三相逆变器

三相逆变器在无刷电机控制系统中扮演着至关重要的角色，它负责将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。以下是对三相逆变器及其在无刷电机控制中的应用的详细解析。

一、三相电压型逆变器结构

三相电压型逆变器的基本结构如图1所示。该逆变器由六个功率开关管（VT1-VT6）组成，这些开关管通常由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等器件实现。这些开关管通过六路PWM（脉冲宽度调制）信号进行控制，以实现逆变器的正常工作。

在逆变器中，VT1和VT4、VT2和VT5、VT3和VT6分别组成三组桥臂。当某一桥臂的上方开关管（如VT1）导通时，下方开关管（如VT4）关断；反之亦然。通过控制这六个开关管的导通和关断，逆变器可以输出三相电压ua、ub和uc。在FOC（磁场定向控制）算法的控制下，这三相电压呈现为正弦波的形式，从而实现从直流到交流的变换。

二、三相逆变器的工作原理

三相逆变器的工作原理基于PWM调制技术。通过调整PWM信号的占空比，可以控制逆变器输出电压的幅值和相位。在SVPWM（空间矢量脉宽调制）算法中，将逆变器的输出电压看作一个空间矢量，通过控制该矢量的方向和大小，可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制。

具体来说，SVPWM算法将逆变器的输出电压空间划分为六个扇区，每个扇区对应一个特定的开关状态组合。在每个扇区内，通过调整两个相邻开关状态的作用时间，可以合成出所需的输出电压矢量。这种调制方式不仅提高了电压利用率，还降低了谐波含量，从而提高了无刷电机的运行性能。

三、三相逆变器的硬件实现

三相逆变器的硬件实现通常包括光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件。这些组件共同构成了逆变器的核心电路，实现了对功率开关管的精确控制。

光耦芯片：用于隔离控制信号和功率电路，防止高压电路对控制电路的干扰。驱动芯片：用于放大控制信号，以驱动大功率NMOS管的导通和关断。升压电路：用于提高直流母线电压，以满足无刷电机对高压输入的需求。大功率NMOS管：作为逆变器的功率开关管，承受高压和大电流，实现直流到交流的变换。

以正点原子ATK-PD6010B无刷驱动板为例，其硬件结构如图2所示。该驱动板采用了上述组件，实现了对三相逆变器的精确控制。通过调整PWM信号的占空比和频率，可以实现对无刷电机转速和转矩的精确调节。

四、总结

三相逆变器是无刷电机控制系统中的关键组件之一。它通过PWM调制技术将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。在SVPWM算法的控制下，逆变器可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制，从而提高电机的运行性能。硬件实现方面，三相逆变器通常由光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件构成，这些组件共同实现了对功率开关管的精确控制。通过对这些组件的合理设计和优化，可以进一步提高无刷电机控制系统的性能和可靠性。

空间电压矢量调制 SVPWM技术

空间电压矢量调制SVPWM技术详解

空间电压矢量调制（Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM）是一种用于三相功率逆变器的先进调制技术。它通过特定的开关模式产生脉宽调制波，使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。SVPWM技术着眼于如何使电机获得理想的圆形磁链轨迹，从而提高电机的运行性能和效率。

一、SVPWM的基本原理

SVPWM的理论基础是平均值等效原理。在一个开关周期内，通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。这些基本电压矢量由逆变器的六个功率开关元件（A+，A-，B+，B-，C+，C-）的不同组合产生。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。通过控制这些矢量的作用时间，可以使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，从而逼近理想磁通圆。

二、SVPWM的实现过程

确定基本电压矢量：逆变器输出的三相相电压分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量。这些矢量的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，时间相位互差120°。

合成理想磁通圆：控制的目标是通过八个基本矢量（六个非零矢量和两个零矢量）合成所需的理想磁通圆。这需要通过计算确定每个基本矢量的作用时间，使得它们的平均值与给定电压矢量相等。

计算作用时间：以扇区1为例，可以通过公式计算出非零矢量U4和U6的作用时间T4和T6，以及零矢量U0或U7的作用时间T0或T7。这些时间在一个PWM周期内分配，以确保电压空间矢量按圆形轨迹旋转。

生成PWM波形：根据计算出的作用时间，可以生成相应的PWM波形。这些波形用于控制逆变器的开关元件，从而实现所需的输出电压和电流波形。

三、SVPWM技术的优点

降低谐波成分：SVPWM技术使得绕组电流波形的谐波成分减小，从而降低电机转矩脉动和噪音。

提高直流母线电压利用率：与传统的正弦PWM相比，SVPWM技术能更有效地利用直流母线电压，从而提高电机的输出功率和效率。

易于实现数字化：SVPWM技术的实现过程相对简单且易于数字化控制，便于在现代电机控制系统中应用。

四、SVPWM技术的应用

SVPWM技术广泛应用于各种需要高性能电机控制的场合，如永磁同步电机（PMSM）和三相感应电机等。通过精确控制电机的磁场和电流波形，可以实现更高的运行效率和更低的噪音水平。

五、结论

空间电压矢量调制SVPWM技术是一种先进的电机控制技术，它通过精确控制逆变器的开关元件来产生接近理想正弦波形的输出电压和电流。这种技术具有降低谐波成分、提高直流母线电压利用率和易于实现数字化等优点，在高性能电机控制领域具有广泛的应用前景。

以下是相关展示：

通过这些和详细解释，我们可以更直观地理解SVPWM技术的原理和实现过程。

三相永磁同步电机矢量控制，公式（3-5）、（3-6）、（3-7）、（3-8）怎么变换来的？

三相永磁同步电机的矢量控制是一种关键技术，它允许对电机的电流和转矩进行独立控制。让我为您解释一下公式（3-5）、（3-6）、（3-7）和（3-8）的变换过程。

矢量控制概述： 矢量控制，也称为解耦控制或磁场定向控制，使得永磁同步电机的磁通和转矩可以独立控制。关键要点包括：

使用空间向量形式的电机模型，将其等效为直流电机。

逆变器能够产生幅值、频率和相位完全可控的电流相量。

定子电流表示： 假设所需的相量均为从逆变器获得的理想相量，经过恒幅值的3s->2r变换，得到转子参考坐标系下的dq轴电流：

id

​

什么叫矢量变频器

矢量变频器是一种能够实现对交流电机进行高精度、高性能控制的变频调速装置。以下是关于矢量变频器的详细解释：

一、工作原理

矢量变频器的工作原理主要包括整流和逆变两个过程。首先，它通过整流器将输入的交流电源转换为直流电源，然后再通过逆变器将直流电源转换为所需频率的交流电源。这一过程使得矢量变频器能够根据需要调整输出频率和电压，从而实现对电机转速和转矩的精确控制。

二、技术基础

矢量变频器技术是基于DQ轴理论而产生的。DQ轴理论是一种将电机的电流分解为D轴电流和Q轴电流的控制方法。其中，D轴电流是励磁电流，用于产生电机的磁场；Q轴电流是力矩电流，用于产生电机的转矩。通过分别控制D轴电流和Q轴电流，矢量变频器能够实现对交流电机的励磁电流和力矩电流的分开控制。这种控制方法使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性，从而大大提高了交流电机的控制性能。

三、应用优势

高精度控制：矢量变频器能够实现对电机转速和转矩的精确控制，满足各种高精度控制需求。宽调速范围：通过调整输出频率和电压，矢量变频器能够实现电机的宽调速范围，适应不同的工作场景。节能效果显著：矢量变频器能够根据负载情况调整电机转速和转矩，从而降低能耗，实现节能效果。动态响应快：矢量变频器具有较快的动态响应速度，能够快速适应负载变化，保证系统的稳定性。

综上所述，矢量变频器是一种具有高精度、高性能控制特性的变频调速装置，广泛应用于各种需要精确控制电机转速和转矩的场合。

1.1永磁同步电机——矢量控制（FOC）

永磁同步电机（PMSM）的矢量控制，主要目标是通过控制逆变器输出电压，得到相应的转速。矢量控制核心在于Clark变换与Park变换，这两变换分别将三相定子电流分解为励磁分量和转矩分量，对于表贴式永磁同步电机，主要控制励磁，也会影响转矩。

一、三相PMSM坐标变换：

Clark变换和Park变换是坐标系之间的转换方式。Clark变换将自然坐标系ABC坐标转换到静止坐标系[公式]，Park变换则相反。Clark变换的坐标变换矩阵为[公式]，反Clark变换矩阵为[公式]。Park变换中，坐标变换矩阵为[公式]，反Park变换矩阵为[公式]。基于此变换，得到自然坐标系ABC到同步旋转坐标系[formula] 的关系。

二、PMSM数学建模：

基于Park变换的数学模型中，定子电压方程、磁链方程可得到电磁转矩方程，以及几个关键的关系式。

三、三相空间矢量：

三相空间矢量技术采用逆变器空间电压矢量切换，通过该技术可获得准圆形旋转磁场，达到改善控制性能、减少谐波、提高电压利用率、降低电机转矩脉动的目的。空间矢量合成的方法将逆变器三相输出的标量转换为矢量，其运动轨迹如下图所示。

四、SVPWM算法实现：

实现三相空间矢量变换的技术，即SVPWM算法，首先需判断电压空间矢量的扇区，确定合成矢量使用的基矢量。计算各矢量作用时间，最后确定矢量切换点。

五、基于PI调节器的PMSM矢量控制仿真：

基于给定参数，通过simulink建立电机模型，设定仿真条件，结果显示转速、转矩及三相定子电流波形。

结语：

以上内容涉及的理论知识源自《现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真》一书。如有需求，可前往闲鱼购买电子版及仿真模型。欢迎在评论区就永磁同步电机知识进行友好交流。

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