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电机控制的空间矢量调制 (SVPWM)

article 2025/2/25 22:40:34

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

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  tangminfei2013@126.com

* 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            0.5f

FOC_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5
            svpwm->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1
            svpwm->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3
            svpwm->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2
            svpwm->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6
            svpwm->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4
            svpwm->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  tangminfei2013@126.com

* 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 current
    float Ib;  // Phase B current
    float Ic;  // Phase C current

    float Ua;  // Phase A Voltage
    float Ub;  // Phase B Voltage
    float Uc;  // Phase C Voltage

} Phase_T;

typedef struct
 {
    float alpha;  // alpha-axis current
    float beta;   // beta-axis current
} AlphaBeta_T;

typedef struct 
{
    float d;  // d-axis current
    float 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 */


http://www.kler.cn/a/560919.html

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