Raumzeiger-Modulation (SVM) für Motorsteuerungen

Implementierung eines Algorithmus zur Steuerung von AC-Motoren mithilfe von Raumzeiger-Pulsbreitenmodulation

Die Raumzeiger-Modulation (Space Vector Modulation, SVM) ist eine gängige Technik beim feldorientierten Ansatz für Induktionsmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). Die Raumzeiger-Modulation generiert Signale mit modulierter Pulsbreite zur Regelung der Schalter eines Wechselrichters, der daraufhin die erforderliche modulierte Spannung erzeugt, um den Motor mit der gewünschten Drehzahl bzw. dem gewünschten Drehmoment anzutreiben. Die Raumzeiger-Modulation wird auch als Raumzeiger-Pulsbreitenmodulation (Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM) bezeichnet. Sie können entweder mithilfe von MATLAB® und Simulink® Raumzeiger-Modulationstechniken implementieren oder vordefinierte SVM-Bibliotheken für Motorsteuerungsanwendungen nutzen.

Ziel der SVM

Betrachten Sie das Konzept der Raumzeiger-Modulation für die Motorsteuerung an einem dreiphasigen Wechselrichter mit sechs Schaltern, der durch die folgende Äquivalenzschaltung dargestellt wird. Beachten Sie, dass es acht gültige Schaltkonfigurationen gibt.

Dreiphasige Wechselrichterschaltung, die an die Statorwindungen eines Motors angeschlossen ist.
* Die Zustände der Schalter S2, S4 und S6 sind komplementär zu S1, S3 bzw. S5.

Durch jede Schaltungskonfiguration ergibt sich eine bestimmte Spannung, die an die Motorklemmen angelegt wird. Bei den Spannungen handelt es sich um Basis-Raumzeiger, die ihren Betrag und ihre Richtung in einem Raumzeiger-Sechseck darstellen.

Raumzeiger-Sechseck mit Basisvektoren U1-U8.

Dreiphasige Wechselrichterschaltung, die an die Statorwindungen eines Motors angeschlossen ist.

Die Schaltzustände, die den Basis-Raumzeigern (für die Richtung) und den Nullvektoren (für den Betrag) entsprechen, werden zu einem angenäherten Spannungsvektor beliebiger Größe an beliebiger Position innerhalb des Raumzeiger-Sechsecks kombiniert. Beispiel: Für jede Periode der Pulsbreitenmodulation (Pulse Width Modulation, PWM) wird der Referenzvektor „Uref“ mithilfe einer Schaltsequenz aus zwei benachbarten Raumzeigern (U3 und U4 in der Abbildung) für einen bestimmten Zeitraum und einem Nullvektor (U7 oder U8) für die restliche Periode gemittelt.

Durch die Steuerung der Schaltsequenz und damit der Einschaltdauer der Pulse ist für jede PWM-Periode ein beliebiger Spannungsvektor mit variierendem Betrag und variierender Richtung zu erzielen. Das Ziel der Raumzeiger-Modulation ist die Erzeugung von Schaltsequenzen, die dem Referenzspannungsvektor für jede PWM-Periode entsprechen, um einen kontinuierlich rotierenden Raumzeiger zu erzielen.

Illustration eines rotierenden Referenz-Raumzeigers.

Funktionsweise der SVM

Die Raumzeiger-Modulation arbeitet mit dem Referenzspannungsvektor, um in jeder PWM-Periode entsprechende Gate-Signale für den Wechselrichter zu erzeugen, mit dem Ziel, einen kontinuierlich rotierenden Raumzeiger zu erzielen.

Illustration einer feldorientierten Regelungsarchitektur mit Raumzeiger-Modulation.

Das Blockdiagramm illustriert ein Beispiel für einen Raumzeiger-Modulations-Workflow.

Der SVM-Algorithmus führt für jede PWM-Periode mit dem Spannungsvektor als Eingangsreferenz Folgendes durch:

  • Berechnung der Ein- und Ausschaltzeiten auf Basis des Referenzspannungsvektors
  • Erzeugung der Modulationswellenformen mit doppeltem Höcker anhand der Gating-Zeiten
  • Erzeugung geeigneter Gate-Pulse für die Wechselrichterschalter anhand der Gating-Zeiten

Durch SVM-Algorithmen erzeugte Spannungssignale mit moduliertem Raumzeiger.

Durch den doppelten Höcker der erzeugten Modulationswelle wird die Nutzung der verfügbaren DC-Busspannung maximiert. Dies ermöglicht eine bessere Nennspannung im Vergleich zur SPWM-Technik (Sinusoidal Pulse Width Modulation – sinusförmige Pulsbreitenmodulation).

Erzeugung von Gate-Pulsen als Resultat des Vergleichs der Modulationswelle und Trägerwelle.

Anschließend können Sie die erzeugten Gate-Signale an die Schalter des dreiphasigen Wechselrichters anlegen, um den Motor mit der gewünschten Drehzahl bzw. dem gewünschten Drehmoment anzutreiben.

PWM-Hardware-Unterstützung

Hardwareplatinen wie Arduino®, Raspberry Pi™ und TI-Platinen erzeugen Gate-Pulse zum Antrieb des Wechselrichters, indem sie die Modulationswellenformen empfangen.

In diesem Video erfahren Sie mehr über die Implementierung eines feldorientierten Ansatzes mit SVM auf TI-Hardware: Feldorientierte Regelung von PMSMs mit Simulink, Teil 3: Bereitstellung (4:52).

Motorregelungsalgorithmen, bei denen PWM-Techniken angewendet werden, erfordern in der Regel je nach Designanforderungen um einige kHz höhere Frequenzen. Es ist wichtig, die Richtigkeit der Regelungsarchitektur frühzeitig zu bewerten, bevor Kosten für Hardwaretests entstehen. Ein entsprechender Ansatz ist die Verwendung einer Simulationsumgebung. Beispielsweise können Sie mit Simulink die Regelungsarchitektur, einschließlich Pulsbreitenmodulationstechniken wie der Raumzeiger-Modulation, simulieren und gegen einen modellierten Motor prüfen und Fehler somit frühzeitig beheben.

Zur Verwendung von SVM in Simulink: siehe Space Vector Generator-Block.

Weitere Informationen zu dem Entwurf und der Implementierung von Motorregelungsalgorithmen finden Sie in Motor Control Blockset und Simscape Electrical.

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