Modulación de vector espacial (SVM) para sistemas de control de motores

Implemente un algoritmo para controlar motores de CA mediante modulación por ancho de pulsos de vector espacial

La modulación de vector espacial (SVM) es una técnica frecuente en el control de campo orientado para motores de inducción y motores síncronos de imanes permanentes (PMSM). SVM se encarga de generar señales moduladas por ancho de pulsos para controlar las conmutaciones de un inversor que, a continuación, produce la tensión modulada necesaria para accionar el motor con la velocidad o el par motor deseados. La modulación de vector espacial también se conoce como modulación por ancho de pulsos de vector espacial (SVPWM). Puede utilizar MATLAB® y Simulink® para implementar técnicas de modulación de vector espacial o aprovechar las librerías de SVM predefinidas para aplicaciones de control de motores.

Finalidad de SVM

Considere el concepto de la modulación de vector espacial para el sistema de control de un motor en un inversor trifásico con seis conmutadores representado en el siguiente circuito. Observe que existen 8 configuraciones de conmutación válidas.

Circuito de inversor trifásico conectado a los devanados del estátor de un motor.
* Los estados de los conmutadores S2, S4 y S6 son complementarios de S1, S3 y S5, respectivamente.

Cada configuración de conmutación genera una tensión específica en los terminales del motor. Las tensiones son vectores espaciales básicos y representan su magnitud y dirección en un hexágono de vectores espaciales.

Hexágono de vectores espaciales con vectores básicos U1-U8.

Circuito de inversor trifásico conectado a los devanados del estátor de un motor.

Los estados de conmutación que corresponden a los vectores espaciales básicos (para la dirección) y a los vectores nulos (para la magnitud) se combinan para aproximar un vector de tensión de cualquier magnitud, en cualquier posición, dentro del hexágono de vectores espaciales. Por ejemplo, por cada periodo de modulación por ancho de pulsos (PWM), el vector de referencia “Uref” se promedia usando una secuencia de conmutación de dos vectores espaciales adyacentes (U3 y U4 en la figura) por un periodo de tiempo especificado, y un vector nulo (U7 o U8) durante el resto del periodo.

Controlando la secuencia de conmutación y, por consiguiente, el tiempo de activación de los pulsos, se puede obtener cualquier vector de tensión con magnitud y dirección variantes para cada periodo de PWM. La finalidad de la técnica de modulación de vector espacial es generar secuencias de conmutación que se correspondan con el vector de tensión de referencia para todos los periodos de PWM y, de esta forma, obtener un vector espacial en rotación continua.

Vector espacial de referencia rotatorio.

Funcionamiento de SVM

La técnica de modulación de vector espacial opera sobre el vector de tensión de referencia para generar señales de compuerta apropiadas para el inversor en cada periodo de PWM, con el objetivo de lograr un vector espacial en rotación continua.

Arquitectura de control de campo orientado con modulación de vector espacial.

Diagrama de bloques que ilustra un ejemplo de flujo de trabajo de modulación de vector espacial.

Por cada periodo de PWM, con el vector de tensión como referencia de entrada, el algoritmo SVM:

  • Calcula los tiempos de activación y desactivación basándose en el vector de tensión de referencia
  • Utiliza tiempos de compuerta para generar las formas de onda de modulación de doble cresta
  • Utiliza tiempos de compuerta para generar pulsos de compuerta adecuados para los conmutadores del inversor

Señales de tensión con modulación de vector espacial generadas por el algoritmo SVM.

El carácter de la onda de modulación generada con una doble cresta maximiza la utilización de la tensión del bus de CC disponible. Esto proporciona una mejor salida de tensión nominal si se compara con la técnica de modulación sinusoidal por ancho de pulsos (SPWM).

Generación de pulsos de compuerta como resultado de comparar la onda de modulación con la onda portadora.

Luego, puede aplicar las señales de compuerta generadas a los conmutadores del inversor trifásico para accionar el motor con la velocidad o el par motor deseados.

Soporte para hardware de PWM

Las placas de hardware, tales como Arduino®, Raspberry Pi™ y TI, generan pulsos de compuerta para accionar el inversor de potencia al recibir las formas de onda de modulación.

Para obtener más información sobre cómo implementar el control de campo orientado con SVM en hardware de TI, vea este vídeo: Sistemas de control de campo orientado de PMSM con Simulink - parte 3: despliegue (4:52).

Los algoritmos de sistemas de control de motores que emplean técnicas de PWM normalmente requieren la ejecución a frecuencias más altas en el orden de unos pocos kHz, según los requisitos de diseño. Es importante evaluar la exactitud de la arquitectura del sistema de control en una fase inicial, antes de incurrir en gastos relacionados con pruebas en hardware. Una manera eficaz de lograrlo consiste en utilizar un entorno de simulación. Por ejemplo, con Simulink, puede simular y verificar la arquitectura del sistema de control, incluidas las técnicas de modulación por ancho de pulsos, como la modulación de vector espacial, con respecto a un motor modelado y rectificar los errores en una fase inicial.

Para utilizar SVM en Simulink, consulte el bloque Space Vector Generator.

Para obtener más información sobre cómo diseñar e implementar algoritmos de sistemas de control de motores, consulte Motor Control Blockset y Simscape Electrical.

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