干电机控制的这些年我见过太多人在SVPWM上栽跟头而且栽得最狠的往往是同一个地方拿着示波器去实测SVPWM波形结果测出来的东西和书上画的完全对不上。有人把探头夹在逆变器输出端看到一串0到母线电压的方波以为这就是相电压有人用线电压减出来的波形去验证马鞍波却死活找不到那条漂亮的马鞍包络还有人调了半天FOC电流波形始终不对最后发现参考点选错了。这篇东西我想把这三个电压彻底掰扯清楚用实测波形展开讲再结合TI、ST官方笔记里反复强调的要点说人话不绕弯。适合刚接触电机控制、正在调SVPWM代码但被示波器波形搞懵的工程师也适合想加深理解、把零序注入和调制比吃透的老手。1. 示波器实测前必须理清三个定义参考点不同波形就完全不同先说一句大实话大部分人对相电压、线电压、端电压的困惑根子不在SVPWM本身而在参考点。很多教程上来就说相电压是马鞍波然后画一条漂亮的三相马鞍曲线。等你真的拿示波器去测把探头参考地夹在直流母线负端测电机U相输出看到的却是一堆高电平0V、低电平-母线电压的PWM脉冲列压根没有马鞍形状。这时候你就开始怀疑自己是不是算法写错了是不是示波器设置不对其实都不是是你测的位置和参考点跟书上画马鞍波时用的参考点根本不是一回事。1.1 端电压看桥臂线电压看相间相电压看绕组我用一句话概括三者的区别这句话你自己实测前最好也在脑子里过一遍端电压也叫极电压是逆变器某一相桥臂输出点相对直流母线某个参考点通常取母线负端或者母线中点的电压。它描述的是桥臂到底把输出端接到了母线的哪一侧。线电压是逆变器两个输出端之间的电压差比如Uab Ua - Ub。它描述的是两根电机线之间的电压。相电压严格来说是电机绕组上的电压。对于星形连接的电机相电压是相线对中性点N的电压即Uan Ua - UN。它描述的是电机绕组实际承受的电压。你看光是定义里参考点就完全不一样。端电压参考直流母线线电压参考另一相输出相电压参考电机中性点。参考点不同波形自然长得完全不同。1.2 三个电压的数学关系一个公式就能说透以直流母线中点为参考点O三相输出端的瞬时端电压分别为Uao、Ubo、Uco。那么线电压Uab Uao - Ubo电机中性点电压UNo (Uao Ubo Uco) / 3相电压Uan Uao - UNo Uao - (Uao Ubo Uco) / 3这个式子太关键了。你注意看线电压Uab和零序分量完全无关因为Uab Uao - Ubo中性点电压UNo在相减时被抵消了。而相电压Uan正好是端电压减掉了中性点电压也就是说相电压天然包含零序分量。这就是为什么线电压波形和相电压波形长得不一样一个没有零序一个有零序。SVPWM的所谓零序注入注入的就是UNo这一项。它会把三相对称的正弦参考电压变成马鞍形状的调制波但线电压波形始终保持纯正弦基波没有马鞍包络。你实测的时候如果发现线电压波形也出现了马鞍包络那大概率是测量方法出了问题。1.3 为什么相电压是马鞍波这句话容易误导人书上说的相电压是马鞍波严格讲是指相电压的低频平均值包络是马鞍形。真实的相电压在示波器上是一串高频PWM脉冲脉冲的高低电平随着中性点电压UNo的变化整体上下漂移把这串脉冲的上下包络连线你才看到马鞍形状。这个区别极其重要。如果你把示波器显示出来的PWM脉冲本身当成相电压波形你会觉得这东西跟马鞍波一点关系都没有。但如果你把时基调大、打开余晖看到脉冲带的上下边界呈马鞍状那就对了。2. 实测环境搭建探头该夹哪、参考地选哪个点直接决定你看到什么搞清楚了定义接下来是实操。很多人拿示波器就往上怼夹子乱接测出来的波形带一堆毛刺和地环路噪声根本没法看。实测SVPWM的测量环境其实比想象中讲究。2.1 测端电压普通探头最省事但地线环路有讲究端电压最简单的测法普通单端电压探头打到×10档探头尖点逆变器某一相输出端比如U相探头的地线夹子夹到直流母线负端。这里要注意地线夹子的引线一定要短。PWM节点上开关频率高、dv/dt极大甩一根长地线出去等效于在探头输入端串联了一个电感会在波形上升沿和下降沿激发出几百MHz的振铃。这不是真实信号是地线环路造成的。正确做法是用探头自带的接地弹簧直接套在探头尖的金属套筒上让参考地尽可能靠近被测点。如果手头没有接地弹簧就把地线夹子夹在母线电容的引脚处离输出端越近越好。我的实测经验是同样的板子用长地线夹测出来的上升沿振铃峰峰值能到好几伏换上接地弹簧之后干净很多。2.2 测线电压数学通道省事差分探头准确线电压Uab Ua - Ub测法有两种。第一种用CH1测U相输出CH2测V相输出然后示波器MATH通道做A-B。这种方法不需要差分探头普通探头就能测示波器面板上几个按键就调出来了。但有个隐患普通探头的地是接示波器机壳的如果你把两个探头的参考地都夹在直流母线负端那么你测到的两个信号其实都是相对母线负端的端电压相减之后得到的确实是线电压这在低频段没问题。第二种直接用差分探头跨接在U、V两相输出之间。差分探头的好处是共模抑制能力强不会因为两个普通探头的地环路形成额外的噪声回路。缺点是贵且低压差分探头普遍带宽不高一般是25MHz左右。对看10kHz~20kHz的PWM波形来说完全够用但如果你想测开关沿的振铃细节25MHz带宽会把高频成分抹平。我的建议很简单确认波形形状和相对电平关系用数学通道A-B就够了要定量测量、要看谐波成分上差分探头。别一上来就花大几千买差分探头很多场景数学通道真的够用。2.3 测相电压中性点在哪决定了你怎么接探头这是最容易翻车的地方。相电压的定义是Uan Ua - UN你的探头参考点必须接到电机中性点N而不是直流母线负端。如果电机是星形接法且中性点有引线拉出来你可以用差分探头一头接U相线另一头接中性点线直接测绕组两端电压。这是最准确的相电压测量方法。如果电机中性点没有引线很多人会用三个大功率电阻搭一个人工中性点然后把探头参考端接在人工中性点上。这个方法有两个问题一是人工中性点只在中低频段近似等于电机中性点开关频率附近受分布参数影响测出来的波形和真实相电压有偏差二是示波器探头参考端接了人工中性点之后如果系统是共地的示波器机壳和直流母线之间可能形成额外的接地回路严重时会影响电路工作甚至损坏示波器。所以我的建议是能引中性点就引中性点不能引就用差分探头跨绕组两端测别图省事用人工中性点去代替。尤其是在你做FOC调参、需要看真实相电压波形的时候人工中性点带来的偏差会误导你的判断。还有个特殊情况如果电机是三角形接法相电压等于线电压直接测线电压就行没有中性点这回事。3. 波形逐个看端电压是脉宽在变的方波线电压是双极性阶梯相电压是马鞍包络下的变幅脉冲前面铺垫了这么多现在进入正题三种波形到底长什么样。我这里描述的是Vdc24V、PWM载频10kHz、基波频率50Hz、SVPWM七段式调制下的实测现象。换不同的母线电压和载频绝对电平会变但形状规律不变。3.1 端电压波形一列占空比按正弦变化的方波将示波器探头接到U相输出参考地接母线负端时基调到2ms/div会看到一长条密集的脉冲带。用肉眼很难直接看出占空比变化但把示波器余晖打开或者把时基调到50μs/div展开来看就能看到每个开关周期内只有一个高电平脉冲高电平宽度占空比在缓慢变化。变化的规律是在一个基波周期内U相端电压的占空比从接近0慢慢增大到接近100%再慢慢减小回接近0。这是因为SVPWM的目标就是让U相平均电压按正弦规律变化。当占空比为50%附近时U相输出的是等宽的方波平均电压接近0相对母线中点为0占空比大于50%时平均电压为正小于50%时平均电压为负。具体数值上如果相对母线中点测量高电平约12V上管导通低电平约-12V下管导通如果相对母线负端测量高电平约24V低电平约0V。这个大家别搞混探头参考点变一下显示的电平完全不一样。3.2 线电压波形三电平的阶梯脉冲正负对称CH1测U相、CH2测V相、MATH做A-B或者直接差分探头跨U、V两相输出看到的是线电压Uab。线电压的特点是只有三种电平Vdc、0、-Vdc。因为端电压Ua相对母线负端只有0V和Vdc两种状态Ub同样两者相减自然只有三种结果。在实际波形上你会看到一组组正脉冲、零电平、负脉冲交替出现脉冲宽度同样在变化。重点来了线电压波形是正负对称的而且它的低频包络跟正弦是面积等效的关系。一个PWM周期内正脉冲的面积代表线电压在该周期内的正向平均值负脉冲的面积代表负向平均值。你把这个平均值随着基波周期画出来能得到一条纯正弦曲线没有马鞍没有三次谐波。这也好理解Uab Uao - Ubo零序分量UNo在相减时抵消了。如果你把线电压波形拿去做FFT能看到基波分量占主导三次及三的倍数次谐波含量非常小。这正是判断你是否在测线电压的一个判据。3.3 相电压波形马鞍包络下的变幅脉冲这才是SVPWM精粹用差分探头跨在电机U相绕组两端一端接U相线一端接中性点N测Uan。这时的波形跟端电压、线电压都不同。由于中性点电压UNo在低频段是一个三倍频的波动量相电压的PWM脉冲整体会随着UNo上下漂移。展开来看脉冲的上下两条包络线呈现出马鞍形状每个基波周期里有6个明显的回落或平台特征顶部不是纯正弦那样尖尖的而是被压平了一段。本质上相电压的低频平均值就是端电压平均值减去中性点电压的叠加结果。SVPWM注入的零序分量让这个平均值变成了马鞍波而马鞍波的凹陷位置正好对应扇区边界。实测中一个常见现象如果把时基调到5ms/div看到的是相电压脉冲带上下边界呈马鞍形如果把时基展开到100μs/div看到的是一个个开关周期内脉冲电平本身在±Vdc/2附近但整个波形在垂直方向上缓慢移动。后者按直观前者按趋势。3.4 三种波形的参数对比电压类型参考点电平数低频包络形状包含零序分量基波峰值上限端电压Ua母线负端或母线中点2高、低占空比按正弦变化是与母线电压有关线电压Uab另一相输出3Vdc、0、-Vdc纯正弦否Vdc相电压Uan电机中性点N2相对±Vdc/2马鞍波是Vdc/√3这张表建议截图存一下实测前对着看一眼心里有数。4. 马鞍波的真正来源中性点电压的三倍频漂移与零序注入很多人看SVPWM的相电压波形是马鞍状觉得奇怪明明是三相正弦电压供给电机为什么相电压不是正弦电机不是应该吃正弦电吗要回答这个问题就得把零序注入和马鞍波的来龙去脉讲透。4.1 中性点电压UNo为什么是3倍频还是回到那个公式UNo (Uao Ubo Uco) / 3。三相端电压各自包含基波分量但基波分量三相之间相差120°加起来是零对UNo没有贡献。能留下来的只有三相中同相位的分量也就是零序分量。SVPWM往三相调制波里注入的零序分量是三倍基频的周期是基波的1/3所以UNo在三相端电压的平均值中不会相消而是以三倍频的形式出现。用示波器直接测电机中性点相对母线中点的电压就能看到这个三倍频分量它是一个接近三角波形状的波动频率是电机基频的三倍。基频50Hz时UNo是150Hz的波动基频100Hz时UNo是300Hz。这个特征非常明显一测一个准。4.2 零序注入为什么能提高电压利用率传统SPWM三相调制波是纯正弦调制波峰值不能超过三角载波峰值否则进入过调制。线性区内相电压基波峰值最大只有Vdc/2线电压基波峰值最大只有0.866Vdc。SVPWM看到的问题是三相正弦调制波在某一时刻总有一相峰值最高、一相峰值最低如果你把整个调制波叠加一个零序分量让最高相往下压一点、最低相往上抬一点就能让三相调制波的峰值包络变小在不超过载波峰值的前提下塞进更大的基波幅值。这个最高相往下压、最低相往上抬的零序分量就是SVPWM的核心操作。叠加之后三相调制波变成了马鞍波。马鞍波的尖峰比纯正弦小基波幅值却更高相当于省出来的余量换成了更高的调制深度。定量结论SPWM线性区最大相电压基波峰值Vdc/2SVPWM线性区最大相电压基波峰值Vdc/√3 ≈ 0.577VdcSVPWM线性区最大线电压基波峰值√3 × Vdc/√3 Vdc也就是说SVPWM能比SPWM多榨出约15.5%的电压利用率。这个15.5%不是靠硬件压榨出来的而是靠改变调制波形状、往相电压里注入零序分量换来的。电机电流之所以还是正弦是因为三次谐波在三相绕组中同相星形无中线连接时不会产生三次谐波电流只有中性点电位漂移对转矩的贡献为零。这个点TI的FOC文档里反复提过ST的电机库实现里也遵循这个逻辑。4.3 从官方笔记角度理解相电压的非正弦本质先说TI。TI的C2000系列FOC相关应用笔记和参考设计里只要涉及SVPWM基本都会强调相电压是含零序分量的逆变器的端电压不能直接当作相电压处理。TI在讲调制比和过调制时用的也是Vdc/√3这个相电压基波峰值上限。你去看TI的电机库代码里面SVPWM的扇区计算、矢量作用时间计算最终等效出来的三相调制波就是马鞍波。再说ST。ST的MC SDK文档和电机控制应用笔记比如AN系列里讲无感FOC、PWM生成的部分里对SVPWM实现讲得很细定时器如何配置成中心对齐PWM、死区如何设置、扇区切换如何处理。ST官方笔记里有一个比较容易忽略的点它建议你在验证SVPWM输出时用线电压波形来判断扇区切换是否正确而不是用相电压因为线电压不含零序分量波形干净更容易和理论计算对照。我个人读官方笔记的体会是TI和ST对SVPWM的切入角度不同TI更偏控制理论ST更偏MCU实现但两者对端电压、线电压、相电压的区分态度完全一致端电压是逆变器的事相电压是电机的事线电压是连接两个世界的桥梁。5. 从波形反推算法细节扇区切换、七段式/五段式、过调制边界实测SVPWM不只是为了看个热闹我更推荐反过来用把示波器当成算法检查工具从波形反推你的SVPWM实现到底对不对。这一章讲几个我能直接用在调试中的波形判据。5.1 用相电压马鞍波的6个顶点确认扇区切换SVPWM把电压圆分成了6个扇区每个扇区60°。扇区切换的瞬间参与合成的两个非零矢量会变化桥臂开关组合会变化反映到相电压波形上就是马鞍波的包络会出现明确的拐点。把示波器时基调到20ms/div观察相电压一个完整基波周期你会看到马鞍波一共有6段每一段内部包络形状各不相同段与段之间有明显的折点。这6个折点就是6个扇区边界。每个折点之间的电气角度恰好是60°。这个特征面非常硬如果你的SVPWM扇区判断算法写错了马鞍波的6段会不对称或者分段位置错位。我在调试早期遇到过扇区判断的边界条件写错在0°和180°附近各多算了一段示波器上马鞍波就变成了一边高一边低的畸形形状。对照这6个折点当时很快就定位到了问题。5.2 七段式和五段式从波形上一眼分辨七段式SVPWM每个开关周期内的矢量序列关于周期中心对称比如第一扇区是000-100-110-111-110-100-000。它的特点是每相占空比连续变化用示波器看单相端电压展开一个开关周期高电平脉冲在周期中间两侧对称分布。五段式SVPWM每个开关周期只用一个零矢量矢量序列变成000-100-110-000这样循环。它在60°扇区内会让某一相桥臂完全钳位也就是这一相在一个扇区内要么一直输出高电平、要么一直输出低电平不做PWM动作。怎么用示波器分辨出来把探头接到某相端电压上时基调到2ms/div观察整个基波周期。七段式每一相在整个周期内都在持续输出PWM脉冲只是占空比变化五段式你会看到60°左右的一段时间里波形变成了一条直线要么高要么低完全没有任何PWM脉冲。这个轴钳位现象是五段式最明显的波形特征。选择建议七段式谐波含量低、电流波形平滑适合对噪音和振动有要求的应用五段式开关次数减少1/3开关损耗低适合母线电压高、开关频率高的场合。实测时先通过看波形确认你实际落的是哪种模式再去调参数不要凭配置想当然。5.3 过调制马鞍波尖峰削平六步模式极限当调制比超过线性区的极限相电压基波峰值超过Vdc/√3SVPWM进入过调制区。过调制一区里马鞍波的凹陷部分被拉平波形看起来更像梯形波基波幅值不再随调制比线性上升会出现谐波畸变。继续加大调制比最终会进入六步模式方波驱动。这时相电压不再有高频PWM变成180°导通的方波线电压变成三相六拍的阶梯波形式。用示波器看六步模式下端电压是干净的50Hz方波没有高频PWM成分。这个状态开关损耗最低电压利用率最高但电流谐波大只适合对谐波不敏感的应用。如果你在调试中调高了调制比发现相电压波形从马鞍波慢慢变成梯形波、方波别慌这是正常的过调制过程。需要关注的是过调制区电容电流和电机损耗都会升高实测中注意摸一下功率管的温度。5.4 用波形看中心对齐PWM和边沿对齐PWMSVPWM一般要求使用中心对齐PWM也就是定时器的PWM输出在周期中间对称翻转。因为七段式矢量序列本身就依赖中心对齐才能形成对称的零矢量分布。用示波器看单相端电压展开到单个PWM周期中心对齐PWM的高电平脉冲位于周期正中间两侧低电平宽度相等。如果看到高电平靠左或靠右那就是边沿对齐PWM或者中心没对齐。电机控制中电流采样通常都在PWM周期的中心时刻进行因为中心对齐时采样点能避开开关动作瞬间的噪声。波形上确认中心对称是保证电流采样质量的前提。6. 实测中我踩过的几个波形陷阱最后分享一些纯实操层面的坑。这些坑不见得写进TI和ST的笔记里但你在实测中几乎都会遇到。6.1 长地线带来的共模噪声尖峰普通探头甩一根十几厘米的长地线去测逆变器输出端的高dv/dt节点波形上升沿和下降沿会出现非常明显的振铃振铃频率大约几十到几百兆赫兹。这不是SVPWM的问题也不是驱动死了单纯是地线电感和探头输入电容形成了谐振回路。处理办法换接地弹簧如果手头没有把地线夹子绕在探头尖的金属套筒上尽量减少地线回路面积。测完之后再看看波形你会发现那些毛刺消失了波形干净到像换了一台示波器。6.2 死区造成的半高小台阶SVPWM上下桥臂互补导通必须在切换瞬间插入死区时间。死区期间输出电平由续流二极管决定可能是一个不确定的中间电平。如果示波器展开到纳秒级别会在PWM边沿看到一段几百纳秒的半高台阶或毛刺。很多初学者看到这个台阶以为驱动坏了其实这是死区的正常表现。处理办法用示波器量一下这个台阶的宽度和代码里配置的死区时间对比如果数值一致就不用管。死区过大会造成电流波形畸变和低次谐波但你不能靠改示波器去消除它只能通过合理的死区补偿或者更小的死区时间来优化。6.3 触发设置不对波形抖到你怀疑人生看PWM波形时如果触发源选的是CH1且触发电平设在PWM脉冲的高电平和低电平之间边沿触发会经常乱跳波形在屏幕上抖来抖去。处理办法看低频包络时换成脉宽触发或者周期触发把触发条件限制在PWM载波频率附近或者干脆把时基调大用余晖模式看包络不纠结单个脉冲的触发稳定性。打开余晖之后波形会自动叠加出上下包络的形状非常适合观察马鞍波和占空比变化规律。6.4 示波器带宽限制设错了高频开关沿看不清20MHz带宽限制是个好东西。看低频包络和调制波形状时建议打开带宽限制把高频振铃滤掉波形更接近理论分析。但如果你想测开关损耗、看驱动波形的高频细节带宽限制会掩盖真相这时候要关闭它再用高带宽探头100MHz以上去看。我的经验是一台示波器上用CH1做端电压/线电压的包络观察时打开带宽限制用CH2去测驱动芯片的栅极波形时关闭带宽限制。不同通道做不同用途别一刀切。6.5 万用表量相电压测出来的是假有效值数字万用表的交流档通常只对50Hz~400Hz的正弦波校准。你拿它去量SVPWM的相电压表里会混入大量PWM高频分量和包络变化读数基本没有参考价值。想准确测量相电压基波有效值正确做法是用示波器FFT看基波分量的幅值或者把PWM关掉只发占空比50%的固定电平去标定。这个坑我踩过不止一次。一开始拿万用表量相电压读数乱跳还以为是代码输出不稳最后发现是万用表根本不适合测PWM波形。回头再看SVPWM的波形实测其实就是一个参考点游戏。端电压、线电压、相电压定义清楚了波形都对得上定义模糊测出来的东西怎么看怎么别扭。我个人调试的习惯是先把线电压波形调干净确认扇区切换和七段式对路再上差分探头看相电压马鞍波确认零序注入和中性点漂移特征正确最后才去闭环调参。这套流程走下来SVPWM的算法问题基本都能在波形层面暴露出来。希望这篇实测笔记能帮你少走点弯路。
