空間矢量調(diào)制算法仿真研究

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）學(xué) 院 電子信息系 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名 班級學(xué)號 二零一一年六月空間矢量調(diào)制算法仿真研究Space vector modulation algorithm simulation 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文） 任 務(wù) 書 學(xué)院名稱：電子信息學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 2011年2月28日畢業(yè)設(shè)計 （論文）題目： 空間矢量調(diào)制算法仿真研究一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達到的指標和應(yīng)做的實驗等）1 提供條件： MATLAB軟件及相關(guān)空間矢量調(diào)制的資料。 2 設(shè)計內(nèi)容與要求:(1) 學(xué)習(xí)、理解MATLAB軟件的使用；(2)

2、學(xué)習(xí)、理解空間矢量調(diào)制的方法和原理；(3) 結(jié)合空間矢量調(diào)制的方法和原理，利用MATLAB軟件進行仿真； (4) 撰寫論文，通過答辯。二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1. 畢業(yè)設(shè)計論文一份（不少于1.5萬字）；2. 外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；3. 包含任務(wù)書、開題報告、中期檢查和前三項內(nèi)容的光盤 一張。2011年3月21日至2011年6月17日，共16周。進度安排：3.213.28, 熟悉任務(wù)要求，查閱資料，翻譯外文資料；3.284.18, 學(xué)習(xí)、理解空間矢量調(diào)制的方法和原理；4.184.30, 學(xué)習(xí)、理解Matlab軟件的使用；5.1 5.30, 利用Matlab

3、軟件，進行仿真；5.316.17, 撰寫畢業(yè)論文、答辯。五 主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:1. 電力拖動自動控制系統(tǒng):運動控制系統(tǒng)-第4版。 阮毅, 陳伯時主編2. 大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)-第3版。馬小亮著3. MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計。趙景波主編系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日學(xué)院主管領(lǐng)導(dǎo)： （簽章） 年 月 日摘要隨著全控型快速半導(dǎo)體自開關(guān)器件和智能型高速微控制芯片的發(fā)展，數(shù)字化PWM成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的趨勢。但是傳統(tǒng)的SPWM法比較適合模擬電路實現(xiàn)，不適應(yīng)于現(xiàn)代電力電子技術(shù)數(shù)字化的發(fā)展趨勢。電壓空間矢量脈寬調(diào)制(Space-Vector Puls

4、e Width Modulation，簡稱SVPWM)控制技術(shù)是一種優(yōu)化了的PWM控制技術(shù)，和傳統(tǒng)的SPWM法相比，不但具有直流利用率高，輸出諧波少，控制方法簡單等優(yōu)點，而且易于實現(xiàn)數(shù)字化。本文首先對脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，在此基礎(chǔ)上分析了電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀;接著對空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM的基本原理進行了詳細的分析和推導(dǎo)，SVPWM是基于磁鏈追蹤的思想，它以三相對稱正弦波電壓供電下三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為基準，由三相逆變器不同開關(guān)模式下所形成的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓的，在追蹤的過程中，逆變器的開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波;然后詳細分析了

5、電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的調(diào)制波，SVPWM實質(zhì)是一種基于空間矢量在三相正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進行規(guī)則采樣的一種變形SPWM。然后利用MATLAB/Simulink仿真軟件對算法進行了仿真研究。關(guān)鍵詞：電力變換；空間矢量調(diào)制；仿真Abstract Together with the continual development of all-controlled fast semiconductor self-turn-off devices and intelligent high-speed microcontroller, the digitized PWM is becoming

6、 the trend of PWM control technique development.But the analogal electric circuit cannt realize the traditional SPWM method easily.The traditional SPWM cannot adapt to the development trend of the digitization of the modern power and electric. Space-vector pulse width modulation(SVPWM) a kind of sup

7、eriorized PWM control technique: achieving the effective utilization of the DC supply voltagehaving little harmonic output and the easy control method,furthermore easy to realize the digitization. The article presents the developing condition of PWM and SVPWM first. Then the theory of SVPWM is discu

8、ssed in detail.The SVPWM is based on the thought of magnetic chain tracking.It makes the ideal magnetic chain circle of three-phased sysmmetry electric motor supplied by three-phased sysmmetry sine wave voltage for basis,uses the practical magnetic chain vector formed by the different switch modes o

9、f three-phased inverter to track the basic magnetic chain circle.During the course oftracking, the inverter changes the switch modes properly to form the PWMwaves. Then the modulation wave of SVPWM is analyzed in detail.The modulation wave of SVPWM is implicit,but the analogous modulation wave in A-

10、B-C axis needs to be calculated in order to expose the internal relation of SVPWM and SPWM. That is to show the implicit modulation wave of SVPWM. SVPWM actually is a transformed SPWM ruly sampled by the modulation wave which is injected by the zero prefaces based on space vectors.Space vector modul

11、ation PWM waves algorithm produces high efficiency, because of voltage switching losses small, easy digital realization, in power transformation equipment has been used more and more widely. This paper first analyzes its basic principle is deduced, the role of each space voltage vector sequence, and

12、 time and MATLAB/Simulink software the algorithm simulation.Keywords: power transformation; Space vector modulation; simulation目錄 第1章緒論11.1空間矢量發(fā)展概況11.2空間矢量的概述及其優(yōu)缺點11.21空間矢量的概述11.22空間矢量控制的優(yōu)點和不足21.3空間矢量調(diào)制算法的研究意義21.4論文的主要工作3第二章SVPWM技術(shù)的理論基礎(chǔ)42. 1電壓空間矢量的概念42. 2電壓矢量與磁鏈矢量的關(guān)系52. 3三相逆變器的基本電壓矢量62. 4磁鏈跟蹤PWM的基本思

13、想9第三章SVPWM技術(shù)的調(diào)制算法123.1空間矢量調(diào)制算法簡介123. 2 SVPWM的基本調(diào)制算法15第四章 SVPWM控制算法分析及仿真204. 1 MATLAB動態(tài)仿真工具SIMULINK簡介204. 2 SVPWM的SIMULINK實現(xiàn)21第五章總結(jié)與展望24致謝25參考文獻26 第1章緒論1.1空間矢量發(fā)展概況1971年德國西門子公司的EBlaschke和美國學(xué)者ECCustman等人分別提出了交流電機磁場定向控制原理和定子電壓坐標變換，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的矢量控制是交流調(diào)速史上的一次質(zhì)的飛躍。矢量控制通過引入坐標變換，實現(xiàn)了交流電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦，這樣可以在保持磁場定向的情況

14、下模擬直流電機進行轉(zhuǎn)矩控制，使交流電機的動態(tài)性能可以與直流電機相媲美。矢量控制一般通過檢測或估算電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，但是由于轉(zhuǎn)子位置難于觀測、系統(tǒng)受電機的參數(shù)影響較大以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果受到限制。盡管如此，由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)，特別是變頻技術(shù)的飛速發(fā)展以及矢量控制系統(tǒng)中成熟的技術(shù)和良好的低速性能等自身的優(yōu)勢所在，使之被廣泛地應(yīng)用于交流電機調(diào)速控制系統(tǒng)中1.2空間矢量的概述及其優(yōu)缺點1.21空間矢量的概述矢量控制技術(shù)在國際上也稱為磁場定向技術(shù)(Field Oriented Contr01)，即把磁場矢量的方向作為電機電壓、電流和磁鏈矢量的方向，通過測量

15、和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的?？臻g矢量控制的過程，是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic，通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。空間矢量控制的原理，是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電

16、流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量。簡單的說，空間矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。 1.22空間矢量控制的優(yōu)點和不足矢量控制是從AC電機的端電壓和電流計算激磁電流和產(chǎn)生力矩部分的電流，得到與DC電機相同的轉(zhuǎn)矩特性的控制方式。它具備低頻轉(zhuǎn)矩高，高頻穩(wěn)定性好。動態(tài)響應(yīng)特性好，能從容應(yīng)對負載突出。速度控制精度高，能滿足高精度同步控制要求。采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉合控制可有效地限制起制動電流。由于可進行轉(zhuǎn)矩控制，所以與傳統(tǒng)的通用變頻器有很大不同。正逐步運

17、用于高級機床、鐵鋼、造紙、薄膜等生產(chǎn)線上適用于重負荷的場合及低頻要保證力矩的應(yīng)用。早期的矢量控制需要有速度檢測用解析器或者脈沖發(fā)生器，現(xiàn)在已有了不用這些的開環(huán)矢量控制。MM440有速度檢測器的和沒有的二種方式。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義.然而在實際應(yīng)用中,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測,系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。1.3空間矢量調(diào)制算法的研究意義矢量控制的成功實施，使得異步電動機變頻調(diào)速后的機械特性以及動態(tài)特性能達到足以和直流電動機調(diào)壓時的調(diào)速性能相媲美，從而使異步電動機變頻調(diào)速在電動機的調(diào)速領(lǐng)

18、域全方位地處于優(yōu)勢地位?，F(xiàn)在許多新型的變頻器都提供了相應(yīng)的矢量控制的功能?？臻g矢量調(diào)制算法是基于空間矢量的概念。在電力電子電能變換器中，控制系統(tǒng)的作用最終反應(yīng)為開關(guān)器件的通斷信號，如何根據(jù)控制信號生成通斷信號是一個重要問題。空間矢量調(diào)制SVPWM是一種先進的計算密集型算法，不但可以提高直流側(cè)電壓利用率，而且能有效降低器件導(dǎo)通、關(guān)斷過程中產(chǎn)生的開關(guān)損耗，有著良好的應(yīng)用前景。1.4論文的主要工作1分析空間矢量調(diào)制的原理，推導(dǎo)出各空間電壓矢量的作用時間與次序。2對SVPWM的控制算法進行詳細地分析和推導(dǎo)，3利用MATLAB 建立空間矢量調(diào)制算法仿真模型,并得出相應(yīng)的結(jié)果。第二章SVPWM技術(shù)的理論基

19、礎(chǔ)傳統(tǒng)的SPWM控制技術(shù)主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，對電流波形一般只能采取間接控制。而在實際應(yīng)用中，異步電機需要輸入電流盡量接近正弦波，從而在空間上形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。如果對準這一目標，按照跟蹤圓形磁場來控制PWM電壓，那么控制效果就會更直接;這就是“磁鏈跟蹤控制”的基本思想。磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以這種方法又叫做“電壓空間矢量調(diào)制”，即SVPWM SVPWM技術(shù)最初是應(yīng)用在電機調(diào)速領(lǐng)域的，后來擴展成為一種在整流/逆變領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的PWM方法。本節(jié)將從傳統(tǒng)的磁鏈跟蹤角度來介紹SVPWM技術(shù)的基本原理。2. 1電壓空間矢量的概念電壓空間矢量是按照

20、電壓所加在繞組的空間位置來定義的。電動機的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標系，如圖2.1：圖2.1電壓空間矢量這是一個特殊的坐標系，A. B, C分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差120度，三相定子相電壓分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差120度。假設(shè)為相電壓有效值，f為電源頻率，則有: (2一1)假設(shè)單位方向矢量，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量就可以表示為： (2一2)可見是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，為相電壓峰值;當(dāng)頻率不變時，以電源角頻率w=2為電氣角速度做

21、恒速同步旋轉(zhuǎn)，哪一相電壓為最大值時，合成電壓矢量就落在該相的軸線上。2. 2電壓矢量與磁鏈矢量的關(guān)系 當(dāng)用三相對稱正弦電壓向交流電動機供電時，電動機的定子磁鏈空間矢量幅值恒定，并以恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁鏈矢量的運動軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(磁鏈圓)。因此如果有一種方法，使逆變電路能向交流電動機提供可變電源，并能保證電動機形成定子磁鏈圓，就可以實現(xiàn)交流電動機的變頻思想。我們可以按照前面定義電壓空間矢量的方法定義電流和磁鏈的空間矢量和。因此有 (2-3)當(dāng)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻R的壓降相對很小，式(2-3)可以簡化為 (2-4) 因為 (2-5)式(2一5)說明，當(dāng)磁鏈一定時，的大小與w成正比，或者說

22、供電電壓與頻率f成正比，其方向是磁鏈圓軌跡的切線方向。當(dāng)磁鏈矢量在空間旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2弧度，其運動軌跡和磁鏈圓重合。這樣電動機旋轉(zhuǎn)磁場的形狀問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運動軌跡的形狀問題來討論。2. 3三相逆變器的基本電壓矢量圖2.2所示為三相PWM逆變器供電給異步電機的原理圖。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形軌跡為目標，就可以產(chǎn)生諧波少的、且直流電源電壓利用率較高的輸出。圖2.2中的 - 是6個功率開關(guān)管，引入開關(guān)函數(shù)和Sc，分別代表三個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。圖2.2三相PWM逆變器一異步電動機原理圖規(guī)定:當(dāng)

23、上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))開關(guān)狀態(tài)為1;當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時上橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))，開關(guān)狀態(tài)為0。三個橋臂只有“1”和“0”兩種狀態(tài)，因此開關(guān)函數(shù)(X=A, B, C)是一個二值變量，上橋臂器件導(dǎo)通時=1，下橋臂器件導(dǎo)通時=0 (, , Sc)組合在一起，一共有8種( =8 )基本工作狀態(tài).即:100,110, 010, 011, 001, 101,1l l, 000。其中前六個工作狀態(tài)是有效的，稱做非零矢量;后兩個工作狀態(tài)稱作零矢量?？梢酝茖?dǎo)出，三相逆變器輸出的線電壓矢量與開關(guān)函數(shù)的關(guān)系為 (2-6)三相逆變器輸出的相電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)矢

24、量的關(guān)系為 (2-7) 式中是直流電源電壓，或稱總線電壓。式(2-6)和(2-7)的對應(yīng)關(guān)系可用表2-1來表示。 將表2-1中的八組相電壓值代入式(2-2)，就可以求出這些相電壓的矢量和相位角，這八個矢量就稱為基本電壓矢量，可分別命名為Uo(000), (001), (010 ) ,(0 l l), (100), (101), (110), (111)，其中Uo, 稱為零矢量。圖2.3給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同(模長為2 /3)，相鄰的矢量間隔60，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。 表2-1中的線電壓和相電壓值是在圖2.1所示的三相A-B-C平面坐標系中。利

25、用clark變換，可將三相A-B-C平面坐標系中的相電壓轉(zhuǎn)換到平面坐標系中去。 其轉(zhuǎn)換式為 (2-8)根據(jù)式(2-8)，可將表2-1中與開關(guān)函數(shù), , 相對應(yīng)的相電壓轉(zhuǎn)換成平面直角坐標系中的分量，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表2-2和圖2.3。2. 4磁鏈跟蹤PWM的基本思想 如圖2.4所示的三相電壓逆變器電路中，如果忽略定子繞組電阻，當(dāng)定子繞組施加三相理想對稱正弦電壓時，由于電壓合成空間矢量為等幅旋轉(zhuǎn)矢量，故氣隙磁通以恒定同步角速度旋轉(zhuǎn)，軌跡為圓。SVPWM法就是以三相對稱正弦電壓供電時三相對稱電動機定子的理想磁鏈為基準，由三相逆變器不同開關(guān)模式所形成的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，在追蹤過程中，逆變器的開關(guān)

26、模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波。 在三相對稱正弦電壓作用下，對于圖2.4中所示的三相電動機，如果忽略定子繞組的電阻不計，則電動機各相磁鏈值可由式(2-1)進行積分得到: (2-9) 將式(2-9)所示三相軸系的磁鏈進行坐標變換，由圖2.4中所示的三相A-B-C軸系變換到圖中所示的軸系，其變換式為: (2-10) 將式(2-9)代入式(2-10)進行變換，得到軸系的磁鏈矢量: (2-11)式中，為磁鏈圓的半徑: (2-12)其中，f為電源頻率(Hz ) ; U=為電動機線電壓有效值(V); 為電角度。由式(2-11)、式(2-12)可知，當(dāng)電壓頻率比為常數(shù)時，磁鏈圓半徑為常數(shù)。這樣，隨著的變

27、化，磁鏈矢量就形成一個以為半徑的圓形軌跡，即得到一個理想磁鏈圓，如圖2.5所示： 在磁鏈追蹤型P WM法中，就是以此理想磁鏈圓為基準圓。磁鏈矢量與前述的電壓空間矢量一一對應(yīng)，其大小與對應(yīng)電壓矢量持續(xù)的時間以及直流電壓Ud的大小有關(guān)。若假定8種電壓矢量對應(yīng)的開關(guān)模式持續(xù)時間T相等，將不同開關(guān)模式時作用于電動機三相繞組上的電壓對T進行積分，則可得三相磁鏈在T期間的增量將此三相磁鏈矢量增量(以下簡稱為磁鏈矢量)用式(2- Z 2)中的變換陣，由A-B-C三個軸系變換到d-q軸系，可得圖2.6中所示d-q軸系的8種磁鏈矢量，其大小可表示為: (2-13)其中， 以上是假定6種非零矢量開關(guān)模式下T都相等

28、。而實際上，各種開關(guān)模式下，中間直流電壓不一定是一個定值，積分時間T也不要求必須是一個定值。當(dāng)或者T不同時，圖2.6中各磁鏈矢量的大小自然也不同。將圖2.5所示理想磁鏈圓作為基準圓，適當(dāng)?shù)厥褂脠D2.6中8種磁鏈矢量追蹤基準磁鏈圓。使用不同的磁鏈矢量，意味著使用不同的開關(guān)模式。開關(guān)模式的切換，則形成逆變器輸出電壓PWM波。不難理解，如果這8種磁鏈矢量能夠很好地追蹤基準磁鏈圓，則逆變器輸出三相電壓也一定是三相對稱的正弦PWM波。這就是這種磁鏈追蹤型PWM法的基本思想。磁鏈跟蹤P WM技術(shù)，也就是SVPWM技術(shù)，直接追蹤基準磁鏈圓，使得逆變器輸出三相電流為三相對稱的正弦波，因此這種控制實質(zhì)上是一種直

29、接電流控制方法。 第三章SVPWM技術(shù)的調(diào)制算法3.1空間矢量調(diào)制算法簡介 八種基本電壓空間矢量的不同組合作用，可以使得合成矢量軌跡為正n邊形盡可能地逼近圓形軌跡。并由十空間矢量調(diào)制方法最初的應(yīng)用多在電機控制方面，因此根據(jù)這八種基本電壓空間矢量方式的不同，電壓空間矢量PWM控制方式可以分為兩類:一類式比較判斷式磁鏈追蹤型PWM法;二是矢量合成型空間矢量PWM法。 將理想磁鏈圓作為基準，適當(dāng)?shù)厥褂冒朔N基本電壓空間矢量追蹤基準磁鏈圓，由(n-1)次追蹤的結(jié)果進行比較判斷，決定第n次時使用六種非零矢量中的哪一種繼續(xù)追蹤，還是使用兩種零矢量中的哪一種暫停追蹤，這樣來決定逆變器的開關(guān)模式，形成相應(yīng)的PW

30、M波。這就是比較判斷式磁鏈追蹤型PWM法的基本原理。為了實現(xiàn)這種方法，在原有的O標系的基礎(chǔ)，建立了一個新的坐標系，如圖2-3所示，把=30。選作坐標系原點，把(100)方向定為軸，把(110)方定為軸。以后，在坐標系中，把(100)稱為矢量，(110)稱為矢量。把理想磁鏈矢量變換到坐標系中得到指令磁鏈。如果按照式(2-5)預(yù)先準備好一個對應(yīng)的的函數(shù)表，則可以利用采樣點上的，從函數(shù)表中查出指令磁鏈。而采樣點上的實際磁鏈可以由下面的式子得出: (3-1) 這樣，磁鏈圓上某一點的指令磁鏈和實際磁鏈都已經(jīng)得到，把它們進行比較就可以決定在采樣點上是用矢量或者是矢量使實際磁鏈繼續(xù)追蹤指令磁鏈，還是應(yīng)該使用

31、零以暫停追蹤指令矢量，從而得到相應(yīng)的開關(guān)模式。 圖3-1磁鏈矢量與軸系 這種控制雖然簡單，可以實時追蹤磁鏈形狀，但是易出現(xiàn)判斷誤差和量化誤差，從而影響到磁鏈追蹤的精度。在此基礎(chǔ)之上又出現(xiàn)了高精度比較判斷式磁鏈追蹤型PWM控制法，它消除了比較判斷誤差和量化誤差，從而提高磁鏈追蹤精度，改善輸出波形。但無論是比較判斷式磁鏈追蹤型PWM控制法還是高精度比較判斷式磁鏈追蹤型PWM控制法，均都算法復(fù)雜，計算量大，難以實現(xiàn)。 矢量合成式磁通正弦PWM控制方法則是通過把理想磁鏈圓分為六個區(qū)間，每 60作為一個區(qū)間，任意電壓矢量都將根據(jù)它所落在的區(qū)間，由夾成該區(qū)間相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量按照伏秒平衡的原則來

32、合成，即: (3-2) 其中，為對應(yīng)非零基本電壓空間矢量的作用時間；是對應(yīng)零矢量的作用時間；T為采樣周期； 為期望電壓矢量。式（2-6）的意義是矢量在T時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果與分別作用時間的和的積分效果相同。 矢量合成式磁通正弦PWM的算法實施相對簡單，能較為精確的實現(xiàn)磁鏈追蹤。對每一個電壓空間矢量PWM波的零矢量分割方法不同，以及對非零矢量的選擇不同會產(chǎn)生多種多樣的電壓空間矢量PWM波，而其選擇的原則是:(1)盡可能使功率開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)最少;(2)任意一次電壓空間矢量的變化只能有一個橋臂的開關(guān)管動作;(3)編程容易。 由于矢量合成式磁通正弦PWM的諸多優(yōu)點，越來越多的控制裝置也都是采用這種

33、方法來實現(xiàn)，因此本文對比較判斷式磁鏈追蹤型PWM法不再描述。3. 2 SVPWM的基本調(diào)制算法 空間矢量PWM調(diào)制算法是基于空間矢量的概念，如圖3-2，三相逆變器有3個橋臂，每個橋臂兩個開關(guān)器件s 和 工作于互補狀態(tài)，共有8 種工作狀態(tài)，分別對應(yīng)8個電壓空間矢量，包括6個非零矢量，2個零矢量、，非零矢量的模為,如圖3-3 所示。其中，1 代表上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通，0 代表下橋開關(guān)器件臂導(dǎo)通。對逆變器實施六拍階梯波控制，只能得到、。逆變器輸出電壓空間矢量在一個采樣周期跳變一次，根據(jù)磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的關(guān)系，對應(yīng)正六邊形磁鏈軌跡。交流調(diào)速時期望在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中保持圓形磁鏈軌跡，通過控制電壓

34、空間矢量運行軌跡為圓形就可以實現(xiàn)這一目標。對于處于任意位置的電壓空間矢量，可以讓某兩個電壓空間矢量在很小的時間段里分別作用一定的時間來等效。如圖3-3，將空間分為6 個扇區(qū)，標號k=1-6。當(dāng)位于扇區(qū)1 時，在一個采樣周期內(nèi)，讓作用一段時間， 作用一段時間，總體效果相當(dāng)于在這個控制周期內(nèi) 在作用。這樣在當(dāng)前采樣周期內(nèi)得到等效，下一個采樣周期內(nèi)得到等效。當(dāng)與相隔足夠小時，電壓空間矢量多邊形運行軌跡能很好的逼近圓形。下面推導(dǎo)各電壓空間矢量的作用時間。將一個采樣周期 分成兩段相等的時間段Tc。在一個Tc 時間段中，定義 作用時間為， 作用時間為（對于K=6，為， 為）。如圖3-4，當(dāng) 位于扇區(qū)1 時

35、，利用與 等效 (3-3)其中： 為直流側(cè)電壓， 為在 軸上的分量， 為在 軸上的分量。解得 (3-4) 不足的時間可以讓零矢量作用，定義零矢量作用時間為。 (3-5)同理，當(dāng) 位于其它扇區(qū)時，可以計算出相應(yīng)的，圖3-2三相逆變器結(jié)構(gòu)圖 圖3-3 基本電壓空間矢量根據(jù)|幅值的大小，系統(tǒng)有3 個工作狀態(tài)：當(dāng)|，即 處于正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)部，系統(tǒng)處于線性調(diào)制狀態(tài)。當(dāng)| | ，即處于正六邊外接圓外部，系統(tǒng)處于過調(diào)制狀態(tài)。為防止逆變交流輸出發(fā)生畸變，使系統(tǒng)處于線性調(diào)制狀態(tài)，對各矢量作用時間做如下限制：若，令 (3-6) (3-7) 圖3-4 矢量等效原理表1 優(yōu)化開關(guān)次序表 為降低開關(guān)損耗，希望在開關(guān)狀

36、態(tài)切換時只有一個開關(guān)器件動作，所以可以在每個采樣周期中插入零矢量，并且平均分配 和的作用時間。非零矢量和零矢量按照表1 的次序作用，不同扇區(qū)各基本電壓空間矢量在每個 中的波形如圖3-4所示，這種PWM 波在一個 中以開始，以 結(jié)束，前/2 和后/2 是對稱的，理論分析表明 ，這種對稱的波形不僅減小開關(guān)損耗，而且有效降低了逆變器輸出交流電壓的諧波含量。第四章 SVPWM控制算法分析及仿真4. 1 MATLAB動態(tài)仿真工具SIMULINK簡介 隨著控制理論和控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對控制效果的要求越來越高，控制算法也越來越復(fù)雜，因而控制器的設(shè)計也越來越困難。于是自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)地計算機輔助設(shè)計技術(shù)

37、。近30年來，控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達到了相當(dāng)高的水平，出現(xiàn)了很多的計算機輔助設(shè)計語言和應(yīng)用軟件。目前，MATLAB ( Matrix Laboratory)是當(dāng)今國際上最流行的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計的語言和軟件工具。 MATLAB是由Math Works公司開發(fā)的一種主要用于數(shù)值計算及可視化圖形處理的高科技計算語言。它將數(shù)值分析、矩陣計算、圖形處理和仿真等諸多強大功能集成在一個極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的總多科學(xué)提供了一種高效率的編程工具，集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理等于一體。 MATLAB具有三大特點: 1、功能強大

38、:包括數(shù)值計算和符號計算，計算結(jié)果和編程可視化，數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理，離線和在線皆可處理; 2、界面友好，語言自然:MATLAB以復(fù)數(shù)矩陣為計算單元，指令表達與標準教科書的數(shù)學(xué)表達式相近; 3、開放性強:MATLAB有很好的可擴充性，可以把它當(dāng)作一種更高級的語言去使用，可容易地編寫各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序; 正是由于MATLAB的這些特點，使它獲得了對應(yīng)用學(xué)科(特別是邊緣科學(xué)和交叉科學(xué))的極強適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計算機輔助分析設(shè)計、仿真、教學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件，成為歐美高等院校、科研機構(gòu)教學(xué)與科研必備的基本工具。 MATLAB有許多工具箱(Toolbox )，這些工具箱大致分

39、為兩類:功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。前者主要用來擴充MATLAB的符號計算功能、圖視建模功能和文字處理功能以及與硬件實時交互功能;后者專業(yè)性較強，如控制工具箱( Control Toolbox )、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(Neural Network Toolbox )、信號處理工具箱(Signal Processing Toolbox)等，使MATLAB在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值計算及優(yōu)化，數(shù)理統(tǒng)計和隨機信號分析、電路及系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)、信號和圖象處理、控制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)、財政金融等眾多專業(yè)領(lǐng)域的理論研究和工程設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。 在MATLAB中，Simuli

40、nk是一個比較特別的工具箱，它具有兩個顯著的功能:Simu(仿真)與Link(鏈接)，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性;同時，進一步擴展了MATLAB的功能，可實現(xiàn)多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。 Simulink提供了友好的圖形用戶界面(GUI )，模型由模塊組成的框圖來表示，用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標的動作就能完成。Simulink的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊，其中有連續(xù)系統(tǒng)(Con

41、tinous )、離散系統(tǒng)( Discrete )、非線性系統(tǒng)(Nonlinear)等幾類基本系統(tǒng)構(gòu)成的模塊，以及連接、運算模塊。而輸入源模塊(Sources)和接受模塊( ，按照式（4），（5）進行輸出限制，這一過程由圖5 中的cal T模塊完成。然后利用， 以及K、 得到開通、關(guān)斷時刻，這一步驟由change time 模塊完成。最后將開通、關(guān)斷時刻與時基timer相比較，得到各開關(guān)器件的通斷信號。timer 模塊采用鋸齒波時基發(fā)生器，周期為。gate signal generater模塊gate signal 端輸出六路通斷信號加至逆變器主電路University Bridge。 圖4-1空間矢量調(diào)制算法仿真模型 圖4-2 給出扇區(qū)號k 在仿真過程中的變化曲線。因給定的 以一定的角速度勻速旋轉(zhuǎn)，k 周期性的從1跳變?yōu)?。圖4-3 給出相電壓等效調(diào)制波是一個馬鞍波，分析表明該曲線是正弦波與三倍頻三角波的疊加，逆變輸出相電壓是非正弦波形，但由于異步電機的對稱性，三次諧波電壓相互抵消，輸出線電壓仍是正弦波。 圖4-2 扇區(qū)波形 圖4-3 線性調(diào)制區(qū)相電壓等效調(diào)制波輸出線電壓波形如圖4-4 所示，對其兩個周期做頻譜分析，結(jié)果如圖4-5，可以看出諧波主要分布在載波頻率的整數(shù)倍周圍，當(dāng)載波頻率較高即 很小時，主要諧波次數(shù)就會很高，對負載的影響很