永磁同步電機(jī)空間矢量控制svpwm畢業(yè)設(shè)計(jì)(共29頁)

1、（2014屆）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料題 目 名 稱：三電平SVPWM的研究及其仿真學(xué) 院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： xxx 班 級(jí)：xxxxxxx學(xué)號(hào)xxcxxxxx 指導(dǎo)教師姓名：xxxxxxx職稱 xxxx 最終評(píng)定成績(jī)： 2014屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料第一部分 畢業(yè)論文（2014屆）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué) 院（部）： xxxxxxxxxxxxxx 專 業(yè)： xxxxxxxxxxxxxx 學(xué) 生 姓 名： xxxxx 班 級(jí)：xxxxxx 學(xué)號(hào)xxxxxxx 指導(dǎo)教師姓名： xxxx 職稱 xxxxx 最終評(píng)定成績(jī) 2014年5月 I

2、II摘 要此篇論文在參考了大量資料后對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了有理論有仿真的論述，充分發(fā)掘了此技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的重要性，是我們實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)控制優(yōu)化的重要輔助。本文先從理論上對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了充分的說明然后對(duì)理論通過MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了仿真，在之后的波形圖中我們可以看見空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)于圓形磁場(chǎng)的建立，對(duì)于電機(jī)的控制都起到了良好的效果。而永磁同步電機(jī)有者占用空間小，適用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)，桎梏其發(fā)展的永磁體材料稀少也由釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn)而得到化解。我國(guó)有著豐厚的稀土資源對(duì)于永磁同步電機(jī)的發(fā)展有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，所以我們應(yīng)該對(duì)永磁同步電機(jī)的控制也要有相應(yīng)的技術(shù)基

3、礎(chǔ)，畢竟無法控制的電機(jī)就是一塊金屬罷了。通過MATLAB/SIMULINK的仿真我們也可以以簡(jiǎn)單的方式獲得一些不簡(jiǎn)單的控制結(jié)果，看到空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)是一種非常好的控制永磁同步電機(jī)的的方法。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)控制，空間脈寬矢量控制，MATLAB/SIMULINK仿真ABSTRACTThis paper in reference to a large amount of information on the space vector pulse width modulation technology were described with theoretical simulation, Fu

4、lly explore the importance of this technology in the real life, Is our important auxiliary optimized control of permanent magnet synchronous motor, This article first from the theory of space vector pulse width modulation technology make a statement ,Then the theory of simulation by MATLAB/SIMULINK

5、,We can see in the waveform figure after space pulse width for the establishment of the circular magnetic field vector control technology, For the control of the motor has played a good effect,The permanent magnet synchronous motor has a small footprint, wide field of application, etc, Constraints o

6、f the development of permanent magnet material scarce also be resolved by the emergence of ndfeb permanent magnet materials , Our country has rich rare earth resource for the development of permanent magnet synchronous motor has a unique advantage, so we should control of permanent magnet synchronou

7、s motor also should have corresponding technical foundation, unable to control the motor, after all, is a piece of metal. Through MATLAB/SIMULINK simulation we can also get some in a simple way is not a simple control as a result, see space pulse width vector control technology is a very good contro

8、l of permanent magnet synchronous motor.Keywords: Permanent magnet synchronous motor control, space vector control pulse width, MATLAB/SIMULINK 目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介11.2永磁同步電機(jī)分類11.3永磁同步電機(jī)的控制方式簡(jiǎn)介21.4永磁同步電機(jī)的發(fā)展前景21.5 主要內(nèi)容3第2章 空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)SVPWM42.1空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)SVPWM的發(fā)展簡(jiǎn)況42.2 空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)SVPWM介紹42

9、.3 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM法則推導(dǎo)過程72.3.1 空間矢量脈寬調(diào)制7段式82.3.2 空間矢量脈寬調(diào)制5段式92.4 合成矢量Uref所處扇區(qū)N的判斷112.5 本章小結(jié)12第3章 MATLAB/simulink簡(jiǎn)介133.1 MATLAB簡(jiǎn)介133.2 Simulink簡(jiǎn)介143.3 本章小結(jié)15第4章 三電平SVPWM的研究及其在PMSM的應(yīng)用164.1永磁同步電機(jī)矢量控制的模型164.2 建模及仿真164.3仿真結(jié)果及分析20結(jié) 論22參考文獻(xiàn)24致 謝25第1章 緒論1.1永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介永磁同步電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，占用空間小、整體重量輕、能量損耗小、能量利用率高的同步電機(jī)

10、，和直流電機(jī)比比起來，永磁同步電機(jī)沒有直流電機(jī)的換向器和電刷，不會(huì)出現(xiàn)換向器損壞而使電機(jī)無用的問題，也不會(huì)因電刷的磨損而要定期維護(hù)；和異步電動(dòng)機(jī)比起來，永磁同步電機(jī)由于不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率和功率因數(shù)都較高，力矩慣量比較大，定子電流損耗小，定子電阻損耗小，而且轉(zhuǎn)子的參數(shù)可以進(jìn)行測(cè)量、電機(jī)的控制性能好；但永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)相比成本較高、起動(dòng)不易；永磁同步電機(jī)和普通同步電動(dòng)機(jī)相比省去了勵(lì)磁裝置，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因而效率有所提高。而在永磁同步電機(jī)的控制方面矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、調(diào)速或定位的大范圍控制。其中就包括空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)。1.2永磁同步電機(jī)分類在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，由

11、于電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯磁鋼的形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的空間分布分為了正弦波和梯形波兩種；因而，當(dāng)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，產(chǎn)生于定子上的反電動(dòng)勢(shì)波形也出現(xiàn)了正弦波和梯形波兩種。這就形成兩種同步電動(dòng)機(jī)在原理、模型及控制方法上不盡相同，于是為了區(qū)別它們各自組成的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，人們習(xí)慣稱正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的交流調(diào)速系統(tǒng)為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)則由于類似于直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理和控制方法，所以把這種系統(tǒng)稱為無刷直流電動(dòng)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)的不同就會(huì)帶來不同的控制方法，這在電機(jī)中都是一種很普遍的現(xiàn)象；前面說到了永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子

12、鐵芯磁鋼形狀不同，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)也就不同，可以推知電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不會(huì)相同。而本文則主要論述的是正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)然就算只是PMSM它也有三種一種是永磁體放在轉(zhuǎn)子內(nèi)的稱為內(nèi)磁式永磁同步電動(dòng)機(jī)；另一種把永磁體放在轉(zhuǎn)子表面叫做外磁式永磁同步電動(dòng)機(jī)；還有一種是將永磁體嵌入或部分嵌入的，被稱為嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)。而本文之所以主要論述PMSM的原因就是在于BLDCM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和鐵心損耗都較大，在低速直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合中，PMSM的性能比BLDCM要電動(dòng)機(jī)優(yōu)越得多，所以盡管BLDCM比PMSM控制簡(jiǎn)單，成本低，檢測(cè)簡(jiǎn)單，但很顯然PMSM的性價(jià)比更高

13、。1.3永磁同步電機(jī)的控制方式簡(jiǎn)介我們知道電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，由于其中直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間互差90°可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；但是交流電機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)互不垂直，只是互相影響。因此交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。目前的交流電機(jī)控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和解耦控制，恒壓頻比控制是利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓進(jìn)行控制，控制方式簡(jiǎn)單但是精確度不高，要高的精確度就要解耦；矢量控制是將三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，使這兩個(gè)分量相互垂直，獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以以獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性

14、。但是這種方法調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便。需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，當(dāng)然這在matlab的強(qiáng)悍處理能力下得到這些很容易；矢量控制對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性很大；直接轉(zhuǎn)矩控制采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點(diǎn)式控制直接對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)?？雌饋矸浅：?，但是這種技術(shù)還不成熟在好多方面不能達(dá)到相應(yīng)的要求，計(jì)算量也很大。1.4永磁同步電機(jī)的發(fā)展前景對(duì)永磁同步電機(jī)有了一定的了解后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)今后的永磁同步電機(jī)領(lǐng)域會(huì)有很大的成長(zhǎng)空間和價(jià)值，首先就是永磁同步電機(jī)它有更高的綜合節(jié)能效果：永磁同步電動(dòng)機(jī)無需勵(lì)磁電流進(jìn)行激磁，直接由永磁體激磁，所以可以顯著提高功率因數(shù)，可以達(dá)

15、到1甚至達(dá)到容性；而且它的定子電流小，所以其定子銅耗當(dāng)然小；而且轉(zhuǎn)子是無銅耗的而三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組損耗卻大約約占去了總損耗的2030，因而永磁同步電機(jī)的發(fā)熱量低，甚至都可以不需要風(fēng)扇來散熱，無風(fēng)摩耗也就不高，這樣方方面面的疊加起來后永磁同步電動(dòng)機(jī)一般就比同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)效率要高出28，并且在很寬的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)始終保持有高的效率及功率因數(shù)，尤其是在輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更佳。很明顯這符合國(guó)家的節(jié)約型社會(huì)的方針。其次永磁同步電機(jī)可滿足一些大型的工業(yè)應(yīng)用，例如在一些需大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的特殊場(chǎng)合，然而常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)會(huì)達(dá)不到要求，若要達(dá)到要求，則需選擇更大容量的

16、異步電動(dòng)機(jī)，而回歸到了正常運(yùn)行狀態(tài)后，異步電動(dòng)機(jī)就又在輕載運(yùn)行了，效率和功率因數(shù)就會(huì)顯得低。當(dāng)設(shè)計(jì)為油田抽油機(jī)具有異步起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)有3.6倍以上，而效率可達(dá)94，功率因數(shù)有0.95，可以看出此種電機(jī)又滿足了負(fù)載動(dòng)態(tài)時(shí)大轉(zhuǎn)矩的要求，又具有很高的節(jié)能效果。然后永磁同步電機(jī)還可以滿足低速直接驅(qū)動(dòng)的要求，因?yàn)榈退僦苯域?qū)動(dòng)可以提高控制的精度，可以減小電機(jī)振動(dòng)的噪聲，還可以大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的需求，所以近年對(duì)低速電動(dòng)機(jī)的需求也日益增加，對(duì)電機(jī)的控制要求也日益精確，像那種于電梯拖動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)的轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，而且沒有了龐大的齒輪箱，直接通過曳引輪拖動(dòng)轎廂，這使得振動(dòng)和噪聲都明顯減

17、小了，使得電梯更平穩(wěn)更有安全感。 永磁同步電機(jī)還可以滿足多極高功率因數(shù)的需求，隨著人們對(duì)永磁同步電機(jī)的關(guān)注度越來越高，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣，包括了多極電機(jī)。多極電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度非常小，電機(jī)體積小，鐵心材料用量就節(jié)約了許多。多極電機(jī)的定子端部長(zhǎng)度也比較小，定子銅耗也就小了，發(fā)熱也就減少了、效率也就提高了。對(duì)于高功率密度的需求永磁同步電機(jī)也可以滿足。艦船、車輛的電機(jī)空間有限，電動(dòng)機(jī)就要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度；而永磁同步電動(dòng)機(jī)無需激磁繞組省下了大量的空間，而永磁同步電機(jī)中的釹鐵硼材料具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高矯頑力，可以提供很高的磁負(fù)荷B，縮小電機(jī)尺寸。傳統(tǒng)電機(jī)的齒槽結(jié)構(gòu)約束

18、著磁負(fù)荷和電負(fù)荷，過高的磁負(fù)荷將減小放置繞組的空間，阻礙高功率密度的實(shí)現(xiàn)， 由于永磁同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)矢量控制，因此近年來永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等高科技設(shè)備中應(yīng)用廣泛。并且我國(guó)稀土資源非常豐富，是世界其它各國(guó)儲(chǔ)量的4倍，而稀土材料是永磁材料的主要成分，由此我想中國(guó)之所以五千年的文化可以連綿不絕，文字象形寫意，而不是一些字母靠著邏輯關(guān)系表達(dá)意思，和中國(guó)的資源豐富有很大的關(guān)系，或者這就是風(fēng)水好吧。我國(guó)稀土資源的優(yōu)勢(shì)，足以大力推動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和研究，對(duì)節(jié)能和現(xiàn)代化是具有重大戰(zhàn)略意義的。1.5 主要內(nèi)容SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，

19、是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡 可能接近于理想的正弦波形。空間電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。本課題擬研究三電平SVPWM的研究及MATLAB建模仿真建模。23第2章 空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)SVPWM 2.1空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)SVPWM的發(fā)展簡(jiǎn)況 1971年德國(guó)西門子公司的F.Blaschke提出矢量控制原理，而后人們?cè)谄淅碚搼?yīng)用方面進(jìn)行了深入研究。在1981年西門子公司研制了世界第一臺(tái)4220KW交流變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1。而在1983年釹鐵硼永磁材料研

20、發(fā)出來后，因其優(yōu)秀的磁特性，低廉的成本和充足的能量來源而使各工業(yè)國(guó)對(duì)永磁電機(jī)投入了大量精力研發(fā)，因而永磁同步電機(jī)的控制調(diào)速技術(shù)理論體系發(fā)展一日千里，包括空間脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)。2.2 空間脈寬矢量調(diào)節(jié)技術(shù)SVPWM介紹這個(gè)世界唯一不變的就是變，所以變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生變化的力和變化的點(diǎn)若是利用得好，就可以產(chǎn)生規(guī)律的可利用的電流；而空間脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)就是一種能夠很好的控制永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；其原理如下：SVPWM理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢

21、量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形2。逆變電路如圖 2-1 示。設(shè)直流母線側(cè)電壓為Udc，逆變器輸出的三相相電壓為UA、UB、UC，其分別加在空間上互差120°的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差120°。假設(shè)Um為相電壓有效

22、值，f為電源頻率，則有：(2-1)其中，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)就可以表示為：(2-2)可見U(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值的1.5倍，Um為相電壓峰值，且以角頻率=2f按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量U(t)在三相坐標(biāo)軸(a，b，c)上的投影就是對(duì)稱的三相正弦量3。圖 2-1 逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù)為：(2-3)(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有八個(gè)，包括6個(gè)非零矢量 U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、

23、U6(110)、和兩個(gè)零矢量U0(000)、U7(111)。各種組合下的空間電壓矢量4列表如下：表 2-1 開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系SaSbSc矢量符號(hào)線電壓相電壓UabUbcUcaUaNUbNUcN000U0000000100U4Udc00110U6UdcUdc0010U20UdcUdc011U30UdcUdc001U100Udc101U5Udc0Udc111U7000000圖 2-2 八個(gè)電壓矢量圖其中非零矢量的幅值相同(模長(zhǎng)為2Udc/3)，相鄰的矢量間隔 60°,而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成

24、每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：(2-4)或者等效成下式：(2-5)其中，Uref 為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量 Ux、Uy和零電壓矢量 U0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其中U0包括了U0和U7兩個(gè)零矢量。式(2-5)的意義是，矢量 Uref 在T時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和Ux、Uy、U0分別在時(shí)間 Tx、Ty、T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同5。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的

25、電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的6。2.3 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM法則推導(dǎo)過程 三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為，旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為；若載波頻率是，則頻率比為 。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等切割成個(gè)小增量7 ，亦即設(shè)定電壓向量每次增量的角度是 ： g = (2-6) 假設(shè)欲合成的電壓向量Uref 在第區(qū)中第一個(gè)增量的位置，如圖下圖所示，欲用 U4、U6、U0 及 U7 合成

26、，用平均值等效可得： (2-7) 圖 2-3 電壓空間向量在第I區(qū)的合成與分解在兩相靜止參考坐標(biāo)系(,)中，令 Uref 和 U4 間的夾角是，由正弦定理可得： (2-8) 因?yàn)?|U4|=|U6|=2Udc/3 ，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間為： (2-9)式中m為SVPWM調(diào)制系數(shù)，。7 (調(diào)制比=調(diào)制波基波峰值/載波基波峰值)。而零電壓向量所分配的時(shí)間為：T7=T0=(TS-T4-T6)/2 (2-10) 或T7=(TS-T4-T6) (2-11)得到以 U4、U6、U7及U0合成的Uref的時(shí)間后，接下來就是如何產(chǎn)生實(shí)際的脈寬調(diào)制波形。在SVPWM 調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈

27、活性的，適當(dāng)選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時(shí)刻的開關(guān)動(dòng)作，最大限度地減少開關(guān)損耗。一個(gè)開關(guān)周期中空間矢量按分時(shí)方式發(fā)生作用，在時(shí)間上構(gòu)成一個(gè)空間矢量的序列，空間矢量的序列組織方式有多種8，按照空間矢量的對(duì)稱性分類，可分為兩相開關(guān)換流與三相開關(guān)換流。下面對(duì)常用的序列做分別介紹。2.3.1 空間矢量脈寬調(diào)制7段式以減少開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)，將基本矢量作用順序的分配原則選定為：在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變其中一相的開關(guān)狀態(tài)。并且對(duì)零矢量在時(shí)間上進(jìn)行了平均分配，以使產(chǎn)生的 PWM 對(duì)稱，從而有效地降低 PWM 的諧波分量。當(dāng) U4(100)切換至U0(000)時(shí)，只需改變

28、A 相上下一對(duì)切換開關(guān)，若由 U4(100)切換至 U7(111)則需改變 B、C 相上下兩對(duì)切換開關(guān)，增加了一倍的切換損失。因此要改變電壓向量 U4(100)、U2(010)、 U1(001)的大小，需配合零電壓向量 U0(000)，而要改變 U6(110)、U3(011)、U5(100)， 需配合零電壓向量 U7(111)。這樣通過在不同區(qū)間9內(nèi)安排不同的開關(guān)切換順序， 就可以獲得對(duì)稱的輸出波形。2.3.2 空間矢量脈寬調(diào)制5段式對(duì)7段而言，發(fā)波對(duì)稱，諧波含量較小，但是每個(gè)開關(guān)周期有6次開關(guān)切換，為了進(jìn)一步減少開關(guān)次數(shù)，采用每相開關(guān)在每個(gè)扇區(qū)狀態(tài)維持不變的序列安排，使得每個(gè)開關(guān)周期只有3次

29、開關(guān)切換，但是會(huì)增大諧波含量。2.4 扇區(qū)判斷空間矢量調(diào)制的第一步是判斷由 U和U所決定的空間電壓矢（Uref）量所處的扇區(qū)。假定合成的電壓矢量落在第 I 扇區(qū)，可知其等價(jià)條件如下：0<arctan(U/U)<60 º ° 以上等價(jià)條件再結(jié)合矢量圖幾何關(guān)系分析，可以判斷出合成電壓矢量。 表2-2 Uref 落在第 X扇區(qū)的充分必要條件,得出下表：扇區(qū)落在此扇區(qū)的充要條件IU>0 ，U>0 且U/ U<U>0 ， 且U/ |U|>U<0 ，U>0 且-U/ U<U<0 ，U<0 且U/ U<U<

30、;0 且-U/|U|>U>0 ，U<0 且-U/U< 若進(jìn)一步分析以上的條件，有可看出參考電壓矢量Uref 所在的扇區(qū)完全由U, U- U,b- U- U 三式?jīng)Q定，因此令： (2-12) 再定義，若U1>0 ，則 A=1，否則 A=0； 若U2>0 ，則 B=1，否則 B=0；若U3>0 ，則 C=1，否則 C=0。可以看出 A，B，C 之間共有八種組合，但由判斷扇區(qū)的公式可知 A，B，C 不會(huì)同時(shí)為 1 或同時(shí)為 0，所以實(shí)際的組合是六種，A，B，C 組合取不同的值對(duì) 應(yīng)著不同的扇區(qū)，并且是一一對(duì)應(yīng)的，因此完全可以由 A，B，C 的組合判斷所在的扇

31、區(qū)。為區(qū)別六種狀態(tài)，令 N=4*C+2*B+A，則可以通過下表計(jì)算參考電壓 矢量 Uref 所在的扇區(qū)。表2-3 N值與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系表N315462扇區(qū)號(hào)采用上述方法，只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的加減及邏輯運(yùn)算即可確定所在的扇區(qū)，對(duì)于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和進(jìn)行仿真都是很有意義的。2.5 本章小結(jié)空間脈寬矢量控制以純數(shù)學(xué)的角度來研究的話就是有這么復(fù)雜。各種矩陣變化，各種公式這就留給那些精英人士去討論吧。本章詳細(xì)表達(dá)了空間脈寬矢量調(diào)節(jié)的原理和方法，經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)化變化后就可以通過空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)來控制永磁電機(jī)了。雖然過程有點(diǎn)復(fù)雜，但是它的控制效果不會(huì)差。在下章的MATLAB中就可以由軟件自動(dòng)完成這一過程，就不需

32、要進(jìn)行復(fù)雜的推導(dǎo)運(yùn)算了，而且在MATLAB/sinmulink中只需要選擇相應(yīng)的模塊然后連接設(shè)置參數(shù)再運(yùn)行就可以了。第3章 MATLAB/simulink簡(jiǎn)介3.1 MATLAB簡(jiǎn)介Matlab是Matrix Labotary的縮寫，最初是美國(guó)新墨西哥大學(xué)Moler教授編寫的LINPACK和EISPACK接口程序，而在1984年，MathWorks公司創(chuàng)建，MATLAB正式推向市場(chǎng)；20世紀(jì)90年代以來，MATLAB已成為數(shù)值計(jì)算軟件的佼佼者。MATLAB軟件由桌面工具和開發(fā)環(huán)境，數(shù)學(xué)函數(shù)庫，MATLAB編程語言，圖形可視化，外部接口，Simulink這幾部分組成。它的功能非常強(qiáng)大，產(chǎn)品有并行

33、計(jì)算，數(shù)學(xué)與優(yōu)化，統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，信號(hào)處理與通信，圖像處理測(cè)試&測(cè)量，計(jì)算生物，計(jì)算金融，應(yīng)用發(fā)布，應(yīng)用發(fā)布目標(biāo)，數(shù)據(jù)庫連接和報(bào)告等等 。Simulink的產(chǎn)品則由如下幾種構(gòu)成：定點(diǎn)建模 基于事件的建模 物理建模 仿真圖形化 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 信號(hào)處理與通信 代碼生成 快速原型和硬件再回路仿真 驗(yàn)證、確認(rèn)和測(cè)試 生成報(bào)告。 由于MATLAB/Simulink的可以做出如此多的產(chǎn)品，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛比如在技術(shù)計(jì)算中可以進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、分析、可視化和算法開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中可以對(duì)嵌入式軟件和硬件進(jìn)行建模、仿真、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，控制系統(tǒng)中可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，

34、電機(jī)控制當(dāng)然也包括在內(nèi)了，在數(shù)字信號(hào)處理中分析信號(hào)、開發(fā)算法、設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)，在通信系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和仿真復(fù)雜通信系統(tǒng)，在圖像和視頻處理中可以采集、處理、分析圖像和視頻以進(jìn)行算法開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在FPGA 設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行FPGA 設(shè)計(jì)的建模、仿真、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，在機(jī)電中可以設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證機(jī)電系統(tǒng)。測(cè)試和測(cè)量中的采集、分析和探查數(shù)據(jù)以及將測(cè)試自動(dòng)化，計(jì)算生物學(xué)中的分析、可視化及對(duì)生物數(shù)據(jù)和系統(tǒng)進(jìn)行建模，在計(jì)算金融學(xué)中可以開發(fā)并部署高效且穩(wěn)定的金融應(yīng)用程序。可見MATLAB/Simulink的應(yīng)用面之廣。下圖就是MATLAB的工作界面圖3-1 MATLAB界面圖3.2 Simulink簡(jiǎn)介Simul

35、ink是Matlab的重要組件之一，其前身是1990年MathWorks公司為Matlab提供的控制系統(tǒng)模型化圖形輸入與仿真工具SimuLab，以工具庫的形式掛接在MATLAB3.5版上 。Simulink的主要功能就是Simu (仿真) 和Link (模型連接) 。Simulink的功能：它是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域的建模和仿真中 可以二次開發(fā)，在Simulink基礎(chǔ)之上構(gòu)建其他產(chǎn)品，從而擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能， 可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)

36、境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試 Simulink的特點(diǎn)：為建立各種各樣的系統(tǒng)模型，Simulink除提供了一些基本庫之外，針對(duì)特定領(lǐng)域還提供了豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。Si

37、mulink的系統(tǒng)指由相互聯(lián)系、相互作用的實(shí)體集合而成，并表現(xiàn)出某些特定功能的一個(gè)整體。組成系統(tǒng)的實(shí)體之間相互作用而引起的實(shí)體屬性的變化，通常用狀態(tài)變量來描述。研究系統(tǒng)主要研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。除了研究系統(tǒng)的實(shí)體屬性活動(dòng)外，還需要研究影響系統(tǒng)活動(dòng)的外部條件環(huán)境。 Simulink中搭建的系統(tǒng)有三種類型：離散系統(tǒng)：系統(tǒng)的操作和狀態(tài)變化僅在離散時(shí)刻產(chǎn)生 連續(xù)系統(tǒng)：具有連續(xù)的輸入與輸出，系統(tǒng)輸出在時(shí)間上連續(xù)變化，變化的間隔為無窮小量，而非僅在離散的時(shí)刻采樣取值 混合系統(tǒng)：混合系統(tǒng)就是連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的混合，系統(tǒng)模型中既有連續(xù)狀態(tài)，又有離散狀態(tài) 。系統(tǒng)模型是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的一種抽象，是對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)(或是系統(tǒng)

38、的某種特性)的一種描述。在計(jì)算機(jī)上研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就需要建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型按照狀態(tài)變化可分為：動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。描述系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的數(shù)學(xué)模型稱為動(dòng)態(tài)模型。Simulink中的模型主要是指仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，它是一種適合在計(jì)算機(jī)上演算的模型，主要是指根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算特點(diǎn)、仿真方式、計(jì)算方法、精度要求將原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)程序。Simulink仿真原理：微分方程是描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)最常用的數(shù)學(xué)工具，也是很多科學(xué)與工程領(lǐng)域數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)。由于一般的非線性微分方程是沒有解析解的，故需用數(shù)值解的方式求解。Simulink中系統(tǒng)的仿真主要就是利用解各類微分方程的數(shù)值解來實(shí)現(xiàn)的。連續(xù)的求解器可以

39、計(jì)算連續(xù)或混合系統(tǒng)，而離散的求解器，則只能解離散系統(tǒng)。3.3 本章小結(jié)MATLAB這個(gè)工具由一個(gè)單方面的指向性數(shù)學(xué)工具發(fā)展成為了一個(gè)用途這么廣泛的平臺(tái)，可以看出一個(gè)軟件只要好就不愁沒有發(fā)展，而從本章不難看出能夠熟練運(yùn)用MATLAB這個(gè)軟件是可以在很多方面進(jìn)行發(fā)揮的。第4章 三電平SVPWM的研究及其在PMSM的應(yīng)用4.1永磁同步電機(jī)矢量控制的模型永磁同步電機(jī)的空間矢量脈寬調(diào)制方式本來要經(jīng)過大量的復(fù)雜的計(jì)算但是由于有了MATLAB/simulink這件神器，使得建模仿真變得沒那么復(fù)雜了，就好像游戲開外掛一樣任你難度多大，只要一招解決，下圖即為永磁同步電機(jī)的空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM的整體模型建立

40、：圖4-1 永磁同步電機(jī)控制模型圖說明：想要控制的輸入電流和轉(zhuǎn)速分別經(jīng)過電流PI控制器和轉(zhuǎn)速PI控制器再經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化后經(jīng)過三層的空間脈寬矢量調(diào)節(jié)后把參考電壓轉(zhuǎn)化為了三個(gè)目標(biāo)電壓然后使永磁同步電機(jī)PMSM產(chǎn)生了目標(biāo)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，然后再把永磁同步電機(jī)輸出的dq軸電流源反饋給電流PI環(huán)和轉(zhuǎn)速PI環(huán)，進(jìn)行控制，從而達(dá)到想要的控制效果。在后面還可以查看永磁同步電機(jī)的三相電流，轉(zhuǎn)矩，和轉(zhuǎn)速是否達(dá)到要求。4.2 建模及仿真（1）三電平SVPWM 圖4-2 三電平SVPWM模型 然后點(diǎn)開3level就可以看到電壓脈寬調(diào)制的模型，其圖如下圖4-3 3level脈寬調(diào)制模型圖4-4 time模型圖4-5 扇區(qū)選擇模型接下來就讓我們看一看各個(gè)環(huán)節(jié)的模型圖吧，首先是電流PI環(huán)，模型圖如下：圖4-6 電流環(huán)模型接下來是速度PI環(huán)，模型圖如下圖4-7 轉(zhuǎn)速環(huán)模型然后就是空間脈寬矢量控制的輸入端兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變?nèi)囔o止坐標(biāo)的變換模型，圖如下：圖4-8 坐標(biāo)系變化模型接下來就是永磁同步電機(jī)的模型了，圖如下圖4-9 永磁同步電機(jī)模型永磁同步電機(jī)的參數(shù)如下：圖4-10 永磁同步電機(jī)參數(shù)4.3仿真結(jié)果及分析