SVPWM仿真詳細(xì)說明important

1、附svpwM勺仿真實(shí)現(xiàn)1 SVPWM的基本原理SPWM常用于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，經(jīng)典的 SPWM控制主要目的是使變頻器的輸出電壓 盡量接近正弦波，并未關(guān)注輸出的電流波形。 而矢量控制的最終目的是得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁場， 這樣就要求變頻器輸出的電流波形接近正弦波。鎖定得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁場這一目標(biāo)，SVPWM控制技術(shù)利用逆變器各橋臂開關(guān)控制信號(hào)的不同組合，使逆變器的輸出電壓空間矢量的運(yùn)行軌跡盡可能接近圓形。 SVPWM是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)， 著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場。圖1所示為PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及等效開關(guān)模型。逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓源型逆變器常采用圖1 PWM逆變器電路180導(dǎo)通型。用SA、S

2、B、SC分別標(biāo)記三個(gè)橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)上橋臂器件導(dǎo)通時(shí)橋臂狀態(tài)為 1,下橋臂導(dǎo)通時(shí)橋臂狀態(tài)為 0,當(dāng)3個(gè)橋臂的功率開關(guān)管變32化時(shí)，就會(huì)得到23 8種開關(guān)模式，每種開關(guān)模式對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓矢量，矢量的幅值為一Ud ;3有兩種開關(guān)模式對(duì)應(yīng)的電壓矢量幅值為零，稱為零矢量。例如：在某一時(shí)刻，設(shè) V1, V2, V3管處于開通狀態(tài)，即 sa sb 1,sc 0,設(shè)為三相對(duì)稱負(fù)載，各開關(guān)管的開通電阻均相等，則逆變器的等效電路為:圖2 sa sb 1,Sc 0時(shí)逆變器的等效電路圖 這樣，很容易就能得到該瞬時(shí)時(shí)刻的相電壓：1,1一2 一二 Ud,VBN二 Ud,VcN二Ud333將其在靜止坐標(biāo)系中表示出來，如圖

3、3所示:圖3 SaSb1島。電壓矢量圖其中，U是合成的電壓矢量，在兩相靜止坐標(biāo)系(，坐標(biāo)系)下，利用相電壓合成電 壓矢量U的表達(dá)式：.2.4(2)變換分為基于等功率的2, 廣，一,式(2)即為：3(3)(4)j-jU k(VAN VBNe 3VcNe 3 )其中，k為三相靜止坐標(biāo)系向兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的變換系數(shù)，坐標(biāo)變換和基于等量的坐標(biāo)變換，這里選擇等量的坐標(biāo)變換，則 kC242j-jU -(Van VBNe 3VcNe 3 )3將式(1)的具體數(shù)值代入上式，則有：U 2Udj3按照同樣的方法分析另外7種這樣就得到了 Sa sb 1,sc 0開關(guān)狀態(tài)下的電壓矢量,開關(guān)狀態(tài)，可以分別得到每種開關(guān)

4、狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電壓矢量，總結(jié)為表1所示。表1逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間矢量表SaSbScA相相電壓B相C相矢里表達(dá) 式矢量標(biāo) 號(hào)0000000U00013Ud3Ud3Ud23-Ude33Ui0103Ud3Ud3UdO.22j-Ude3 3U2011”d3Ud3Ud|Udej 3U31003Ud3Ud3Ud|Udej0 3U41013Ud3Ud3Ud2Udej3 3U51103Ud3Ud3Ud2J3一 Ude3U61110000U7觀察上表可知，三相VSR逆變器在不同的開關(guān)組合時(shí)的交流側(cè)電壓可用一個(gè)模為-Ud3的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來，這樣就會(huì)得到8條空間矢量，如圖4所示。圖4電壓矢量

5、的空間分布與扇區(qū)分配顯然觸發(fā)電路每給逆變器發(fā)一組觸發(fā)脈沖，就會(huì)在逆變器的交流側(cè)得到一個(gè)電壓矢量。SVPWM控制的最終目標(biāo)是獲得圓形的旋轉(zhuǎn)電壓矢量軌跡，在僅靠這8個(gè)電壓矢量而不采取任何其它辦法的情況下，就只能夠得到軌跡為正六邊形的旋轉(zhuǎn)電壓矢量。這與我們所追求的圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量相差甚遠(yuǎn)，必須引入多個(gè)中間矢量以逼近圓形的電壓矢量軌跡，可以通過6個(gè)非零電壓矢量和 2個(gè)零電壓矢量來合成我們所需要的中間矢量。 雖然在同一時(shí)刻不可能存在兩種開關(guān)狀態(tài)，即不可能有兩個(gè)電壓矢量存在，但是若逆變器功率管的開關(guān)頻率比其輸出電壓的頻率高的多(100倍)，每個(gè)電壓矢量作用的時(shí)間極短，則就可以用基本的電壓矢量來合成中間電壓

6、矢量，以逼近圓形的電壓矢量軌跡。2 SVPWM仿真模塊的搭建上一節(jié)介紹了 SVPWM控制技術(shù)的基本原理，本節(jié)的主要內(nèi)容是介紹如何在 Matlab/Simulink具體的實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)。通過本節(jié)，要構(gòu)建出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)這種SVPW臟制 * * *算法的模塊，該模塊的輸入端為控制器發(fā)出的控制信號(hào)(ua,ub,uc),輸出端應(yīng)為6路觸發(fā)脈沖。該模塊主要包括以下子模塊：扇區(qū)選擇(Sector Selector )子模塊；時(shí)間計(jì)算(Time Calculating )子模塊；時(shí)間配合(Time Matching )子模塊；觸發(fā)脈沖產(chǎn)生(Pulses Genetator )子模塊；2.1 扇區(qū)的選擇采用追蹤電

7、壓型 SVPW肺制技術(shù)的PW慳流器，其追蹤的電壓指令就是控制器發(fā)出的電 ,*. *壓指令u u ju , u ,u分別是兩相靜止坐標(biāo)系下，軸分量，它們均是時(shí)變的交流重，且相位相差90 。 ua,ub ,uc分別為電壓指令u在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分重。所謂追 蹤電壓型的SVPWM就是利用8個(gè)基本的電壓矢量去追蹤給定電壓矢量。六個(gè)長度不為零的矢量將一個(gè)周期分成了6個(gè)扇區(qū)，為了減少管子的開關(guān)次數(shù)以及增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合成目標(biāo)矢量采用其所在扇區(qū)最近兩個(gè)基本矢量和兩個(gè)零矢量共同合成。如圖4所示，例如當(dāng)電壓矢量指令 U*出現(xiàn)在第I扇區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)用u0、u4、u6、山來合成中 間電壓矢量以追蹤電壓指令。表2基矢

8、量選擇表指令電壓所在扇區(qū)IRmIVVVI選取的基 電壓矢量U4、U6U0、 U7U2、U6U0、 U7以、U3U。、 U7Ui、U3U。、 U7Ui、U5U。、 U7露、U5U。、 U7但是，我們還必須知道，以上僅是在已知指令電壓矢量所在扇區(qū)下所進(jìn)行的討論，那么如何確定電壓指令矢量所在的扇區(qū)？ *從圖4可以看出，U的正負(fù)可以決定矢量 U上半部分的三個(gè)扇區(qū)或者下半部分的三個(gè) 扇區(qū)，剩下的任務(wù)就是判斷 U*在三個(gè)扇區(qū)中的哪一個(gè)，以區(qū)分 I、H、田為例，考慮臨界 情況如下頁圖5所示：圖5臨界扇區(qū)的判斷由圖（a）所示:U0sin(.3)Ua cos( , 3)u0.N 1sin(3)Ua cos( .

9、 3)u0.N 2由圖（b）所示：u 0sin(3)Uacos( . 3)u0.N 3(2)sin(.3)Uacos( . 3)u0.N 2式中N為扇區(qū)，為方便起見，令:uref 1uUref2sin( /3)Ua cos( ,.13 )uuref 2sin( . 3 )uacos( .'3)u則可得到第I扇區(qū)的判別條件為：(4)Urefl 0uref 2 0uref 2 0同理，其它各個(gè)扇區(qū)都可以通過這種方法列出判別條件，最后可得到參考電壓. . . ， *，一. 一- -，一uref 1 ,uref 2 ,uref 3與電壓指令u所在關(guān)系如下表所不'：表3扇區(qū)判斷表uref

10、 3uref 2uref 1NM001n1010VI2011i3100IV4101m5110V6表中uref 1 ,uref 2 ,uref 3大于零時(shí)取1，小于零時(shí)取 0, N為扇區(qū)號(hào)。該算法可以很容 .一 * . . . . . . . . . .易地判斷電壓指令 u所在扇區(qū)，且算法中部存在除法，因而不會(huì)有截?cái)嗾`差。由于在判斷扇區(qū)過程中要用到電壓指令在兩相靜止坐標(biāo)系下，軸分量，而給定為三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的指令電壓矢量，所以控制信號(hào)要先經(jīng)過從三項(xiàng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到亮相靜止坐標(biāo) 系的變換。其變換關(guān)系矩陣為：c2 1C /ABC . 3 012二21232(5)MATLAB仿真模型為:圖6 3/2變換模

11、塊最終生成的3/2變換模塊為:M所在的位置安排扇區(qū)的編號(hào)，但出于習(xí)慣做法，各扇區(qū)仍按照?qǐng)D4進(jìn)行分配。圖8扇區(qū)選擇的Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)圖7最終生成的3/2變換模塊在MATLAB/Simulink環(huán)境下用來實(shí)現(xiàn)扇區(qū)的模塊如下頁圖8所示。圖中，Ref1、Ref2、Ref3是三個(gè)選通開關(guān)，當(dāng)中間的輸入信號(hào)大于零時(shí)，輸出為 1,小于零時(shí)輸出為0。模塊的總輸出信號(hào)M是按照Ref3、Ref2、Ref1的順序排列得到的二進(jìn)制數(shù)值，并非實(shí)際中的扇區(qū)值，但是卻與實(shí)際扇區(qū)間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如表2所示。當(dāng)然，也可以通過多路選通開關(guān)實(shí)現(xiàn)M到N的轉(zhuǎn)換，但在實(shí)際中沒有轉(zhuǎn)換的必要，因?yàn)槲覀冏罱K想得到的只

12、是電壓指令 所在的空間位置，與各空間位置的編號(hào)沒有關(guān)系。換言之，也可以按照最終生成的扇區(qū)選擇子模塊如下：N >:|Sactor £e隹比/r圖9扇區(qū)選擇子模塊當(dāng)輸入為圖10所示的三項(xiàng)正弦信號(hào)時(shí)，輸出波形為扇區(qū)序號(hào)波形，如圖11所示。圖10輸入控制信號(hào)圖11山區(qū)選擇輸出信號(hào)2.2 時(shí)間計(jì)算在判定了指令電壓矢量 u所在的扇區(qū)和所需要的基電壓矢量后，接著計(jì)算兩空間矢量 的作用時(shí)間，仍以圖 5所示I號(hào)扇區(qū)為例。設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期（Ts）內(nèi)，Ti,T2,To分別為U4、U6和零矢量的作用時(shí)間， 則由圖4.4 知：(6)將u* vju*代入上式，并結(jié)合UiU235,得:Uiu2 cos60u

13、2 sin 60T1T23 Ts u 2Ud3 Ts u Ud3 Ts u u2 Ud(8)ToTs T1T2這樣就得到了電壓指令 u*在第I扇區(qū)時(shí)，用來追蹤電壓指令的各基電壓矢量作用的時(shí). .* . . . 、 間，同樣的方法用于分析在其它扇區(qū)時(shí)的情況，可得 u在各個(gè)扇區(qū)的作用時(shí)間 T1,T2如下表所示：表4各個(gè)扇區(qū)中T1,T2對(duì)應(yīng)關(guān)系表InmIVVVI工-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-X其中XYZ的值為:3U?3區(qū)u班三2Ud 2 U(9)3工u 貨工2Ud U 2 Ud圖 12 XYZ 計(jì)算的 Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)0Ts的情況，因此，還必須進(jìn)行Ti,T2需要指出的是

14、，在計(jì)算丁1,丁2時(shí)有可能出現(xiàn)Ti T2的標(biāo)準(zhǔn)化：*T2(10)10所示，實(shí)現(xiàn)的即要對(duì)上述計(jì)算出來的電壓矢量的作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，具體方法如式 模型如下:圖 14 T1 ,T2標(biāo)準(zhǔn)化的 Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)圖15 Ti,T2計(jì)算子模塊時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化后輸出波形如圖16所示。圖16 Ti'波形2.3矢量合成方法研究與時(shí)間匹配用基電壓矢量合成中間電壓矢量追蹤指令電壓矢量，雖然在功率開關(guān)管的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓頻率時(shí)可近似認(rèn)為它們同時(shí)存在，但是這畢竟是一種近似而實(shí)際中又不可能出現(xiàn)的情況，因此，有必要仔細(xì)研究基矢量的合成問題。仍以電壓指令u*在第I扇區(qū)時(shí)為例來說明常用的矢量合成方法。

15、圖14給出了三種常用的矢量合成方法：單二角形法，將零矢量（u0、u7）均勻地分布在指令電壓矢量u的起、終點(diǎn)上，然后依次由 山、U6按三角形方法合成。 該方法的特點(diǎn)是：PWMii1波分量主要集中在開關(guān)頻率fsw及2 fsw上，在頻率fsw處諧波幅值較大。雙二角形法，將零矢量（u0、u7）均勻地分布在指令電壓矢量u的起、終點(diǎn)上，但兩空間矢量在中點(diǎn)相交而形成兩個(gè)三角形，這種方法的開關(guān)函數(shù)波形對(duì)稱。PW曲波分量仍主要分布在開關(guān)頻率的整數(shù)倍附近，諧波幅值比方法a）有所降低。 . 、 ， 、 、 , * ,改進(jìn)的雙三角形法，這種方法與b）相似，不同的是在矢量 u的中點(diǎn)處插入了零矢量U7 ,這樣做的好處在于

16、在頻率 fsw處的諧波幅值明顯降低。圖17三種常用的矢量合成方法比較上述的三種方法，雖然法（c）開關(guān)頻率較高且算法較復(fù)雜，但現(xiàn)代的IPM模塊以及TI的DSP芯片完全能夠滿足要求，為了達(dá)到最佳的輸出電壓波形，本文采用該種方法。下面將詳細(xì)介紹此法的合成過程。記Ts,T0,T1,T2,T7分別為開關(guān)周期、u0、u4、u6、u7作用的時(shí)間，為了敘述的方便, 引入 t1 ,t2 ,t3, t4, t5,t6 :t5? T2 T7；t6TO IT2 T7AUj群4圖18 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)基矢量變化圖開關(guān)狀態(tài)（SaSbSc）的變換過程為：000-100-110-111-110-100-000顯然，每次變化只有

17、一個(gè)功率開關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生變化，這樣可以有效的減少開關(guān)損耗,且輸出電壓的諧波含量是上述三種方法中最少的。用同樣的方法去分析指令電壓出現(xiàn)在其它 扇區(qū)時(shí)的情況，得到下表:表5開關(guān)狀態(tài)表u所在扇區(qū)M所需非零矢量開關(guān)狀態(tài)（SaSbSc）的變換過程橋臂變化過程I3U4、U6000-100-110-111-110-100-000a-b-cR1U2、U6000-010-110-111-110-010-000b-a-cm5U2、U3000-010-011-111-011-010-000b-c-aIV4U1、U3000-001-011-111-011-001-000c-b-aV6U1、U5000-001-101-

18、111-101-001-000c-a-bVI2U4、 U5000-100-101-111-101-100-000a-c-b從上表可以看出， 開關(guān)狀態(tài)每次都從（000）開始，又以（000）結(jié)束，且每次狀態(tài)的切換只 有一個(gè)開關(guān)管發(fā)生變化。在該時(shí)間點(diǎn)上，相應(yīng)的功率管的狀態(tài)Ta輸出波形為:圖20時(shí)間配合子模塊圖21 Ta輸出波形ta ,tb ,tc是三個(gè)橋臂功率開關(guān)管狀態(tài)發(fā)生變換的時(shí)間, 發(fā)生變化，以便使基電壓矢量發(fā)生變化。4.2.4觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生這一子模塊具體實(shí)現(xiàn)的方法如圖22所示:圖22觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的 Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)其中，ta,tb,tc是分別用來控制各橋臂開關(guān)管狀態(tài)的時(shí)間信號(hào)，它們與三角波比較，以 便決定各開關(guān)管的狀態(tài)，仍然以指令電壓u*出現(xiàn)在第I扇區(qū)為例來說明變化的過程：圖23功率開關(guān)管變換圖將其封裝為子模塊如下圖:ni）惶N(yùn) 3圖24觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路的封裝子系統(tǒng)輸出的6路觸發(fā)脈沖到逆變器用于控制輸出的電壓波形。單路輸出觸發(fā)脈沖經(jīng)低通濾波器后輸出地馬鞍波如圖