(完整word版)SVPWM仿真詳細說明

1、附 SVPWM的仿真實現(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)控制信號的不同組合，使逆變器的輸出電壓空間矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM 是從電動機的角度出發(fā)，著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。圖1 所示為 PWM 逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)以及等效開關(guān)模型。Ud13520'SABSCSABUdC2462逆變器拓撲結(jié)構(gòu)等效

2、開關(guān)模型圖 1 PWM 逆變器電路電壓源型逆變器常采用 180 導(dǎo)通型。用 S 、S 、S 分別標(biāo)記三個橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)ABC上橋臂器件導(dǎo)通時橋臂狀態(tài)為1，下橋臂導(dǎo)通時橋臂狀態(tài)為0，當(dāng) 3 個橋臂的功率開關(guān)管變化時，就會得到 238 種開關(guān)模式， 每種開關(guān)模式對應(yīng)一個電壓矢量，矢量的幅值為2U d ；3有兩種開關(guān)模式對應(yīng)的電壓矢量幅值為零，稱為零矢量。例如：在某一時刻，設(shè)V1， V2，V3 管處于開通狀態(tài)，即sasb1,sc0 ，設(shè)為三相對稱負載，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 時逆變器的等效電路圖這樣，很容易就能得到該瞬時時刻的相電壓：vA

3、N1U d ,vBN1U d ,vCN2 U d(1)333將其在靜止坐標(biāo)系中表示出來，如圖3 所示：圖 3sa sb 1,sc0 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 的表達式：24Ujjk( vAN vBN e 3vCN e 3)(2)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)，變換分為基于等功率的坐標(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k2，式 (2) 即為：3U(3)將式 (1) 的具體數(shù)值代入上式，則有：2j 1U d e 3(4)U3這樣就得到了 sa sb 1,sc0 開關(guān)狀態(tài)下的電壓矢量

4、，按照同樣的方法分析另外7 種開關(guān)狀態(tài)，可以分別得到每種開關(guān)狀態(tài)所對應(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)對應(yīng)的空間矢量表sa sb scA 相000011 3U d110 3U d211 3U d1002U d31011U d31110 3U d1110相電壓B 相C 相001U d2 U d332 U d1 U d331 U d1U d331U d1U d332U d1U d331 U d2 U d3300矢量表達式042jU d e 3322 U d e j 332 U d ej32 U d ej 0352jU d e 3312jU d e 330矢量標(biāo)號u0u1u

5、2u3u4u5u6u72U d觀察上表可知， 三相 VSR 逆變器在不同的開關(guān)組合時的交流側(cè)電壓可用一個模為3的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來，這樣就會得到8 條空間矢量，如圖4 所示。圖 4 電壓矢量的空間分布與扇區(qū)分配顯然觸發(fā)電路每給逆變器發(fā)一組觸發(fā)脈沖，就會在逆變器的交流側(cè)得到一個電壓矢量。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，必須引入多個中間矢量以逼近圓形的電壓矢量軌跡，可以通過6 個非零電壓矢量和2 個零電壓矢量來合成我們所需要的

6、中間矢量。雖然在同一時刻不可能存在兩種開關(guān)狀態(tài)，即不可能有兩個電壓矢量存在，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），每個電壓矢量作用的時間極短，則就可以用基本的電壓矢量來合成中間電壓矢量，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 具體的實現(xiàn)這種技術(shù)。通過本節(jié)，要構(gòu)建出一個可以實現(xiàn)這種SVPWM控制算法的模塊，該模塊的輸入端為控制器發(fā)出的控制信號（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（ Secto

7、r Selector）子模塊；時間計算（ Time Calculating）子模塊；時間配合（ Time Matching）子模塊；觸發(fā)脈沖產(chǎn)生（Pulses Genetator）子模塊；2.1 扇區(qū)的選擇采用追蹤電壓型SVPWM控制技術(shù)的PWM整流器，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， 它們均是時變的交流量，且相位相差90。 ua* , ub* ,uc* 分別為電壓指令 u* 在三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量。所謂追蹤電壓型的 SVPWM，就是利用 8 個基本的電壓矢量去追蹤給定電壓矢量。六個長度不為零的矢量將一個周期分成了6 個

8、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)最近兩個基本矢量和兩個零矢量共同合成。如圖 4 所示，例如當(dāng)電壓矢量指令u* 出現(xiàn)在第 扇區(qū)時，應(yīng)當(dāng)用u0 、 u4 、 u6 、 u7 來合成中間電壓矢量以追蹤電壓指令。表 2基矢量選擇表指令電壓所在扇區(qū)選取的基u4 、 u6u2 、 u6u2 、 u3u1、 u3u1 、 u5u4 、 u5電壓矢量u0 、 u7u0 、 u7u0 、 u7u0、 u7u0 、 u7u0 、 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*

9、的正負可以決定矢量u* 上半部分的三個扇區(qū)或者下半部分的三個扇區(qū)，剩下的任務(wù)就是判斷u* 在三個扇區(qū)中的哪一個，以區(qū)分、 、 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)uacos(3 )u0.N1sin(3)uacos(3 )u0.N2由圖（ b）所示：u 0sin(3 )uacos(3)u0.N3sin(3 )uacos(3)u0.N2(1)(2)式中 N 為扇區(qū)，為方便起見，令：uref 1uuref 2sin( 3 )uacos(3 )u(3)uref 2sin(3 )uacos(3 )u則可得到第扇區(qū)的判別條件為：uref 10uref

10、 20(4)uref 20同理，其它各個扇區(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uref 1 ,uref 2 ,uref 3 與電壓指令 u* 所在關(guān)系如下表所示：表 3 扇區(qū)判斷表uref 3uref 2uref 1NM001101020113100410151106表中 uref 1 ,uref 2 ,uref 3 大于零時取1，小于零時取0， N 為扇區(qū)號。該算法可以很容易地判斷電壓指令 u* 所在扇區(qū)，且算法中部存在除法，因而不會有截斷誤差。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，所以控制信號要先經(jīng)過從三項旋

11、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：1121C/ ABC22（ 5）333022MATLAB 仿真模型為：1A2-0.50.8161B-1/2sqrt(2/3)a3-0.5C-1/20.8660.8162sqrt(3)/2sqrt(2/3)b-0.866-sqrt(3)/2圖 6 3/2 變換模塊最終生成的3/2 變換模塊為：AaBbCC3s_2s2圖 7 最終生成的3/2 變換模塊在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下用來實現(xiàn)扇區(qū)的模塊如下頁圖8 所示。圖中，Ref1 、 Ref2、Ref3 是三個選通開關(guān)，當(dāng)中間的輸入信號大于零時，輸出為1，小于零時輸出為0。模塊的總輸出

12、信號 M 是按照 Ref3、Ref2 、Ref1 的順序排列得到的二進制數(shù)值，并非實際中的扇區(qū)值，但是卻與實際扇區(qū)間存在一一對應(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)實現(xiàn) M 到 N 的轉(zhuǎn)換， 但在實際中沒有轉(zhuǎn)換的必要，因為我們最終想得到的只是電壓指令所在的空間位置，與各空間位置的編號沒有關(guān)系。換言之，也可以按照M 所在的位置安排扇區(qū)的編號，但出于習(xí)慣做法，各扇區(qū)仍按照圖4 進行分配。圖 8 扇區(qū)選擇的 Matlab/Simulink 實現(xiàn)最終生成的扇區(qū)選擇子模塊如下：圖 9 扇區(qū)選擇子模塊當(dāng)輸入為圖10 所示的三項正弦信號時，輸出波形為扇區(qū)序號波形，如圖11 所示。圖 10 輸

13、入控制信號圖 11 山區(qū)選擇輸出信號2.2時間計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，接著計算兩空間矢量的作用時間，仍以圖5 所示號扇區(qū)為例。設(shè)在一個開關(guān)周期（ Ts ）內(nèi)， T1 ,T2 ,T0 分別為 u4 、 u6 和零矢量的作用時間，則由圖 4.4知：(6)將 u*u*ju*代入上式，并結(jié)合u1u22 U d ，得：3*T1T2uTsu1Ts u2cos60u*T2 u2 sin 60(7)TsT1T2T0TsT13 Ts u3 Tsu2 U d2 U dT23 Tsu(8)U dT0Ts T1T2這樣就得到了電壓指令u* 在第扇區(qū)時，用來追蹤電壓指令的各基電壓

14、矢量作用的時間，同樣的方法用于分析在其它扇區(qū)時的情況，可得u* 在各個扇區(qū)的作用時間T1 ,T2 如下表所示：表 3扇區(qū)判斷表uref 3uref 2uref 1NM001010011100101110123456表 4各個扇區(qū)中T1 ,T2 對應(yīng)關(guān)系表T1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-X其中 XYZ的值為：X 3 Ts u U dY3 Ts u3 Ts u(9)2 U d2 U dZ3 Ts u3 Tsu2 U d2 U d圖 12 XYZ 計算的 Matlab/Simulink實現(xiàn)圖 13T1 ,T2 計算的 Matlab/Simulink實現(xiàn)需要指出的是， 在計算 T1 ,T2

15、時有可能出現(xiàn) T1 T2Ts 的情況， 因此，還必須進行 T1,T2的標(biāo)準(zhǔn)化 :T1*T1TT1T2T2*T2T(10)T1T2即要對上述計算出來的電壓矢量的作用時間進行調(diào)整，具體方法如式10 所示，實現(xiàn)的模型如下：圖 14 T1 ,T2 標(biāo)準(zhǔn)化的Matlab/Simulink實現(xiàn)圖 15 T1 ,T2 計算子模塊時間標(biāo)準(zhǔn)化后輸出波形如圖16 所示。圖 16 T 1波形2.3矢量合成方法研究與時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)頻率遠大于輸出電壓頻率時可近似認為它們同時存在，但是這畢竟是一種近似而實際中又不可能出現(xiàn)的情況，因此，有必要仔細研究基矢量的合成

16、問題。仍以電壓指令u*在第扇區(qū)時為例來說明常用的矢量合成方法。圖14 給出了三種常用的矢量合成方法：單三角形法，將零矢量（u0 、 u7 ）均勻地分布在指令電壓矢量u*的起、終點上，然后依次由 u4 、 u6 按三角形方法合成。該方法的特點是：PWM諧波分量主要集中在開關(guān)頻率f sw及 2 fsw 上，在頻率 f sw 處諧波幅值較大。雙三角形法，將零矢量（ u0 、 u7 ）均勻地分布在指令電壓矢量u* 的起、終點上，但兩空間矢量在中點相交而形成兩個三角形，這種方法的開關(guān)函數(shù)波形對稱。PWM諧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。改進的雙三角形法，這種方法與b

17、）相似 ,不同的是在矢量u* 的中點處插入了零矢量u7 ，這樣做的好處在于在頻率f sw 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，為了達到最佳的輸出電壓波形，本文采用該種方法。下面將詳細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 作用的時間，為了敘述的方便，引入 t1 ,t2 ,t3 , t4 , t5 ,t 6 ：t1T0 ;t2T0T1 ; t3T0T1 T2 ; t4T0 T1 T2T7

18、2222t5T0 T1T2T7 ; t6T0T1T2T722圖 18 一個開關(guān)周期內(nèi)基矢量變化圖開關(guān)狀態(tài) ( sa sb sc ) 的變換過程為：000-100-110-111-110-100-000顯然，每次變化只有一個功率開關(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)時的情況，得到下表：表 5 開關(guān)狀態(tài)表*所在扇區(qū)M所需非零矢量開關(guān)狀態(tài)（s s su橋臂變化過程a b c ）的變換過程3u4 、 u6000-100-110-111-110-100-000a-b-c1u2 、 u6000-010-110-

19、111-110-010-000b-a-c5u2 、 u3000-010-011-111-011-010-000b-c-a4u1 、 u3000-001-011-111-011-001-000c-b-a6u1 、 u5000-001-101-111-101-001-000c-a-b2u4 、 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)的切換只有一個開關(guān)管發(fā)生變化。圖 19 時間配合的Matlab/Simulink實現(xiàn)圖中， M 提供的是扇區(qū)信息，用來選擇追蹤指令電壓矢量u* 的基電壓矢量，三個輸出ta ,tb ,tc 是三個橋臂功率開關(guān)管狀態(tài)發(fā)生變換的時間，在該時間點上， 相應(yīng)的功率管的狀態(tài)發(fā)生變化，