(完整word版)SVPWM仿真詳細(xì)說(shuō)明

1、附 SVPWM的仿真實(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(chǎng)，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(chǎng)這一目標(biāo)，SVPWM 控制技術(shù)利用逆變器各橋臂開(kāi)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(chǎng)。圖1 所示為 PWM 逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及等效開(kāi)關(guān)模型。Ud13520'SABSCSABUdC2462逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效

2、開(kāi)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(gè)橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)ABC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(kāi)關(guān)管變化時(shí)，就會(huì)得到 238 種開(kāi)關(guān)模式， 每種開(kāi)關(guān)模式對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓矢量，矢量的幅值為2U d ；3有兩種開(kāi)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(kāi)通狀態(tài)，即sasb1,sc0 ，設(shè)為三相對(duì)稱負(fù)載，各開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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：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(lái)，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(dá)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(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以分別得到每種開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)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(dá)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(hào)u0u1u

5、2u3u4u5u6u72U d觀察上表可知， 三相 VSR 逆變器在不同的開(kāi)關(guān)組合時(shí)的交流側(cè)電壓可用一個(gè)模為3的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來(lái)，這樣就會(huì)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(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(guò)6 個(gè)非零電壓矢量和2 個(gè)零電壓矢量來(lái)合成我們所需要的

6、中間矢量。雖然在同一時(shí)刻不可能存在兩種開(kāi)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(kāi)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(lái)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(shí)現(xiàn)這種技術(shù)。通過(guò)本節(jié)，要構(gòu)建出一個(gè)可以實(shí)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(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（ Secto

7、r 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(shí)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(gè)基本的電壓矢量去追蹤給定電壓矢量。六個(gè)長(zhǎng)度不為零的矢量將一個(gè)周期分成了6 個(gè)

8、扇區(qū)，為了減少管子的開(kāi)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 扇區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)用u0 、 u4 、 u6 、 u7 來(lái)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(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*

9、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、 、 為例，考慮臨界情況如下頁(yè)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(jiàn)，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(gè)扇區(qū)都可以通過(guò)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(shí)取1，小于零時(shí)取0， N 為扇區(qū)號(hào)。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(huì)有截?cái)嗾`差。由于在判斷扇區(qū)過(guò)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(guò)從三項(xiàng)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(lái)實(shí)現(xiàn)扇區(qū)的模塊如下頁(yè)圖8 所示。圖中，Ref1 、 Ref2、Ref3 是三個(gè)選通開(kāi)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

12、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(guò)多路選通開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn) M 到 N 的轉(zhuǎn)換， 但在實(shí)際中沒(méi)有轉(zhuǎn)換的必要，因?yàn)槲覀冏罱K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(hào)沒(méi)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(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)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(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

13、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 所示號(hào)扇區(qū)為例。設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（ Ts ）內(nèi)， T1 ,T2 ,T0 分別為 u4 、 u6 和零矢量的作用時(shí)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(shí)，用來(lái)追蹤電壓指令的各基電壓

14、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 3扇區(qū)判斷表uref 3uref 2uref 1NM001010011100101110123456表 4各個(gè)扇區(qū)中T1 ,T2 對(duì)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(jì)算的 Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)圖 13T1 ,T2 計(jì)算的 Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)需要指出的是， 在計(jì)算 T1 ,T2

15、時(shí)有可能出現(xiàn) T1 T2Ts 的情況， 因此，還必須進(jìn)行 T1,T2的標(biāo)準(zhǔn)化 :T1*T1TT1T2T2*T2T(10)T1T2即要對(duì)上述計(jì)算出來(lái)的電壓矢量的作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，具體方法如式10 所示，實(shí)現(xiàn)的模型如下：圖 14 T1 ,T2 標(biāo)準(zhǔn)化的Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)圖 15 T1 ,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 T 1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(kāi)關(guān)管的開(kāi)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

16、問(wèn)題。仍以電壓指令u*在第扇區(qū)時(shí)為例來(lái)說(shuō)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：?jiǎn)稳切畏?，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 u4 、 u6 按三角形方法合成。該方法的特點(diǎn)是：PWM諧波分量主要集中在開(kāi)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(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(kāi)關(guān)函數(shù)波形對(duì)稱。PWM諧波分量仍主要分布在開(kāi)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

17、）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(kāi)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(guò)程。記 Ts,T0 ,T1,T2 ,T7 分別為開(kāi)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 ,t 6 ：t1T0 ;t2T0T1 ; t3T0T1 T2 ; t4T0 T1 T2T7

18、2222t5T0 T1T2T7 ; t6T0T1T2T722圖 18 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)基矢量變化圖開(kāi)關(guān)狀態(tài) ( sa sb sc ) 的變換過(guò)程為：000-100-110-111-110-100-000顯然，每次變化只有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生變化，這樣可以有效的減少開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)表*所在扇區(qū)M所需非零矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)（s s su橋臂變化過(guò)程a b c ）的變換過(guò)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(kāi)關(guān)狀態(tài)每次都從 (000) 開(kāi)始，又以 (000) 結(jié)束，且每次狀態(tài)的切換只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管發(fā)生變化。圖 19 時(shí)間配合的Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)圖中， M 提供的是扇區(qū)信息，用來(lái)選擇追蹤指令電壓矢量u* 的基電壓矢量，三個(gè)輸出ta ,tb ,tc 是三個(gè)橋臂功率開(kāi)關(guān)管狀態(tài)發(fā)生變換的時(shí)間，在該時(shí)間點(diǎn)上， 相應(yīng)的功率管的狀態(tài)發(fā)生變化，