基于MATLAB的脈寬調(diào)制(PWM,SPWM,SVPWM)

1、第1章緒論1.1 -寬調(diào)制技術(shù)的研究背景一一電氣傳動的發(fā)展隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)的發(fā)展以及材料技術(shù)尤其是永磁材料技術(shù)的進(jìn)步，電氣傳動系統(tǒng)，包括交、直流電動機(jī)調(diào)速及伺服系統(tǒng)，正在向系統(tǒng)高性能、控制數(shù)字化、一體化機(jī)電的方向發(fā)展。直流傳動系統(tǒng)控制簡單、調(diào)速特性好，一直是調(diào)速傳動領(lǐng)域中的重要組成部分?，F(xiàn)代的直流傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向是電動機(jī)主極永磁化及換向無刷化，而無刷直流電動機(jī)正是在這樣的趨勢下所發(fā)展起來的機(jī)電一體化電動機(jī)系統(tǒng)。一般意義上的無刷直流電動機(jī)(BruhlessDCMotor,BLDCM)是指方波無刷直流電動機(jī)，其特征是只需簡單的開關(guān)位置信號即可通過逆變橋驅(qū)動永磁電動機(jī)工作。1975年

2、無刷直流電動機(jī)首次出現(xiàn)在NASA報告中。之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出現(xiàn)，以及大功率、全控型功率器件的出現(xiàn)，使無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)獲得了迅速的發(fā)展。1977年，出現(xiàn)了采用物鉆永磁材料的無刷直流電動機(jī)。之后不久，無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)開始廣泛采用高磁能積、高矯頑力、低成本的第三代NdFeB永磁材料，且采用霍爾元件作位置傳感器，采用三相全橋驅(qū)動方式，以提高輸出轉(zhuǎn)矩，使其更加實(shí)用。1986年，H.R.Bolton對方波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的總結(jié)，這標(biāo)志著方波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)在理論上、驅(qū)動控制方法上已基本成熟。近年來，雖然永磁直流電動機(jī)也隨著永磁材料技術(shù)的發(fā)展而得到了性能的提高，依然

3、在直流傳動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，但直流傳動系統(tǒng)已經(jīng)處于無刷直流電動機(jī)大規(guī)模普及與應(yīng)用的階段?，F(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)已經(jīng)由感應(yīng)電動機(jī)為主發(fā)展為多機(jī)種，尤其是以永磁同步電動機(jī)的發(fā)展最為顯著。一方面，由感應(yīng)電動機(jī)構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)性能依然不斷提高，變壓變頻(VVVF)技術(shù)及矢量控制技術(shù)完全成熟。通過模仿直流電動機(jī)中轉(zhuǎn)矩控制的思路，采用坐標(biāo)變換，把交流感應(yīng)電動機(jī)的定子電流分解成勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，并通過對磁通和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制、使感應(yīng)電動機(jī)獲得類似直流電動機(jī)的控制特性。近年來又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，從而使交流調(diào)速控制有了突破性的發(fā)展，并出現(xiàn)了一系列用于交流調(diào)速系統(tǒng)的高性價比的通用變頻器。另一方面

4、，永磁同步電動機(jī)調(diào)速及高性能伺服技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用功率范圍不斷擴(kuò)大。永磁同步電動機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM),又被稱為正弦波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際上為帶有位置傳感器的、由逆變器驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)。其反電勢波形為正弦波，相應(yīng)的繞組電流也為正弦波。關(guān)于永磁同步電動機(jī)的研究主要集中于電動機(jī)的新型結(jié)構(gòu)形式、氣隙磁場的設(shè)計、計算和繞組電流的控制。其中，繞組電流的控制為大部分文獻(xiàn)研究的焦點(diǎn)。1982年，GP.Fatt從理論上指出了兩種有效獲得正弦繞組電流的方法，即靜止坐標(biāo)系下的電流控制方法，它包括電流調(diào)節(jié)型SPWM控制方法（CRPWM）和電流滯環(huán)控

5、制方法，指出了其應(yīng)用范圍，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。至今，這兩種方法在永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。1987年，P.Pillay對方波無刷直流電動機(jī)和正弦波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的對比，在總結(jié)正弦波無刷直流電動機(jī)各種研究成果的基礎(chǔ)上，提出了基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正弦波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)繞組電流控制方法：id、iq法。此后的研究雖然在控制手段上不斷改進(jìn)，但控制方法沒有本質(zhì)的突破。一般實(shí)現(xiàn)電流控制的手段有模擬方法、模擬數(shù)字混合方法、全數(shù)字方法等，并在逐步向全數(shù)字控制方向發(fā)展。感應(yīng)電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)相比較，無論是在效率、功率密度等各方面，永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)均具有相當(dāng)優(yōu)勢。因此，交流永磁同步

6、電動機(jī)在交流傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍會繼續(xù)擴(kuò)大。綜上所述，高性能直流傳動系統(tǒng)在向方波無刷直流電動機(jī)為主的方向發(fā)展，而方波無刷直流電動機(jī)在向電流正弦化的方向發(fā)展；同時，高性能交流傳動系統(tǒng)在向交流永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)為主的方向發(fā)展，而永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)也在向無位置檢測或位置檢測簡易化的方向發(fā)展。由于二者的電動機(jī)本體均為永磁同步電動機(jī)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致相同，因此交、直流之分越來越模糊，二者的發(fā)展方向相同，概念趨向一致。在電動機(jī)理論和其他相關(guān)技術(shù)發(fā)展的推動下，“無刷直流電動機(jī)”的概念已由最初特指具有電子換向的直流電動機(jī)發(fā)展到泛指一切具備有刷直流電動機(jī)外部特征的由驅(qū)動器驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)或永磁

7、同步電動機(jī)的發(fā)展亦促使電動機(jī)理論與電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論及高性能材料的緊密結(jié)合。如今，無刷直流電動機(jī)或永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)集特種電動機(jī)、變流機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成新一代的一體化電動機(jī)系統(tǒng)，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的最新成果，是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。1.2 脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展隨著全控型功率電子器件的發(fā)展，脈沖調(diào)寬（PWM）技術(shù)與開關(guān)功率電路成為主流技術(shù)，在功率應(yīng)用中基本取代了線性功率放大電路，以減小功率器件導(dǎo)通損耗，提高驅(qū)動效率。在PWM技術(shù)中，功率器件工作在開關(guān)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，通過改變功率器件的驅(qū)動脈沖信號的開通與關(guān)斷的時間，來改變加在負(fù)載兩端的平均電壓

8、的大小。當(dāng)負(fù)載為直流電動機(jī)時，也就實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速控制，這也就是PWM控制的基本原理。改變脈沖信號的開通、關(guān)斷時間有兩種基本方式。一種方式是將脈沖信號的開關(guān)頻率及周期Ts固定，通過改變導(dǎo)通脈沖的寬度來改變負(fù)載的平均電壓，這就是脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)。另一種方式是將脈沖信號的導(dǎo)通寬度固定，通過改變開關(guān)頻率及周期T來改變負(fù)載的平均電壓，這就是脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation,PFM)。由于PFM控制是通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)平均電壓的調(diào)節(jié)的，頻率變化范圍較大。在頻率較低時，往往人耳所感覺到的電磁噪聲較高；而在頻率較高時，會

9、導(dǎo)致功率器件開關(guān)損耗的增加，而且還存在功率器件關(guān)斷速度的限制。最嚴(yán)重的情況是，在某些特殊頻率下系統(tǒng)有可能產(chǎn)生機(jī)械諧振，就會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩和出現(xiàn)音頻嘯叫聲。而在PWM控制中，由于脈沖頻率固定，通過頻率選擇不但可以克服上述問題，而且有利于消除系統(tǒng)中由于功率器件開關(guān)所導(dǎo)致的固定頻率的電磁干擾。因此在電氣傳動領(lǐng)域內(nèi)PWM控制技術(shù)成為應(yīng)用的主流。在交流電氣傳動中，脈寬調(diào)制技術(shù)用于產(chǎn)生單相或三相交流電即實(shí)現(xiàn)逆變，控制信號變?yōu)榉岛皖l率均可變化的周期信號。在各種形式的周期控制信號中，正弦波控制信號應(yīng)用最為普遍，因此一般統(tǒng)稱為正弦波脈寬調(diào)制(SinusoidalPulseWidthModulation,SP

10、WM)。傳統(tǒng)的SPWM技術(shù)多采用模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，即脈寬調(diào)制信號的獲得是通過三角波與所希望的調(diào)制函數(shù)直接比較而獲得。隨著高性能的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的全數(shù)字控制的發(fā)展，要求用數(shù)字方法來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制?？v觀現(xiàn)有的文獻(xiàn)，數(shù)字脈寬調(diào)制方法多采用規(guī)則采樣技術(shù)，通過三角載波與所希望的調(diào)制函數(shù)的比較獲得數(shù)學(xué)方程式，PWM信號則是通過對規(guī)則采樣技術(shù)獲得的數(shù)學(xué)方程式的計算獲得的。這種數(shù)字脈寬調(diào)制方法是對模擬自然采樣的三角波一一正弦波(SPWM)方法的近似：雖然還存在一些SPWM優(yōu)化算法，諸如諧波型SPWM技術(shù)以及準(zhǔn)最優(yōu)SPWM技術(shù)等，但算法復(fù)雜，計算時間增加，應(yīng)用較少。而近年來出現(xiàn)的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)

11、，相應(yīng)的數(shù)字計算方法形成的脈寬調(diào)制信號與傳統(tǒng)的SPWM信號相比，具有更多優(yōu)點(diǎn)。因此空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)在交流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。第2章PW贓制的原理介紹2.1概述PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。2.2PWM控制技術(shù)分類1)正弦PWM(SPWM);2)特定諧波消除PWM(SHEPWM);3)最小紋波電流PWM;4)空間矢量PWM(SVM);5)隨機(jī)PWM;6)滯環(huán)電流控制PWM;7)瞬時電流控制正弦PWM;8)Delta調(diào)制PWM;9)Sigma-Del

12、ta調(diào)制PWM。通常PWM技術(shù)可以按電壓控制或電流控制來分類，或按前饋方式或反饋方式來分類，也可以按基于載波或不基于載波來分類。本論文主要圍繞其中的SPWM,SVPWM,滯環(huán)電流控制PWM三種PWM控制方法展開介紹，并進(jìn)行對比。2.3PWM控制的基本原理及其理論基礎(chǔ)在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形的基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖2.1所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖2.1a為矩形脈沖，圖2.1b為三角形

13、脈沖，圖2.1c為正弦半波脈沖，但它們的面積(即沖量)都等于1,那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出相應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2.1d的單位脈沖函數(shù)6(t)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。a)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖d)單位脈沖函數(shù)圖2.2a的電路是一個具體的例子。圖中e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖2.1的a、b、c、d所示，為電路的輸入。該輸入加載可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸出。圖2.2b給出了不同窄脈沖時i(t)的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在i(t)的上升段，脈沖形狀不同時i(t)的形狀也略有不同，但其下降段

14、則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。圖1.2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形a)電路b)響應(yīng)波形下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。把圖2.3a的正弦半波分成p等分，就可以吧正弦半波看成是由p個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于Mp,但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量

15、的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等，就得到圖2.3b所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可以看出，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這樣脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形。要改變等效輸出正弦波的幅值是，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種。由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波；由交流電源產(chǎn)生的PWM波通常

16、是不等幅波。不管是等幅PWM波還是不等幅PWM波，都是基于面積等效原理進(jìn)行控制的，因此其本質(zhì)是相同的。圖2.3用PWM波形代替正弦半波a）正弦半波b）脈沖序列HI如圖2.4把所希望的波形作為調(diào)制信號5,把接受調(diào)制的信號作為載波Uc,通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形uG。圖2.4脈沖調(diào)制電路通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度呈線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，在交點(diǎn)時刻就可以得到寬度正比于調(diào)制信號波幅度的脈沖。第3章正弦脈沖寬度調(diào)制SPW睡本原理3.1概述為了闡述明白SPWM的原理，下面先介紹簡單的單相橋式逆變電路。逆變器理想的輸出電壓是如

17、圖3.1b所示的正弦波L(t)=Uimsincot。將圖3.1b正弦波半個周期n均分p個相等的時區(qū)，圖中P=6,每個時區(qū)的時間Ts=T/(2m6)對應(yīng)的時區(qū)寬度為&=coTs=2疔=2冗/12=n/6,第k個時區(qū)Ts的終點(diǎn)時間為kTs,起點(diǎn)時間為(k-1又，第k個時區(qū)的中心點(diǎn)相位角外為:(3.1)-：k=tk3九！。00.TsTsTeb)正眩電壓1NI1HTsTST,A%c)SPWM等效電壓圖3.1用SPWM電壓等效正弦電壓a)逆變電路b)正弦電壓c)SPWM電壓等效電壓圖3.1b中當(dāng)時區(qū)數(shù)p很大時，正弦波u(t)=Umsinst可以看作是由正、負(fù)半波各有p個等寬（%=n/p）但不等高

18、（高度為Umsin8t）的不連續(xù)脈波電壓、（2、（3、，、。1、醛組成。圖3.1a中逆變電路的輸入電壓是直流電壓Ud,依靠開關(guān)管的通、斷狀態(tài)變換，逆變電路只能直接輸出三種電壓值十Ud、0、-Udo對單相橋式逆變器四個開關(guān)管進(jìn)行實(shí)時、適式的通、斷控制，可以得到圖3.1c所示在半個周期中有個多脈波電壓的交流電壓”口圖中正、負(fù)半周范圍也被分為p個（p=6）相等的時區(qū)，每個時區(qū)寬度為p/p=n/6,每個時區(qū)有一個幅值為Ud、寬度為八Ts0k的電壓脈波，相鄰兩脈波電壓中點(diǎn)之間的距離相等（p/p=冗/6）,6個脈波電壓的高度都是Ud,但寬度不同，寬度分別為&、日2、仇、“、也、日6。如果要圖3.1

19、c中任何一個時間段Ts中的脈寬為6k、幅值為4的矩形脈沖電壓Uab等效于圖3.1b中該時間段Ts中正弦電壓u（t）=UmSin切t,首要的條件應(yīng)該是在該時間段Ts中，兩者對電壓對時間的積分值，即電壓和時間乘積所相當(dāng)?shù)拿娣e相等。kTs鹿Ui1UdTk=TUab(t)dt=U1msin(.t)dt=5mCos-k-1Ts一cos1(3.2)(k)%(kj)is、即：U1m11、UdTk=2sinoTsisinokT；-TsI(3.3)ITU1msin-kTsU1msin一k)22J由圖3.1c可知，(3.3)式左邊為第k個逆變電壓脈波的積分值，其電壓幅值為5、作用時間為Tk,對應(yīng)的脈波電壓寬度9k

20、=®Tk,Tk=加/8；（3.3）式右邊式中的.kTsI式可得到：1_1-一一，0kUdTk=Udko12sin01TsU1msin：k2(3.4)-Ts是（3.1）式的外，即第k個時區(qū)中心點(diǎn)的相位角«k,因此有（3.3）如果半個周期T/2中脈波數(shù)p很多，即Ts<<T,舁1,則:sin、Ts2)=sin1,一X2nf,Ts)=sinTsTTsT0kUdTk=Udk0TkUd=Uimsin:k因此，圖3.1c中第k個脈波在時間段Ts中電壓平均值為：Tk一喋一Ud=Ud=Uimsin、工k（3.5）Ts-s或第k個脈波電壓的占空比：D=Tk=%=Esin二（3.6）

21、I%Ud由圖3.1b、c可知，在每個脈波電壓周期Ts中，逆變器輸出一個等高不等寬的脈波電壓。（3.5）式左邊是寬度為/=0丁卜、高度為Ud脈波電壓在周期Ts中的電壓平均值，（3.5）式右邊式該脈波周期Ts中，脈波中心點(diǎn)位置角«k處正弦電壓Uimsin畫的瞬時值，即Uimsin外，因此在任何一個脈波周期Ts中，只要等幅不等寬的脈波電壓的平均值等于該脈波中心點(diǎn)（«k）處正弦電壓的瞬時值，則等幅不等寬的脈波電壓就與該脈波周期Ts中的正弦電壓等效。換句話說，只要對逆變電路的開關(guān)器件進(jìn)行實(shí)時、適式的通斷控制，使每個脈波的平均電壓、脈波寬度或占空比按（3.5）、（3.6）式的正弦規(guī)律變

22、化，則逆變電路輸出的多脈波電壓就能與正弦電壓等效。通過傅里葉分析可以得知，輸出電壓中除基波外僅含有與開關(guān)頻率倍數(shù)相對應(yīng)的某些高次諧波而消除了許多低次諧波，開關(guān)頻率越高，脈波數(shù)越多，就能消除更多的低次諧波，是逆變電路的輸出電壓Uab更近似于連續(xù)的正弦波。3.2PWM的調(diào)制方式和相關(guān)術(shù)語1 單極性（Unipolar）PWMMI制與雙極性（Bipolar）PWM0制載波（三角波）在調(diào)制波半個周期內(nèi)只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。單極性PWM控制方式如圖3.3所示，逆變器同一橋臂的上部功率開關(guān)管和下部功率開關(guān)管在調(diào)制波（輸出電壓基波）的半個周期

23、內(nèi)僅有一個功率開關(guān)管多次開通和關(guān)斷。圖3.2是采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式PWM逆變電路。設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時VT和VT2的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，VT3和VT4的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。具體規(guī)律如下：在輸出電壓u。（即為uab）的正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載為正的區(qū)間，"工和"工導(dǎo)通，負(fù)載電壓U。等于直流電壓Ud;V工關(guān)斷時，負(fù)載電流通過VT和5續(xù)流，u。=0。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為VT和V工導(dǎo)通，因i。為負(fù)，故i。實(shí)際上從口和V工流過，仍有u。=5;VT；關(guān)斷，VT3開通后，i。從VT3和D續(xù)流，u。=0。這樣，u?？偪梢缘玫経d和零兩種電平。同樣，在u

24、。的負(fù)半周，讓VT2保持通態(tài)，VT保持?jǐn)鄳B(tài)，VT3和VT交替通態(tài)，負(fù)載電壓u?？梢缘玫?Ud和零兩種電平?？刂芕T3和VT；的通斷的方法如圖3.3所示。調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的五班周為負(fù)極性的三角波。在5和民的交點(diǎn)時刻控制IGBT的通斷。在ur的正半周，VT保持通態(tài)，VTJ呆持?jǐn)鄳B(tài)，當(dāng)ur>uc時使V1導(dǎo)通，VI關(guān)斷，u。=Ud；當(dāng)ur<uc時使VT關(guān)斷，VT3導(dǎo)通，u。=0。在ur的負(fù)半周，VT保持?jǐn)鄳B(tài)，VT保持通態(tài)，當(dāng)ur<uc時使VT3導(dǎo)通，VT；關(guān)斷，u。=-Ud;當(dāng)ur>uc時使VT3關(guān)斷，VT；導(dǎo)通，u。=0。這

25、樣，就得到了SPWM波形u。圖3.3中uQf表示u。中的基波分量。圖3.2單相橋式PWM變電路圖3.3單極性PWM制方式波形和單極性PWM控制方式相對應(yīng)雙極性控制方式。圖3.2的單相橋式逆變電路在采用雙極性控制方式時的波形如圖3.4所示。采用雙極性控制方式時，在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得到的PWM波也是有正有負(fù)。在ur的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有士Ud兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)器件的通斷。在ur的正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。即當(dāng)ur>uc時，給VT和VT以導(dǎo)通信號，給VT和

26、VT以關(guān)斷信號，這時如i。A0,則VT和VT導(dǎo)通，如i。<0,則D和D；通，不管哪種情況都是輸出電壓u。=Ud。當(dāng)ur<uc,給VT2和VT以導(dǎo)通信號，給VT和VT4以關(guān)斷信號，這時如i。<0,則VT2和VT3導(dǎo)通，i。>0,則D2和D3通，不管哪種情況都是輸出電壓u。=-Ud?？梢钥闯觯瑔蜗鄻蚴诫娐芳瓤梢圆扇螛O性調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。這兩種方式差別僅僅在于正弦波與三角波比較的方法，雙極性調(diào)制時，任何半周期內(nèi)調(diào)制波Ur、載波Uc及輸出SPWM波Uo均有正、負(fù)極性的電壓交替出現(xiàn)，有效地提高了直流電壓的

27、利用率。一般來說，單極性PWM調(diào)制方式產(chǎn)生的諧波較小，但是難于實(shí)現(xiàn)，在本論文中只討論雙極性PWM調(diào)制方式。圖3.4雙極性PWM制方式波形1 載波比、調(diào)制比對PWMI制的影響根據(jù)脈寬調(diào)制的特點(diǎn)，如圖3.1逆變器主電路的功率開關(guān)器件在其輸出電壓半周期內(nèi)要開關(guān)p次，把期望的正弦波分段越多，則p越大，脈沖序列波或越小，上述分析結(jié)論的準(zhǔn)確性越高，SPWM波的基波更接近期望的正弦波。但是，功率開關(guān)器件本身的開關(guān)功能是有限的；因此在應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)是必然要受到一定條件的制約，這主要表現(xiàn)在以下兩個方面。1.3 功率開關(guān)器件的頻率各種電力電子器件的開關(guān)頻率受到其固有的開關(guān)時間和開關(guān)損耗的限制，普通品閘管用于無源

28、逆變器時須采用強(qiáng)迫換流電路，其開關(guān)頻率一般不超過300500Hz,現(xiàn)在在SPWM逆變器中已很少應(yīng)用。取而代之的是全控型器件，如電力晶體管（BJT開關(guān)頻率可達(dá)15kHz）、可關(guān)斷晶閘管（GTO開關(guān)頻率為12kHz）、功率場效應(yīng)管（P-MOSFET開關(guān)頻率可達(dá)50kHz）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT開關(guān)頻率可達(dá)20kHz）等。目前市場上的SPWM逆變器產(chǎn)品以應(yīng)用IGBT為主。定義載波頻率fc與參考調(diào)制波頻率fr之比為載波比(carrierratio)C,即fcC二廣(3.7)fr相對于前述SPWM波形半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)p來說，應(yīng)該有C=2p。為了使逆變器的輸出波形盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大載波比

29、；但若從功率開關(guān)器件本身的允許開關(guān)頻率來看，載波比又不能太大。C值應(yīng)受到下列條件的制約：工功率開關(guān)器件的允許開關(guān)頻率C"頻段內(nèi)最高正弦調(diào)制信號的頻率(3.8)7 的分母實(shí)際上就是SPWM逆變器的最高輸出頻率。1.3 最小間歇時間與調(diào)制度為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須是調(diào)制成的脈沖波有最小脈寬與最小間歇的限制，以保證最好脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間ton,而最小脈沖問歇大于器件的關(guān)斷時間toff。在脈寬調(diào)制時，若P為偶數(shù)，調(diào)制信號的峰值Urm與三角載波相交的地方恰好是一個脈沖的間歇。為了保證最小間歇時間大于toff,必須使Urm低于載波的峰值Ucm。為此定義Um與Ucm之比為調(diào)

30、制度M,即M=Um(3.9)Ucm在理想情況下，M值可在01之間變化，以調(diào)整逆變器輸出電壓的大小。實(shí)際上M總是小于1,在C較大時，一把取最高值，即M取0.80.9。1 異步調(diào)制和同步調(diào)制1.3 異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比C是變化的。在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后14周期的脈沖也不對稱。當(dāng)fr較低時，C較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱的不利影響都較小，當(dāng)fr增高時，C減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望采用

31、較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。1.3 同步調(diào)制同步調(diào)制一一C等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步基本同步調(diào)制方式，fr變化時C不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相公用一個三角波載波，且取C為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，C應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，'很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。為了克服上述缺點(diǎn)，可以采用分段同步調(diào)制的方法。1.3 分段同步調(diào)制把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持C包定，不同頻段C不同。在二高的頻段采用較低的C,使載波頻率不致過高，在fr低的頻段采用

32、較高的C,使載波頻率不致過低。三4t0.S-；rU.4-rfD102030400607o80Jf/Hz圖3.5分段同步調(diào)制方式第4章三相逆變輸出器的電壓和波形的SPW臟制前面為了說明PWM的原理，用了大量的圖文解析單相橋式逆變電路的SPWM控制。但本論文主要是通過SPWM和電壓矢量控制PWM(SVPWM)的對比和研究,而SVPWM主要是控制三相異步電機(jī)的控制方式，采用的都是三相電路仿真，所以要在同一個電路中比較兩種控制方式的優(yōu)劣，必須說明三相SPWM。圖4.1和圖4.2中三角形高頻載波L幅值為Ucm、頻率為fc,三相調(diào)制參考信號正弦電壓Ura、Urb、Urc為：Urat)=UrmSin3t&#

33、171;urbt)=Urmsin(cot120。Urct)=UrmSin廿-240°)式中為調(diào)制波Ur的角頻率，fr為正弦調(diào)制參考電壓的頻率，Urm為正弦參考電壓的幅值。圖4.1中，5與載波電壓Uc相比較，當(dāng)ura>Uc時，VT導(dǎo)通，Uao=d為正ao脈波電壓；當(dāng)ura<Uc時，VT截止，VT導(dǎo)通，Uao=-為負(fù)脈波電壓。因此逆變電路輸出電壓uao,如圖4.2所示，o是一個雙極性脈波電壓。同理當(dāng)urb>Uc時，VT導(dǎo)通，Ubo=U2d為正脈波電壓；當(dāng)見<時，VT3截止，"導(dǎo)通，ubo=-為負(fù)脈波電壓。ubo也是一個雙極性脈波電壓，ubo比uao滯后1

34、20°。同理uco也是一個雙極性電壓，uco比uao滯后240°。三相電壓型逆變電路任何時刻一個橋臂只有一個開關(guān)管被驅(qū)動導(dǎo)通，上、下開關(guān)管驅(qū)動信號互補(bǔ)。因此三相橋式逆變電壓型逆變器任何時刻都有三個開關(guān)管同時被驅(qū)動導(dǎo)通，根據(jù)圖4.2所示，由此可畫出線電壓uab及負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時負(fù)載相電壓uan等的波形，例如在V4、V飛、_三管導(dǎo)通期間，圖4.2中uab=uao-ubo=0。在VT、VT、VT6導(dǎo)通期間uab=uao-ubo=Ud,類似地分析可畫出圖4.2中線電壓Uab的波形單極性PWM脈波。同樣的分析可知線電壓Ubc、Uca與Uab一樣也都是單極性脈波電壓，且互差120。當(dāng)負(fù)載

35、為星形聯(lián)結(jié)時如果負(fù)載中點(diǎn)為n,則當(dāng)VT、VT、VT同時導(dǎo)通時，a、c兩點(diǎn)接電源正端，b點(diǎn)接電源負(fù)端，若負(fù)載各相阻抗相等，則Uan=丁"一父；Z=1Ud,當(dāng)冰、VT、V3同時導(dǎo)通時，A、B、C三點(diǎn)都連-Zz232在一起，故Uan=0,類似地分析可以畫出4.2所示星形聯(lián)結(jié)負(fù)載相電壓Uan的波形。類似地分析得知ubn、ucn與uan一樣都是單極性脈波電壓而且互差120圖4.1三相橋式PWM逆變電路圖4.2三相SPWM波形圖4.2中調(diào)制比M=凱W1、載波比C=4=10、輸出線電壓b是半周期中有p=5個單極性脈波的SPWM脈波電壓，除基波外最低次諧波頻率為2P-1=9次諧波，輸出電壓uao時p

36、=5的雙極性SPWM波，幅值為Ud/20則有輸出相電壓的基波幅值:1Uaolm=M2Ud(4.1)輸出線電壓5b的基波幅值:Uabim=.3M；Ud=0.866MU輸出線電壓uab的基波有效值：2.2 3Uab1=.一MU=0.612MU3.3 2所以三相SPWM逆變電路直流電壓利用率強(qiáng)=0.612”。Ud第5章三相逆變器電壓空間矢量PW雌制(SVPWM3.1.0.X SVPWIW紹傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)是從電源的角度出發(fā)的，具著眼點(diǎn)是如何生成一個可以調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。常規(guī)SPWM法已被廣泛地應(yīng)用于逆變器中，然而常規(guī)SPWM不能充分利用饋電給逆變器的直流電壓，逆變器最大

37、相電壓基波幅值與逆變器直流電壓比值為1'2,即逆變器輸出相電壓峰值最大為Ud/2,直流利用率低。John采用諧波失真的方法來增加三相PWM逆變器的輸出電壓，可以使PWM逆變器最大相電壓基波幅值增加約15%,但該方法的效果并不理想，因此它的實(shí)際應(yīng)用受到很大的限制。并且SPWM逆變器是基于調(diào)節(jié)脈沖寬度和間隔來實(shí)現(xiàn)接近于正弦波的輸出電流，這種調(diào)節(jié)會產(chǎn)生菜些高次諧波分量，引起電機(jī)發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動過大甚至?xí)炱鹣到y(tǒng)振蕩。一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了選擇諧波消除法和梯形脈寬調(diào)制法(TPWM)，但指定諧波消除法運(yùn)算量大，且占用相當(dāng)大的內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)起來比較困難；TPWM逆變器輸出波形中諧波分量比SPWM逆變器

38、還多，結(jié)果并不理想。而且，傳統(tǒng)的高頻三角波與調(diào)制波比較生成PWM波的方式適合模擬電路，不適應(yīng)于現(xiàn)代化電力電子技術(shù)數(shù)字化的發(fā)展趨勢。因此，常規(guī)SPWM法不能適應(yīng)高性能全數(shù)字控制的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。80年代中期，彳惠國學(xué)者H.W.VanDerBroek等在交流電機(jī)調(diào)速中提出了磁鏈軌跡控制的思想，在此基礎(chǔ)上進(jìn)步發(fā)展產(chǎn)生了電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SpaceVectorPulse-WidthModulation,簡寫為SVPWM)的概念。SVPWM,又稱磁鏈追蹤型PWM法，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)，其著眼點(diǎn)是如何使電機(jī)獲得圓磁場。具體地說，它是以三相對稱正弦波電壓供電下三相對稱電動機(jī)定子理想磁鏈圓

39、為基準(zhǔn)，由三相逆變器不同開關(guān)模式下所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，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。采用空間矢量PWM(SVPWM)算法可使逆變器輸出線電壓幅值最大達(dá)到Ud,比常規(guī)SPWM法提高了約15.47%。并且，由于SVPWM有多種調(diào)制方式，所以SVPWM控制方式可以通過改變其調(diào)制方式來減少逆變器功率器件開關(guān)次數(shù)，從而降低功率器件的開關(guān)損耗，提高控制性能。在同樣的采樣頻率下，采用開關(guān)損耗模式SVPWM法的逆變器的功率器件開關(guān)次數(shù)比采用常規(guī)SVPWM法逆變器的功率器件開關(guān)次數(shù)減少了13,大大降低了功率器件的開關(guān)損耗。SVPWM實(shí)質(zhì)是一種基于空間矢量在三相

40、正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進(jìn)行規(guī)則采樣的一種變形SPWM,是具有更低的開關(guān)損耗的SPWM改進(jìn)型方法，是一種優(yōu)化的PWM方法，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，降低電機(jī)的脈動轉(zhuǎn)矩，且SVPWM其物理概念清晰，控制算法簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)非常方便，故目前有替代傳統(tǒng)SPWM法的趨勢。3.2.0.X SVPWMM理說明異步電機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，可以吧逆變器和異步電機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓，這樣的控制方式就叫做“磁鏈跟蹤控制”。磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以又稱“電壓空間矢量控制”。

41、所謂電壓空間矢量是按照電壓所加繞組的空間位置來定義的。在圖5.1中，A、B、C分別表示在空間靜止不動的電機(jī)定子三相繞組的軸線，它們在空間互差120°,三相定子相電壓Uao、Ubo、Uco分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量為uao、ubo、uco,它們的方向始終在各相軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律作脈動式變化，時間相位互差120°。與電機(jī)原理中三相脈動磁動勢相加產(chǎn)生合成的旋轉(zhuǎn)磁動勢相仿，可以證明，三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量us是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的1.5倍；旋轉(zhuǎn)頻率為W。用公式表示，則有us=uaouubouuco(51)同理，

42、可以定義電流和磁鏈的空間矢量1s和*s。異步電動機(jī)定子電壓空間矢量方程式為dus=RsIsdt(5.2)圖5.1電壓空間矢量當(dāng)轉(zhuǎn)速不是很低時，電子電阻壓降較小，可忽略不計，則定子電壓與磁鏈的近似關(guān)系為Us：sdt甲s一！.Usdt（5.4）式表明，電壓空間矢量us的大小等于R的變化率，而其方向則與興的運(yùn)動方向一致。在由三相平衡正弦電壓供電時，電機(jī)定子磁鏈空間矢量為(5.5)式中，*sm為甲s的幅值，為其旋轉(zhuǎn)角速度。磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場（一般簡稱為磁鏈圓）（5.3）式和（5.5）式可得us二白叱3(5.6)us的大小與切成正比，其方向?yàn)橐恢軙r，電壓矢量也連續(xù)地沿由（5.6

43、）式可見，當(dāng)磁鏈幅值*sm一定是，磁鏈圓形軌跡的切線方向。當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶康目臻g旋轉(zhuǎn)磁鏈圓的切線方向運(yùn)動2n弧度，其軌跡與磁鏈圓重合，如圖5.2所示。這樣，電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的形狀問題就可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的形狀問題。%圖5.2旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的關(guān)系在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電機(jī)由三相PWM逆變器供電，這時供電電壓和三相平衡正弦電壓有所不同。圖5.3給出了三相PWM逆變器供電的原理圖，為了簡單起見，A、B、C相6個開關(guān)器件都用開關(guān)量表示，分別為&、&、Sc。為使電機(jī)對稱工作，必須而三相同時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的3個器件同時導(dǎo)通，而相應(yīng)橋臂的另3個功率器

44、件則處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)用&、&、&表示三相逆變器的開關(guān)狀態(tài)時，由于&、&、&各有0（表示相應(yīng)的下橋臂導(dǎo)通）3或1（表示相應(yīng)的上橋臂導(dǎo)通）兩種狀態(tài)，因此整個三相逆變器共有2=8開關(guān)狀態(tài)（見表5.1）。從逆變器的正常工作，前六個工作狀態(tài)時有效的，后兩個工作狀圖5.3三相PWM逆變器一一異步電動機(jī)原理圖表5.1逆變器的8種工作狀態(tài)逆變器狀態(tài)SaSbSc向量4100Us46110Us62010Us23011Us31001Us15101Us57111Us70000Us0對于每一個有效的工作狀態(tài)，相電壓都可用一個合成空間矢量表示，結(jié)合圖.2,4.2可知，這K種

45、狀態(tài)的幅值相等Us|=§Ud,只是相包不同而已。如表5.1以Us4、US6、，、Us5依次表示100、110、，、101六個有效工作狀態(tài)的電壓空間矢量，它們的相互關(guān)系如圖54a所示。設(shè)逆變器的工作周期從100狀態(tài)開始，其電壓空間矢量us4與X軸同方向，它所存在的時間為n/3。在這段時間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110,電機(jī)的電壓空間矢量為us6,它在空間上與us4相差'rad。隨著逆變器工作3狀態(tài)的不斷切換，電機(jī)電壓空間矢量的相位也作相應(yīng)的變化。到一個周期結(jié)束，Us5的頂端恰好與Us4的尾端銜接，一個周期的六個電壓空間矢量工轉(zhuǎn)過2nrad,形成一個封閉的正六邊形。至于111與000這

46、兩個無意義的工作狀態(tài)，可分別冠以Us7和Us0,并稱之位零矢量，它們的幅值為0,也無相位，可認(rèn)為它們坐落在六邊形的中心點(diǎn)上。如前所述，這樣一個由電壓空間矢量運(yùn)動所形成的正六邊形軌跡可以看做是交流電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡。對于這個關(guān)系，可進(jìn)一步說明如下。設(shè)在逆變器工作的第一個n/'3期間，電機(jī)的電壓空間矢量為圖54b中的Us4,5.4此時定子磁鏈?zhǔn)噶繛門s1。逆變器進(jìn)入第二個n/3期間，電壓空間矢量Us6,按（5.3）式，可寫作=代（5.7此處Us是Us4、Us6、，、Us5的廣義表示。就第二個工作區(qū)間而言，（5.7）式表明在獻(xiàn)=叮3期間內(nèi)，在Us6的作用下，使空s4產(chǎn)生增量里s6

47、,其幅值為Us6&t,方向與US6一致。最終形成圖54c所示的新的磁鏈?zhǔn)噶亢?=中s4+弘60依此類5.4推，可知磁鏈?zhǔn)噶康捻敹诉\(yùn)動軌跡也是一個正六邊形。這說明異步電機(jī)在六拍階梯波逆變器供電時所產(chǎn)生是正六邊形旋轉(zhuǎn)磁場，而不是圓形磁場。u3(016)11(110)機(jī)的電壓空間矢量間矢量圖空間矢址與磁鏈?zhǔn)噶康拿老祱D5.4六階梯波逆變器的電壓空間矢量及磁鏈增矢量常規(guī)六拍逆變器供電的異步電機(jī)只產(chǎn)生正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，顯然這不利于電機(jī)的勻速旋轉(zhuǎn)。其所以如此，是由于在一個周期中只有6次開關(guān)切換，切換后所形成的6個電壓空間矢量都是恒定不動的。如果想獲得更多多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須有更多的逆

48、變器件控制模式進(jìn)行改造，PWM控制顯然可以適合這個要求。逆變器的電壓空間矢量雖然只有4。旦78個，但可以利用它們的線性組合，以獲得更多的與USOUS7相位不同的新的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相的電壓空間矢量，從而形成盡可能逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。這樣，在一個周期內(nèi)逆變器的開關(guān)狀態(tài)就要超過6個，而有些開關(guān)狀態(tài)會出現(xiàn)多次。所以逆變器的輸出電壓將不是六拍階梯波，而是一系列等幅不等寬的脈沖波，這就形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器。由于它間接控制了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，所以也可稱作磁鏈跟蹤（或磁鏈軌跡）控制的PWM逆變器。3）磁鏈追蹤控制時的磁鏈軌跡在使用八種電壓空間矢量形成盡可能圓形磁鏈軌跡的控制過

49、程中，常采用三段逼近式磁鏈跟蹤控制算法并輔之以零矢量分割技術(shù)。圖5.4為理想磁鏈圓上兩相近時刻的磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系。設(shè)tk時刻磁鏈空間矢量為*sk=也相山，tk+1時刻磁鏈空間矢量為戔（k+廠里me:它應(yīng)看作是在Rk的基礎(chǔ)上疊加由相關(guān)電壓空間矢量在="七一或時間內(nèi)所形成的磁鏈增矢量*鄧小炳結(jié)果，即巴在書廣義一口+孔mej任=%+A&fk+z58式中，Psk.1；="smej&三"=工"鼠圖5.5理想磁鏈圓區(qū)間劃分及相鄰磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系由于磁鏈追蹤控制時采取等區(qū)間劃分方式，任意時刻的時間間隔均相等，故有tk=1Nf扎=6&k=2n/N（5.9

50、）式中，f為SVPWM的輸出頻率；N為磁鏈圓等分?jǐn)?shù)。由于三相電壓源型逆變器輸出電壓及其相應(yīng)磁鏈只有六種有效矢量，采用單一電壓矢量形成所需磁鏈增矢量戔會使實(shí)際磁鏈軌跡偏離理想磁鏈圓。為了獲得盡可能接近圓形的磁鏈軌跡，可以采取兩種處理措施：一是增大磁鏈分區(qū)數(shù)N,二是用多種實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶亢铣伤枰?，如采用三段逼近是磁鏈跟蹤算法。三段逼近磁鏈跟蹤算法是由兩種實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶糠秩蝸砗铣纱沛溤鍪噶勘?，用以改善?shí)際磁鏈軌跡接近圓形的程度。以N=6為例，理想磁鏈圓被劃分為六個600電角度區(qū)間，每區(qū)間內(nèi)的磁鏈增矢量戔（圖5.6虛線部分）應(yīng)選用與其夾角最?。∟=6時夾角為60。）的兩種實(shí)際磁鏈增矢量來合成，并根據(jù)u

51、s&=比關(guān)系來確定每個電壓矢量的作用時問。圖5.6是第一個600區(qū)間內(nèi)的三段式磁鏈跟蹤控制過程。同理，其余的區(qū)間也用同樣的方法去合成磁鏈增矢量乎s時，可得到近似理想圓形磁鏈圓，如圖5.7所示。圖5.6三段逼近式磁鏈跟蹤算法圖5.7N=6,三段逼近式磁鏈跟蹤軌跡4）SVPWM的基本調(diào)制算法Ts,不足的時從三段式逼近磁鏈跟蹤算法可以看出，磁鏈圓的切線就是六種電壓空間矢量Us1Us6經(jīng)過不同線性組合的切線圓，所以要想得到磁鏈圓，只要電壓空間矢量幅值恒定旋轉(zhuǎn)即可。因此SVPWM的關(guān)鍵是在每個扇區(qū)中找到一個Uef,其幅值恒定為4,以缶角速度旋轉(zhuǎn)。Uref可用六個基本電壓矢量中的兩個（也就是Us1

52、Us6相鄰的兩個矢量）和零矢量組合。例如圖5.8中，以扇區(qū)。為例，用基本矢量Us4和Us6的線性組合合成。區(qū)間的uref,網(wǎng)4和叢6作用時間之和小于開關(guān)周期間用“零矢量”補(bǔ)齊，根據(jù)等效伏秒平衡原則，于是有:Us4r4Us6T6UsoToUrefl=UsTsej6(5.10)式中8為相位角。Ts由（5.10）式解得:UdUdsin(5.11)ToI-T4-T6=Ts1一3Usacos雖然用兩個矢量Us4、Us6,以圖5.8所示可以合成Uref,但是T4+和Ts相等，若不相等，則磁鏈追蹤的速度，也就是PWM波的基波頻率也就不等于所要求的頻率工由于零矢量的作用不會改變磁鏈圓形軌跡的形狀，只是使磁鏈停

53、止不前，改變的是磁鏈的變化速度。因此可以用零矢量來調(diào)節(jié)作用時間，以使44、山6矢量作用產(chǎn)生的磁鏈的角速度正好等于=2d。（5.11）式中當(dāng)T4+丁6不足時,插入零矢量T0補(bǔ)足，一般地是把T0平均分到Uso、Us7中。不難推出其它區(qū)間的調(diào)制%的4算法完全相同21q屋Ts邇/圖5.8電壓空間矢量由式To=Ts1cos-6可推出空間矢量控制時最大可能輸出的16相電壓幅值為:Usm.IUd(5.12)cos線電壓幅值:Usm4cosn<6Ud(5.13)線電壓基波有效值:Usm2Udcos一一日i60.707Ud.2(5.14)所以，三相逆變電路采用空間矢量控制時直流電壓利用率為:匕主0.707

54、,Ud比起前面介紹的三相SPWM逆變電路直流電壓利用率.Ud0.612M,顯然直流電壓利用率提高了第6章電流滯環(huán)控制PWM概述正弦脈寬調(diào)試（SPWM）是從電源角度出發(fā)，著眼于如何生成一個變頻變壓的正弦電壓源；電壓空間矢量控制（SVPWM）源于交流電機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動，著眼與如何控制三相逆變器的功率開關(guān)動作來改變施加在電機(jī)上的端電壓，使電機(jī)內(nèi)部形成盡可能圓形的磁場；電流滯環(huán)控制PWM則著眼于如何在負(fù)載中生成一個變頻邊復(fù)制的正弦電流源。電流滯環(huán)PWM（理介紹電流滯環(huán)控制PWM是將負(fù)載三相電力與三相正弦參考電流相比較，如果實(shí)際負(fù)載電流大于給定參考電流，通過控制逆變器功率開關(guān)元件關(guān)斷使之減小；如果實(shí)際電

55、流小于參考電流，控制功率開關(guān)器件導(dǎo)通使之增大。通過對電流的這種閉環(huán)控制，強(qiáng)制負(fù)載電流的頻率、幅值、相位按給定值變化，提高電壓源型PWM逆變器對電流的響應(yīng)速度。*圖6.1給出了電流控制PWM逆變器的一相輸出電流、電壓波形。圖中is為給點(diǎn)正弦電流參考信號，is為逆變器實(shí)際輸出電流，為設(shè)定電流允許偏差。.*當(dāng)is-Is>.S時，控制逆變器該相下橋臂開關(guān)元件導(dǎo)通，使is衰減；*is-isHs時，控制逆變器該相上橋臂開關(guān)元件導(dǎo)通，使is增大。以此種方式迫使該相負(fù)載電流is跟隨指令電流變化，并將跟隨誤差限定在允許的&s范圍內(nèi)。這樣逆變器輸出電流呈鋸齒波，其包絡(luò)線按指令規(guī)律變化；輸出電壓為雙極

56、性PWM波形。逆變器功率開關(guān)元件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，允許偏差餌s越小，電流跟蹤精度越高，但功率器件的開關(guān)頻率也越高，必須注意所用器件的最高開關(guān)頻率限制。圖6.1電流滯環(huán)控制PWM輸出一相電流、電壓波形電流滯環(huán)控制PWM逆變器控制原理如圖6.2所示。由于實(shí)際電流波形圍繞給定正弦作鋸齒變化，與負(fù)載無關(guān)，故常稱電流源型PWM逆變器，也有成電流跟蹤控制PWM逆變器。由于電流被嚴(yán)格限制在參考正弦波周圍的允許誤差范圍之內(nèi),故對防止過電流十分有利圖6.2電流滯環(huán)控制PWM2變器控制原理圖第7章MATLA姓制算法仿真及分析MATLAB動態(tài)仿真工具SIMUL1NK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

57、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(jī)輔助設(shè)計技術(shù)。近30年來，控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，出現(xiàn)了很多的計算機(jī)輔助設(shè)計語言和應(yīng)用軟件。目前，MATLAB(MatrixLaboratory)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MathWorks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(qiáng)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(jìn)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。MAllLAB具有三大特點(diǎn)：1)功能強(qiáng)大