SVPWM理論及Simulink仿真搭建

1、1 SVPWM 技術(shù)原理1.1 SVPWM調(diào)制技術(shù)原理空間矢量脈寬調(diào)制 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)，實(shí)際上是對(duì)應(yīng)于交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)中的三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開(kāi)關(guān)觸發(fā)順序和 脈寬大小的組合，這種開(kāi)關(guān)觸發(fā)順序和組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120電角度、失真較小的正弦波電流波形。 實(shí)踐和理論證明， 與直接的正弦脈寬調(diào)制 (SPWM技) 術(shù)相比， SVPWM 的優(yōu)點(diǎn)主要有：SPWM好，實(shí)現(xiàn)容易，并且可以提(1) SVPWM 優(yōu)化諧波程度比較高，消除諧波效果要比 高電壓利用率。所以逆變器中采用 SVPWM應(yīng)是優(yōu)先(2)

2、SVPWM比較適合于數(shù)字化控制系統(tǒng)。 目前以微控器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是發(fā)展趨勢(shì)， 的選擇。對(duì)稱(chēng)電壓三相正弦相電壓的瞬時(shí)值可以表示為：uaUm cosubUm cos(ucUm cos(23 )223 )(2-23)其中 Um為相電壓的幅值，=2f為相電壓的角頻率。圖 2.11 為三相電壓的向量圖，在該平面上形成一個(gè)復(fù)平面，復(fù)平面的實(shí)軸與 A 相電壓向量重合，虛軸超前實(shí)軸 90 ，分別標(biāo)識(shí)為 Re、 Im。在這個(gè)復(fù)平面上，定義三相相電壓ua、ub、uc合成的電壓空間矢量out 為：U out32(ua ubej323uce23)j( U met 2)(2-24)ImReU outc圖 2.1

3、1 電壓空間矢量三相電壓型逆變器電路原理圖如圖 2.12 所示。定義開(kāi)關(guān)量 a， b， c和a ，b ，c 表示 6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng) a，b或 c為1時(shí)，逆變橋的上橋臂開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，其下橋臂開(kāi)關(guān)管 關(guān)斷(即a，b或c 為0)；反之，當(dāng)a，b或c為0時(shí)，上橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷而下橋臂開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 (即 a ，b 或c 為1) 。由于同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，則上述的逆變器三路逆變橋的組態(tài)一共有 8種。對(duì)于不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合 ( abc)，可以得到 8個(gè)基本電壓空間矢量。各矢量為：22(2-25)Uout 2U3dc (a be3 ce 3 )則相電壓out (abc) 的值如下表 2-1

4、 所示(其中 Udc為直流母線電壓)Van、Vbn、Vcn，線電壓 Vab、 Vbc、 Vca以及表 2-1 開(kāi)關(guān)組態(tài)與電壓的關(guān)系abcVanVbnVcnVabVbcVcaUout00000000001002Udc/3- Udc/3- Udc/3Udc0-Udc2Udc3010- Udc/32Udc/3- Udc/3- UdcUdc022Udcej33 dc110Udc/3Udc/3-2 Udc/30Udc-Udc2U dce 33001- Udc/3- Udc/32Udc/30-UdcUdc2Udcej33101Udc/3-2 Udc/3Udc/3Udc-Udc02Udcej33011-2

5、Udc/3Udc/3Udc/3- Udc0Udc2jU dcej31110000000可以看出，在 8 種組合電壓空間矢量中，有 2個(gè)零電壓空間矢量， 6 個(gè)非零電壓空間矢 量。將 8 種組合的基本空間電壓矢量映射至圖 2.11 所示的復(fù)平面，即可以得到如圖 2.13 所 示的電壓空間矢量圖。它們將復(fù)平面分成了 6 個(gè)區(qū)，稱(chēng)之為扇區(qū)。U圖 2.13 電壓空間矢量與對(duì)應(yīng)的( abc )示意圖1.2 SVPWM算法實(shí)現(xiàn)SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TPWM內(nèi)通過(guò)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。 本文采用電壓矢量合成法實(shí)現(xiàn) SVPW。M如上圖 2.13

6、所示，在某個(gè)時(shí)刻，電壓空間矢量 Uout 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)相鄰的非零矢量 (K和K+1 )和零矢量 (U0 )在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。先作用的K 稱(chēng)為主矢量，后作用的K+1 稱(chēng)為輔矢量，作用的時(shí)間分別為 TK和 TK+1，000 作用時(shí)間為T(mén)o。以扇區(qū) I為例，空間矢量合成示意圖如圖2.14 所示。根據(jù)平衡等效原則可以得到下式：TPWM U outT1U 0 T2U60 T0(U 000 或U111)(2-27)T1 T2 T0TPWM(2-28)U1UoU2T2 U 60 U 60 TPWM(2-29)式中， T1，T2，T0 分別為 U0 ，U60 和零矢量000

7、 和U111 的作用時(shí)間， 為合成矢量與主矢量的夾角。圖 2.14 電壓空間矢量合成示意圖要合成所需的電壓空間矢量，Uoutsin 2 /3將式(2-29) 及 U0需要計(jì)算U1sin( /3T1， T2， T0，由圖 2.14 可以得到：) sin(2-30)60 2Udc/3和out =Um代入式 (2-30) 中，可以得到：T13 m TPWM sin()1U dc PWM 3T23Um TPWM sin(2-31)U dcTo TPWM (13Um cos()o PWMU dc6取 SVPWM調(diào)制深度 M3Um /Udc ，在 SVPWM調(diào)制中，要使得合成矢量在線性區(qū)域內(nèi)調(diào)制，則要滿(mǎn)足

8、 Uout Um 2U dc / 3 ，即M max 2/ 3 1.1547 1。由此可知， 在SVPWM調(diào)制中，調(diào)制深度最大值可以達(dá)到 1.1547 ，比 SPWM調(diào)制最高所能達(dá)到的調(diào)制深度1 高出0.1547 ，這使其直流母線電壓利用率更高，也是SVPWM控制算法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。(1) 判斷電壓空間矢量 Uout 所在的扇區(qū) 判斷電壓空間矢量 Uout 所在扇區(qū)的目的是確定本開(kāi)關(guān)周期所使用的基本電壓空間矢量。用 U和U表示參考電壓矢量 Uout在、 軸上的分量，定義 Uref1 ，Uref2 ，Uref3 三個(gè)變量，令：U ref1 uU ref23u u (2-32)U ref33u u

9、再定義三個(gè)變量 A，B， C通過(guò)分析可以得出：若 Uref1 0，則 A=1，否則 A=0；若 Uref2 0，則 B=1，否則 B=0；若 Uref3 0，則 C=1，否則 C=0。令 N=4*C+2*B+A，則可以得到 N與扇區(qū)的關(guān)系，通過(guò)下表 2-2 得出 Uout 所在的扇區(qū) (如圖 2.13) 。表 2-2 N 與扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table2-2 The corresponding relationship between N and sectorN315462扇區(qū)uTT1 U 0TPWMTPWMU60 cos3T2TPWMU 60sin3(2-33)(2) 確定各扇區(qū)相鄰兩非零矢量和

10、零矢量作用時(shí)間 由圖 2.14 可以得出：則上式可以得出：3TPWM2Udc( 3uu)3TPWM(2-34)Udc同理，以此類(lèi)推可以得出其它扇區(qū)各矢量的作用時(shí)間，可以令：PWMuUdcWM ( u2u)(2-35)UdcUdcWM (2u)T1T1T1 T2TPWM可以得到各個(gè)扇區(qū) T1、 T2、 T0作用的時(shí)間如下表 2-3 所示。表 2-3 各扇區(qū) T1、 T2、 T0作用時(shí)間Table2-3 The effect time ofT1、T2、 T0 every sectorN123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0TPWM Ts-T1-T2如果當(dāng) T1+T2TPWM，

11、必須進(jìn)行過(guò)調(diào)制處理，則令(2-36)(3) 確定各扇區(qū)矢量切換點(diǎn) 定義：Ta (TPWM T1 T2)/4Tb Ta T1 /2(2-37)Tc Tb T2/ 2三相電壓開(kāi)關(guān)時(shí)間切換點(diǎn) Tcmp1、 Tcmp2、 Tcmp3與各扇區(qū)的關(guān)系如下表 2-4 所示。表 2-4 各扇區(qū)時(shí)間切換點(diǎn) Tcmp1、 Tcmp2、 Tcmp3Table2-4 The switching time ofTcmp1、 Tcmp2、Tcmp3 every sectorN123456Tcmp1TbTaTaTcTcTbTcmp2TaTcTbTbTaTcTcmp3TcTbTcTaTbTa為了限制開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗，必

12、須合理選擇零矢量000和零矢量 111，使變流器開(kāi)關(guān)狀態(tài)每次只變化一次。假設(shè)零矢量000和零矢量 111在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中作用時(shí)間相同，生成的是對(duì)稱(chēng) PWM波形，再把每個(gè)基本空間電壓矢量作用時(shí)間一分為二。例如圖1-4所示的扇區(qū) I ，逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)編碼序列為 000，100，110，111，110， 100，000，將三角波周期 TPWM作為定 時(shí)周期，與切換點(diǎn) Tcmp1、Tcmp2、 Tcmp3比較，從而調(diào)制出 SVPW波M，其輸出波形如圖 2.15 所示。同 理，可以得到其它扇區(qū)的波形圖。PWMAPWM PWM T0/4T1/2T2 /2T0/4T2 /2T1/2T0/4U 000(000

13、)(1U000)TaU(110)TbT0/460 U111(111)(111) (110) (100) (000)TcU111U 60U0U000圖 2.15 扇區(qū) I 內(nèi)三相 PWM調(diào)制方式1.3 SVPWM建模與仿真SVPWM仿真模塊圖如圖 2.16 所示，對(duì)其逆變電路進(jìn)行了開(kāi)環(huán)研究仿真 , 其中仿真參數(shù)設(shè) 置如下：直流電壓 Udc=550V， TPW=M0.0001s ，給定三相參考相電壓有效值220V。圖 2.17(a) ，(b) ， (c) ，(d) 分別給出了扇區(qū)、電壓切換時(shí)間Tcmp1、A 相電壓 Van、波線電壓波 Vab 仿真波形圖。直流電壓直流電壓PWM 周期1Udc2Ud

14、cuaubTPWMTPW MCalXcuYlatZe 計(jì)_算XYZT1T1T2T2NTPWMCalculate 換itch時(shí)ing 間timtcm 11tcmtcm 2tcmtcm 33tcmGenerateV脈PW沖M形 pu成lsepulse2 svpwmuaNub3UABCCoorUABCub圖2.16 SVPWM仿真模型圖1uAuB1/sqrt(3)Subtract 11232/3Gain1uaScope 32uCubGain 2圖 三相到兩相靜止變換1ua2ub1ud2tsConstantsqrt(3)2sqrt(3)4Switch 2Gain 3Subtract 2SwitchSu

15、btractConstant 1Math FunctionSwitchGain 2Subtract 1圖 扇區(qū) N判斷4 ubAdd圖 中間變量 XYZGain 1-1Gain 2-1Gain 3圖 t1 和 t2 計(jì)算1.5 2yGain1.5 3zGain 3Multiport Switch 1Multiport Switchn2t13t21/2Gain 11/4GainAdd1/2Add1Multiport SwitchMultiport SwitchGain 21tcm12tcm21圖 計(jì)算切換時(shí)間 tcm1 tcm2 tcm37654321s/1pmc05052V/na0 0 000

16、420.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t/s0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t/s(a) 扇區(qū)0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t/s(b) 切換時(shí)間(c) A 相電壓仿真波形600400 /V 200 /ba0V -200-400-6000 0.01 0.02 0.03 0.040.05SVPW算M法得到的調(diào)(c) 看出， SVPW控M制(d) 可以看出，逆變t/s(d) 線電壓仿真波形 圖 2.17 SVPWM仿真波形從圖(a) 看出，扇區(qū) N值為3、1、5、4、6、2交替。從圖 (b) 看出，由 制波呈馬鞍形，這樣有利于提高直流電壓利用率

17、，有效抑制諧波。由圖 方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制，得到的相電壓為6拍階梯波。由圖器輸出的線電壓波形為三電平，其幅值為直流電壓值。扇區(qū)判斷中間值：function sector=sector_fun(U_beta,U_alfa) if (U_beta0)A=1; elseA=0;endif (sqrt(3)*U_alfa-U_beta0)B=1; elseB=0;endif (-sqrt(3)*U_alfa-U_beta0)C=1; elseC=0;end sector=4*C+2*B+A;作用時(shí)間function T1,T2=time_cal(sector,U_beta,U_alfa,U

18、_dc,Ts) %Calculate time.x=sqrt(3)*U_beta*Ts/U_dc;y=(sqrt(3)/2*U_beta+1.5*U_alfa)*Ts/U_dc;z=(sqrt(3)/2*U_beta-1.5*U_alfa)*Ts/U_dc;switch (sector)case 1T1=z;T2=y;case 2T1=y;T2=-x;case 3T1=-z;T2=x;case 4T1=-x;T2=z;case 5T1=x;T2=-y;otherwiseT1=-y;T2=-z;end%Adjust time, based on the subsection.if T1=T2if (T1+T2/2)Ts)T1=T1/(T1+T2)*Ts;%mistake corrected from T2=T2/(T1+T2)*Ts%mistake corrected from T2=T2/(T1+T2)*TsT2=Ts-T1;endelseT1=Ts;T2=0;endelseif (T2+T1/2)Ts)T1=T1/(T1+T2)*Ts;T2=Ts-T1;endelseT2=Ts;T1=0;endendend扇區(qū)切換時(shí)間function c