SVPWM仿真詳細說明

1、附svpwM勺仿真實現(xiàn)1 SVPWM的基本原理SPWM常用于變頻調速控制系統(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磁場這一目標，SVPWM控制技術利用逆變器各橋臂開關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逆變器的拓撲結構以及等效開關模型。36242ABC逆變器拓撲結構圖 1 PWM等效開關模型 逆變器電路電壓源型逆

2、變器常采用180導通型。用Sa、Sb、SC分別標記三個橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當上橋臂器件導通時橋臂狀態(tài)為 1,下橋臂導通時橋臂狀態(tài)為 0,當3個橋臂的功率開關管變32化時，就會得到23 8種開關模式，每種開關模式對應一個電壓矢量，矢量的幅值為一Ud ;3有兩種開關模式對應的電壓矢量幅值為零，稱為零矢量。例如：在某一時刻，設 V1, V2, V3管處于開通狀態(tài)，即 sa sb 1,Sc 0,設為三相對稱負載，各開關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：1,1一2 一二 Ud,VBN二 Ud,VcN二Ud33

3、3將其在靜止坐標系中表示出來，如圖3所示:sCN圖3 SaSb1島。電壓矢量圖其中，U是合成的電壓矢量，在兩相靜止坐標系(，坐標系)下，利用相電壓合成電壓矢量U的表達式： .2.4j-jU k(VAN VBNe 3VcNe 3 )(2)其中，k為三相靜止坐標系向兩相靜止坐標系轉換的變換系數(shù)，變換分為基于等功率的2坐標變換和基于等量的坐標變換，這里選擇等量的坐標變換，則 k ,式(2)即為：3U(3) 將式(1)的具體數(shù)值代入上式，則有：12 jU -Ude3(4)3這樣就得到了 Sa Sb 1,Sc 0開關狀態(tài)下的電壓矢量，按照同樣的方法分析另外 7種開關狀態(tài)，可以分別得到每種開關狀態(tài)所對應的

4、電壓矢量，總結為表1所示。表1逆變器的不同開關狀態(tài)對應的空間矢量表SaSbSc相電壓矢里表達 式矢量標 號A相B相C相0000000U01,1,2,2)4001一u dUd一Ud-Ude3U133331 ,2,1 一21010Ud-UdUd- UdeU23333011-Ud1Ud1Ud2UdejU333332112j0 Ude100一UdUdUdU433331212j5101一 Ud一Ud一 Ud-Ude3U533331,1 ,2,2 A110一5-Ude3U633331110000U7觀察上表可知，三相VSR逆變器在不同的開關組合時的交流側電壓可用一個模為-Ud3的空間電壓矢量在復平面上表示

5、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得到一個電壓矢量。SVPWM控制的最終目標是獲得圓形的旋轉電壓矢量軌跡，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電壓矢量。這與我們所追求的圓形旋轉電壓矢量相差甚遠，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中間矢量。 雖然在同一時刻不可能存在兩種開關狀態(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頻率比其輸出電壓的頻率高的多(100倍)，每個電壓矢

6、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。通過本節(jié)，要構建出一個可以實現(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(ua,ub,uc),輸出端應為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 G

7、enetator )子模塊；2.1 扇區(qū)的選擇采用追蹤電壓型 SVPW肺制技術的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系下，軸分量，它們均是時變的交流重，且相位相差90 。 ua, ub ,uc分別為電壓指令u在二相旋轉坐標系下的分重。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個扇區(qū)，為了減少管子的開關次數(shù)以及增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合成目標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，例如當電壓矢量指令 U出現(xiàn)在第I扇區(qū)時，應當用u0、u

8、4、u6、山來合成中 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)IRmIVVVI選取的基 電壓矢量U4、U6U。、 U7U2、 U6U。、 U7U2、 U3U。、 U7U1、 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、. 一， . * . * . = . . . 扇區(qū)，剩下的任務就是判斷 u在三個扇區(qū)中的哪一個，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

9、判斷由圖（a）所示:U。sin(.3)Ua cos( , 3)u。N 1sin(3)Ua cos( . 3)u。N2由圖（b）所示：U 。sin(3)Uacos( . 3)u。N 3(2)sin(.3)Uacos( . 3)u。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

10、所在關系如下表所不'：表3扇區(qū)判斷表uref 3uref 2uref 1NM001n1010VI2011i3100IV4101m5110V6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 .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系下，軸分量，而給定為三相旋轉坐標系下的指令電壓矢量，所以控制信號要先經(jīng)過從三項旋轉坐標系到亮相靜止坐標 系的變換。其變換關系矩陣為：c2 1C /ABC . 3 012二212

11、32(5)MATLAB仿真模型為:圖6 3/2變換模塊最終生成的3/2變換模塊為:M所在的位置安排扇區(qū)的編號，但出于習慣做法，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)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，當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)間存在一一對應的關系，如表2所示。當然，也可以通過多路選通開關實現(xiàn)M到N的轉

12、換，但在實際中沒有轉換的必要，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輸入控制信號圖11山區(qū)選擇輸出信號2.2 時間計算 . 、 . - . . . . * . . . . . . . . . . . . 一- . . . .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I號扇區(qū)為例。設在一個開關周期（T

13、s）內(nèi)，Ti,T2,To分別為U4、U6和零矢量的作用時間， 則由圖4.4 知：(6)T1-UiTs將u* vjlv代入上式，并結合 u1 u2 2Ud，得:3T2u2 cos60* uu2sin60TsT13 Ts u2Ud3 Ts u u2 UdT2J3 Ts uUd(8)ToTs Ti T2 .一 * . 、 這樣就得到了電壓指令 u在第I扇區(qū)時，用來追蹤電壓指令的各基電壓矢量作用的時. .* . . . 、 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 1NM001n1010VI2011i3

14、100IV4101m5110V6表4各個扇區(qū)中Ti,T2對應關系表InmIVVVI工-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-X其中XYZ的值為:.3 Ts uUd2 Ud(9)3 Ts u2Ud3 Ts-u2Ud圖 13 T1 ,T2 計算的 Matlab/Simulink 實現(xiàn)需要指出的是，在計算T1,T2時有可能出現(xiàn) 工 T2Ts的情況,因此，還必須進行丁1,丁2的標準化：*TiTiTiT2T2T2(10)10所示，實現(xiàn)的即要對上述計算出來的電壓矢量的作用時間進行調整，具體方法如式 模型如下：cz>T1cr>T2QD圖 14 T1,T2標準化的 Matlab/Simulink 實

15、現(xiàn)圖15 Ti,T2計算子模塊Stjndard izjtion時間標準化后輸出波形如圖16所示。5 wID圖16 T1'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，雖然在功率開關管的開關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問題。仍以電壓指令u在第I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：單二角形法，將零矢量（Uo、U7）均勻地分布在指令電壓矢量 u的起、終點上

16、，然后 依次由山、u6按三角形方法合成。 該方法的特點是：PW曲波分量主要集中在開關頻率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，這種方法的開關函數(shù)波形對稱。PW曲波分量仍主要分布在開關頻率的整數(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）相似，不同的是在矢量 u的中點處插入了零矢量圖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）開關頻率較高且算法較復雜，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

17、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。記丁5萬0,丁1,丁2萬7分別為開關周期、u。、U4、之、U7作用的時間，為了敘述的方便， 引入 t1 ,t2 ,t3, t4, t5,t6 :t5 丫 T2 T7；t6TO IT2 T7過R«4圖18 一個開關周期內(nèi)基矢量變化圖開關狀態(tài)（SaSbSc）的變換過程為：000-100-110-111-110-100-000顯然，每次變化只有一個功率開關管的狀態(tài)發(fā)生變化，這樣可以有效的減少開關損耗,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開關狀態(tài)表

18、u所在扇區(qū)M所需非零矢量開關狀態(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、U5000-001-101-111-101-001-000c-a-bVI2U4、 U5000-100-101-111-101-100-000a-c-b從上表可以看出， 開關狀態(tài)每次都從（000）開始，又以（000）結束，且每次狀態(tài)的切換只 有一個