兩電平SVPWM仿真報告

1、1 SVPWM的基本原理分析SVPWM控制的基本思想是將電機與逆變器看作一個整體，通過控制逆變器開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的順序來控制三相異步電機運行狀態(tài)，使其在內(nèi)部產(chǎn)生一個包定幅值、逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)三相異步電機的定子端輸入一個三相對稱的電壓時，會產(chǎn)生一個三相對稱的電流，并且在電機內(nèi)部產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)三相異步電機的物理特性得出：匕iRdt式中U一電機定子端電壓;i一電機的定子電流;R一電機的定子電阻。在三相電源的電壓頻率較高時,磁鏈的變化率很快，故上式近似為:dudt對等式左右同時兩邊積分得到：udt假設(shè)考慮一段很小的時間t內(nèi)的變化，上式可以改寫為:其中n是電機內(nèi)部磁鏈的初始值，u為電壓

2、空間欠量。通過上式可以看出一個空間電壓欠量表示了電機內(nèi)部磁鏈的增量。以下圖是兩電平牽引逆變器的主電路圖：圖1兩電平牽引逆變器主電路圖從圖中可以看出其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由六個開關(guān)管T1,T2,T3,T4,T5,T6構(gòu)成的三相全橋。由兩電平電壓型逆變器的控制方法可知，位丁同一橋臂上的開關(guān)函數(shù)為互補關(guān)系，在這里定義開關(guān)量SaSbSc為各橋臂開關(guān)的通斷狀態(tài)。當(dāng)S=1時，上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷；當(dāng)S=0時，下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷，其中i=A、B、C,依次代表從左到右三個橋臂。這樣，由SaSbSc可組成000、001、010、011、100、101、110、111這8種開關(guān)模式。在不同的開關(guān)模式下，逆變器會根據(jù)指

3、令脈沖產(chǎn)生不同的輸出電壓。因為電機定子繞組在空間上是三相對稱的，由空間電壓欠量的定義可知，三相逆變器所輸出的相電壓有八個基本空間電壓欠量，它們分別定義為U0、U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7,其中U0和U7為空間電壓零欠量，即開關(guān)模式位丁000和111狀態(tài)，逆變器輸出相的電壓為00兩電平逆變器基本空間電壓欠量的位置與大小可由以下圖表示：U2(010)/6(110)I艮(011)U7(111)04(000)IVVIIIIII”(1叩5(001)艮(101)圖2基本空間電壓矢量圖為了計算和分析的方便，通常將所得到的空間電壓欠量變換到兩相靜止成6坐標(biāo)系中。通過此步驟可以得到輸出相電壓欠量Ua

4、UbUct與開關(guān)狀態(tài)SaSbSct的關(guān)系：UaUbUc1-U3SaSbSc通過Clark變換可以將三相靜止abc坐標(biāo)系下的相電壓欠量轉(zhuǎn)換到兩相靜止a顯標(biāo)系，Clark變換表示為:U.1/23/21/2、3/2UaUbUc將式(5)代到式中可以得到:Ua211/2.303/21/23/2SaSbSc由式(7)可以得出在不同開關(guān)模式下所對應(yīng)的電壓欠量:表1空間電壓矢量表SaSbScUaUp空間電壓矢重00000Uo001a0U5010cbU3011-cbU4100-a0U1101-cbU6110c-bU211100U7其中：a、b加c6Ud因為開關(guān)狀態(tài)只有8種組合，如果按圖2中電壓欠量輸出，則電壓

5、空間欠量將構(gòu)成一個正六邊形，磁鏈的運動軌跡同樣也是一個正六邊形。但在三相異步電機使用三相交流供電時，磁鏈的運動軌跡應(yīng)該是一個圓形。所以，要想將磁鏈的運動軌跡接近一個圓，僅使用8種開關(guān)狀態(tài)的組合是無法到達的，這就需要采用各個空間欠量通過不同的作用時間產(chǎn)生幅值不同的欠量并進行線性組合以構(gòu)成更多的空間電壓欠量，這樣便在兩個固定的非零欠量之間插入一個或多個零欠量，并通過脈寬調(diào)制原理，經(jīng)過合理的零欠量作用時間，便可以得到一個所需要的空間電壓欠量。通過組合出的電壓欠量,便可以使磁鏈的運動軌跡為n邊形并可以使其逼近圓形，這便是SVPWM的基本思想。其實現(xiàn)的關(guān)鍵在丁如何計算空間電壓欠量的作用時間用來組合成新的

6、空間電壓欠量。U6圖3參考電壓矢量的線性組合2 SVPWM控制算法的實現(xiàn)通過上一節(jié)的分析可知，SVPWM控制的關(guān)鍵在丁如何組合出所需要的參考電壓欠量，而參考電壓的一般是由兩個相鄰的空間電壓欠量和零欠量線性組合所產(chǎn)生的。產(chǎn)生一個參考欠量，首先，需要判斷這個參考欠量由哪兩個基本空間電壓欠量線性組合而成,即判斷參考電壓欠量所在扇區(qū)。在兩電平空間電壓欠量控制中，將空間電壓欠量分為六個扇區(qū)，如圖2所示。參考電壓按照所在扇區(qū)的兩個相鄰電壓欠量與零欠量按一定比例進行合成。設(shè)Uref為參考電壓欠量，Ui、Uj為所在扇區(qū)兩個相鄰電壓欠量，Uk為零電壓欠量。Ti、Tj分別表示兩個相鄰電壓欠量所作用的時間，而T0則

7、表示零電壓欠量所作用的時間。按照圖3所示，根據(jù)伏秒平衡原理，得到如下等式：UrefTsUiTiUjTjUkTo（8）式中Ts一開關(guān)作用周期TsTiTjToo下面對實現(xiàn)SVPWM的具體方法按步驟進行分析：1判斷參考電壓扇區(qū)序號假設(shè)已知的參考電壓欠量Uref的在兩相靜止坐標(biāo)a軸6軸的分量為Ua和U&同時假設(shè)PWM的開關(guān)周期為Ts,通過這些量的大小來判斷Uref所在扇區(qū)N,經(jīng)過對這些量的分析可以得到如下的判斷規(guī)律：a）如果UX,則令A(yù)=1,否貝UA=0;b）如果、知U°,令使B=1,否則B=0;c）如果屈U°,令使c=0,否則C=1;扇區(qū)編號判斷：N=A+2B+4C。得到

8、的六個扇區(qū)的編號如2圖所示。2計算基本電壓欠量所作用的時間根據(jù)所判斷出的扇區(qū)編號N后，還需要計算每個扇區(qū)之中相鄰的兩個電壓欠量它們所作用時間Ti和T2。首先，假設(shè)參考電壓位丁圖2中的III區(qū)，這樣可以得到其作用的電壓欠量為Ul和U20Uref在因為開關(guān)頻率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大丁參考電壓頻率的，所以可以認(rèn)為電壓欠量一個開關(guān)周期內(nèi)是包定的，在這里可以設(shè):ref根據(jù)表1可以得到Ui和U2的表達式，如下:Ui3Ud0U2iUd.62Ud2代入上式（7）可以得到:.2UdTiiUdT23.6UTs2UdT22由以上兩個方程可以得出:Ti.62(5U；U)Ts/Ud2UTs/UdTsTiT2(10)(11)(12)(

9、13)(14)(15)(16)同理，在III區(qū)中所使用的計算Ti和T2的方法可以應(yīng)用到他扇區(qū)。通過計算后，可以得出基本空間電壓欠量的時間Ti和T2可以用三個量來表示。分別設(shè)這三個量為XYZ,它們的具體表達如下:2UTs/Ud(17)2.6(UU)Ts/Ud22(Yu我u)Ts/Ud22根據(jù)計算出XYZ的大小，可以確定Tx和Ty。對丁不同的扇區(qū)Tx和Ty按表2取值。表2六個扇區(qū)矢量作用時間分配表扇區(qū)號123456TxZY-Z-XX-YTyY-XXZ-Y-Z通過Tx和Ty的計算式可以看出，每當(dāng)兩個電壓欠量的作用時間之和小丁一個開關(guān)周期時，應(yīng)該插入零欠量進行作用來彌補差值。如果計算出的兩個相鄰空間電

10、壓欠量作用時間之和大丁開關(guān)周期Ts,這就必須將這兩個作用時間按比例縮小，并使其等丁一個開關(guān)周期。此時按下式對兩個電壓欠量的作用時間進行修正：'TxTxTs/(TxTy)(18)TyTyTs/(TxTy)3根據(jù)作用時間計算電壓欠量切換時刻通過空間電壓欠量的原理分析可知，空間電壓欠量的切換是通過逆變器的開關(guān)狀態(tài)改變來決定的，所以計算空間控制電壓欠量的切換點即為計算逆變器開關(guān)狀態(tài)的通斷時間。還是以III扇區(qū)為例，通過對空間電壓欠量PWM控制便可以得到所需用的開關(guān)狀態(tài)波形。在一個開關(guān)周期中，開關(guān)波形具有對稱性，以半個周期為例，有發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：1、Sa=0狀態(tài)是連續(xù)的，持續(xù)時間為T0/2;2、S

11、b=0狀態(tài)是連續(xù)的，持續(xù)時間為(T0+Ti)/2;3、Sc=0狀態(tài)是連續(xù)的，持續(xù)時間為(T0+Ti+T2)/2。圖4為開關(guān)管狀態(tài)波形示意圖：圖4開關(guān)管狀態(tài)波形示意圖設(shè)各開關(guān)管為零狀態(tài)的時間分別為：Ta、Tb、Tc。同時對丁兩個電壓零欠量認(rèn)和認(rèn),它們分別承擔(dān)相鄰兩個電壓欠量在一個開關(guān)周期作用完后所剩下的時間，并且兩者所作用時間相等，則可以得到：(19)(20)ToTsTiT224這樣在III扇區(qū)中各個開關(guān)管零狀態(tài)作用時間可以表示為:TTsTiT2la4TbTaT12T2TcTb-2同理，其它扇區(qū)的時刻計算方法如上所示，通過計算可知，不同扇區(qū)各個開關(guān)管零狀態(tài)的作用時間與TaTbTc表達式相同。如果

12、每個開關(guān)周期起始點為0時刻，那么，開關(guān)0狀態(tài)所作用的時間可看作開關(guān)由0到1改變的時刻，可以認(rèn)為是空間電壓欠量的切換點。在這里假設(shè)空間電壓零欠量的切換時刻分別為：TcmlTcm2Tcm3,通過計算得出各個空間電壓欠量切換點的時刻表:表3空間電壓矢量切換點時刻表計算扇區(qū)123456TcmlTbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa4通過與三角波進行比較產(chǎn)生控制脈沖通過把電壓時刻的切換點與幅值為開關(guān)周期一半、周期與開關(guān)周期相同的等腰三角波進行比較，便可以得到PWM調(diào)制信號波形。信號波形的產(chǎn)生原理與正弦波與三角波比較生成SPWM信號波形的原理相同。3 SVPWM勺仿真模型在MATLAB/Simulink平臺上，構(gòu)建了基丁SVPWM的兩電平牽引逆變器的仿真模型。采用幅值為1500V、頻率為50Hz的三相電壓作為輸入給定值，SVPWM的控制周期Ts=0.001§直流側(cè)電壓Ud=3000V以下圖給出了SVPWM的整體仿真模型。5皿-FL圖5兩電平牽引逆變器SVPWM仿真模型根據(jù)SVPWM控制算法的流程，下面各圖給出了SVPWM的各個子模塊圖6SVPWM中的扇區(qū)計算模塊圖7SVPWM中的X、Y、Z計算模塊圖8SVPWM中