2022年SVPWM仿真详细说明.docx

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1、名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -附 SVPWM的仿真实现1 SVPWM 的基本原理SPWM 常用于变频调速掌握系统,经典的 尽量接近正弦波, 并未关注输出的电流波形；SPWM 掌握主要目的是使变频器的输出电压 而矢量掌握的最终目的是得到圆形的旋转磁场,这样就要求变频器输出的电流波形接近正弦波；锁定得到圆形的旋转磁场这一目标,SVPWM 掌握技术利用逆变器各桥臂开关掌握信号的不同组合,使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形；SVPWM 是从电动机的角度动身,着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场；图 1 所示为 PWM 逆变器的拓扑结

2、构以及等效开关模型；U d1 3 520 S A BS S CABU d C24 6 2逆变器拓扑结构 等效开关模型图 1 PWM 逆变器电路电压源型逆变器常采纳180 导通型；用S A、S B、S C分别标记三个桥臂的状态,规定当；上桥臂器件导通时桥臂状态为1,下桥臂导通时桥臂状态为0,当 3 个桥臂的功率开关管变化时, 就会得到238 种开关模式, 每种开关模式对应一个电压矢量,矢量的幅值为2Ud3有两种开关模式对应的电压矢量幅值为零,称为零矢量；例如：在某一时刻,设V1,V2,V3 管处于开通状态,即s as b1 ,sc0,设为三相对称负载,各开关管的开通电阻均相等,就逆变器的等效电路

3、为：图 2 s as b1 ,s c0时逆变器的等效电路图这样,很简单就能得到该瞬时时刻的相电压：细心整理归纳 精选学习资料 vAN1U ,vBN1U ,v CN2Ud 1 第 1 页,共 15 页 333将其在静止坐标系中表示出来,如图3 所示： - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -图 3 s as b1 ,sc0电压矢量图其中, U是合成的电压矢量,在两相静止坐标系（, 坐标系）下,利用相电压合成电压矢量 U 的表达式：2 4j jU k v A

4、N v BN e 3 v CN e 3 2 其中, k 为三相静止坐标系向两相静止坐标系转换的变换系数,变换分为基于等功率的坐标变换和基于等量的坐标变换,这里挑选等量的坐标变换,就 k 2,式 2 即为：3U 3 将式 1 的具体数值代入上式,就有：这样就得到了s as b1 ,s c0U2U ej1 4 7 种33开关状态下的电压矢量,根据同样的方法分析另外开关状态,可以分别得到每种开关状态所对应的电压矢量,总结为表1 所示；表 1 逆变器的不同开关状态对应的空间矢量表细心整理归纳 精选学习资料 s s s cA 相相电压C 相d矢量表达矢量标 第 2 页,共 15 页 B 相式号000 0

5、 0 0 0 u 0001 1Ud1Ud2 3U2U ej4u 13333010 1Ud2Ud1 3Ud2U ej2u 23333011 2Ud1Ud1 3Ud2U eju3333100 2Ud1Ud1 3Ud2U ej0u 4333101 1Ud2Ud1 3Ud2U ej5u 53333110 d2U ej1u 61Ud1Ud2 3U3333111 0 0 0 0 u 7 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -观看上表可知, 三相 VSR 逆变器在不

6、同的开关组合时的沟通侧电压可用一个模为2Ud3的空间电压矢量在复平面上表示出来,这样就会得到8 条空间矢量,如图4 所示；图 4 电压矢量的空间分布与扇区安排明显触发电路每给逆变器发一组触发脉冲,就会在逆变器的沟通侧得到一个电压矢量；SVPWM 掌握的最终目标是获得圆形的旋转电压矢量轨迹,在仅靠这 8 个电压矢量而不实行任何其它方法的情形下,就只能够得到轨迹为正六边形的旋转电压矢量；这与我们所追求的圆形旋转电压矢量相差甚远,必需引入多个中间矢量以靠近圆形的电压矢量轨迹,可以通过6 个非零电压矢量和 2 个零电压矢量来合成我们所需要的中间矢量；虽然在同一时刻不行能存在两种开关状态,即不行能有两个

7、电压矢量存在,但是如逆变器功率管的开关频率比其输出电压的频率高的多（100 倍）,每个电压矢量作用的时间极短,就就可以用基本的电压矢量来合成中间电压矢量,以靠近圆形的电压矢量轨迹；2 SVPWM 仿真模块的搭建上 一 节 介 绍 了 SVPWM控 制 技 术 的 基 本 原 理 , 本 节 的 主 要 内 容 是 介 绍 如 何 在Matlab/Simulink 具体的实现这种技术；通过本节,要构建出一个可以实现这种 SVPWM掌握* * *算法的模块,该模块的输入端为掌握器发出的掌握信号（u a , u b , u c）,输出端应为 6 路触发脉冲；该模块主要包括以下子模块：扇区挑选（ Se

8、ctor Selector）子模块；时间运算（ Time Calculating）子模块；时间协作（ Time Matching ）子模块；触发脉冲产生（Pulses Genetator）子模块；2.1 扇区的挑选采纳追踪电压型 SVPWM掌握技术的 PWM整流器,其追踪的电压指令就是掌握器发出的电压指令 u * u *ju *,u ,u * *分别是两相静止坐标系下 , 轴重量, 它们均是时变的交流量,且相位相差 90 ；u *a , u b * , u *c 分别为电压指令 u * 在三相旋转坐标系下的重量；所谓追踪电压型的 SVPWM,就是利用 8 个基本的电压矢量去追踪给定电压矢量；六

9、个长度不为零的矢量将一个周期分成了6 个扇区,为了削减管子的开关次数以及增加细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -系统的稳固性, 合成目标矢量采纳其所在扇区最近两个基本矢量和两个零矢量共同合成；如图 4 所示,例如当电压矢量指令u * 显现在第扇区时,应当用u 、u 、u 、u 来合成中间电压矢量以追踪电压指令；表 2 基矢量挑选表指令电压 所在扇区选取的基 u 、4 u 6 u 、2 u 6 u

10、、2 u 3 u 、1 u 3 u 、1 u 5 u 、4 u 5电压矢量 u 、0 u 7 u 、0 u 7 u 、0 u 7 u 、0 u 7 u 、0 u 7 u 、0 u 7但是, 我们仍必需知道,以上仅是在已知指令电压矢量所在扇区下所进行的争论,那么如何确定电压指令矢量所在的扇区？从图 4 可以看出,*u 的正负可以打算矢量 u * 上半部分的三个扇区或者下半部分的三个扇区,剩下的任务就是判定 u * 在三个扇区中的哪一个,以区分 、为例,考虑临界情形如下页图 5 所示：图 5 临界扇区的判定由图（ a）所示：u03u acos3u0.N1 1 sinsin3u acos3u0 .N

11、2由图（ b）所示：u03u acos3u0 .N3 2 sinsin3u acos3u0 .N2式中 N 为扇区,为便利起见,令：细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -u ref1uu ref2sin3uaacos3u 3 u ref2sin3ucos3u就可得到第 扇区的判别条件为：u ref 1 0u ref 2 0 4 u ref 2 0同理,其它各个扇区都可以通过这种方法列出判别条件,最终

12、可得到参考电压u ref 1 ,u ref 2 ,u ref 3 与电压指令 u * 所在关系如下表所示：表 3 扇区判定表u ref 3 u ref 2 u ref 1 N M0 0 1 1 0 1 0 2 0 1 1 3 1 0 0 4 1 0 1 5 1 1 0 6 表中 u ref 1 ,u ref 2 ,u ref 3 大于零时取 1,小于零时取 0, N 为扇区号；该算法可以很容易地判定电压指令 u * 所在扇区,且算法中部存在除法,因而不会有截断误差；由于在判定扇区过程中要用到电压指令在两相静止坐标系下 , 轴重量,而给定为三相旋转坐标系下的指令电压矢量,系的变换；其变换关系矩阵

13、为：所以掌握信号要先经过从三项旋转坐标系到亮相静止坐标MATLAB仿真模型为：C/ABC2111（5）223033221A2-0.50.81612B-1/2sqrt2/3a3-0.50.816C-1/2 0.866sqrt3/2sqrt2/3 b-0.866-sqrt3/2图 6 3/2 变换模块细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -最终生成的 3/2 变换模块为：AaBCbC3s_2s2图 7 最

14、终生成的 3/2 变换模块在 MATLAB/Simulink 环境下用来实现扇区的模块如下页图8 所示；图中, Ref1 、Ref2、Ref3 是三个选通开关,当中间的输入信号大于零时,输出为 1,小于零时输出为 0；模块的总输出信号 M 是根据 Ref3、Ref2 、Ref1 的次序排列得到的二进制数值,并非实际中的扇区值,但是却与实际扇区间存在一一对应的关系,如表 关实现 M 到 N 的转换, 但在实际中没有转换的必要,2 所示； 当然,也可以通过多路选通开 由于我们最终想得到的只是电压指令所在的空间位置,与各空间位置的编号没有关系；换言之,也可以根据 M 所在的位置支配扇区的编号,但出于

15、习惯做法,各扇区仍根据图 4 进行安排；图 8 扇区挑选的 Matlab/Simulink 实现最终生成的扇区挑选子模块如下：图 9 扇区挑选子模块细心整理归纳 精选学习资料 当输入为图10 所示的三项正弦信号时,输出波形为扇区序号波形,如图11 所示； 第 6 页,共 15 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -图 10 输入掌握信号图 11 山区挑选输出信号2.2 时间运算在判定了指令电压矢量 u * 所在的扇区和所需要的基电压矢量后,接着运算

16、两空间矢量的作用时间,仍以图 5 所示号扇区为例；设在一个开关周期（T ）内,T ,T ,T 分别为 u 、u 和零矢量的作用时间,就由图 4.4知： 6 细心整理归纳 精选学习资料 将 u * uju*代入上式,并结合u 1u 22Ud,得： 7 第 7 页,共 15 页 3* uT 1u 1T 2u cos60T sT s* uT 2u sin60T sT 1T 2T 0T s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -T 13T su3T su2Ud

17、2UdT 2 3 T s u 8 U dT 0 T s T 1 T 2这样就得到了电压指令 u * 在第扇区时,用来追踪电压指令的各基电压矢量作用的时间,同样的方法用于分析在其它扇区时的情形,可得 u * 在各个扇区的作用时间 T ,T 如下表所示：表 3 扇区判定表细心整理归纳 精选学习资料 uref3u ref2u ref1NM 9 第 8 页,共 15 页 0 0 1 1 0 1 0 2 0 1 1 3 1 0 0 4 1 0 1 5 1 1 0 6 表 4 各个扇区中T ,T 对应关系表1T-Z Z X -X -Y Y Y -Y Z -Z -X T 2X 其中 XYZ的值为：X3T s

18、uUdY3T su3T su2Ud2UdZ3T su3T su2Ud2Ud - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -图 12 XYZ 运算的 Matlab/Simulink 实现图 13 T ,T 运算的 Matlab/Simulink实现需要指出的是, 在运算T ,T 时有可能显现T 1T 2T 的情形, 因此,仍必需进行T ,T 2的标准化 : * T 1T 1T 1T 2T 10 10 所示,实现的T*T 1T2T 2T2即要对上述运算出来的电压矢

19、量的作用时间进行调整,具体方法如式模型如下：细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -图 14 T ,T 标准化的 Matlab/Simulink实现图 15 T ,T 运算子模块时间标准化后输出波形如图16 所示；波形图 16 T 12.3 矢量合成方法争论与时间匹配用基电压矢量合成中间电压矢量追踪指令电压矢量,虽然在功率开关管的开关频率远大于输出电压频率时可近似认为它们同时存在,但是这究竟是一种近似

20、而实际中又不行能显现的情形,因此,有必要认真争论基矢量的合成问题；仍以电压指令u * 在第扇区时为例来说明常用的矢量合成方法；图14 给出了三种常用的矢量合成方法： 第 10 页,共 15 页 - - - - - - - - - 单三角形法,将零矢量（u 、u ）匀称地分布在指令电压矢量u * 的起、终点上,然后依次由u 、u 按三角形方法合成；该方法的特点是：PWM谐波重量主要集中在开关频率fsw及 2fsw上,在频率fsw处谐波幅值较大；u * 的起、终点上,但两双三角形法,将零矢量（u 、u ）匀称地分布在指令电压矢量空间矢量在中点相交而形成两个三角形,这种方法的开关函数波形对称；PWM

21、谐波重量仍主细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -要分布在开关频率的整数倍邻近, 谐波幅值比方法a）有所降低；改进的双三角形法,这种方法与b）相像 , 不同的是在矢量u * 的中点处插入了零矢量u ,这样做的好处在于在频率fsw处的谐波幅值明显降低；图 17 三种常用的矢量合成方法比较上述的三种方法,虽然法（c）开关频率较高且算法较复杂,但现代的IPM 模块以及 TI 的 DSP芯片完全能够满意要求,为了达到正确的输出电压波形,本文采纳该种方法；下面将具体介绍此

22、法的合成过程；引入记T T 0,T T T 分别为开关周期、4u 、u 、u 、u 作用的时间,为了表达的便利,t t2,t3,t4,t5,t ：t1T 0;t2T 02T 1;t3T 0T 1T 2;tT 0T 1T 2T 722T 72t5T 0T 1T 2T 7;t6T 0T 1T 222图 18 一个开关周期内基矢量变化图开关状态 s s s 的变换过程为：000-100-110-111-110-100-000 明显,每次变化只有一个功率开关管的状态发生变化,这样可以有效的削减开关损耗,且输出电压的谐波含量是上述三种方法中最少的；扇区时的情形,得到下表：用同样的方法去分析指令电压显现在

23、其它表 5 开关状态表细心整理归纳 精选学习资料 u * 所在扇区M所需非零矢量开关状态（s s s ）的变换过程桥臂变化过程 第 11 页,共 15 页 3 u 、u6a-b-c 000-100-110-111-110-100-000 1 u 、u6000-010-110-111-110-010-000 b-a-c 5 000-010-011-111-011-010-000 b-c-a u 、u 34 1u 、u3000-001-011-111-011-001-000 c-b-a 6 u 、u5000-001-101-111-101-001-000 c-a-b 2 u 、u 5000-100

24、-101-111-101-100-000 a-c-b - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -从上表可以看出,开关状态每次都从000 开头, 又以 000 终止, 且每次状态的切换只有一个开关管发生变化；图 19 时间协作的Matlab/Simulink实现图中, M 供应的是扇区信息,用来挑选追踪指令电压矢量 u * 的基电压矢量,三个输出t ,t ,t 是三个桥臂功率开关管状态发生变换的时间,在该时间点上, 相应的功率管的状态发生变化,以便使基电压矢

25、量发生变化；图 20 时间协作子模块Ta 输出波形为：图 21 Ta 输出波形细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 12 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -4.2.4 触发脉冲的产生这一子模块具体实现的方法如图 22 所示：图 22 触发脉冲产生的 Matlab/Simulink 实现其中,t ,t ,t 是分别用来掌握各桥臂开关管状态的时间信号,它们与三角波比较,以 a b c便打算各开关管的状态,仍旧以指令电压 u * 显现在第 扇

26、区为例来说明变化的过程：图 23 功率开关管变换图将其封装为子模块如下图：图 24 触发脉冲产生电路的封装子系统输出的 6 路触发脉冲到逆变器用于掌握输出的电压波形；器后输出地马鞍波如图 25 所示；单路输出触发脉冲经低通滤波细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -图 25 单路脉冲经低通滤波输出波形3 仿真结果验证利用三相逆变器开环掌握对 型如图 26 所示；SPWM 模块进行验证,逆变器输出采纳

27、阻感负载；仿真模Scope1baR0C1+a+i-Discrete,R1 10+-+-vScope2bTs = 1e-006 s.ccOut1pow ergui0.0002TConstant1650UdcConstantSVPWM Udc gScope3vScope4AL1 5mHia650V-BL2 5mHR2 10CUniversal BridgeL3 5mHR3 10图 26 基于 SVPWM 的逆变电路系统开环仿真模型 经过仿真,逆变器沟通侧出口电压波形如下所示：细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页,共 15 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -图 27 逆变器沟通侧电压波形电阻负载端电压及电流波形如下图所示；图 28 电阻负载端电压和相电流波形细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 15 页,共 15 页 - - - - - - - - -