彭莎，周信建

（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院廣西桂林541004；2.梧州學(xué)院，廣西梧州543002）

基于SIMULINK的SVPWM建模與仿真分析

彭莎1，周信建2

（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院廣西桂林541004；2.梧州學(xué)院，廣西梧州543002）

針對變頻調(diào)速技術(shù)的核心—SVPWM技術(shù)，介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟，并用MATLAB/Simulink工具箱搭建了仿真電路，分析仿真結(jié)果驗(yàn)證了SVPWM算法的可行性和正確性。該課題的研究對于深入理解SVPWM算法有很好的參考價(jià)值。

空間矢量；SVPWM；SIMULIK

Keyswords:space vector;SVPWM;SIMULIK

70年代以來，隨著電力電子技術(shù)與控制理論的發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)取得了快速的發(fā)展，目前基于電機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的節(jié)能效果。采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)是變頻調(diào)制的主要措施［1-2］。正弦波PWM（SPWM）技術(shù)首先被采用并一直沿用至今，經(jīng)過不斷地完善，效果顯著。然而它仍有不足之處，例如電壓利用率不高、低速時(shí)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等［2］。20世紀(jì)80年代，SVPWM技術(shù)被提出［3］，克服了SPWM的部分缺點(diǎn)，表現(xiàn)在諧波抑制效果更好、轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)、直流利用率高，因此很快得到推廣和應(yīng)用。

本文采用了MATLAB的Simulink仿真軟件環(huán)境，它有良好的人機(jī)界面和周到的幫助功能，通過模塊組合就能方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。在實(shí)際設(shè)計(jì)之前先進(jìn)行仿真試驗(yàn)?zāi)苡行У亟档统杀?，還能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題加以改正。

1 SVPWM算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

三相電壓源逆變器如圖1所示，電機(jī)的相電壓依賴于它所對應(yīng)的逆變器的上下橋壁的開關(guān)狀態(tài)，由開關(guān)電路組合可產(chǎn)生電壓矢量在空間形成脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)電壓矢量，亦即產(chǎn)生脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁鏈。三相電壓型逆變器有8種工作狀態(tài)，用矢量表示這8種工作狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 三相電壓源逆變器

圖2 逆變器輸出的電壓矢量空間

根據(jù)SVPWM工作原理，在Simulink仿真軟件環(huán)境中搭建SVPWM仿真圖，如圖3所示。1.1 解析圖3，即SVPWM波形產(chǎn)生的步驟：

圖3 SVPWM 仿真圖

（1）確定扇區(qū)N，即圖3的Substytem1模塊，其底層構(gòu)建圖如下頁圖4所示。以uout=uoα+j·uoβ形式出現(xiàn)時(shí)，

則P與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系見下頁表1。

表1

圖4 Substytem1確定扇區(qū)N的仿真實(shí)現(xiàn)

（2）計(jì)算X、Y、Z（扇區(qū)作用時(shí)間的可能取值），即圖3的Substytem2模塊，其底層構(gòu)建圖如圖5所示。

圖5 Substytem2計(jì)算X、Y、Z的仿真實(shí)現(xiàn)

如下頁圖6所示，uaν為給定電壓，uνi，uνj為uaν相鄰工作電壓，uaν與uνi夾角為θ，uνi與A相軸線夾角為θi。以uout＝uoα+j·uoβ形式出現(xiàn)時(shí)，

圖6 定子電壓空間矢量

（3）確定T1、T2（各個(gè)扇區(qū)對應(yīng)的兩相鄰矢量的作用時(shí)間），即圖3的Substytem3模塊，其底層構(gòu)建圖如圖7所示。

圖7 Substytem3確定T1、T2的仿真實(shí)現(xiàn)

由以上分析，得扇區(qū)編號與計(jì)算時(shí)間的關(guān)系，如表2。

表2

（4）確定Ton1、Ton2、Ton3（即比較器的切換點(diǎn)），即圖3的Substytem4模塊，其底層構(gòu)建圖如圖8所示。

圖8 Substytem4確定Ton1、Ton2、Ton3的仿真實(shí)現(xiàn)

扇區(qū)號與三相PWM半周期脈沖寬度的關(guān)系，如表3。

表3

（5）最后根據(jù)空間矢量切換點(diǎn)導(dǎo)通晶閘管產(chǎn)生SVPWM波形。即圖3的Substytem5模塊，其底層構(gòu)建圖如圖9所示。

圖9 產(chǎn)生PWM波形的仿真

1.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真終止時(shí)間為0.2s,仿真算法為old45。電源的3路輸入信號的初始相位設(shè)定為0,120,240。相電壓設(shè)為380V，50Hz。直流母線電壓設(shè)定Udc為537V,TPWM為0.0002s。圖3中示波器仿真結(jié)果如圖10所示。

Scop1：

圖10 各參數(shù)的仿真結(jié)果

Scope1顯示的是判斷扇區(qū)N的結(jié)果。輸入的3相電壓經(jīng)過clark坐標(biāo)變化，產(chǎn)生相位差為90的兩相電壓，周期仍為0.02s。根據(jù)公式（1）、（2）扇區(qū)N的值呈現(xiàn)5、1、3、2、6、4的周期變化，仿真結(jié)果與理論一致。Scope顯示的是產(chǎn)生的SVPWM波形的其中3路（pwm1、pwm3、pwm5），因?yàn)榱硗?路分別是這3路的取反輸出，故只需分析這3路的波形。用矢量表示可以由波形圖看出，（pwm1，pwm3，pwm5）組合以（001）（011）（010）（110）（100）（101）周期循環(huán)，對照圖2知理論與實(shí)際仿真結(jié)果相符，SVPWM算法是可行的。

2 異步電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)仿真與分析

在Simulink環(huán)境下，建立的異步電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)的仿真模型如下頁圖11所示。

圖11 系統(tǒng)仿真圖

電機(jī)參數(shù)設(shè)定為：電機(jī)額定功率3.7KW，額定電壓380V，額定頻率50Hz，定子電阻0.436Ω，定子漏感0.002H，轉(zhuǎn)子電阻0.815Ω，轉(zhuǎn)子漏感0.002H，互感0.068H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.18N·m2，極對數(shù)2。

給定直流母線電壓為537V,PWM載波頻率為5KHz，總仿真時(shí)間為0.5s。

對各個(gè)元件的參數(shù)進(jìn)行配置完成后就可以進(jìn)行仿真了。此處我們進(jìn)行的是理想空載起動(dòng)仿真，令負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)仿真各參數(shù)仿真結(jié)果

從圖12中可知，啟動(dòng)過程在0.25秒結(jié)束。因負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，所以轉(zhuǎn)速達(dá)到了同步轉(zhuǎn)速（1500r/min）。電機(jī)在初始起動(dòng)階段呈現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，完全啟動(dòng)后轉(zhuǎn)矩為0，即設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。三相電流在電機(jī)啟動(dòng)過程中電流較大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，三相電流的頻率由起動(dòng)時(shí)的50Hz變化到完全起動(dòng)后的0Hz。

由以上分析可以看出，三相電流在電機(jī)啟動(dòng)過程中電流較大，但經(jīng)過較短時(shí)間的調(diào)節(jié)，電流很快達(dá)到穩(wěn)定，電流諧波小。從電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，系統(tǒng)帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)快速，在0.25秒左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)過程中也有一定的波動(dòng)，但達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。

3 總結(jié)

基于SVPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，與其他變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，電流諧波較小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，更具有優(yōu)勢，更適應(yīng)數(shù)字化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

[1]楊貴杰,等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001,21(5):79-83.

[2]丁輝.基于DSP的三相交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[D].大連理工大學(xué),2007.

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Analysis of SVPWM M odeling and Simulation Based on SIMULINK

Peng Sha1,Zhou Xinjian2
（1.Information&Communication College,Guilin University of ElectronicTechnology,Guilin 541004, China；2.W uzhou University,W uzhou 543002,China）

In view of the core technique——SVPWM——of voltage variable-frequency regulating technology,this paper introduces the algorithm of space-vector pulse width modulation（SVPWM）and its implementation steps.By using MATLAB/ Simulink toolbox to build a simulation circuit,this paper analyzes the experimenting results and proves the feasibility and correctness of SVPWM algorithm.The study of this subject is of great reference value for the deep understanding of SVPWM algorithm

TN911.7

A

1673-8535(2013)06-0019-08

彭莎（1989-），女，湖南衡陽人，桂林電子科技大學(xué)信號與信息處理專業(yè)碩士研究生，研究方向：電機(jī)控制。

周信健（1987-），男，廣西貴港人，梧州學(xué)院信號處理實(shí)驗(yàn)室科研人員，研究方向：工業(yè)控制、信號處理。

（責(zé)任編輯：高堅(jiān)）

2013-08-18