毕业论文《三电平控制策略研究》

1、基于三电平逆变器的永磁同步电机的控制策略研究摘要近些年来对多电平变频器的开发研究越来越多的运用在运动控制上。多电平 技术通过改进变换器自身拓扑结构，无需升降压变压器和均压电路，即可满足电 压型逆变器的高电压容量大的要求。由于增加了输出屯压电平数，使得输出波形 的输出谐波小，各个开关器件所承受的电压应力也较小。因此在交流柔性输电系 统和高压变频调速系统中得到了广泛的关注。本课题基于三电平的电压空间矢量脉宽调制技术svpwm算法对永磁同步 电机进行了控制策略研究。分析永磁同步电动机矢量控制原理并且阐述了永磁同 步屯动机变频调速的数字矢量控制的实现过程，研究了永磁同步屯机三电平 svpwm控制系统仿

2、真模型的建立，利用永磁同步电机三电平svpwm控制系统 在matlab7. o/simulink中建立的模型，进行了仿真实验，实验结果表明了永磁同 步电机三电平svpwm控制系统应用的止确性。关键词：矢量控制永磁同步屯机屯压空间矢量脉宽调制三电平逆变器the control strategy of the permanent magnet synchronousmotor which is based on the three-level inverterabstractin recent years, more and more researches of multilevel conver

3、ter have been applied on motion control. through improving the topological structure of convertor, multilevel converter doesn have to step-up or step-down the transformer and equalizer circuit to meet the requirement ofhigh capacity of the voltage sourceinverte匚 as the addition of the number of outp

4、ut voltage level, the output waveform has decreased and the voltage stress of every switching element has been decreased as well. therefore, multilevel converter has caused close attention on flexible alternating current transmission systems (facts) and high-voltage frequency converting system.based

5、 on the control policy research of voltage space vector pwm of three-level to permasyn motion, the thesis analyzes the theory of vector controlled pm am system, expounds the implementation procedure of it, investigates the found of simulation model on three-level svpwm control for permanent magnet s

6、ynchronous motor system and takes the advantage of three-level svpwm control system of permanent magnet synchronous motor in the model established in matlab7.0/simulink, and conducts a simulation experiment. and the result of simulation experiment has proved the correctness of tri-level voltage svpw

7、m system ofpmsm.keywords: permanent magnet synchronous motorvoltage space vectorpulse width modulation vector controlthree level inverter1绪论41. 1本文目的和意义41.2国内外的发展和研究现状51.3木课题的主要工作62三电平逆变器拓扑结构和控制算法72. 1三电平逆变器的拓扑结构72.1. 1三电平逆变器的分类及介绍72. 1. 2二极管箝位式拓扑结构原理72. 1. 3电容箝位式多电平逆变器拓扑结构92. 1.4级联型多电平逆变器拓扑结构102.2三

8、电平逆变器svpwm算法112.2. 1空间矢量脉宽调制技术svpwm 112.2.2三电平逆变器svpwm的计算方法113控制策略研究163. 1永磁同步电机电机模型163. 1. 1永磁同步屯机概述163. 1.2系统结构163.2矢量控制研究173.2. 1概述173.2.2 正弦 pwm 173.2.3 空间矢量脉宽调制svpwm 184系统仿真实验184. 1仿真环境194.2仿真结构图建立194.2. 1区域判断的仿真194.2.2时间计算的仿真204.2.3时间状态分配的仿真214. 2.4主电路的仿真结构图254.3系统仿真实验254.4响应曲线及波形264.4动态响应的结果与

9、分析295结论29致谢错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。第1章绪论能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的iii:纪性难题。特别是在我国, 而临工业用电的巨大浪费和环境污染。针对这个问题，高性能的高压大容量交流 调速技术成为国际学术研究的热点。如工业用电中，每天都有大量的电能被高压 人功率电机设备消耗掉。如果采用高压大容量变频调速装置，而不是现阶段常用 的控制系统来拖动交流电机，这样不仅能降低单产能耗，同时对现代工业的发展 是具有重人意义的。多电平变换器技术己经成为电力电子学中，以高压人功率变 换为研究对彖的一个新的研究领域。多电平变换器的研究中，基于三电平逆变 器的永磁同步电机的控

10、制策略研究受到了学者们的关注。木课题首先介绍了三电平逆变器的屯压空间欠量脉宽调制技术的研究背景 和意义，进一步了解了它在国内外的发展现状和研究前景，然后以三电平逆变器 svpwm算法为研究手段，进行前面的仿真实验和数据总结，更进一步来阐述本 文的主耍工作和冃的。1. 1本文目的和意义三电平逆变器具有简单的结构，它的电路拓扑形式从另一个角度上也可以看 成是多电平逆变器结构屮的一个特例。日前从功率开关器件发展的水平上来看， 上万伏的耐压器件在短期内还是难以实现的，多电平技术成为解决高压大功率变 频调速问题的有效途径；当前屯力系统广泛采取高压直流输电方式的形势卜，多 电平技术在电力输配电方面也具有重

11、要的作用。基于电压型三电平逆变电路从试验期进入实用化阶段，对其进行分析和研究 是具有实际意义的。一般都认为多电平逆变器是建立在三电平基础之上的，按照 三电平逆变器的拓扑结构类似拓展而成的。由此得出结论：对应越多的电平数， 产生的屯平台阶就越多，从而波形越近似正弦波，谐波成分也就越少。但是在实 际应用中由于受到便件条件和控制条件的制约，这种理论上可达到任意n电平的 多电平逆变器是不存在的，在追求性能指标的前提下，通常并不追求过高的电平 数。三电平电路的优点：1开关器件在任何时刻都是断开状态的，因此所受到的压降减小，故在容 量人电压高的场合更加合适。2输出电压可以是多层阶梯形，这样要得到很接近的正

12、弦波只用对阶梯波 再调制就可以了，处理方便出波效率高。理论上可以通过提高电平数来调节波形, 使其无限趋近标准正弦波，当屮只含有少量的谐波成分。3电磁干扰问题减小，通常开关元件每进行一次关断的dv / dt只有传统两 电平的一半。4效率很高。比如同样是消除谐波，两电平pwm控制法在频率很高的条 件下进行关断的，由于开关频率髙,损耗也大大；而三电平逆变器不存在这些问 题，提高了效率。5开关频率远低于主耍高次谐波。另一方面由于它需更的开关器件比较多，控制算法又复杂，同时存在电位不 平衡等一系列的问题，也限制了它在低压小功率环境下的应用。因此，基于三电 平逆变器的永磁同步电机的矢量控制，本课题对艾着重

13、介绍并完整的模拟仿真， 从其pwm算法及控制策略方向上深入地研究，对其电路组成和控制原理进行系 统的钻研，对三屯平技术乃至多电平技术的工程应用有着重要的意义。1.2国内外的发展和研究现状1971年，基于异步电机有些学者提出了磁场的定向矢量控制理论，以交流屯 机模型为前提，解耦泄子电流直轴和交轴分量，从而控制交流电机转矩和转速。 在这之后，磁场定向控制被应用到了永磁同步电机的控制中去，将其控制系统分 为速度闭环、电流闭环、位置闭环和空间矢量脉宽调制儿个部分。其屮，对空间 矢量脉宽调制的研究很快被广泛应用。1980年，f1本长岗科技人学的a nabae等人在ias年会上首次提出中点 箝位式(npc

14、)逆变器，是二极管钳位式三电平逆变器的雏形，是多电平逆变器的 基础。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了新的思路，其后在高压 人功率变频调速方面得到了广泛的应用。1983年，bbagwat等人在这-基础z上，将三电平电路推广到任意n电平 电路屮來，对屮点钳位式逆变器屯路及其统一结构作了进一步的研究。这些工作 为高压人功率变换器的研究提供了一条崭新的思路。20世纪90年代，以高压igbt、igct为代表的性能优界的复合器件的发展 引人注冃，并在此基础上衍生了很多新型的变换拓扑结构，成为国内外学术界和 工业界研究的重要课题，至此三电平变换器的研究和应用开始了迅猛的发展。在 西方国家已经岀现

15、兆瓦级的多电平逆变器产品大量进入市场，并广泛用于各种高 耍求高性能系统中。作为一种新型的逆变器类型，多电平逆变器产生的背景是为 了克服传统逆变器在一次开关动作过程中，曲较高的dv/dt, di/dt所引起的开关 应力等一系列的缺点，通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件都在基频 以下工作，从而达到减小开关应力，改善输出波形的h的。但因多电平电路所需 的功率器件较多，操作起来更加复朵，所以从提高性能比角度上来讲，它更适合 于大功率场合23】。目前三电平逆变技术在国外已逐步进入实用的阶段，但国内还处于萌芽状 态，我们广泛的使用仍然是传统的大功率交流电机调速系统。国内能够研制、生 产并提供售后服

16、务的中高压变频器只是个别企业，具备科研能力或资金实力的， 国外公司占据了市场的大部分。所以将來国内的研究者仍然有大量的工作要去 做。随着新型电力电子器件及dsp智能芯片的普及，这一技术必将广泛的应用 到人功率场合，未来无论在工业上还是学术上将占有更人的币场。1. 3本课题的主要工作本文主要工作的章节安排如下：i对三电平技术进行综合概述，对其产生的背景、目前的现状以及发展前 景进行深入研究，提出了研究这项技术的意义。2利用数据图形了解二极管箝位式三电平拓扑结构的特点，然后通过三电 平svpwm控制技术算法來介绍它的工作原理，熟悉其算法的原理和步骤。3研究了永磁同步电机模型及其矢虽控制系统。4对三

17、电平空间矢量脉宽调制算法进行matlab仿真。5总结归纳仿真的结果并对结果进行分析，得出结论。第2章 三电平逆变器拓扑结构和控制算法2.1三电平逆变器的拓扑结构2.1.1三电平逆变器的分类及介绍三电平逆变器的拓扑结构有二极管箝位式、电容箝位式和级联型三种拓扑结 构。其屮运用最广泛的是二极管箝位式多电平拓扑结构。它能有效地提高换流系 统的耐圧、降低输出电压谐波和开关损耗，在电力系统的人功率应用中受到普遍 的重视。本课题中着重研究的是三电平二极管箝位式。研究表明，三电平逆变器 的三种拓扑结构有一些共同优点：都适合大容量、高电压变频场合；为了获得较 好的波形通常会在在较低的工作频率下开关器件，因此开

18、关损耗低，效率高；大 大减轻了电路的电磁干扰等问题。但是级联型多电平逆变器的电路拓扑需要独立 的直流电源，限制了它的应用范i韦i；增加电容数fl给电容箝位式电路拓扑带来诸 多不便，导致它进行有功功率传输时控制复杂。因此，本文中三电平逆变器的主 电路选用的是二极管箝位式拓扑结构。2. 1.2二极管箝位式拓扑结构原理首先，我们了解一下三电平逆变器的空间矢量脉宽调制算法"6。三电平逆 变器空间矢量pwm控制算法的主冋路接线图。+场图2. 1三电平空间矢量pwm从图中看，每个桥臂上有4个功率开关、4个反并联的反向恢复二极管、2个 箝位二极管。在a相屮，设从上到下的4个功率开关分别为sal、s

19、a2、sa3、sa4o 当sal和sa4导通时,交流侧对应的电压为+ed/2;当sa3和sa4导通时交流侧 对应的电压为-ed/2；当必2和sa3导通时，交流侧对应的电压为零。由此可推;ii,三 电 平 逆 变 器 有33 =27种 开 关 状 态图2. 2三电平二极管箝位式拓扑结构如上图所示，每一和都需要4个主开关器件、4个续流二极管、2个箝位二 极管，当同时导通t1和t2,输出端a对o点的电平为vdc/2；当同时导通t2 和t3,输出端a和o点相连，它的电平为0；当同时导通t3和t4,输出端a 对o点的电平为vdc/2,所以有三个电平状态从每相桥臂中输出，三相这种桥 臂组成的变换电路即是二

20、极管箝位式三电平逆变器电路。一和桥臂电路在稳态下的具体工作情况：同时导通开关管1和2时，3和4关断，如果电流是从负载流向逆变电路的, 从a分别经过续流二极管d2、d1流进p点，此时输岀端a的电位仍等同于p 的电位；若电流是从逆变电路流向负载，即从p点经由1和2到达输出端a,不 计开关器件的正向导通压降，输出端a的屯位等同于p的屯位，即vdc/2。在其他开关管导通关断时，同理也是按照这种方式分析的。对应的电流流向 和应的负载或者逆变电路，以此來找出各个点的电位。根据上而的工作原理分析，t1和t3, t2和t4的t作状态是相反的，且主 开关管t1和t4不能同时导通，平均每个主开关管所承受的正向阻断

21、屯压vdc/2, 也是三电平逆变器的基本控制规律z-6'71o木课题中研究的即是这种三电平逆 变器叭2.1.3电容箝位式多电平逆变器拓扑结构电容箝位式多电平逆变器也叫做飞跨电容型多电平逆变器，它采用悬浮电容 代替二极管对功率开关进行直接箝位，不存在二极管箝位式逆变器屮主、从功率 开关的阻断电圧不均衡和箝位二极管反向电压难以快速恢复的问题。电容箝位式多电平逆变器拓扑结构：1负载图2. 3电容箝位式拓扑结构逆变器电平数容易扩展是电容箝位式多电平逆变器的显著优点，另外它的逆 变器的控制也非常灵活，而且只需要一个独立的直流电源，具有设计简单的整流 侧。但是需要大量的电容成为了它最大的问题，并冃

22、为了保证逆变器的运行安 全，必须严格控制电容电压的平衡关系。虽然采用不同的开关组合可以解决电容 电压平衡的问题。但拓扑结构中电容太多，如何选择开关组合就会变得非常的复 杂，而且述要耍求很高的频率，这样一来就大大限制了它的广泛应用。2. 1.4级联型多电平逆变器拓扑结构在所有的桥式级联型拓扑中，最基木的是h桥串联结构，它将多个h桥串联从而产生高的输出电压10ho图2. 4级联型多电平逆变器拓扑结构级联型多电平逆变器的三和拓扑结构如上图2. 1.4. 1所示： 相比较二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变器12级联型拓扑不需要人 量箝位二极管和飞跨电容，仅需要多个独立直流电压源。级联型多电平逆变器的

23、优点是：1采用相互分离的直流电源作为直流侧，屯压均衡问题不存在了。不需要 箝位二极管或电容。相同的电平数，器件数最小，易于安装。2组合方式基于低压小容量逆变器，技术成熟，可靠性高，很容易模块化, 较适用于多电平应用场合。3由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类 似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。4易于采用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻容吸收电路。但是它也不是完美的，当采用不控整流得到这些直流电源时，通常采用多绕 组移相变压器来减小对电网的谐波干扰。导致这种变压器体积庞大，成木高，设 计困难。故而在实际应用屮，没有二极管箝位式使用得广。2. 2三电平逆变器svp

24、wm算法2. 2. 1空间矢量脉宽调制技术svpwm空间矢量脉宽调制技术svpwm,它的主要思想是：以三相对称正弦波电压 供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式 作为适当的切换，从而形成pwm波，一所形成的实际磁链矢量來追踪其准确磁 链圆。svpwm将逆变系统和异步电机看做一个整体来考虑，简单化了，微处理 器的实时控制更便利。三电平空间矢量脉宽调制逆变器有着很显著的优点。由于 其每个功率开关能承受的屯压是传统二电平的两倍，而它每相提供了三个电压状 态，每一个控制周期内的给定电压可使用三个最接近的电压矢量来表示，使输出 电压等于给定电压，这样谐波明显减少了门引。所

25、以它越來越多的受到人们的注 意。六个开关器件构成的三个半桥纽成了一个普通三相全桥。这个六个开关器件 组合起来共有8种安全的开关状态。其中不会在电机驱动中产生有效的电流的状 态有000、111这两种。因此称他们为零矢量，另外六种非别称为六个有效矢量。 它们将360度的电压空间分为六个扇区，60° 一个扇区，利用这六个有效矢量和 两个零矢量可以合成360度内任何矢量，利用时间长短去表示何:个矢量的作用大 小。因此svpwm具有以下儿个特点：1、在每个小区间虽然有多次开关切换，但每次切换只动作一个器件，所以 开关的损耗很小。2、三相pwm波是电圧空间矢量直接生成的，设计简单。2.2.2三电

26、平逆变器svpwm的计算方法根据参考矢量合成的原则三电平svpwm算法可分三步：区域判断、时间 计算和时间状态分配。2.2.2. 1区域判断找出合成参考电压矢量的三个基本矢量即是区域判断的主要fl的。根据三电 平基本空间矢量图（图2. 5）用6个大区域将整个矢量空间分开，再将每个大区域分成4个小区域。由于 基木空间矢量中的短矢量在每个釆样周期中出现的次数多，为了算法及仿真的准 确性，再用6个小区域将每个大区域细分。用i、ii、iii、iv、v、vi表示人区 域，用1、2、4、5、6表示小区域。按照60度划分一个大区域，依据参考电压 矢量去判断所在的大区域。根据小区域的区域分布和几何关系，可依照

27、以下方法判断其所在的小区域。图2. 6小区域判断以第i大区为例，如上图，匕和s分别表不参考电压矢量匕乎在q轴和b轴上的投影，幅角为0,则匕二怙cos& , vvrefsin01 当<30°时，1篇在区域1或3或5内。若y的匕+希/2匕.，则匕好在小区域1内；若va->/3/2 v/c,则爲在小区域5内；否则，l/叩在小区域3内。2 当>30°时，匕好在区域2或4或6内。若v" 侖匕+的/2匕，则匕ef在小区域2内；若vfi>/4v(lc,则在小区域6内；否则，v砒在小区域4内。2.2.2. 2时间计算判断出参考矢量所在的区域，根据n

28、tv法则，可以找到合成参考电压矢量 的三个基本矢量,匕，连同参考电压矢量匕乎一起，代入伏秒平衡方程组t x+7； xv2 +7； xv3 =tsxvr<f例如以 i大区 4 小区,vr-vdz，v2=-v9 v3=-vdc, vref=vrcf将它们代入伏秒平衡方程组得 t (cos y +j sin 彳心 + ¥ tydc (cos 彳 + 丿 sin 彳)+ *础c = tsvref(cos & + 丿 sin 0)讲上述方程按照实部虚部分开:171r“訐cos評+ cos彳 + *矶.=矶/cos oim： *gsin j匕.+ 丰t2vdcjsin = tsvr

29、efjsind 解得 7,7,7 分别为 ts l-2ksin(- , ts 2ksin(- + )-l , ts.(l-2ksin),其屮k二倍z,按照上述方法即可求岀参考电压矢量在其他区域时基本矢量的时 间。2.2.2. 3时间状态分配出三电平空间矢量脉宽调制算法基本空间矢量图可知，大矢量、中矢量与开 关状态对应，对应开关状态为2组短矢量，对应开关状态3组零矢量。选短 矢量作为起始矢量。为了让作用时间和开关状态一一对应，起始矢量选用负短矢 量。选取零矢量是根据开关状态的作用次序。开关状态的作用次序：任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂开关动作， 即在二进制矢量表示中，最多只能有一位发生变化

30、。因为如果允许有两个或三个 桥臂同时动作，则会有反极性的脉冲出现在线电压的半周期内，并产生反向转矩, 引起电磁噪声和脉动。根据上述原则，每个采样周期的起始矢量选用负短矢量，则每个矢量空间区 域的状态作用次序如下表2. 2. 2所示。农2. 2. 2欠暈状态次序表区域矢量状态次序11onn oon ooo poo ooo oon onn12oon ooo poo ppo poo ooo oon13onn oon pon poo pon oon onn14oon pon poo ppo poo pon oon15onn pnn pon poo pon pnn onn16oon pon ppn pp

31、o ppn pon ooniiioon ooo opo ppo opo ooo oon112non oon ooo opo ooo oon non113oon opn opo ppo opo opn oon114non oon opn opo opn oon non115oon opn ppn ppo ppn opn oon116non npn opn opo opn npn noniii1non noo ooo opo ooo noo non1112noo ooo opo opp opo ooo nooiii3non noo npo opo npo noo noniii4noo npo op

32、o opp opo npo nooiii5non npn npo opo npo npn non1116noo npo npp opp npp npo nooiv1noo ooo oop opp oop ooo nooiv2nno noo ooo oop ooo noo nnoiv3noo nop oop opp oop nop noorv4nno nop oop opp oop nop nooiv5noo nop npp opp npp nop nooiv6nno nnp nop oop nop nnp nnovinno ono ooo oop ooo ono nnov2ono ooo oo

33、p pop oop ooo onov3nno ono onp oop onp ono nnov4ono onp oop pop oop onp onov5nno nnp onp oop onp nnp nnov6ono onp pnp pop pnp onp onoviiono ooo poo pop poo ooo onovi2onn ono ooo poo ooo ono onnvi3ono pno poo pop poo pno onovi4onn ono pno poo pno ono onnvi5ono pno pnp pop pnp pno onovi6onn pnn pno po

34、o pno pnn onn其中n, o, p分别表示对应的三相为低电平，零电平，高电平。矢量状态分 配采用屮心对称的七段式svpwm波形，给定了基本矢量的作用时间。基本矢 量的作用时间与矢量状态的对应关系如下图所示。丨丨1:t1 ;!:i<onnti/4000tinooo : poo 1 poot3/2 ! tl/4 ' tl/4ooo n/2oont2/2onntl/4图2. 2. 2. 3七段式svpwm波形将对应的矢量状态分配到对应基本矢量的作用时间，也就是将对应的开关器 件分配导通或关断时间，来实现对电路开关器件的控制“引。第3章控制策略研究3. 1永磁同步电机电机模型3

35、. 1. 1永磁同步电机概述在上世纪五十年代出现的永磁同步电机，运行原理与普通同步电机相同，选 用了永磁体來给激磁绕组激磁，使得它的结构更加简单。永磁同步电机的不同之 处是没有了普通同步电机所特有的集电环和电刷，因此电机运行的可靠性得到很 大的提升。出于激磁使用的是永磁体，无须激磁电流，电机效率和功率因数也提 高了。它在起动时，虽然定子绕组屮通以交变电流并建立旋转的定子磁场，旋转 的定子磁场在永磁体磁极屮产生相互作用，由于其转子惯性较大，使得电机无法 获得足够的起动力矩。3. 1.2系统结构除电机外，永磁同步电机主要由以下几个模块组成的：驱动单元、位置控制 系统、速度控制黠、转矩和电流控制器、

36、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接 口单元。1. 电机：它的屯机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。2. 驱动单元：驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦pwm电压型逆 变器变频的ac-dc-ac结构。3. 控制单元：控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、 速度控制、转矩和屯流控制器。4. 位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同 的。典型的输入信号有三种形式:位置输入、速度输入以及加速度输入。5. 接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制i/o接口、串行通信等。3. 2矢量控制研究3. 2. 1概述通过测出和分解定子电流来实现矢量控制的，具中

37、分别对励磁和转矩的控制 方法，是利用磁场定向原理來进一步控制电动机的，以此來进行异步电机转矩的 控制。具体做法是将界步电动机的定子电流矢量分为能产生磁场的电流分量（励 磁电流）和能产生转矩的电流分量（转矩电流），对二者分别加以控制，并同时 控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量"j所以称这种控制方式称 为矢量控制方式。3.2.2 正弦 pwm3. 2. 2. 1正弦pwm概述正弦pwm是在每半个周期内输出多个不同宽度的矩形脉冲波，每个矩 形波的面积近似到相应正弦波屮，也就是说可用一个与该面积相等的矩形 来代替相应每一等份的正弦波的面积，故可用这n个等幅（vd）不等宽的矩 形脉冲

38、來表示正弦波形所包围的面积。每个对应的矩形脉冲的宽度均可由 理论计算得出：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当 它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽度正比于该曲线函数 值的矩形脉冲。若使脉冲宽度与正弦两数值成比例，则也可生成正弦pwm 波形。3. 2. 2. 2 正弦pwm的模拟控制信号发生器提供三相对称的参考止弦电压调制信号，可通过调节其频率和幅值，來达到控制他的口的。三角波发生器分别提供各相共用的三角载波信号，在 比较器上它分别与各相的调制信号进行比较，给出正或零的饱和输出，产生正 弦pwm脉冲序列波。这样，就能模拟出正弦pwm脉冲序列波。3. 2. 2. 3 正弦

39、pwm的实时计算实时计算一定要有对应的数模，其屮建立最简单的数学模型就是等效面积， 它的原理就是按面积相等的原则，将正弦波等效成为一系列的等幅不等宽的矩形 脉冲。根据已知正弦数值依次算出每个脉冲的宽度，求出各个脉冲对应的矩形面 积综合求和，得到的面积和即可近似为相应的正弦波的面积。3. 2. 3空间矢量脉宽调制svpwmsvpwm 是空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation)的简 称。这里关于svpwm的介绍在第二章己经阐述，故不作过多说明。重点 探讨一下svpwm与正弦pwm的区别。脉冲宽度调制(pwm):晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通

40、时， 电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开。这样通 过改变晶闸管的导通时间(即调占空比ton)就可以调节电机电压，从而进 行调速。对比svpwm的产生原理可知，svpwm本身的产生原理与pwm 没有任何关系，只是形似。正弦波脉宽调制，将正弦半波n等分，把每一等分的正弦曲线与横轴 所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信 号ut与一组三相对称的正弦参考电压信号ura、urb> urc比较后，产生的 spwm脉冲序列波uda、udb、ude作为逆变器功率开关器件的驱动控制 信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参 考信号的幅

41、值和频率就可以调节spwm逆变器输出电压的幅值和频率。总结可知，svpwm与spwm的原理和来源有很大不同，但是他们确 实殊途同归的-。spwm曲三角波与正弦波调制而成，而svpwm却可以 看作由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成，这点可以从数 学上证明。第4章系统仿真实验4. 1仿真环境前一章证明了三电平逆变器svpwm算法的实现，并给予了解决办法。 本章将会使用simulink仿真实验进一步验证svpwm算法的正确性。这里 使用的软件版本是matlab7.0o它集数值分析、矩阵计算、信号处理和图 形显示于一体，已经在控制领域得到了广泛地应用。4. 2仿真结构图建立4. 2. 1区

42、域判断的仿真按照每60度为一区，三电平svpwm算法把整个空间矢量分成6个大区， 仿真时以参考矢量的幅角划分为准如。如下图4.2. 1.1:multiportswitch图4. 2. 1. 1大区域判断仿真图每个大区域又可以分成6个小区域：图4. 2. 1. 2小区域判断仿真图4.2.2时间计算的仿真从上图中可以看出，整个矢量空间总有6个大的区域，每个大区域又有6 个小区域，每个小区域又有3个基本欠量, v2, v3,三个基本矢量同时对应3 个作用时间7；, g 珀。将每个大区划分为6个小区，尽管1小区和2小区，3 小区和4小区对应的三个作用时间相同，但是与矢量状态次序对应后的7, t2, 7

43、；却完全不同。故可以用108个作用时间划分整个空间。以i大区1小区为例， 7>2k“(p, t2=2kt肿，咕1沁叫+讣。仿真模型图如下图：t rigonometricproduct2function图4. 2. 2. 1作用时间仿真图按照以上原理，可以建立类似模型来算出其他的作用时间。4.2.3时间状态分配的仿真时间状态分配是对应各个基本矢量的开关状态及作用次序的确定，给对应的 开关器件的关断状态分配作用时间。七段式时间分配的实现。从区域判断中可知，用短矢量作为每个采样周期的 起始矢量，各个小区域对应的作用时间是相同的，他们与矢量状态次序的对应的 基本矢量作用时间分别为7, 口 口 因

44、此所有区域的时间分配都是一样的，不 同的是人，7；, 7；的值。故可以用相同仿真模块，如图4. 2. 3. 1所示：接下来进行确定矢量状态次序。根据状态的作用次序原则，以负短矢量作为 每个采样周期起始矢量，以0, 1, 2表示矢量状态n, o, p,则矢量状态次序仿 真数据表就可以由矢量状态次序表一对应，如下表4. 2. 3. 1所示：表4. 2. 3. 1矢量矢量状态次序仿貞数据表区域矢量状态次序11100110111 211 111 110 10012110 111 211 221 211 111 11013100 110210211 210 110 10014110210211 221

45、211 210 11015100 200210211 21020010016110 210 220 221 220210 110iii110111 121 221 121 111 110112010 110 111 121 111 110010113110 120 121 221 121 120 110114010 110 120 121 120 110010115110 120 220 221 220 120 110116010 020 120 121 120 020 010iii1010011 111 121 ill 011 010iii2oil 111 121 122 121 111 o

46、iliii3010011 021 121 021 011 010iii4011 021 121 122 121 021 011iii5010 020 021 121 021 020 010iii6011 021 022 122 022 021 011iv1oil 111 112 122 112 111 oiliv2001 011 111 112 111 011 001iv3011 012 112 122 112012011iv4001 011 012 112012011 001iv5011 012 022 122 022 012 011iv6001 002 012 112 012 002 00

47、1vi001 121 111 112 111 101 001v2101 111 112 212 112 111 101v3001 101 102 112 102 101 001v4101 102 112212 112 102 101v5001 002 102 112 102 002 001v6101 102 202 212 202 102 101vii101 111 211 212211 111 101vi2100 101 111 211 111 101 100vi3101 201 211 212211 201 101vi4100 101 201 211 201 101 100vi5101 2

48、01 202 212 202 201 101vi6100 200 201 211 201 200 100然后就是矢量状态次序的仿真图的建立。如下图423.2：subsystem5multiport switch图4. 2. 3. 2矢量状态次序的仿真图下一步就是从矢量状态次序转换到开关状态。主电路的三相电平状态为低电 平，零屯平或高屯平，用它们來表示矢量状态；主电路屮的开关元件的正常状态 是关断或导通，表示开关状态。如果j1-1, 0, 1表示低电平，零电平，高电平, 用0, 1表示开关元件的工作状态为关断，导通，则对应关系的矢量状态与开关 状态如下表423.3所示：表4. 2. 3. 3矢量状态与开关状态对应表电平状态开关状态q1q2q3q41110000110-10011根据每相开关元件的动作顺序以及对应关系可知，将矢量状态转化为对应的开关状态的仿真模型如下图4. 2. 3. 4所示。stateconstant4switch?图4. 2. 3. 4矢量状态转化开关状态的仿真图 这样，实现了时间状态分配模块的仿真。4. 2.4主电路的仿真结构图simulink内提供了三电平逆变器svpwm控制系统的仿真结构框图，如下图4.241：图4. 2. 4. 1 svpwm控制系统结构框图4.