变频器SVPWM控制系统设计及仿真毕业设计论文

1、摘要随着电力电子器件和微处理器芯片的开展，使得数字化变频调速技术成为当代电 机控制技术的趋势。传统的SPWM控制算法未顾及输出电流波形，不易于数字化。 所以需要更进一步的控制算法，来使电机产生恒定转矩，于是便产生电压空间矢星 PWM(Space Vector Pulse Width Modulation.简称 SVPWM)控制算法。变频器 SVPWM控制系统就是利用该算法的来对异步电机实行控制的，它的输出谐波小， 也使得宜流侧的电压利用率提升了 15%。本课题变頻器的控制芯片是TMS320F2812DSP.采用SVPWM调制技术. 产生PWM波形，并对6个IGBT的通断进行控制，从而在电机空冋

2、产生圆形旋转 磁场，使电机产生也定转矩。本文最后一章还使用MATLAB /SIMULINK对变频 器SVPWM进行仿真分析，仿真结果进一步验证了变频器SVPWM算法的可行性 和正确性。关键词：变频器：SVPWM：异步电机：MATLAB/SIMULINK仿典AbstractWith the development of power electronic devices and niicroproc essor chips, digital fiequency conversion teclmology has become the trend of modern motor control te

3、clmology. The traditional SPWM control algoritlun does not take into account the output current waveform, not easy to digitize. Therefore, the need for fiirther control algorithms, so that the motor generates a constant torque, so it will produce a voltage space vector PWM (Space Vector Pulse Width,

4、 SVPWM). Inveiter SVPWM control system is the use of the algoritlun to control the motor, its output harmonic is small, but also makes the DC side voltage utilization increased by 15%.The inverter control cliip is TMS320F2812DSP, using SVPWM modulation technology, PWM wavefoim, and the 6 IGBT on-off

5、 control, resulting in a circular rotating magnetic field in motor space, makes the motor produce constant torque. In the last chapter of this paper, MATLAB SIMULINK is used to simulate the fiequency converter SVPWM, and the simulation results verify the feasibility and correctness of the SVPWM algo

6、ritluu.Keywords: inverter;Space Wctor Pulse Width Modulation;Asyncluonous inotor;siinulatioii目录 TOC o 1-5 h z 摘要IAbstractn1绪论1课题研充背景及意义1变频器SVPWM的开展现状和趋势3课题研究要求及任务6论文的主要内容7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2变频器SVPWM控制系统结构及原理8 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 2.1变频器SVPWM控制系统结构82.2变频器

7、SVPWM根本原理io2.3变频器SVPWM法那么推导122.4变频器SVPWM控制算法14 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 3变频器SVPWM控制系统设计223.1总体设计22 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 3.2主电路设计22 HYPERLINK l bookmark127 o Current Document 3.3驱动电路设计24控制电路设计26 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 3.5软件设计28 HYPERLINK l boo

8、kmark139 o Current Document 4变频器SVPWM控制系统建模仿真及结果分析29 HYPERLINK l bookmark142 o Current Document 系统仿真模型的建立29系统仿真结果分析错误!未定义书签。4总结错误!未定义书签。8参考文献错误!未定义书签.9 HYPERLINK l bookmark183 o Current Document 致谢401绪论课题硏究背景及意义在当今工业社会，能源的有效利用一直是科学研究的重要方向，这关乎与我们的 可持续开展，因此，节能研究就显得越来越重要。随着电动机制造技术的进步，电机 越来越多的被应用在工业生产、农

9、业生产、科技研究、国防各方面，作为主要的动力 设备从世界范附来看，电机的用电量超过全球各国总用电量的一半以匕约占工业 用电匿的70%,如此之高的一个比例数虽，如能提高用电效率，优化电机控制算法， 将R冇十分或大的意义。使异步电机和变频器相结合，所组成的交流调速系统具备非 常髙控制性能。如果能够对电机的调速控制容易实现。那么对电机的高效性并旦连续, 启动、运行和停止的髙频性也就容易实现。在上个世纪，由于电力电子器件的限制， 电机控制技术的不成熟。对电机实施高性能控制就很难实现，即便能提高性能，从经 济上来说也不划算。更无法大范围的推广此项技术，被人所接受。所以在控制要求高 的地方，或是精确调速要

10、求的地方就不会出现异步电机。后来，随着电力电子技术的 开展，半导体全控型器件进一步开展，这使得对电机的调速可以实现数字化，对其控 制精度也大大的提髙。于是使得异步电动在工业上被慢慢应用。同时这些半导体溶件 的出现，也使得电机的控制系统大大简化。性能更尚、更可箒、而旦经济，这就在很 大程度上促使了对异步电机的高性能变频调速的开展。同时，随若微电子技术的开展, 微控制器芯片的推陈出新，结合功率半导体装置和数字控制技术，使变频器的控制更 加稳定，所产生的波形更标准，以前不能实现的SVPWM电机控制方法也能实现。现在可以使用变频器SVPWM控制技术来对电动机进行控制，进而满足对电机 在工业中的要求，节

11、能与转矩脉动小，具有很高的控制精度。所以对变频器SVPWM 控制技术进行深入研究很有必要，它所在工业控制中所发挥者的作用是不可无视的。我国是一个I：业大国，使用电动机对生产机械进行传动是不可或缺的，一些大型 的钢厂、制造业加工厂更加如此，电动机也被广泛应用在生活中，比方我们学校随处 可见的电动车，电梯等等驱动传动设备，还有其他社会应用方面。正因为电动机具有 重要的应用，所以我们国家对卜它的开展和控制处高度重视状态。在电气传动实际 应用中，运用电动机作为动力来源，给各类生产机械提供原始动力，实现这些要求的同时，我们还苗要对其揑制精度，性能做出要求，使其既能实现我们的目的，又具有 稳定、节能、髙精

12、确性的特点，这在以前的实现中还是具有问题的。然而，在还没有 变频器的年代，使用的电机根本上都是直流电机，对其调速方法主要是调节它的电枢 供电电压的恒转矩调速、改变电机的主磁通，实现无级平滑调速、改变电枢回路电阻， 进行电枢回路外串电阻的有级调速。而后来不一样，变频器的出现与应用，大大简化 了此推的繁杂操作，并且减小了设备体枳，大幅度的减少维修次数，使得操作更加简 单和平安。SVPWM技术出现，就被应用在变频器中交-宜-交中的最后个逆变环节，SVPWM算法对三相逆变器控制产生PWM波，进行电机调速，这种调速方式是基 于电动机气隙的旋转磁场。产生旋转磁场的上一步是使电机的定子上具冇三相对称电 压，

13、电压与旋转磁场的方向相互垂直，逆推SVPWM方法，是根据参考电压的大小， 来计尊所需合成的电压所在区冋，利用最近的根本电压矢量对其进行平行四边形法那 么矢景合成，利用公式计尊出根本电压矢最的作用时间，根据产生圆形电压空间矢信 的原理，防止过调试，使得电压矢量不超调，还需计算出零矢量的作用时间，总的时 间电压枳分与参考电庶枳分相等，在优化逆变器的开关顺序，使遵循伍个周期开关相 等的原那么，产生固定的开关顺序，并且尽可能的选择每次变换只改动一个开关的状 态,此时所产生的PWM波用来驰动全控型器件，从而实现SVPWM控制0 SVPWM 控制方法具有更宽的线性调制范用，因为产生的磁链圖是逼近圆形的，可

14、以十洁楚显 地减少谐波成分，使得转矩脉动明显减小，具冇更高的直流电压利用率。况旦 SVPWM的控制方法简单、容易实现数字化，这就使得该控制方法被广泛的应用在 交流调速中。采用不同的开关顺序还可以最大限度的降低开关损耗，SVPWM控制 方法还能够解决压频比的矛盾。正是因为SVPWM控制算法的具有以上优点，所以 本课题的应用有现实意义使得本课题的研充具有现实意义.变頻器控制的优点：对电机的调速当采用变频器进行控制后，能大大减少能低的损*们 尤其 是风机、泵类负载，对电能的节约可提高20%60%,如此髙的节电率是由于风机 的功率与其转速的三次方成正比关系。所以，这个节能是巨大的。由于在实际生产之 中

15、，我们应用的此类负载很多，所以在这类负载应用中意义十清楚显。变频器调速在电动机启动、运行、停止方而具有明显的调速优势，通过 编程改变其逆变器的开关状态，就可以调节输出电压，对电机实施控制。改变其逆变 单元的开关管的导通顺序，就可以对输岀换相。一般通过变频器启动进行，大材部是 从低速开始的，所以其加速减速控制都很平稳，可以进行高频率的启动控制。使用变 頻器制动的时候，变频器能够使用内部电路将电能回馈电网或是内部电阻进行消耗。 当对电机进行制动时，变频器将会仃接给电机加斥制动，无需外接制动电路进行制动。能够提髙工艺水平和产品质景，变频调速是可以在零电压的时候对电机 进行启动，当其进行稳定运行之后，

16、变频器是能够按照压频比不变来带动负我运行, 这样可以充分减小启动电流，提高绕组的使用寿命，可以减少维修费用，同时变频器 进行集成，也大大减小了控制器的体枳。我国的可持续开展政策离不开环境与能源的相互协调，正因为这变频调速技术 的高速开展，使得我们辞别了传统的粗放型经济体质，放眼全世界，能源和环境的现 状，各个国家越来越重视能源、环境和开展的三位一体，协同开展。而此时，变频器 对电机调速正好与此切合，各种高性能的电机控制方法得以发挥，满足了，对节电节 能，增加系统枪定性和保护电机，减少转矩的波动起到枳极的作用，因此，变频器 SVPWM控制技术具有广阔的应用开展谕景变频器SVPWM的开展现状和趋势

17、“我国是一个开展中国家，许多产品的科研开发能力仍然落后于兴旺国家。随着 改革开放，经济高速开展，我国引进了很多最先进的产品。国内许多合资公司己能生 产当今国际上最先进的变频调速产品，并对它进行应用软件的开发，为国内外重大工 程工程提供一流的电气传动控制系统” 0在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对外国公司的依耐性仍较为严 重。我国电气传动与变频技术的开展应用如表1-1所示：交流变频调速行业在中国兴起了二十儿年，随若我国工业的进步，它的市场容虽 正逐年的在增长，最近儿年的低压、中压、高压变频器市场容后超过160亿元，国 内外总计投资的品牌有超过1

18、40个，这其中，外资品牌占比不超过30%,但是它的 市场份额却冇75%之多，可见我国自主的变频器品牌要开展与应用还有相当长的路 要走，任重而道远。当前的交流变频调速行业已经初貝规模，变成产业化，具相关从 业人员分析，我国市场上的变频器预计将在以后十年之内饱和。“在低压变频器广泛 应用的今天，交流变频调速传动系统己在市场中占有相当大的比例了，它的性能要更 优于直流机械调速时0表11我国变频调速技术开展简史技术特征应用年代帯电机扩大机的发电机电机机组传动20世纪50年代初期70年代中期汞弧整流器供电的直流调速传动20世纪50年代后期60年代中期磴放大器励磁的发电机-电机机组传动20世纪60年代初期

19、70年代中期iViwrr变流器励磁的发电机电机机组20世纪60年代后期70年代后期晶闸管变流器供电直流调速传动20世纪70年代初期现在饱和磁放大器供电的交流调速传动20世纪60年代初期60年代后期静止串级调速交流调速传动20世纪70年代中期现在循环变流腸供电的交流变频调速传动20世纪80年代后期现在电压 .电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动20世纪80年代初期现在BJT(IGBT)PVM逆变器供电的交流变頻调速传动20世纪90年代初期、现在变频器的体积特别小、振动小、噪声小、它对异步电机的控制具仃R好的调速性 能。异步电机还具冇制造购置低本钱，旦投入运行是更容功维护特点。从工艺设计其 杂

20、度大大简化，投资本钱也大大减小。总的来说，使用变频器对电机进行调速控制大 大提高了电机性能，使其运行更符合工业生产期望，生产质景大大提高，并且改善了 工业的生产环境，也使得机械设备的自动化程度更高，“与此同时，还为我们节约能 源和降低企业生产本钱做出很大的奉献O随着全控型快速半导体的开展，使用PWM脉宽调制技术作为控制方法己越来越 普遍，并且在传统的PWM调制方法上面对电机的控制更进一步。PWM调制即产生 PWM波(幅值相等而宽度不等的脉冲).对逆变器进行控制，当信号较小时,还需 外加驱动器，对信号进行放大，控制开关管子的通断，提供对电机控制调速所需的电 压。使用一定的调制方法，对不同波形进行

21、调制，使实际施加的电压作用枳分的面枳 相等，通过此种方法对脉冲的寛度进行调制,“就可以改变逆变电路实际输出电压值。 同时，也可改通过改变波形的周期来实现。PWM调速控制方法具有调节电压， 对谐波进行抑制的作用，也正因为PWM波形调制方法能够使产生的脉冲接近正弦波, 并且其控制方法输入因素髙。因此对电机来说.要高性能调速，使用PWM波形控制 方法就能实现。结合现代电力电子技术，将之与变频器相结合，便能大大简化控制控 制电路，并且还能够改善电机控制性能。所以，综合以上分析，PWM技术具备如此 多的优点，对其研究就非常有现实意义。如图1.1所示，脉宽调制方法的分类如下：图1.1脉宽调制方法分类变频器

22、SVPWM调速技术是一种综合性技术，其包括变频器局部，实施大能紙 的转化，PWM波形的调制逆变M部，整流和逆变产生波形，对电动机进行控制。变 频器将电冋侧的交流电变换成宜流电.然后进行逆变，控制方法是通过电力半导体开 关管来实现的，变频器变换有两种方法，第一种是交流直接变成另一频率的交流电, 还有一种是交直交，正因为它有这种变换功能，所以变频器是作为一种驱动系统，应 用中通常通过改变压频比来实现电机的平滑调速。PWM是英文Pulse Width Modulation脉冲宽度调制的缩写，按一定的调制波形方法，“有规律地改变脉冲的 宽度，使其具有正弦电压同样面积大小,从而对电路进行控制。SVPWM

23、是电 压空间欠届控制技术，它通过六个功率开关元件的逆变器，使用特殊的开关组合状态 来调节脉宽波形，从而使电机定子绕组得到三相电压，产生旋转磁场，因为破场于电 压在空间中是相互垂直的，所以乂称为磁链跟踪技术。这项技术是从三相输出电圧的 整体效果出发，者眼于如何使电机获得理想圖形磁链轨迹。正由于变频器能够使得电机的调速和制动性能提髙，并11节约电网电能，还能改 善功率因素，以及SVPWM技术使得直流侧电压的利用率提高15%,使用变频器 也能让控制方法数字化，大大简化了控制应用得复杂性。“目前变频器SVPWM控 制技术己经成为开展的趋势，并旦开展的比拟成熟，对这种经济合理的电机调速系统 的继续研究也

24、是当今的重大课题伊广。课题硏究要求及任务目前社会资源短缺，作为主要能源的电能的产生需要消耗一些不可再生能源，例 如火力发电的煤，所以，如果我们能在电能的利用上更加高效，这对能源对可持续开 展都具有十分重大的意义。所以本文a T T SVPWM高性能控制算法，来设计变频 器SVPWM控制系统，实现节能和具有良好控制性能的电机的要求。本课题的设计 根本要求如下：分析变频器SVPWM控制系统的根本结构和工作原理：设计变频器SVPWM控制系统的硬件电路(包括主电路、驱动电路、控 制电路)，完成器件选型：建立.整个系统的仿真模型，并调试通过：论文书与标准、文字通畅、图标清晰、结论明确：论文字数在万字左右

25、，按进度表完成设计。论文的主要内容通过査阅大最的参考文献，并对变频器SVPWM的原理进行深入分析，本文有 以下内容：第1亲主要是对变频器SVPWM控制技术的背景分析以及这项技术对社会开展 和能源节约的意义。还介绍了我国变频调速技术的开展历史和开展现状，变频器 SVPWM控制技术以后的开展趋势。第2飛主要介绍变频器SVPWM控制系统的原理，其中包括对变频器SVPWM 根本原理、法那么推导、控制算法、物理意义的详细分析。第3章K要内容是对变频器SVPWM控制系统的主电路，控制电路，駆动电路 的介绍。第4章使用仿真软件搭建SVPWM控制模块，然后进行参数的设定，检测务后 部是否算法正确，枳分环节，反

26、应环节；最后分析仿真结果，验证该控制尊法的可行 性。2变频器SVPWM控制系统结构及原理变频器SVPWM控制系统结构“变频器就是将固定频率的交流电转变成频率可调的灵异交流电的转换装置，根 据其调速方式中间过程的差异，可将其分为交交变频和交宜交变频“。本系统设计 中所用到的是交宜交变频调速，所以在本文中将对其变换方法进行详细讲解。交-r-交变频器是先对输入变频器的电斥进行整流成直流电，直流环节作为它的 中间环节，再通过*内部的逆变电路将向流电变成交流电。如卜图，其流程便是变频 溶变换电压的主要原理，该图存在中间I流环节，所以交白交变频也称为间接变频。变频器的内部电路还包括够流电路，滤波电路，逆变

27、电路，制动电路，駆动电路， 检测电路，控制电路。本文所介绍的交直交变频的逆变电路开关器件由全控型的 IGBT组成，控制其开通关断的波形是通过其内部的DSP芯片所产生的PWM。间流节 中直环负载图交一直一交变頻器根本组成VDi VD3VD5r/ N,VD12 W丕_WnuVDio=I=H rn rnVD4 VT6 vd?图交一直一交变频器主电路图变压变频器使用SPWM控制控制尊法对电机进行控制，主要是要产生正弦的输 岀电压，只照顾到了这一点，而没有关注电流的波形，所以其控制方法不彻底，在髙 性能要求的控制场合，就需要更优质的调速方法来补充这个缺乏之处。“到后来出现 了电流滞环跟踪控制，它使得电流

28、按正弦规律进行波动，虽然它的电流正弦比SPWM 方法提高性能，但还缺乏以实现提高电能利用的目的，所以，便产生了本课题所研究 的空间电压矢量控制方法”。进行反向考虑，SVPWM的控制方法是要在电机的定子上加上三相正弦电流， 这样便能在气隙中产生旋转磁场，然而旋转磁场在物理上的意义是电压作用时间的枳 分，况且电压也是旋转的，在空间上与旋转磁场垂宜，方向沿旋转磁场的切线，如此 一来，便能使电机产生一个恒定的电磁转矩，使电机平稳运行，从而满足生产需要。 于是，木控制系统基于这一点，对电机控制方案实施如下：即将逆变器与电机当做一 个整体，利用DSP芯片产生PWM波形，控制逆变器的开关管子，并旦对导通顺序

29、 进行优化处理，从而使得作用在电机上实际的电压矢量后等丁期望电压矢量，进行这 些工作之后，电机空间上便会形成圆形旋转磁场，从而实现所期望的高性能控制。这 种控制方法叫做电压空间矢量PWM控制。同时，由f最终的目的是产生近似J圖 形的旋转磁场，所以乂叫做磁链跟踪技术。“变频器SVPWM控制方法现已趋向成 熟，被广泛应用于控制器中，电动汽车，异步电机等的控制器，都有它的身影”。 本系统中，该算法处于核心控制地位，主要控制电路设计也是SVPWM。变频器SVPWM控制算法在近年来已经成熟被应用，它的最朮要的局部在逆 变电路，这是它发挥作用的实际应用处，对三相进行逆变要使用六个功率开关元件。 通过对其原

30、理分析以及系列的耸法处理，便能得出其合成矢世，以及如何正确选择 零矢盅不同的开关模式会产生特定的脉宽调制波形，利用这些个开关器件，能够让 输出电流的波形最大程度接近正弦函数的波形，我们通常使用对其芯片进行编程的方 法，来使其产生PWM波形o SVPWM技术与SPWM相比拟，具有下面几个优点： 绕组电流波形的谐波成分特别小，可减少配电系统本身或联接在该系统上的设备故障: 使电机运行在一个比拟稳定的状态。“而旦这个控制策略也产生电机空间上遍近圆形 旋转的磁场使得母线侧的仃流电压利用率提高15%,本章下面儿节对其原理进行详 细分析。2.2变频器SVPWM的根本原理变频器SVPWM的理论根底就是平均值

31、相等，在一个开关周期内使用根本电压矢51:对时间进行积分，在空间上进行矢鼠的合成，使平均值与给定的电压矢量:相等, 这就是其控制思想。根本实现方法就是先判断参考矢晨在哪一个区间，然后把这 个扇区内相邻的电压矢量和零矢最进行矢景合成冋O在一个区间内，通过控制管子 的通断来把相邻的电压矢星分屡次施加，使得产生的波形对称。我们控制每个电压矢 最的作用时冋。最后优化开关作用顺序，把一个扇区分成N个小区间，将形成6N边 形，合成的电圧空间矢M：所产生的逼近圆形的旋转磁场，这些不同的开关状态通过变 频器的控制单元产生。最终所产生的近似圆形磁通，便是本控制系统所要控制的目的。假设在直流母线侧电压为U&,三相

32、相电压在逆变器上出为U,、U,、U,它 们各口加在空间上相差为2/T/3的坐标上面，这个时候我们可以定义方向始终在各相 轴上的、相位相隔24/3的、幅值随着t按正弦波形变化的三个电压空间矢最，它们分 别为U”卩皿卩期。现在我们假设匕为相电压的有效值，/是电源的频率，那么就 有以下关系：阻)=cos(Q)W%)=cos(0-2;r/3)(2.1)=cos(0 + 2/3)上表达式中，假设0 = 2中,那么：UQ)=财)+ 如)/3 + %35 =汎井Q 2)由此可知空间矢它是可以旋转的，它的最大值为相电压峰值的3/2倍，它 是以角频率切=2按逆时针方向匀速旋转的电压空间矢晨，“其在三相坐标轴”

33、b c)上的投影为三相对称的正弦暈 o因为逆变器的三相桥臂上一共有6个开关管，为了方便研究，我们定义其开关函 数如 f:Sx(x = a,b,c)：(2.3)、n上桥臂导通 下桥普导通其中(Sm Sb、Sc)的所有组合有八种，两个零矢星Uo(OOO)、U7(lll)六个非零矢量 Ui(001). U2(010)x U3(011)、U100)、Us(lOl)、U6(110)o 下面列出一种情况进行分析：Sx(x=a,b,c)=(100)(24)0湖=九，* = 0垣=七U“N_UbN=U&,UuN_UcN=Udc虬 + %+UtN =0对(2.4)求解可得：UbN=Ud/3、UcN=-Ud/3o

34、同理可得其他空 间电压矢量，各种情况的空间矢量如下表所示：零欠/幅值为0,位于圖心，非零矢髭的值的大小一样，都为2U&/3,每两个矢 量之冋差市3,任意电压矢量都是由相邻两个非零矢量根据平行四边形法那么进行合 成的:J； = ；財 + J：M U0 + J：., U0 (2.5)进一步等效为：UyT = ULTi + U：T,+U。叮。(2.6)表2-1所有开关情况与相/线电压之间的关系S,SbSc矢量符号线电压相电压U,bUbeUcUwUwUcN000Uo000000100u4U*00110U6UdeUde0-汎010u：0u&Ude011V30u&Ude-汎001Ui00Ude払*101u

35、5Ude0u&-汎111U7000000在式2.6)中Uw为期望的电压矢景值，T是采样周期，E、T)、To这三者是 指在一个采样周期内，非写电反矢量:Ux、U、.和零电压矢或U。作用的总的时冋：写矢 最冇两个Uo和U7。因为三相正弦波电压在电压空间矢量:中合成的是-个等效的旋转电压，它以电源角頻率为速度进行逆时针旋转，所走过的轨迹是一个圆。那么如果要 合成三相正弦电压，可以按照上面的电压空间矢玷图形，以Uq为起始位置，每次都 加上一个小的増量，这个增量可由零矢量和非零矢量来合成，其增量安排应该以减小 开关损耗为根底，最终可以得到一个电压矢量圖形轨迹，“到达我们预期的变频器 SVPWM电压空间向

36、景脉宽调制的目的逐02.3变频器SVPWM法那么推导给定的三相电压的电压矢鼠在空间中以一定的速度进行旋转，它的角速度是 3=8，周期1 = 1/，我们假设载波频率为。，那么频率比就是R =,这时我们可以把电压旋转平面分成R价，这样便能求出电压向吊角度的增值，其表达式 如下：d() = 2兀 i R = 2兀f 1 fs - 2tcTs / T(2.7)(2.8)我们现在假设Ug&l区，那么如下图，就可以用两个非零矢量和两个零矢量U、 U6、Uo、U7)来进行合成：U4*Ts=WU6*T&图2.3空间矢屋在1区的合成在静止坐标系中，分为a轴和P轴，设Uief与U4之间的夹角为0,根据三角函数关

37、系可知：(2.9)我们使UmU作用一样长的时间，就有|U=|U6|=2Udc/3,就可以得到每个非 零矢量的作用时冋长度，其计算公式如下：(2-10)T4 - mT5 sin(；_。)T6 = mTs sin。上式中，虫丄藝称为调制比，调制比是调制波基波的峰值与载波基波峰Ua值之比。非零向鼠的分配时间出来了，那么零向宗作用的时间长度也就出来了：T7=To=(Ts.T“T6)/2(2.11)或占T7=(Ts-T4-T6)(2.12)根据以上式子，我们可以得出合成U血的每个矢量作用时间。第一步工作已经完 成，下面的主要任务就是来确定怎样产生脉宽调制波形。在SVPWM调制方案里， 我们可以尽量让开关

38、在切换的时候能够少变化几个，这样是为了降低损耗。而对于这 个要求就可以灵活插入零矢量，井旦是插在头尾和中冋。让各矢量构成空间矢量序列, 排列方式比拟多，以下进行介绍。7段式SVPWM为了就减少升关的通断损耗，我们叮以把根本矢信的作用顺序 进行调整.当每次把根本矢最加上时，尽常只变化一个开关管子。0矢最的选定也也 要具有灵活性，一般来说，施加在一个区的开始，中间和末尾，这样便能产生对称 PWM波。通过这种方法，能够有效的减少PWM谐波分暈，控制电机的时候也不会 有很大的转矩豚动，我们可以更平滑地调速，这对控制性能的提升具有明显的意义。 卜面举例进行分析：把UJIOO)转换到Uo(000),我们就

39、只要改变A相的一对开关。当 从U4(100)转换到U7(1U)的时候，那就要改变B、C两相的开关。这样对器件损耗 非常大，几乎翻倍了。所以，我们需要把零向屈穿插其中，从而使开关损耗降低。改 变U4(100)s U2(010)、U|(00I)这三个非零矢量时，要配合零矢信Uo(OOO)ft当要 改变U6(110)、U3(011)、Us(lOO)这三个非零矢量时，要配合U7(lll).如此便能 利用灵活组合开关顺序，获得对称的PWM波.其他扇区情况如卜表所示。以1崩区来说，它的三相波形如表中所示。电压矢晨的作用顺序是：Uo、UU6、U7 U6、U4、Uo,我们可以从表的波形图中右到开关切换顺序跟三

40、相波形图 是互相对应的。当到达下一个扇区时，Uw的角度加一个增量大小，使用式子(2.9) 再算出下一个矢星的作用时间，然后得到这个区域的三相波形。这样能够合成一个新 的矢量。Uw将会依次到达扇区I、II、1【1、IV、V、VIo 一个周期下来，可以 产生R个合成矢信。2.4变频器SVPWM控制算法SVPWM第法调制的计先公式是确定电圧空间矢吊处哪一扇区，这是由非零 矢届Ua和Ub决定得。我们先假设电压空间矢届处于第一扇区，那么Ua和Us的角度 处于0到60。之冋。“再结合平行四边形法那么，进行矢宗合成，就能够判断合成的 电压空间矢量3广表2-2 Uief所处扇区和开关顺序HIE （120 W。

41、180 ）2.37732IV 区180。W 0240，）vii240 w e W3（xrvi区300。we W360。457754“对其所在扇区的充要条件进行详细分析可知，参考电压矢ttUref是U” 找U.-U,.和共同决定的、所以设:U=U(2.13)U、=U 一丄2 a 2Ul-馭*表23 Um处于第几扇区的充要条件扇区落在此扇区的充要条件IUft0 , Ub0 且 Ub/Uo/3IIUo0 ,且 U0/|U|J5IIIUa0 iL-UB/U.V3IVUa0 , Ub0 且Ufl/UaV3VUV3VIUa0 , U0 JLUft/Ua1期以坦n再 物。间仙混甜叫？!叫傾由心但川”1 承k

42、wjmiz専折点由呼”m叫祥坦（817） + *，V/V J 丄 丄=W J/“N丄 .匕3丄+ %火MdN丄 亠=N 丄XN丄 . 丄2N丄ONI &N丄xn丄田母卓年丄一出时蛍（17）3丄丄疝=专:罗策的犯爵引心丄卄N丄伝凶闭而甜巩|専苗期車全非肿剛氏混。泯璋柬 回目出叫専金非苗回如由劫団轡全叩辟堆印会圭Y斯：If草一冥V 世辛创如出助网曹毎业冲辛回加出羽叫曾全非堂*須絕剃站伸剛卩帀倒:劫工4k封珥孤堆到抑力冥箪帀奪胡聚临架向gdN丄N丄+XN丄咨四M 殂图丄叫専Y冲号堂身在堆知e&I5l+x丄凿【1$財XI書回仙印荔首地喜阳帀耳鸟队丄者间別阳薦料地冉苗阳玉耳王巾X啊&册浪游神何一及讪洌，

43、預外长及W舫同羽咨代皿叫推。驯群観歩旦整添形0弊7W 轉航料所瑚坷黒風卩I祥少所刃我蓄出帀WA/AS $7ftl(TOT)5/?(TOO)1/)0I0)*/7（o【nmd3SAI 书(110)， asriiv/avn + Tx(2-19) =y + T、图2.6 I扇区时PWM比拟方式，计数值相差180。段教以倒三角计数，对应计数器的值以正三角计数计数器的伍7iNg = TNPWM -(NTPWM 一7*v, -TVi )/2NhLTNPWM-NgfNLTNPWM-NfN皿= WtPWM-TnlTQNg = Ng, + TwN = Nm + 孩5= TNPWM膈“ =TNPWM - TNxJ=

44、TNPWM-NM-f.z=oZ=丁zn_Z=Z fg+ 7v(2-20)同理可得1扇区5段时的比拟器的值:同理可推岀其他扇区的比拟器的计数器的值。(Nw Na、N(con)各扇区时 间分配见下表。我们给比拟器参加相应的时冋，便完成了变频器SVPWM的原理。表2-6各扇区比拟器的计数值扇区1-4、6t3NgNcboaNgNgNbooJTbNtbonNgNeonNgNtCODNsTcNtcgJNgNuoaNgN3变频器SVPWM控制系统设计总体设计变频器SVPWM系统硬件结构如图3.1所示，变压变频调速系统具有良好的帯 负载能力，本系统采用的是电压型交-直-交变频电路。如今应用的变频器，大局部是

45、采用二极管整流、全控型器件IGBT进行逆变的所组成的。变频器SVPWM控制系 统硬件结构图中主要包括了主电路、驱动电路和控制电路，卜面对其电路进行分析。3.2主电路设计根据图3.1的控制系统主电路先通过保险總，作为防护的第一关。然后再利用二 极管进行整流，把三相电先变成直流。设置的大电容是为了滤波，而旦串联两个，是 为了串联分压，因为电机启动的时候会有泉升电压，如果只有一个电容，那很有可能 会被击穿。为了防止开关Ki在闭合的时候，电容充电过快产生非常大的充电电流, 所以就加了电阻Ro.起到限流作用，这个限流电阻也可以用电抗来替代。开美Kj 的作用是将&短路。当通上电源一段时间后，电容不会再产生

46、大的充电电流，这个 时候如果不把Ro短路的话，它会影响变频器的正常工作，还会消耗电能。VTb和Rb是泵升限制电路，也是泵升电压的释放回路。通常在设计的时候，我 们为了让变频器具有良好的散热性能,把制动电阻单独作为一个附件，将它安装到机 箱的外面驱动。下面对各个分电路和各个元器件参数选择性进行介绍：整流模块环节：采用三相不控整流模块将交流电变成直流电，以下的汁算是三相整流桥堆的一些 参数。通过二极管的峰值电流/, = 2 死=2梔 * 6.13 = 17.3A3.1)流过二极管电流的冇效值I | 120|二极管额定电流/v=- = 11.5A157(3.3)考虑滤波电容充电电流的影响，需要留一个

47、大的电流裕最，选用In=30A, 整流二极管额定电压U =(2- 3)心,=(2 3)2 x 380i = 1200v3.4本设计所选择的三相整流模块是杭州拓直公司的MDS的一个系列，型号是MDS40CM6。限流电阻：起限制电流作用，为了防止在通电的一瞬间，两个串联电容充电时产 生大的充电电流。所以在整流器和滤波电容间的直流网路上串入限流电阻，用来限制 通电瞬间电流过大，等电路接通-段时冋之后，把开关S闭合，使得限流电阻被短 路，减少能最的损耗。因为通电一段时间之后，电容己经处饱和状态，这个时候己 经稳定下来，不会出现大的充电电流，所以此时再将限流电阻接入，就没有必要，开 关S的设计，是基于这

48、一点。中间滤波环节：整流电路输出的直流电压冇脉动分戲，因此需要电容滤波用以减少直流电压脉动。 当没加滤波电容时，三相整流输出平均直流电压为VDC = 135x380 = 514V”3.5）加上滤波电容后VDC的最大电压可到达交流线电压的峰值竄心=y/2UL = Vi x 380=537V（3.6）滤波电容从理论I.来说是越大越好，基经济考虑，就选用两个2200卩F/450V的电 容相串联，便能到达同样效果。3.3驱动电路设计驱动电路是将微机控制电路所产生的PWM信号驱动一个大的功率场效应管。 然后经过功率放大后，来控制电力电子器件的开端和通断，这是一个弱电控制强电的 应用。驱动电路起到功率放大

49、的作用，是-种以低输入到输出较大功率为冃的的放大电 路。它用来宜接驱动负载，带我能力必须到达控制的要求，其输出功率必须足够大. 以输出足够大为目的，对其駆动电路进行逆向要求，对电压电流信号来说，如果其基值比拟大，那么在同等的放大条件下，就H冇更高的驱动输出。所以就要求功率放 大器件对这些幅值较髙的电压电流信号不失真放大oPWM脉冲频率对电机中的电枢 电流的连续性起作用，从而也决定了电机运行是否电流不稳。假设是频率不稳定，将 导致电机的低速性能不理想，烧坏晶体管，甚至有可能使电机产生剧烈颤抖。所以, 在设计PWM的驱动电路时，要慎重选择切换频率。所选用的晶体管的开关频率要 足够大为5Hz至20H

50、z。 * UFM MAh nruM wi* FW *m rwvn nm* rwuio5.: PWM*yilllUM KIWI.min IIMW C MRF 4iTwr4 CTItir c nni? niKrm ne imbm“。c* WE * (AHf 14* mr Fmi nnr rrw SxnrrvMi MW*AIMT*A5MXT*A4 MTZSMrrtu图3.3 DSPM小系统3.4控制电路设计变频器的控制电路现质大都以具有极髙计耸运行速度的微处理器为控制器，主要被用来对各种输入输出进行设定。在变频器中就是根据算法，控制其内部电路功能模 块，使共产生相对应的输出，例如产生PWM逆变电路的

51、驱动信号。微机芯片一般 用单片机，随着芯片技术的开展，具有极高计算速度的DSP被用于变频器。现在的 通用变频器DSP芯片一次性能处理32位数据，并旦具有RISC架构。PWM信号 能够通过软件对芯片编写代码产生，从PWM端口进行输出。由于变频器的开展， 现在芯片已被集成在变频器的主电路板上，不需单.独进行软件编程控制，宜接调设变 频器参教即可实现目的波形的生成，本系统中的变频器所使用用的芯片是关国德州仪溶公司的TMS320F2812DSP.以下对DSP2812进行介绍:数字信号处理器DSP是为独立快速实现各种数字信号处理运算而专门设计的一 种处理器件。现本系统中的芯片是目前C2000系列中应用最

52、为广泛、最R代表性的 芯片。它不仅具有多数DSP芯片广泛使用的32位内核结构、片内/外存储器映射、 时钟和中断管理机制，而且还具有事件管理器（EV）、串行通信接口 （SCI）、多 通道缓冲串行口（MCBSP）、eCAN总线模块和模数转换模块（ADC）等多种 片内外设。正因为DSP集成了这些模块，所以在数字控制领域中，它能实现高性能、 高精度控制，尤其在本变频器设计系统中对PWM波产生所起的作用。DSP28112芯片所具有的根本特点：内部采用将程序和数据分开存储的哈佛结 构，这样便使得读取和R入速度翻一倍：还采用4级流水线操作包括取指令、指令 详码、读操作数、执行；具有专门的硬件乗法器，可以在単

53、个周期内取两个操作数到 乘法器中进行乘法运算，这样使得算法具有高速性：提供特殊的DSP指令，可以用 来实现各种数字信号处理算法。本芯片对于电机和运动控制数字化优化具有高控制性能，特別适用于三相异步电 机。它集C2xx内核増强型TMS320设计结构和对控制电机的低功耗、高性能于一 体。更加上它内部的四级流水线，使得其对指令的控制速度在34ns左右。不仅具有 这些优良的控制功能，而且其价格也不贵，性价比很高，它的使用也使得控制系统的 体积大大减小了。它的事件管理器还提供了三个功能强大的16位定时器GP TIMERx（x=l, 2, 3）.将其组合可产生12路PWM信号。TMS320F2812芯片在

54、电机矢林控制中所起的作用：根据光学编码器输入的两相増皐数字脉冲信号A、B,判別电机旋转方向的正负。 根据光学编码器输人的信号A、从C、U、V. W确定对定子转于相对人相绕组 轴线的夹角。速度比拟，提供参考转矩作为校正补偿将采集的三相电流进行人/转换，然 后再进行3/2变换。将电流信号与反应电流信号进行比拟，得出校正偏差，作3/2变换。最后确定 PWM的脉宽系数，产生PWM揑制波。对反应的信号进行处理，如出现故障信号，将执行中断。将会通过切断主电路电 源，同时中断PWM输出，并对故障诊断。DSP2812的控制流程：系统初始化，电流栗样处理格式，等待中断，速度采样 处理格式，电流模块运尊，位罟.、

55、速度调节器，外部中断处理模块，电流调节器，磁 极位置检测，SVPWM模块运算。信号采集局部电路如图3.4图3.5.电压、电流、温度等检测信号经信匕处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPW 作为控制算法的依据，井同时作用显示和故障保护。3.5软件设计将DSP初始化后，其执行步残如下图:图(a)系统初始化程序(b)主程序4变频器SVPWM控制系统建模仿真及结果分析“MATLAB是关国MathWorks公司研发出的用于商业的数学软件，它广泛 应用在算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式 环境，主要包括MATLAB和SiinulH

56、ik两大局部。它将数值分析、矩阵计算、科 学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使 用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域 提供了一种全面的解决方案g”，所以本控制系统就使用的是MATLAB的 Simuliiik来仿真的。在MATLAB的SIMULINK环境下，能够很方便的实现 SVPWM控制算法。4.1系统仿真模型的建立根据第二章的变频器SVPWM控制算法的工作原理，利用MATLAB的 simuliiik仿真平台，进行系统仿真模型的建立。整个系统复杂繁琐，由于MATLAB 具有很好的封装模块模型，把系统进行封装后，各个局部实

57、现各自的功能，系统模块 功能便明了起来。以下便是对变频器SVPWM控制系统仿真模块的搭建： 对扇区的判断：根据第二章对SVPWM的原理的分析，我们知道了期望电压的组成.它包括两 个根本电压矢量，所以，计先我们要对参考电压所在扇区进行判断。图扇区位置B。=七14.1)R V3 1白 1N = sign(B) +2sign(Bl)+4咖(B2)式中，站、叫为电机绕组在静止两相坐标系下的电压。其N值与扇区伉对应关系见表2.5。Constant图所住扇区的判断再对扇区的根本电压矢/作用时冋进行判断，假设7+兀7；，可以得出:T、=T；rjE+T“），心二心7；/（7；+乙），根本矢最作用时间计算的仿真

58、模块如下图:Multiport Switch 1EUW* 玄%玄毛图根本矢鼠作用时间图开关作用时间图PWM波形生成模块开美作用时间J的计算:令与盘?必兀皿 + g二皿+勻，那么每个区N与矢量作用时间 4422J-,之间的关系见表2.6。仿真模块搭建见图。生成PWM波形J Sequence归Scopel图4.6 SVPWM整个算法模块通过以上仿真的搭建，我们就在MATLAB的Simulmk模块中模拟产生出SVPWM波形，通过控制逆变器的开关管通断，便能对电机进行SVPWM控制.系统的仿真模型图:Continuouspowergui TmL -repCcnn-tlUniversal Bflflge

59、LDC1斗IniIniOiHouDsystemsConstant1400 By CPemenent MagnetSynchronous Machines.abciqIdmwmTe-Cemuxl ScopeT.Volti-a* MeajurenitrtScope2AddConsent*PIspeedOutl In1。幽遗妙SVPWM控制系统SuDsvstem4.2系统仿真结果分析参数设定如卜：本仿真模以搭建使用1气流逆变为交流电，直流电压源电压为600V,转速给定为1400r/mm：采样周期，三角载波的周期为,图4.8逆变器输出的PWM波形图以和七波形为。仿立结果如下：使用SVPWM在满调制时，

60、对丁电压的利用率为86.6%,我们从仿真的结果可以得知，SVPWM较SPWM方式对于直流电压利用率可以提高0.15。通过仿真可以得到期望电压矢信所在扇区波形。图扇区判断波形N对合成的电压矢量进行扇区判断之后，再利用最近的两个非零矢量进行期望电压 合成，其中为了调制出适口的电压空间矢员:，防11:岀现过调制，需要参加零电压矢址,对矢量的作用时间其波形图如图。图根本矢信作用时间当确定根本合成电压矢宗的作用时间，对其开关顺序进行优化，在本揑制算法中 使用5段调制，此调制方法会比七段转矩脉动稍大，但波形仍然对称，其开关状态仿 真如下图。图开关状态图电机电流波形图调速波形通过示波器对电机上的电流进行监控