空间电压矢量PWM算法的SIMULINK仿真实现

２６　《电气开关｝（２００６．Ｎｏ．３）　文章编号：１００４－－２８９Ｘ（２００６）０３－－００２６－－０４　空间电压矢量ＰＷＭ算法的ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真实现　华晓萍壬奔孟凌凌兰金茹孟庆波　（西南交通大学电气工程学院，四川　成都　６１００３１）　摘要：介绍了空间电压矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）技术的基本原理及其实现的算法，并对该ＳＶＰＷＭ算法用ＭＡＴ—　ＬＡＢ６．５／ＳＩＭＵＬＩＮＫ进行了仿真，最后给出了仿真结果。　关键词：空间电压矢量ＰＷＭ；仿真；ＭＡＴＬＡＢ函数　中图分类号：ＴＭ７１４．２　文献标识码：Ｂ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　ＨＵＡ　Ｘｉａｏ－－ｐｉｎｇ　ＷＡＮＧ　Ｂｅｎ　ＭＥＮＧ　Ｌｉｎｇ－－ｌｉｎｇ　ＬＡＮ　Ｊｉｎ一　ＭＥＮＧ　Ｑｉｎ－－ｂｏ　（Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ＭＡＴＬＡＢ６．５／ＳＩＭＵＬＩＮＫ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＶＰＷＭ；ＳＩＭＵＬＡＴ１０Ｎ；ＭＡＴＬＡＢ—ＦＵＮＣＴＩＯＮ　逆变器的输出相电压依赖于它所对应的桥臂上下　１　引言　功率开关的状态。三相桥式逆变器有８种工作状态，可　组合出ｄ－－ｑ平面上的８个基本的输出空间电压矢量　空间电压矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）技术源于交流电　Ｕ。～　，如图２所示。６条模相等的非零矢量将ｄ－－ｑ　机的变频调速驱动，着眼于如何控制三相逆变器的开　平面均分为６个扇区Ｏ～５，对位于任一给定扇区中的　关动作来改变施加在电机上的端电压，使电机内部形　空间电压矢量Ｕ　，可由该扇区两边的基本空间电压　成准圆形旋转磁场。以后的发展使得这种ＰＷＭ控制　矢量来合成　若Ｕ　ｆ在Ｓｅｃｔｏｒ　０中，则可由Ｕ。和Ｕ６。以　脱离了交流电机磁链轨迹控制的原意，形成了电力电　及零矢量来合成，方法如上图２所示。由伏秒平衡原理　子技术中一类ＰＷＭ控制方式。ＳＶＰＷＭ技术由于其　可知：　电压利用率高及控制简单、数字化实现方便等优点而　ｆ　ＵｏＤｌ＋Ｕ６ｏＤ２一　ｆ　得到了广泛应用。ＭＡＴＬＡＢ的ＳｌＭＵＬＩＮＫ工具提供　了良好的仿真环境，通过模块搭建就能方便地实现系　｜Ｉ　Ｔ　１　（２－１）　统的动态仿真。本文即应用ＳＩＭＵＬＩＮＫ对ＳＶＰｗＭ　式中，　。为ＰＷＭ的开关周期，　ｌ、　。分别为Ｕ。　算法实现仿真。　和Ｕ　。在Ｔ。内的作用时间。设Ｕ　与Ｕ。间的夹角为０，　则由正弦定理：　２空间电压矢量ＰＷＭ技术基本原理　典型的三相逆变器结构图如图１所示。　Ｉｕ．，Ｉ：　一：　（２－２）ｓｉ・ｎ　ｓｉｎｅ—ｓ・ｉｎ（Ｌ　—　）要一ｅ）　‘　　若零矢量的作用时间为　。，联立以上两式可得：　Ｉ　＝　ＩＴ，ｓｉｎ（｝　）　１　。＝　Ｉ　｜Ｓｉｎ　（２－３）　图１逆变器的工作原理图　【Ｔｏ＝＝：　一　ｌ一　２　维普资讯 http://www.cqvip.com

《电气开关）（２００６．Ｎｏ．３）　Ｕ６ｏ（１１０）ｆ　１￣／　Ｓｃｃｔｏｒ　Ｕｏ　（１Ｏ０　）ａｍ㈣旬　Ｉ．　’．，丐，　图２空间电压矢量的分布　３空间电压矢量ＰＷＭ的算法　利用ＳＶＰＷＭ技术进行实时调制，需将　在二　维静止坐标系ｄ轴和ｑ轴的分量　和　以及ＰＷＭ　周期　。量作为输入。　３．１计算参考电压矢量　ｆ的ｄ分量和ｑ分量　由ｄ－－ｑ变换可得到　的ｄ分量　和ｑ分量　。。　。　羞橱　一　ｊ　：ｊ　ｆ＇Ｃａｓｅｌ：当Ｕｑ＞０时，令Ａ一１，否则Ａ＝０　Ｉ（即Ａ一１表示Ｕ　ｆ位于０。１，ｚ扇区）　　ｌ１Ｃａｓｅ２：当Ｕｑ＜√厂３・Ｕｄ时，令Ｂ＝１，否则Ｂ＝０。．．　　１（Ｉｌ　即Ｂ一１表示￡，ｒｅｌ位于０。４，５扇区｝Ｂ＝０表示Ｕ　位于１。２，３扇区）　Ｃａｓｅ３　１当Ｕｑ＜一√３・￡广＿　，ｄ时，令ｃ一１，否则ｃ＝０。　【（即ｃ一１表示￡，ｒｅｆ位于ｚ，３，４扇区｝ｃ　０表示￡，ｒｅｆ位于０，１，５扇区）　￣ｖ（Ｕａ－Ｕｑ　ｃ丽ｏｓ６０￣　（３－３）　则Ｕ　位于不同扇区时对应的相邻矢量作用占空　比Ｄ　和Ｄ。如下表所示。　２７　表１　Ｕ　位于不同扇区时对应相邻合成向量占空比　当出现饱和，即（Ｄ１＋Ｄ２）＞１时，则使ＤＩ＝Ｄ１／Ｄ１　＋Ｄ：，Ｄ。－－Ｄ。／Ｄ　＋Ｄ。，否则，需引入零矢量。对于零矢　量的选择，主要考虑选择０（０００）或０（１１１）应使得开关　状态变化次数尽可能少，以降低开关损耗。通常的原则　是相邻两个矢量之间只有一个开关状态发生变化。本　文中将０（１１１）平均分布在Ｕ　ｆ的起点和终点上，０　（０００）分布在己厂　ｅ｛的中点上，并使０（１１１）与０（０００）的　作用时间相同，即占空比相同，均为Ｄｏ：　Ｄｏ＝＝＝　（３—４）　对于相邻向量中选择哪一个向量的占空比为Ｄ　，　哪一个为Ｄ。，也应依据使开关状态变化次数尽可能小　的原则来选择。一般来说相邻两扇区中的公共矢量在　前一个扇区中的占空比和在后一个扇区中的占空比的　选择相同，即均作为Ｄ　或Ｄｚ。　３．４计算比较器的切换点Ｄ　，Ｄｂ和Ｄ　：　位于不同扇区时对应每相桥臂开关的占空比　Ｄ　，Ｄ　，Ｄ　如下表所示：　表２　Ｕ，　位于不同扇区时对应各相开关的占空比　囊区号　ＳｅｖｔｏｒＯ　Ｓｔ￣ｔｏｒｌ　Ｓｅｃｔｏｒ２　Ｓｅｃｔｏｒ３　Ｓｅｃｔｏｒ４　Ｓｅｃｔｏｒ５　＾，　３　１　５　４　６　２　Ｄｏ＋Ｄｌ＋Ｄ２　Ｄｏ＋Ｄｌ　Ｄｏ　Ｄｏ　Ｄｏ＋Ｄｌ　Ｄｏ＋Ｄｌ＋扫２　Ｄ０＋Ｄ１　Ｄｏ＋ＤＩ＋Ｄ２　Ｄｏ＋Ｄｌ＋Ｄ２　Ｄｏ＋Ｄｌ　Ｄｏ　Ｄｏ　Ｄｏ　Ｄｏ　Ｄ０＋Ｄ１　Ｄｏ＋Ｄｌ＋Ｄ２　Ｄｏ＋Ｄｌ＋Ｄ２　Ｄｏ＋Ｄｉ　４　ＳＶＰＷＭ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真　本文对ＳＶＰＷＭ算法仿真，输入参考电压采用由　１、５、７、１ｌ、１３、１７、１９次谐波合成的三相电压，通过　ＳＶＰＷＭ控制逆变器，在其输出端创建出三相电压，　跟踪参考电压。在ＳＩＭＵＬＩＮＫ中实现ＳＶＰＷＭ的仿　真模块连接图如图３～１０所示。　哙　碑　ｌ模块功能描述　ｌ　２　图３计算Ｕ　ｄ的ｄ分量和口分量　维普资讯 http://www.cqvip.com

２８　图４判断Ｕ　所在扇区　降培　Ｌｆ　一Ｊ　＿１　ｉ／３）　图５计算Ｄ　及Ｄ　和Ｄｚ子系统　图６计算Ｄｏ及Ｄ。和Ｄ：子系统　图７计算Ｄ．及Ｄｂ和Ｄ　子系统　Ｉｌ　一同　量　．田．ｒｒ　：丽　ｙ　ＰＷＭＡ　Ｄａ　一Ｄ　Ｒ　匿　一ｃＤ　ｅ。ｌ‘ａ　ｙｌ　ＰＷＭＢ　Ｄｂ　］【）　Ｄｅ　图８产生ＰＷＭ波形子系统　图９中的ＭＡＴＬＡＢ函数模块是用来实现取反　的。由于逆变器的每相桥臂的上下开关实现的是互补　控制，故若某～相桥臂的上开关取‘１，，则下开关应取　‘０　；反之，上开关去取‘０’时，下开关应取‘１’。该函数　就是用来实现该功能的　５仿真结果　在逆变器开关频率取ｌｋＨｚ；输入直流电压　出为　３００Ｖ；三相参考电压为由１、５、７、１１、１３、１７、１９次谐波　《ｔ气开关｝（２００６．Ｎｏ．３）　合成的三相电压，其中基波频率为５０Ｈｚ。各次谐波幅　值分别为１，一１／５、１／７、一１／１１、１／１３、一１／１７、１／１９。　三角波周期为０．Ｏ０１ｓ，幅值为１，仿真时间设定为０．１ｓ　时，仿真结果如图１１和图１２所示。　图９　ＳＶＰＷＭ控制系统框图　图１０　ＳＶＰＷＭ实现整体框图　０．５１　占０．５　０．５１　０．５　Ｏ．５１广—’——　——ｒ—　——Ｔ——　—。’———　］　Ｔｉｍｅ（ｓ）　图１１　Ｄ．，Ｄｂ，Ｄｃ仿真波形　２　Ｔｉｍｅ（ｓ）　图ｌ２输出电压仿真波形　从仿真结果可以看出，在逆变器的输出端创建出　了带谐波的三相交流电压。在０．Ｏｌｓ以后输出电压基　本跟踪上了参考电压，延迟为０．Ｏｌｓ，控制效果较为理　想　在实际应用中，若采用高频功率器件作为逆变器的　开关，能得到较好的控制效果。　（下转第３１页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

《电气开关）（２００６．Ｎｏ．３）　图３大车控制原理　Ｑ１１：总短断器；Ｋ０１一Ｋ０３：加速延时继电器；Ｋ００：零压继电　器；ＫＸＸＸ：电阻切换接触器；Ｑ７１、ＫＴ１：抱闸断路器、接触　器；Ｆ２１一Ｆ２４：过流继电器ＩＫ０１一Ｋ０２：控制上升、下降的中　间继电器；Ｋ１１一Ｋ２１：左行、右行接触器，Ｋ０４一Ｋ０５：左行、　右行接触器切换延时继电器　５系统调试　１）上升和平移板上的转子电压的设定要符合电动　机的名牌，可以改变电阻桥的电阻数量来调整；　２）正确设定继电板上的控制电压；　３）确保ＴＨＹＲＯＭＡＴ一阴／ＢＴ的１～８号端子　上没有外部电压；　４）检查转子反馈线接到１７、１８端子；　５）将主令放置一档，若电机不转，则调换相位；　６）观察制动器，在任何情况下，电动机停转应在　先，而制动器动作在后；　７）接触器任何时候不应拉弧；　８）当全速上升或动力制动下降时，接触器Ｋ４１、　Ｋ４２必须吸合，电流峰值不应超过正常满载时的两倍　６　ＴＨＹＲＯＭＡＴ　ＢＨ／ＢＴ控制器的特点　６．１运行特点　在两个运行方向上均有三个独立于载荷的慢速：　１Ｏ％、２Ｏ％和３Ｏ％。全速时，延斜波加速。低速档不切　换电阻，转子接触器起缓冲作用或转换时限流。　对于上升系统，Ｋ４０、Ｋ４１两个加速接触器分别　在ｌ２．５Ｈｚ、２５Ｈｚ时切换，这时的转速分别是５Ｏ　和　７５　。　零电流接触器切换，大大减少接触器触头的拉弧　３ｌ　烧损，减少了维护量。　加到电动机上的电压是斜波直线，避免对电动机　和减速箱的机械冲击。　６．２维护特点　设备安装简单，无须专业人员维护，维护工作量　少，控制板插槽式的设计使更换工作可以快速操作。控　制板通用性强，备件数量少　７结束语　１００吨桥式起重机自从投产使用ＴＨＹＲＯＭＡＴ　－ＢＨ／ＢＴ交流可控硅控制器控制系统至今运行非常　稳定，故障率低，维护量少，确保了生产的顺利进行。　收稿日期：２００５－一１Ｏ一２７　（上接第２８页）　６结束语　本文首先叙述了空间电压矢量ＰＷＭ技术的基本　原理，其后对ＳＶＰＷＭ算法进行了详细阐述，最后用　ＭＡＴＬＡＢ６．５的ＳＩＭＵＬＩＮＫ对ＳＶＰｗＭ算法进行　了仿真，得到较为理想的结果。该ＳＶＰＷＭ算法可在　数字信号处理器芯片上实现。近年来，ＳＶＰＷＭ技术　在有源电力滤波器中得到了越来越广泛的应用。　参考文献　Ｅ１］　张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北　京：机械工业出版社，２００３年１Ｏ月．　［２］薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系　统仿真技术与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４　年４月．　［３］　吴天明，谢小竹等．ＭＡＴＬＡＢ电力系统设计与　分析［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４年１月．　［４］Ｈｏｌｔｚ　Ｊ．Ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｋ　Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１　９９２，３９（５）　［５］　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｚｈａｎ，Ｖｉｇｎａ　Ｋｕｍａｒａｎ　Ｒａｍａｃｈａｎｄａｒａｍｕｒｔｈｙ．Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｓｔｏｒｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｏｌｔａｇｅ——Ｓｐａｃｅ——Ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｔｒｏ１．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００１，３７（６）　收稿日期；２００６一Ｏ２一ｚ０　作者简介；　华晓萍（１９８０一）．硕士生，主要研究嵌人式系统开发。　王奔（１９６０－－），教授，主要研究电力系统的非线性及变结构控制。　孟凌凌（１９８０－－），硕士生，主要研究嵌人式系统开发。