基于SIMULINK的SVPWM建模與仿真分析

彭莎，周信建

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

針對變頻調速技術的核心—SVPWM技術，介紹了電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法的具體實現(xiàn)步驟，并用MATLAB/Simulink工具箱搭建了仿真電路，分析仿真結果驗證了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，隨著電力電子技術與控制理論的發(fā)展，交流電機變頻調速技術取得了快速的發(fā)展，目前基于電機變頻調速的節(jié)能技術已經在許多領域得到應用，創(chuàng)造了巨大的節(jié)能效果。采用脈寬調制（PWM）技術是變頻調制的主要措施［1-2］。正弦波PWM（SPWM）技術首先被采用并一直沿用至今，經過不斷地完善，效果顯著。然而它仍有不足之處，例如電壓利用率不高、低速時存在轉矩脈動等［2］。20世紀80年代，SVPWM技術被提出［3］，克服了SPWM的部分缺點，表現(xiàn)在諧波抑制效果更好、轉矩較平穩(wěn)、直流利用率高，因此很快得到推廣和應用。

本文采用了MATLAB的Simulink仿真軟件環(huán)境，它有良好的人機界面和周到的幫助功能，通過模塊組合就能方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)仿真。在實際設計之前先進行仿真試驗能有效地降低成本，還能及時地發(fā)現(xiàn)問題加以改正。

1 SVPWM算法的數(shù)字實現(xiàn)

三相電壓源逆變器如圖1所示，電機的相電壓依賴于它所對應的逆變器的上下橋壁的開關狀態(tài)，由開關電路組合可產生電壓矢量在空間形成脈動旋轉電壓矢量，亦即產生脈動旋轉磁鏈。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，其底層構建圖如下頁圖4所示。以uout=uoα+j·uoβ形式出現(xiàn)時，

則P與扇區(qū)的對應關系見下頁表1。

表1

圖4 Substytem1確定扇區(qū)N的仿真實現(xiàn)

（2）計算X、Y、Z（扇區(qū)作用時間的可能取值），即圖3的Substytem2模塊，其底層構建圖如圖5所示。

圖5 Substytem2計算X、Y、Z的仿真實現(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，

圖6 定子電壓空間矢量

（3）確定T1、T2（各個扇區(qū)對應的兩相鄰矢量的作用時間），即圖3的Substytem3模塊，其底層構建圖如圖7所示。

圖7 Substytem3確定T1、T2的仿真實現(xiàn)

由以上分析，得扇區(qū)編號與計算時間的關系，如表2。

表2

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

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

扇區(qū)號與三相PWM半周期脈沖寬度的關系，如表3。

表3

（5）最后根據空間矢量切換點導通晶閘管產生SVPWM波形。即圖3的Substytem5模塊，其底層構建圖如圖9所示。

圖9 產生PWM波形的仿真

1.2 仿真結果分析

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

Scop1：

圖10 各參數(shù)的仿真結果

Scope1顯示的是判斷扇區(qū)N的結果。輸入的3相電壓經過clark坐標變化，產生相位差為90的兩相電壓，周期仍為0.02s。根據公式（1）、（2）扇區(qū)N的值呈現(xiàn)5、1、3、2、6、4的周期變化，仿真結果與理論一致。Scope顯示的是產生的SVPWM波形的其中3路（pwm1、pwm3、pwm5），因為另外3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知理論與實際仿真結果相符，SVPWM算法是可行的。

2 異步電機SVPWM控制系統(tǒng)仿真與分析

在Simulink環(huán)境下，建立的異步電機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

電機參數(shù)設定為：電機額定功率3.7KW，額定電壓380V，額定頻率50Hz，定子電阻0.436Ω，定子漏感0.002H，轉子電阻0.815Ω，轉子漏感0.002H，互感0.068H，轉動慣量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，總仿真時間為0.5s。

對各個元件的參數(shù)進行配置完成后就可以進行仿真了。此處我們進行的是理想空載起動仿真，令負載轉矩為0，仿真結果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)仿真各參數(shù)仿真結果

從圖12中可知，啟動過程在0.25秒結束。因負載轉矩為0，所以轉速達到了同步轉速（1500r/min）。電機在初始起動階段呈現(xiàn)強烈振蕩，完全啟動后轉矩為0，即設定的負載轉矩。三相電流在電機啟動過程中電流較大，隨著轉速的增加，三相電流的頻率由起動時的50Hz變化到完全起動后的0Hz。

由以上分析可以看出，三相電流在電機啟動過程中電流較大，但經過較短時間的調節(jié)，電流很快達到穩(wěn)定，電流諧波小。從電機轉速以及轉矩曲線可以看出，系統(tǒng)帶負載轉動響應快速，在0.25秒左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，電機轉矩在啟動過程中也有一定的波動，但達到穩(wěn)定狀態(tài)后轉矩脈動小。

3 總結

基于SVPWM的變頻調速系統(tǒng)結構簡單，容易實現(xiàn)數(shù)字化，與其他變頻調速系統(tǒng)相比，電流諧波較小，轉矩脈動減小，更具有優(yōu)勢，更適應數(shù)字化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

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

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

[3]van der Broeck HW,Skudelny H C，StankeGV.Analysisand Realization ofa Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors[J]. Industry Applications,IEEETransactionson.1988,24(1):142-150．

[4]M.P.Kazmierkowski，L.Malesani．Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters:a survey[J].Industrial Electronics，IEEETranscctionson，2010,45(5):691-703．

[5]翁力,韓林,趙榮祥.SVPWM扇區(qū)過渡的分析研究[J].機電工程,2003(3):49-51.

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，桂林電子科技大學信號與信息處理專業(yè)碩士研究生，研究方向：電機控制。

周信?。?987-），男，廣西貴港人，梧州學院信號處理實驗室科研人員，研究方向：工業(yè)控制、信號處理。

（責任編輯：高堅）

2013-08-18