電壓空間矢量研究及Matlab仿真

張勝達 曹建文

摘 要:介紹了空間矢量脈寬調制(SVPWM)的基本原理,詳細分析了在Matlab環境下實現電壓空間矢量的方法,最后給出結合永磁同步電機(PMSM)調速系統的仿真實驗結果。仿真結果表明,該系統具有良好的魯棒性和快速性,對電機參數不敏感,為研究永磁同步電機調速提供了一定的理論和仿真依據。

關鍵詞:SVPWM;空間矢量;Matlab;PMSM

中圖分類號:TM712 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-152-02

Research of Space Vector Pulse Width Modulation and Simulation in Matlab

ZHANG Shengda,CAO Jianwen

(Shanxi Coal Mining Maclinery Co.Ltd.,China Coal Research Institute,Taiyuan,030001,China)

Abstract:The basic principle of Space-Vector Pulse Width Modulation (SVPWM)and the simulated method in Matlab are introduced in detail.The simulation with Permanent-Magnet Synchronous Machine(PMSM) AC speed control system results are shown.Simulation results demonstrate that the proposed control scheme can obtain a robust fast speed control.The system is not sensitive to motor parameters.Theory and Matlab simulation method is given to further study of PWSM.

Keywords:SVPWM;space-vector;Matlab;PMSM

近年來,電機的空間矢量理論被引入到逆變器及其控制中,形成和發展了空間矢量PWM(SVPWM)控制思想。其原理就是利用逆變器各橋臂開關控制信號的不同組合,使逆變器輸出電壓空間矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。空間矢量脈寬調制技術,不僅使電機脈動降低,電流波形畸變減小,且與常規正弦脈寬調制(SPWM)技術相比,直流電壓利用率有很大提高,并更易于數字化實現[1-4]。

1 電壓空間矢量調制(SVPWM)算法

SVPWM是以磁鏈跟蹤控制為目標,使逆變器瞬時輸出三相脈沖電壓合成的空間電壓矢量與期望輸出三相正弦波電壓合成的空間電壓矢量相等。對于三相電壓型逆變器而言,它有8種工作狀態,用矢量表示這8種空間狀態[5-9],如圖1所示。

介紹SVPWM工作原理[5-10]的相關文獻很多,這里不再細述,以下給出算法步驟:

(1) 判斷參考電壓矢量Vref所在扇區

引入三個中間變量A,B,C:

If:Vβ>0,Then A=1,Else A=0;

If:3Vα-Vβ>0,Then B=1,Else B=0;

If:-3Vα-Vβ>0,Then C=1,Else C=0;

則扇區號:S=A+2B+4C。

圖1 磁鏈運行區間

(2) 計算扇區的有效電壓空間矢量和零矢量的作用時間Tx,Ty和T0

引入三個中間變量X,Y和Z:

X=-3VβTPWMVdc

Y=32Vβ+32VαTPWMVdc

Z=32Vβ-32VαTPWMVdc

(1)

對于不同的扇區,Tx,Ty按表1取值。

飽和判斷:If:Tx+Ty>TPWM,Then:Txout=TxTx+TyTPWM;Tyout=TyTx+TyTPWM;Tx=Txout;Ty=Tyout。計算零電壓矢量作用時間:

T0=TPWM-Tx-Ty。

表1 Tx,Ty賦值表

扇區123456

TxZY-Z-XX-Y

TyY-XXZ-Y-Z

(3) 開關切換時間分配

先定義空間矢量切換點分別為:

Ta=(TPWM-Tx-Ty)/4

Tb=Ta+Tx/2

Tc=Ta+Ty/2

(2)

則根據空間矢量所處的扇區不同,晶體管的切換時間Tcm1,Tcm2,Tcm3分別如表2所示。

表2 開關切換時間表

扇區123456

Tcm1TbTaTaTcTcTb

Tcm2TaTcTbTbTaTc

Tcm3TcTbTcTaTbTa

Simulink仿真環境下可以方便地利用模塊和軟件編程擴展進行仿真。根據上述實現方法,構造了如圖2所示的Simulink仿真模型。

圖2 SVPWM子模塊

在模型中使用Repeating Sequence模塊作為雙向定時計數器,與SVPWM調制波進行比較,其輸出作為滯環比較器的輸入。Matlab語言編寫的S函數則作為比較值的計算與分配單元。

2 仿真與分析

仿真對象:SVPWM與永磁同步電機。通過Matlab仿真得到的波形如圖3所示。

圖3 永磁同步電機仿真波形

3 結 語

通過仿真研究,SVPWM矢量控制變頻調速系統的結構簡單,容易實現數字化。扇區判斷正確,占空比對應的時間準確,轉矩輸出波形較平穩。其逆變器直流電壓利用率比用SPWM高,諧波成分小,采用矢量控制技術的電機調速系統動靜態性能非常優良。

參考文獻

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[10]吳安順.最新使用交流調速系統[M].北京:機械工業出版社,1998.

作者簡介 張勝達 男,1970年出生,1992年畢業于山西礦業學院,高級工程師。

曹建文 男,1975年出生,2006年畢業于太原理工大學,助理工程師。