电压空间矢量研究及Matlab仿真

摘 要:介绍了空间矢量脉宽调制(SVPWM)的基本原理,详细分析了在Matlab环境下实现电压空间矢量的方法,最后给出结合永磁同步电机(PMSM)调速系统的仿真实验结果。仿真结果表明,该系统具有良好的鲁棒性和快速性,对电机参数不敏感,为研究永磁同步电机调速提供了一定的理论和仿真依据。

关键词:SVPWM;空间矢量;Matlab;PMSM

中图分类号:TM712 文献标识码:A

文章编号: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

近年来,电机的空间矢量理论被引入到逆变器及其控制中,形成和发展了空间矢量PWM(SVPWM)控制思想。其原理就是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合,使逆变器输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。空间矢量脉宽调制技术,不仅使电机脉动降低,电流波形畸变减小,且与常规正弦脉宽调制(SPWM)技术相比,直流电压利用率有很大提高,并更易于数字化实现[1-4]。

1 电压空间矢量调制(SVPWM)算法

SVPWM是以磁链跟踪控制为目标,使逆变器瞬时输出三相脉冲电压合成的空间电压矢量与期望输出三相正弦波电压合成的空间电压矢量相等。对于三相电压型逆变器而言,它有8种工作状态,用矢量表示这8种空间状态[5-9],如图1所示。

介绍SVPWM工作原理[5-10]的相关文献很多,这里不再细述,以下给出算法步骤:

(1) 判断参考电压矢量Vref所在扇区

引入三个中间变量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;

则扇区号:S=A+2B+4C。

图1 磁链运行区间

(2) 计算扇区的有效电压空间矢量和零矢量的作用时间Tx,Ty和T0

引入三个中间变量X,Y和Z:

X=-3VβTPWMVdc

Y=32Vβ+32VαTPWMVdc

Z=32Vβ-32VαTPWMVdc

(1)

对于不同的扇区,Tx,Ty按表1取值。

饱和判断:If:Tx+Ty>TPWM,Then:Txout=TxTx+TyTPWM;Tyout=TyTx+TyTPWM;Tx=Txout;Ty=Tyout。计算零电压矢量作用时间:

T0=TPWM-Tx-Ty。

表1 Tx,Ty赋值表

扇区123456

TxZY-Z-XX-Y

TyY-XXZ-Y-Z

(3) 开关切换时间分配

先定义空间矢量切换点分别为:

Ta=(TPWM-Tx-Ty)/4

Tb=Ta+Tx/2

Tc=Ta+Ty/2

(2)

则根据空间矢量所处的扇区不同,晶体管的切换时间Tcm1,Tcm2,Tcm3分别如表2所示。

表2 开关切换时间表

扇区123456

Tcm1TbTaTaTcTcTb

Tcm2TaTcTbTbTaTc

Tcm3TcTbTcTaTbTa

Simulink仿真环境下可以方便地利用模块和软件编程扩展进行仿真。根据上述实现方法,构造了如图2所示的Simulink仿真模型。

图2 SVPWM子模块

在模型中使用Repeating Sequence模块作为双向定时计数器,与SVPWM调制波进行比较,其输出作为滞环比较器的输入。Matlab语言编写的S函数则作为比较值的计算与分配单元。

2 仿真与分析

仿真对象:SVPWM与永磁同步电机。通过Matlab仿真得到的波形如图3所示。

图3 永磁同步电机仿真波形

3 结 语

通过仿真研究,SVPWM矢量控制变频调速系统的结构简单,容易实现数字化。扇区判断正确,占空比对应的时间准确,转矩输出波形较平稳。其逆变器直流电压利用率比用SPWM高,谐波成分小,采用矢量控制技术的电机调速系统动静态性能非常优良。

参考文献

[1]杨贵杰.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报,2001,21(5):79-83.

[2]程善美.SIMULINK环境下空间矢量PWM的仿真[J].电气自动化,2002,24(3):38-41.

[3]王晶晶,徐国卿,王麾.基于DSP高速信号处理器的空间电压矢量PWM技术的研究与实现[J].电力系统及其自动化学报,2002,14(6):27-31.

[4]刘凤君.正弦波逆变器[M].北京:科学出版社,2002.

[5]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,2002.

[6]周延,肖海燕.基于TMS320LF2407A的SVPWM变频系统的设计\.现代电子技术,2007,30(19):160-162.

[7]董玮.用C语言和Matlab构造PWM控制仿真模型的一种方法[J].电气传动,2001,31(1):60-61.

[8]孙文焕.基于Matlab的交流变频调速系统的仿真[J].电气自动化,2001,21(3):49-51.

[9]刘文良.Matlab在电力电子技术仿真中的应用[J].电气自动化,2001,21(3):53-54.

[10]吴安顺.最新使用交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998.

作者简介 张胜达 男,1970年出生,1992年毕业于山西矿业学院,高级工程师。

曹建文 男,1975年出生,2006年毕业于太原理工大学,助理工程师。