异步电机电压空间矢量系统的仿真研究.doc

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1、摘要由于直流电动机结构复杂，制造费时以及需要经常性维护等缺点，使得人们一直努力寻找能替代直流电动机调速的交流电动机调速。随着电力电子技术、PWM调制技术、计算机控制技术、交流电动机的控制技术的发展，交流调速系统由于其坚固耐用、运行可靠等众多优点，正在逐步取代以前直流调速系统，在传动领域占据主导地位。直到20世纪80年代中期，德国学者们在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的概念。SVPWM又称磁链追踪型PWM法，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得圆磁场。本文首先介绍了种种交流调速技术，并逐一的分析其优缺点，然后重点详细的

2、介绍了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，就其如何使电机获得圆磁场进行了具体的分析和推导。并且推导出在MATLAB/SIMULINK环境下SVPWM控制信号的数学模型，并得到SVPWM控制下的电动机输出电流、电压、转速、转矩、磁链等信号的波形，经分析证实了异步电机在SVPWM控制下，具有启动电流小、转速稳定快、直流利用率高、能量损耗少、谐波少、控制简单等优点。I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractAs the DC motor complex, manufacturing time and the need for regular maintenance shortcoming

3、s, so people have been looking for an alternative to DC motor speed control of AC motor speed control. With the power electronics, PWM modulation technology, computer control technology, communication technology, the development of motor control, AC drive system because of its rugged, reliable opera

4、tion of the many advantages, is gradually replacing the previous DC drive system, in drive occupy dominance.Until the mid-1980s, the German scholars proposed in the alternating current machine velocity modulation the flux linkage trajectory controls thought that based on this further developed has h

5、ad the voltage space vector pulse-duration modulation (SVPWM) concept. SVPWM said that the flux linkage tracing PWM law, it is from electric motors angle embarking, how focuses to cause the electrical machinery to obtain the circular field.This paper introduces the various AC variable speed, and the

6、 analysis of their advantages and disadvantages of each, and then focus on a detailed description of the voltage space vector pulse width modulation (SVPWM) technique, on how they get round the motor magnetic field analysis and derivation of specific . And derived in the MATLAB / SIMULINK environmen

7、t, the mathematical model of SVPWM control signal, and get SVPWM under the control of motor output current, voltage, speed, torque, flux and other waveform, confirmed by the analysis of induction motor under the control of the SVPWM with a start current, speed stability and quick, DC high efficiency

8、, low energy loss, less harmonic control and simple.III 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 交流调速的发展历程21.2.1 三大核心技术的突破21.2.2 三个发展阶段4第2章SVPWM调制原理和主电路设计102.1 SVPWM调制技术概述102.2 SVPWM调制原理102.3 主电路拓扑152.4 主电路参数计算16第3章 基于MATLAB/SIMULINK的仿真183.1 MATLAB/SIMULINK简介183.2 SVPWM的算法及仿真193.3 异步电机模块的介绍273.4 SVPWM控制下的异

9、步电机仿真27第4章 仿真结果与波形分析304.1 SVPWM控制下电机的输出波形304.2波形分析35结论36参考文献38III第1章绪论 第1章 绪论1.1 引言调速分为直流调速和交流调速两大类。上世纪80年代以前要求调速的系统设备多用直流电动机调速。这是因为直流调速极其方便，只要调节电枢端电压或励磁电流就可在宽广的范围内实现无级调速。而在励磁一定的情况下，有转矩和电枢电流成正比的关系成立，使得转矩易于控制，在双闭环调速(分别对转速与转矩闭环)情况下可以达到很高的调速性能指标。所以在90年代以前直流调速系统一直在调速领域内占主导地位。但是直流电动机本身有如下一些固有缺陷：1.直流电动机的机

10、械式换相器在运行中易产生火花，电刷易磨损，在运行中需要经常性的维护；2.由于存在换相问题，使单机容量和转速受到限制，直流电动机很难做成高速大容量的机组，限制了直流调速系统的发展；3.直流电动机由于其结构复杂，制造费时，故其价格远远高于交流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：1.结构坚固，工作可靠，易于维修保养；2.不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；3.容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。交流电动机，尤其是鼠笼型异步电动机，则因其结构简单，制造方便，价格低廉，且坚固耐用，运行可靠，在各行业中得到了极广泛的应用。但是在早期，交流电动机调速性能无论调速

11、的静态性能还是调速的动态性能都远远不能和直流电动机相媲美。虽然早在20世纪20年代人们就已经认识到变频调速是交流电动机的一种好调速方法，它能在宽广的范围内实现无级调速，具有优良的静态性能指标。然而由于开关器件的原因，一直到20世纪80年代交流调速没能获得广泛应用。因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电

12、力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，交流调速技术也得到了显著的发展。目前交流调速系统不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。1.2 交流调速的发展历程交流高性能调速的实现有赖于几个核心技术的突破:1、电力电子技术的

13、突破；2、PWM技术发展；3、微处理器和数字控制技术的产生；从而使交流调速有了巨大的改变。其经历了三个阶段：1、VVVF控制阶段；2、VC和DTC控制阶段；3无速度传感器控制阶段。1.2.1 三大核心技术的突破1、电力电子技术自美国GE公司1957年生产出第一个晶闸管以来，功率器件的发展突飞猛进。经过了第一代半控型器件(以晶闸管为代表)、第二代全控型器件(GTO、GTR等)，目前已进入第三代和第四代阶段。第三代功率器件以复合型为标志，如绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)等，IGBT兼具MOSFET高速、驱动简单的开关特性和GTR容量大的通态特性。目前IGBT己发展到了第四代

14、，这使得IGBT在1MW以下的功率变换装置中成为首选器件。微电子工艺和电力电子技术的结合使得新一代的功率器件(第四代)正朝着模块化、智能化的方向发展(如智能功率模块护IPM)，功率器件与驱动、检测、保护电路、甚至连整流电路都集成在一起，不仅降低了器件的成本，减小了体积，而且安全可靠性得到了大幅度地更高。在功率器件更新换代的同时，功率变换电路的结构和控制性能也得到改善与提高。晶闸管的诞生奠定了静止变换器的基础，全控型器件的出现使得人们有可能抛开以往复杂的辅助环流设施，而专注于电路拓扑结构和电动机控制算法的改进。随着开关器件速度的提高，桥式PWM逆变器(主要是电压型)已成为功率变换的主要形式。PW

15、M逆变器具有结构简单、控制方便、功率转换效率高等优点，得到越来越广泛的应用。随着PWM逆变器的功率器件在高电压、强电流状态下开关频率的提高，器件承受越来越大的开关应力和开关损耗，制约了逆变器性能的进一步改善。如何提高功率变换电路的性能也进入人们研究的视野，随之出现了多种新型的电路拓扑结构，如三点式PWM逆变器，其输出电压空间矢量多达27种，可以在开关频率比常规两点式低的情况下获得较好的谐波抑制效果，而且功率元件在通断过程中端电压的跳变值仅为两点式的一半，从而降低了开关损耗，低频时性能得到提高;此外软开关技术的发展，出现了对谐振式逆变器的研究(目前还多处于实验研究阶段)，使得功率器件在零电压或零

16、电流下开关，大大减小了器件的开关应力和开关损耗，开关频率得以大幅度提高。2、PWM技术1964年，德国的A.shonung把通信中的调制技术应用到交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变压变频的思想。脉宽调制技术较相控技术能有效抑制高次谐波，适用于各类电动机，能够满足高性能交流调速的要求，目前已成为逆变的最主要控制方式。目前主要应用的SPWM可分为三大类:电压SPWM、电流SPWM、电压空间矢量PWM(即SVPWM，也称为磁链SPWM)具体实现的技术上则有:自然采样法，对称规则采样法，消除特定谐波法，梯形调制技术，“”调制技术，相位调制技术，面积等效法，滞环BANG一BANG调制等10多种

17、PWM调制技术。电压SPWM和电流SPWM分别以追求电压和电流的正弦波形为目标。电压空间矢量SVPWM则把电动机与PWM逆变器看为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，其思路是以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用多变形来近似模拟圆形。理论分析和实验都表明SVPWM调制具有转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高等优点，目前已在变频器产品中得到了广泛的应用。3、微处理器与数字控制技术随着各类高性能、高速微处理器和微控制器的出现，各类电气传动装置的控制器已由模拟控制转向数字控制。全数字控制方式以微处理器作为整个

18、系统的核心，将复杂的控制电路用软件实现，在较少的硬件支持下，既可以决速的计算出结果，将结果进行综合比较、分析、判断，最后输出最优选择；又可以对结果进行诊断，发现故障时能及时报警显示，使得人机界面更为友好，操作更加简易。数字化控制的实现使得调速系统的动静态性能更加趋于完善，系统的可靠性、可操作性、可维护性，即RAS功能也得以大幅度提高。早期较为流行的方案采用单片机来构成全数字控制器，这种方案在低成本的简易型变频器中仍然采用，但随着现代控制策略的日益复杂，系统自诊断维护功能的日益强劲，和各种附加的装置的采用(如有源滤波装置等)，一般的单片机已较难实时性的完成如此复杂的算法。目前在高性能的交流调速装

19、备上，己由最初的8位、16位单片机发展到了16位、32位的数字信号处理器(DSP)与精简指令级处理器(RISC)。高性能的微处理器的应用是各种先进复杂的控制策略得以实现的基础。1.2.2 三个发展阶段1.VVVF控制阶段VVVF（变压变频）控制也被称为第一代变频技术，其关键在于得到频和幅值可调的交流电压，经过了方波供电，SPWM,SVPWM三个发展阶段。1964年，德国学者A.Schonung提出脉宽调制变频的思想即是PWM技术，用一系列脉冲波来代替正弦波。目前普遍采用的是正弦PWM技术即SPWM。在调制比最大为1是，SPWM调制的最大输出相电压幅值为直流电压的1/2，即直流压利用率为0.5。

20、为了调高直流电压利用率，可采用三次谐波注入法来提高调制比。由于电机的连续形式，线电流不会出现三次谐波。当参考信号为sinwt+1/6sin3wt时，合成波形峰值取得最小值0.866，此时调制比为最大值1.155，直流电压利用率为最大0.577。SPWM技术目的在于获得正弦输出电压，因此载波比频率越高，输出PWM波形越逼近正弦波，当理想情况载波比频率达到无限大时，输出PWM波与严格正弦波完全等效。SPWM技术实质上是得到输出正弦的可变频变压电源。从电机的角度分析，钉子电压为正弦波的意义就是保持定子磁链的运动轨迹为理想圆，而此时变频器输出电压波形必定为正弦波，这就是SVPWM控制思想，其首先由德国

21、学者H.W.Vander.Broek于1988年提出。 SVPWM调制的直流电压利用率与SPWM采取三次谐波注入法的直流电压利用率相同。SVPWM调制在载波周期Ts无穷小时，钉子电压矢量轨迹为理想圆，输出电压波形为正弦波，这与SPWM调制的理想情况相同。2.VC和DTC阶段VC（矢量控制）以及DTC（直接转矩控制）被称为第二代变频技术。1971年，德国学者F.Blaschke提出了矢量控制思想，即通过坐标变换（三相两相变换和同步旋转变换），把按转自磁链定向的交流异步电动机等效称为直流电机，将电机定子电流分解为相互解耦的励磁分量和转矩分量，从而采用直流电机的双闭环控制系统进行调速。这就是矢量控制

22、（VC），实质就是对电机系统的解耦控制。1985年，德国学者M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，在静止两相坐标系中队电机电磁转矩和定子磁链进行控制，直接针对电机控制的本质转矩进行控制。异步电机的电磁转矩有，其中为常数，为电子磁链幅值，为转子磁链幅值，为定子磁链和转子磁链的家教即磁通角。转子磁链以同步角速度沿圆形轨迹旋转，其幅值由负载决定。定子磁链与钉子电压的关系为 （1-1）在电机高速运行状态下，忽略定子电阻压降，则有正比于，由此可得：定子磁链运行轨迹与当时施加的定子电压即逆变器输出电压空间矢量指向一致，因此对电机定子磁链以及电磁转距的就可有控制定子电压空间矢量来实现，具体控制如下

23、：定子磁链理想轨迹为圆形，其半径即为定子磁链矢量幅值，如果电压矢量的方向指向圆外，则增大定子磁链的幅值，零矢量是定子磁链自由衰减。因此，电压矢量队定子磁链幅值的影响效果可以将磁链圆分为两部分，分割线为压矢量的垂线，如图1-1所示。图1-1磁链圆的分割线当磁链运行在不同区间内，电压矢量对定子磁链幅值的作用如表1-1所示。对于磁通角而言，如果电压矢量逆时针指向，则增大磁通角；如果电压矢量顺时针指向，则减小磁通角：零矢量减小磁通角。因此，电压矢量对磁通角的影响效果可以将磁链圆分为两部分，分割线即为电压矢量本身，如图1-2所示。图1-2 电压矢量图表1-1 电压矢量对磁链幅值的作用123456V1V2

24、V3V4V5V6V0磁链运行在不同区间，电压矢量对磁通角的作用如表1-2所示。表1-2 电压矢量对磁通角的作用S1S2S3S4S5S6V1V2V3V4V5V6V0综合两者的作用效果，队磁链控制采用两点式滞环比较器，对转矩控制器采用三点式滞环比较器，采用Bang-Bang控制就实现了队转矩的直接控制，开关表如表1-3所示。表1-3 开关状态与转矩关系T12345611V2V3V4V5V6V10V0V7V0V7V0V7-1V6V1V2V3V4V501V3V4V5V6V1V20V0V7V0V7V0V7-1V5V6V1V2V3V4综合比较VC和DTC可得：（1）VC按转子磁链定向，电机模型参数多，定向

25、准确度受参数变化影响大；DTC按定子磁链定向，所需电机参数只有定子电阻，易于测量及补偿，准确度高，鲁棒性好；（2）VC的磁链和转矩控制靠PI调节其实现，转矩平滑，脉动小，动态响应时间较长，但转矩脉动较大。由于DTC控制的高动态响应是才去过电流获得的，由于齿轮和连轴器间隙的存在，过大的转矩上升会引起大的冲击和扭振，危及机械安全，因此DTC控制需要设置最大冲击电流。从上述分析可知：VC和DTC两种控制方法控制出发点存在差异。VC立足于将交流电机等效转化为直流电机，对定子电流进行解耦，从而利用直流电机双闭环系统进行控制：DTC立足于定子电压对电磁转矩的影响，利用滞还比较器控制。两者的控制效果差别不大

26、，同属于第二代变频调速技术。3.无速度传感器调速阶段在电机动态方程中，转速时点击的一个重要参数，DTC和VC都需要依转速反馈信号来确定转矩。转速的测定一般采用光电码盘，这样增加了成本且引发安装及可靠性问题。因此省去转速检测器件的无速度传感器交流调速控制成为研究的热点，称为点三代变频调速技术。目前主要采取以下方法来间接获得电机转速：利用点击模型推导转速方程；根据模型自适应控制理论，选择合适的参考模型和调整模型进行转速辨识；利用齿谐波信号进行转速辨识以及利用漏感脉动检测和饱和凸极检测等方法。9 第2章SVPWM调制原理和主电路设计 第2章SVPWM调制原理和主电路设计2.1 SVPWM调制技术概述

27、 1987年日本的GIFU大学的Yoshihiro Murai教授在IEEE上发表全数字化逆变器的新型PWM方法一文，由此标志着SVPWM,调制技术的正式问世。SVPWM调制技术一问世就受到人们高度重视，其独特的矢量调制方式把电动机与PWM逆变器看为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场目标，他以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆,即用多边形来近似逼近圆形，理论分析和实验都表明SVPWM调制具有转矩脉动小，噪声低，调制范围宽，反应迅速等特点，而其线电压为正弦波。直流电压利用率高（比普通的SPWM调制高15%）等优

28、点。目前已在通用变频器产品中得到了广泛应用。随即于1992年，Yoshihiro Murai教授在IEEE上发表感应电动机传动中减少谐波的高频劈零矢量PWM。在SVPWM高频调制中，Yoshihiro Murai教授引入劈零矢量，减少了电流谐波，使得低频时电动机运转得更加平滑。其原理就是在SVPWM调制中均匀的插入零矢量，使得等待时间变得更加均匀，从而减少了电流的高次谐波，使电动机的脉动转矩也更小。由于大量的零矢量的插入需要更多的元件开关次数来实现，所以命名为高频劈零矢量。一般来说，由于电动机在高速运行时，需要的零矢量等待时间较短，所以在较高频率时，均匀插入零矢量的效果并不明显(考虑到死区的影

29、响，甚至效果会更差)，而在低频运转时，需要的零矢量等待时间较长，此时均匀的零矢量插入会使谐波明显降下来。2.2 SVPWM调制原理 1.空间矢量的定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间向量来表示，但如果考虑到他们所在的绕组的空间位置，也可以定义为空间矢量。在图2-1中，A,B,C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，他们在空间互差120，三相定子正弦波相电压、分别加在三相绕组上。可以定义三个定子电压空间矢量、，使他们的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。与电机原理中三相脉动磁动势相加后产生旋

30、转磁动势的情况相仿，可以证明，三相定子电压空间矢量相加的合成空间矢量是一个旋转的空间矢量，他的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。当电源频率不变时，合成空间矢量以电源角频率为电气角速度做恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。用公式表示，则有： （2-1）与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量和。图2-1 电压空间矢量2.电压与磁链空间矢量的关系当异步电机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时，对每一相都可以写出一个电压平衡方程式，三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为： （2-2）式中 定子三相电压合成空间矢量； 定子

31、三相电流合成空间矢量； 电子三相磁链合成空间矢量。当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在上式中占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为： （2-3）或 （2-4）当电动机由三相平和正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示： （2-5）其中，是磁链的幅值，为其旋转角速度。由上面式子可得 （2-6）表明，当磁链幅值一定时，的大小与（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，如图2-2所示。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续的按磁链

32、圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。图2-2 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹3.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场在常规的PWM变压变频调速系统中，异步电动机有六拍阶梯波逆变器供电，这时，供电电压并不是三相平衡的正弦电压，那么，电压空间矢量的运动轨迹在下面讨论。为了方便起见，把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘在2-3中，途中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。图2-3 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图图2-3中的逆变器采用上、下管换流，功率开关器件共有8种工作状态，

33、即VT6、VT1、VT2导通，VT1、VT2、VT3导通，VT2、VT3、VT4导通，VT3、VT4、VT5导通，VT4、VT5、VT6导通，VT5、VT6、VT1导通和VT2、VT4、VT6导通8种状态，如把上桥臂器件导通用数字“1”表示，下桥臂器件导通用“0”表示，则上述8中工作状态按照ABC相序一次排列时可分别表示为100,110,010,011,001,101,以及111和000。从逆变器的正常工作看，前六种中作状态是有效的，后2个状态时无效的，因为逆变器这时并没有输出电压。对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔2/6=/3时刻就切换一次工

34、作状态（即换相），而在这/3时刻内则保持不变。该中作周期从100状态开始，这儿VT6、VT1、VT2导通，电动机定子A点电压为正，B点和C点为负，他们对直流电源中点O的电压都是幅值为Ud/2的直流电压，而三相电压空间矢量的相位分别处于A、B、C三根轴线上。合成并且依次类推则可得六个空间向量。并且，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。图2-4 电压空间矢量的放射形式和6个扇区为了讨论方便起见，我们把所形成的正六边形空间矢量改成如图2-4所示的放射形式，个电压空间矢量的相位关系仍保持不变。图中仍在X轴水平方向，按顺序互

35、相间隔/3，而，则坐落在放射线的中心点。这样，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的、，每个扇区对应的时间均为/3。由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。在常规六拍逆变器则很难干一个扇区仅包括两个开关工作状态，是想SVPWM控制就是要把每一个扇区再分成若干个对应于时间T0的小区间。按照矢量的分解和合成获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。每一个T0相当于PWM电压波形中的一个脉冲波，在实际系统中，应该尽量减少开团状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状

36、态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。归纳起来，SVPWM控制模式有以下特点：1）逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0。T0越短，旋转磁场越逼近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。2)在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因为开关损耗较小。3）每个小区间均以零电压矢量开始，又以零电压矢量结束。4）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。5）采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出

37、电压提高了15%。2.3 主电路拓扑 由于给定是三相交流电源，所以我们采用交直交变换的方法来获得所需驱动电流，而我们主要研究的是电压空间矢量控制，其主要不服为逆变环节，所以在设计主电路时，整流环节我们采用了最简单的三相桥式不可控整流电路，而在逆变环节，我们采用的是全控型三相桥式逆变电路，由逆变器产生电流给异步电机供电，其中逆变电路中的开关器件采用的是全控型IGBT，由SVPWM驱动信号驱动。主电路拓扑如图2-5所示。图2-5 主电路拓扑驱动信号对电路的控制会在第三章MATLAB仿真中进行模拟仿真，具体硬件实现非本课题主要研究内容，在这里不再讨论。MATLAB/SIMULINK环境下系统控制框图

38、如图2-5所示图2-5 系统进行控制的框图2.4 主电路参数计算一、主电路给定电源为380V三相电源，所以必先经过整流环节，由于我们采用的是三相不可控整流电路，由其主要数量关系可知1）输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为 （2-7）随着负载加重，输出电压平均值减小，至进入连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。所以 （2-8）2）电流平均值 输出电流平均值为 （2-9）与单相电路情况一样，电容电流ic平均值为零，因此 （2-10）在一个

39、电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此，二极管平均值为id的1/3，即 （2-11）3）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向压为线电压的峰值，为 （2-12） 滤波电容耐压为1KV。二、逆变环节采用的三相电压型全控桥式整流电路，其主要数量关系有：1）输出线电压有效值为 （2-13）其中Ud=931V，所以 （2-14） （2-15）所以，可知IGBT多承受的最大反向电压与逆流二极管相同，都为线电压，去IGBT耐压为1KV，二极管耐压也为1KV。17 第3章 基于MATLAB/SIMULINK的仿真 第3章 基于MATLAB/SIMULINK的仿真3.1 MATL

40、AB/SIMULINK简介在通用计算机仿真软件进入市场前，控制系统设计人员大多用FORTRAN或C语言开发各种软件，其缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放、没有标准的函数库，易造成数值不稳定、计算结果容易出错等等，很难适应各学科的最新发展，因而难以推广。“工欲善其事，必先利其器，今天通用计算机仿真软件已成为设计人员首选工具。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、

41、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在控制系统通用计算机仿真软件中，Visual Simulation公司的Visim和Mathworks公司的MATLAB软件使用最为方便。MATLAB能工作在多种平台上，它的SIMULINK工具箱是一种优秀的仿真软件，具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程、以及高度可视化等特点。SIMULINK最为显著的特点是，具有控制系统模型图形组态输入与仿真功能。即只需在图形窗口画出所需分析与设计的控制系统方框图，软件本身就能对模型系统进行线性化处理与仿真。这一特点使得一个非常复杂系统的仿真建模变得相当容易，为一般通用仿真软件所不具有的。值得一提的是，控制界很多学者

42、都将自己擅长的方法用MATLAB来实现，出现了大量的MATLAB配套工具箱，如:Control System Toolbox；System Identification Toolbox；Neural Network Toolbox等。目前，MATLAB己经成为在控制界最流行的应用软件。MATLAB/S工MULINK具有开放的编程环境，它允许用户开发自己所需的模型，通过成组封装扩充现有的模型库。要建立自己的模型，主要有如下三种方法:1、用现有模型组合成新的自定义功能模型。2、使用MATLAB FUNCTION模型调用MATLAB函数，构造形如y=f(x)的函数，其功能十分有限。3、通过S-FUN

43、CTI0N模板构造新功能模块，即通过MATLAB或C语言程序，设计出可实现所需功能的新功能模块。第1种方法具体实现时可采用ConneCtion模块库中的功能模块Subsystem，在其编辑区将现有的多个功能模块组合起来，合成新的功能模块。这样就实现了功能块的封装，减小了模块的体积。第3种通过S-FUN口ION模板构造新功能模块的方法，可以实现任何函数和算法的构造，是MATLAB/SIMULINK的精华所在。3.2 SVPWM的算法及仿真对于三相电压型逆变器图3-1而言,电机的相电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下功率开关的状态。三相桥式电压型逆变器共有=8种开关状态。为了表示方便对开关状态作如下

44、定义：设某种状态为Sa，Sb,Sc,即S从前至后依次表示A,B,C相桥臂开关状态,此外,由于对每一桥臂其上下两个功率管是互补开关, 当上桥臂导通用“1”表示, 下桥臂导通用“0”表示。臂开关状态,此外,由于对每一桥臂其上下两个功率管是互补开关,当上桥臂导通用“1”表示, 下桥臂导通用“0”表示。由图2-3可得： （3-1）于是8种状态下的电压矢量为： （3-2）相应的电压空间矢量如图3-2所示。8种状态下各种电压如表3-1。图3-2 电压空间矢量表3-1 各种开关状态下对应的各种电压开关状态各种电压ABCVaoVboVcoVanVbnVcnVsaVsb矢量0000000000101001101000续表3-1 各种开关状态下对应的各种电压10111011100000假设参考向量在电压向量空间以角速度均匀旋转,当在空间向量的区间时如图3-2所示。图3-2 第三扇区矢量其等效开关时间由平均值等效原理(即使向量，线性组合并恰好等于理想电压向量在此区间中点的值)得： （3-3）其中：Ts为系统PWM周期,T1为