基于MATLAB的按照零矢量分散SVPWM仿真

课程设计说明书0目录1引言............................................................................................................................12MATHLAB简介........................................................................................................23SVPWM技术简介及原理.........................................................................................33.1SVPWM技术简介...........................................................................................33.2SVPWM技术原理...........................................................................................34SVPWM的算法实现.................................................................................................64.1由三相电压到两相静止电压变换的实现......................................................64.2扇区判断..........................................................................................................74.3矢量作用时间.................................................................................................104.4矢量切换点时间计算....................................................................................144.5零矢量分散的SVPWM实现法...................................................................144.6输入的三角载波.............................................................................................174.7零矢量分散法得到的SVPWM波形图........................................................174.8开关选择模块................................................................................................185总结语......................................................................................................................19参考文献......................................................................................................................20附录..............................................................................................................................21课程设计说明书11引言近年来，伴随着计算机技术的发展以及新型快速的电力电子元器件的产生，SPWM脉宽调制技术的应用越来越广泛。传统的脉宽调制方法数字化实现比较困难，以及SPWM脉宽调制技术电压利用率低和谐波多等缺点在交流电机调速方面一直未能取得满意的结果。然而空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）的出现很好的解决了上述问题。但是目前所普遍采用的SVPWM结构模糊复杂等不足，让人难以理解其实现过程。本文通过用MATLAB/SIMULINK软件平台自行设计的模块，搭建了整套SVPWM系统，并且通过仿真验证了整套系统的正确性。并在分析SVPWM基本原理的基础上，详细介绍了SVPWM的实现方法，并在MATHLAB/SIMULINK仿真环境中进行了仿真研究。课程设计说明书22MATHLAB简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成。那是20世纪七十年代，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。MATLAB是美国Mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB包含两个部分：核心部分：有数百个核心内部函数，各种可选的工具箱，工具箱又分为两类：功能性工具箱，科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，功能性工具箱用于多种学科。学科性工具箱是专业性比较强的，面向专门的学科领域。如controltoolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而可直接进行高，精，尖的研究。主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。在其下提供了丰富的仿真模块。他可以实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库,接收模块库，连续系统模块库，离散系统模块库，非连续系统模块库，信号属性模块库，数学运算模块库，逻辑和位操作库和一些特定学科仿真的工具箱。Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于系统的各个输入输出的模型有专门的方框图。例如，选用开关器件时可以直接找到switch方框图，将他拖曳到图形界面中，当然开关的路数也可以简单更改。这样讲各个需要的方框图全都放在图形界面后，设置好参数然后经过连线就可以用世博起来观察输出的波形或数据了。Simulink不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。课程设计说明书33SVPWM技术简介及原理3.1SVPWM技术简介SVPWM是空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation)的简称SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。坐标变换在Matlab/Simulink中的实现3.2SVPWM技术原理SVPWM实际上是对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120°电角度、失真较小的正弦波电流波形。实践和理论证明，与直接的正弦脉宽调制(SPWM)技术相比，SVPWM的优点主要有：(1)SVPWM优化谐波程度比较高，消除谐波效果要比SPWM好，实现容易，并且可以提高电压利用率。(2)SVPWM比较适合于数字化控制系统。目前以微控器为核心的数字化控制系统是发展趋势，所以逆变器中采用SVPWM应是优先的选择。对称电压三相正弦相电压的瞬时值可以表示为：ambmcmcos2cos()32cos()3uUtuUtuUt(3-1)其中Um为相电压的幅值，ω=2πf为相电压的角频率。图3-1为三相电压的向量图，在该平面上形成一个复平面，复平面的实轴与A相电压向量重合，虚轴超前实轴90，分别标识为Re、Im。在这个复平面上，定义三相相电压ua、ub、uc合成的电压空间矢量outU为：22jjj()332outabcm2()3tUuueueUe(3-2)课程设计说明书4acbOReImoutU图3-1电压空间矢量三相电压型逆变器电路原理图如图3-2所示。定义开关量a，b，c和a'，b'，c'表示6个功率开关管的开关状态。当a，b或c为1时，逆变桥的上桥臂开关管开通，其下桥臂开关管关断(即a'，b'或c'为0)；反之，当a，b或c为0时，上桥臂开关管关断而下桥臂开关管开通(即a'，b'或c'为1)。由于同一桥臂上下开关管不能同时导通，则上述的逆变器三路逆变桥的组态一共有8种。对于不同的开关状态组合(abc)，可以得到8个基本电压空间矢量。各矢量为：22jjdc33out2()3UUabece(3-3)则相电压Van、Vbn、Vcn，线电压Vab、Vbc、Vca以及out()Uabc的值如下表3-1所示（其中Udc为直流母线电压）。ac'b'a'bcUdcＡＢＣＮＺ图3-2三相电压型逆变器原理图课程设计说明书5表3-1开关组态与电压的关系abcVanVbnVcnVabVbcVcaoutU00000000001002Udc/3-Udc/3-Udc/3Udc0-Udcdc23U010-Udc/32Udc/3-Udc/3-UdcUdc02323jdcUe110Udc/3Udc/3-2Udc/30Udc-Udc323jdcUe001-Udc/3-Udc/32Udc/30-UdcUdc4323jdcUe101Udc/3-2Udc/3Udc/3Udc-Udc05323jdcUe011-2Udc/3Udc/3Udc/3-Udc0Udc23jdcUe1110000000可以看出，在8种组合电压空间矢量中，有2个零电压空间矢量，6个非零电压空间矢量。将8种组合的基本空间电压矢量映射至图3-1所示的复平面，即可以得到如图3-3所示的电压空间矢量图。它们将复平面分成了6个区，称之为扇区。315462000U111U60(110)U0(100)U120(010)U180(011)U240(001)U300(101)UⅠⅣⅤⅥⅡⅢ图3-3电压空间矢量与对应的（abc）示意图课程设计说明书64SVPWM的算法实现4.1由三相电压到两相静止电压变换的实现在本设中输入三相平衡交流电，即峰值相同，a，b，c三相电压的相位互差2/3。但要计算扇区号和计算一个扇区内作用的相邻两个矢量的作用时间时，若直接用三相电压参数来设计比较麻烦，不易实现。但