【正文】 后介紹了 SVPWM 的基本原理及其傳統(tǒng)的實現算法,并通過 SVPWM 的算法構建了Matlab/Simulink 仿真模型,仿真結果驗證了該算法的正確性和可行性。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學 歷而使用過的材料。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。電壓空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，簡稱SVPWM)控制技術則是一種優(yōu)化了的PWM控制技術，和傳統(tǒng)的PWM法相比，不但具有直流利用率高(比傳統(tǒng)的SPWM法提高了約15%)，輸出諧波少，控制方法簡單等優(yōu)點，而且易于實現數字化。在上個世紀20 年代，人們認識到變頻調速是交流電動機一種最理想的調速方法， 由于當時的變頻電源設備龐大， 可靠性差，變頻調速技術發(fā)展緩慢。在當今社會中廣泛應用著各式各樣電氣傳動系統(tǒng)，其中許多機械有調速的要求：如車輛、電梯、機床、造紙機械、紡織機械等等，為了滿足運行、生產、工藝的要求往往需要調速的另一類設備如風機、水泵等為了減少運行損耗，節(jié)約電能也需要調速。這是因為直流電動機調速方便，只要改變電機的輸入電壓或勵磁電流，就可以在寬廣的范圍內實現無級調速，而且在磁場一定的條件下它的轉矩和電流成正比，從而使得它的轉矩易于控制、轉矩的調節(jié)性能和控制性能比較理想。但是交流電動機調速比較困難，而且其調速性能(調速范圍、穩(wěn)定性或靜差、平滑性等)卻無法與直流調速系統(tǒng)相媲美，因此這些電機絕大部分都是恒速運行的。由于受電機結構和制造工藝的限制，變極調速通常只能實現兩三種極對數的變換，不能做到連續(xù)地調節(jié)速度，調速范圍和極數都非常有限。尤其是 70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，新型電力電子器件的出現，以及先進控制理論(如自適應控制、模糊控制、神經網絡控制等)等的應用，為交流電力拖動的開發(fā)進一步創(chuàng)造了有利條件。原來的交直流拖動分工格局被逐漸打破，在各工業(yè)部門用可調速交流拖動取代直流拖動己指日可待，特別是在世界能源緊張、能源費用高漲的今天，交流調速技術作為節(jié)約能源的一個重要手段，引起了人們的高度重視。但是，由于其速度屬于開環(huán)控制方式，調速精度和動態(tài)響應特性并不是十分理想。矢量控制變頻器可以對異步電動機的磁通和轉矩電流進行控制和檢測，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現了變頻調速，大大提高了電機控制靜態(tài)精度和動態(tài)品質。湖南人文科技學院畢業(yè)論文4在 MATLAB 的 SIMULINK 對電機模型、電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)、SVPWM 變頻調速矢量控制系統(tǒng)進行仿真，驗證該系統(tǒng)的可行性和可靠性。這是因為首先異步電動機在進行變頻調速時，電壓和頻率之間必須進行協(xié)調控制，故輸入變量有電壓和頻率。最后，由于異步電動機定、轉子三相繞組中的電流產生的磁通存在電磁慣性，轉速的變化存在機械慣性等因素，所以異步電動機的數學模型是一個高階系統(tǒng)。無論電動機轉子是繞線型的還是鼠籠型的，都將它等效成繞線轉子，并折算到定湖南人文科技學院畢業(yè)論文6子側，折算后的每相繞組匝數都相等。轉子 軸和定子 軸間的電角度差 為空間角位移變量。對于每一項繞組來說，它所交c鏈的磁通是互感磁通與漏磁通之和，因此，定子各相自感為： ()lsmCBALL??轉子各相自感為： ()lrmslrmcba?式中， ， —定子、轉子互感， ， —與磁通對應的定子和轉子每相漏msLr lsLlr感。電角度，在假設氣隙磁通為正弦分布的條件下，互感值為 ，于是：msmsms LL21)0co(120co????? （）scCbBaA （）msracacbaL 21至于第二類，即定子、轉子繞組間的互感，由于相互位置的變化，可分別表示為： ()?cosmcCbBaALLL?? ())120(???sacBbA ()co??msbCac當定子、轉子兩相繞組軸線一致時，兩者之間的互感值最大，就是每相的最大互湖南人文科技學院畢業(yè)論文9感值 。?3 、轉矩方程按照機電能量轉換原理，可求出電磁轉矩 的表達式：eT ())]120sin()( )120sin()(si[(??? ???????bCaBcA aCcBbAcCBAmspeii iLnT式中， —電磁轉矩e—電機的磁極對數pn4 、電力拖動系統(tǒng)運動方程作用在電動機軸上的轉矩與電動機速度變化之間的關系可以用運動方程來表達，一般情況下，電氣傳動系統(tǒng)的運動方程為 （）??ppLe nKDdtnJT???式中， —負載阻力矩LT—機組的轉動慣量J—轉子旋轉電角速度?—旋轉阻尼系數D—扭轉彈性轉矩系數K對于恒轉矩負載， =0， =0，則K （） dtnJTpLe??? 三相異步電動機的多變量非線性數學模型湖南人文科技學院畢業(yè)論文11將以上電壓方程、轉矩方程、磁鏈方程和運動方程歸納在一起變構成了恒轉矩負載下的一部電動機的多變量非線性數學模型 （）????????dtiifTLtdnJiiRucbaCBAepe?????),( 異步電動機在三相坐標系上數學模型的性質由式（）可以看出，異步電動機在靜止軸系上的數學模型具有以下性質：（1）異步電動機數學模型是一個多變量（多輸入多輸出）系統(tǒng)輸入到電機定子的電量為三相電壓 （或電流 ） ，也就是說數學模CBAu, CBAi,型有三個輸入變量、輸出變量中，除轉速外，磁通也是一個獨立的輸出變量?？梢姰惒诫妱訖C的數學模型是一個非線性系統(tǒng)。這時，A 稱為電流變換矩陣，類似的還有電壓變換矩陣、阻抗變換矩陣等，進行坐標變換的原則如下：（1）確定電流變換矩陣時，應遵守變換前后所產生的旋轉磁場等效的原則；（2）為了矩陣運算方便，簡單，要求電流變換矩陣應為正交矩陣；（3）確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時，應該遵守變換前后電機功率不變的原則，即變換前后功率不變。TC以上表明，當按照功率不變約束條件變換時，若已知電流變換矩陣就可以確定電壓變換矩陣。代入式0??CBAii BACii?（）和式（）并整理得： （）??????????2103??i???BAi湖南人文科技學院畢業(yè)論文15 （）???????????21603BAi?????i按照所采用的條件，電流變換矩陣也就是電壓變換矩陣，同時還可以證明，它們也是磁鏈的變換矩陣。sF si這時定子電流被定義為空間矢量，記為 。在矢量控制系統(tǒng)中，通常稱為磁場定向角。對式（）兩邊左乘以變換的逆矩陣，即得： （）??????????????????????? ??????sssTM iii cosincoini1則兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系的變換矩陣是： （）?????????cosin2/RSC電壓和磁鏈旋轉變換矩陣也與電流（磁動勢）旋轉變換矩陣相同。之間變換， 的變化范圍是 0~ ，這個變化幅度太大，在數s?st ?字變換器中很容易溢出，因此常用下列方式來表示 的值：s? （）sMTssssssss i?????co1in)2co(in2coitan則 （）sMTsi??arctn?式（）可用來代替式（） ，作為 的變換式。要把三相靜止坐標系上的電壓方qr?程、磁鏈方程和轉矩方程都變換到兩相旋轉坐標系上來，可以先利用 變換將方S2/3程中的定子和轉子的電流、電壓、磁鏈和轉矩都轉換到兩相靜止坐標系 、 上，然??后再利用旋轉變換矩陣 將這些變量都變換到兩相旋轉坐標系 、 上。它比在 坐標系上的數學模型簡單多，階次也降低了，dqABC但其非線形、多變量、強耦合的性質并未改變。電流向量 可以看做是狀態(tài)變量，它和磁鏈向量之間有u1?i由式（）確定的關系。3)多變量之間的耦合關系還體現在旋轉電動勢上，如果忽略旋轉電動勢的影響，系統(tǒng)便更容易簡化成單變量系統(tǒng)了。 兩相同步旋轉坐標系上的數學模型兩相同步旋轉坐標系其坐標軸仍用 表示，只是坐標軸的旋轉速度 等于定子dqdqs?頻率的同步角速度 ，而轉子的轉速為 ，因此 軸相對于轉子的角速度1??，即轉差。 在 軸系上的分量可用方程表示為sTi r?T （）rMsmrrMiLi?? （）rTsrT0異步電動機在同步旋轉坐標系上的電壓方程為 （）????????? ???????? rTMsrrssmss msssTM iipLRpLRu??11110將式（）代入（）中，則式（）中的部分項變?yōu)?0，式（）簡化為湖南人文科技學院畢業(yè)論文24 （）????????? ???????? rTMsrmrssmsssTM iipLRpLRpu 000 1111 ??式（）是以轉子全磁鏈軸線定向的同步旋轉坐標系式的電壓方程，也稱作磁場定向方程式，其約束條件是 。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比主要正弦電壓前進了一步。本節(jié)將從傳統(tǒng)的磁鏈跟蹤角度來分析SVPWM技術的基本原理。利用這種逆變器功率開關管的開關狀態(tài)和順序組合，以及開關時間的調整，以保證電壓空間矢量圓形運行軌跡為目標，就可以產生諧波較少的、且直流電源電壓利用率較高的輸出。為了補償參考矢量的旋轉頻率，需要插入零矢量。TI 公司的 DSP 程序庫中的軟件 SVPWM 生成方法就是采用這種 SVPWM 技術。2)如果 vα0，則 B=1，否則 B=0。如果分別用 T T2 表示不同矢量的作用時間到不同的扇區(qū)，TT2 的計算可以歸納為下面 3 個值的計算: ??32refdcrffcefrefdXUTYZ??????????湖南人文科技學院畢業(yè)論文28 表 6 個扇區(qū)相鄰電壓空間矢量用時間 T1,T2 幅值后，還要對其進行飽和判斷。之所以如此，是由于一個周期內的逆變器的工作狀態(tài)只切換 6 次，切換后只形成 6 個電壓空間矢量。圖 24 給出了六拍逆變器供電時電壓空間矢量與磁鏈矢量的關系。這時每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，通過用基2434?本電壓空間矢量線性組合的方法來使其逼近圓形磁場。由于逆變器在各個扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對應的，分析一3/?湖南人文科技學院畢業(yè)論文31個扇區(qū)可以推廣到其他扇區(qū)。 對 比SVPWM 的 產 生 原 理 可 知 ， SVPWM 本 身 的 產 生 原 理 與 PWM 沒 有 任 何 關 系 ， 只 是形 似 。 SVPWM 與 SPWM 的 原 理 和 來 源有 很 大 不 同 ， 但 是 他 們 確 實 殊 途 同 歸 的 。 變 器 輸 出 線 電 壓 基 波最 大 值 為 直 流 側 電 壓 ， 比 一 般 的 SPWM 逆 變 器 輸 出 電 壓 高 15% 第四章 SVPWM 仿真及結果分析 MATLAB 動態(tài)仿真工具 SIMULINK 簡介隨著控制理論和控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對控制效果的要求越來越高，控制算法也越來越復雜，因而控制器的設計也越來越困難。MATLAB是由Math Works公司開發(fā)的一種主要用于數值計算及可視化圖形處理的高科技計算語言。前者主要用來擴充MATLAB的符號計算功能、圖視建模功能和文字處理功能以及與硬件實時交互功能。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。模型建立后，可以直接對它進行仿真分析。實現SVPWM算法的各個子系統(tǒng)框圖如下所示：要實現SVPWM 控制算法，首先要將三相 ABC平面坐標系中的相電壓轉換到 平面坐標系中的 。在Simulink中實現此判斷的框圖如圖35所示。在Simulink中實現該算法的框圖如圖37所示。調制波 ，載波是周期為 、321,cmcTsT高度為 /2的三角波。圖310 封裝后的SVPWM波的框圖 仿真結果及其波形分析電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)是用一定頻率( )和幅值( )的等效時間三sT/12/s角波去調制3個輸入時間 。仿真結果如下： 圖42：逆變器輸出的線電壓 abu湖南人文科技學院畢業(yè)論文40圖43：濾波后逆變器輸出的線電壓 abu圖44： 波形1cmT湖南人文科技學院畢業(yè)論文41圖45：扇區(qū)N （通過參考文獻[13]可以得出），由仿真圖可以看出SVPWM較SPWM方式直流電壓利用率可以提高約15%。這些都與第三章的理論分析完全refU一致。故目前SVPWM控制技術有取代傳統(tǒng)SPWM控制技術的趨勢。 由于時間關系，本文研究的SV