【正文】 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 28 else sys=1。 % T 載波周期 n=floor(u(3)/T)。 str = []。 = 0。 case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u)?？驁D如下所示。 % 修改此式生成 B、 C相脈沖 . if y1y sys=。(m=T/4)) y = k*m。 ts = [0 0]。 = 0。 case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u,A,freq)。 ????23 cWVU T??? ???4339。? 為 （ 44） 對(duì)于三相橋式電路來(lái)說(shuō)，應(yīng)該形成三相 SPWM 波形。但是， 求取開(kāi)關(guān)時(shí)刻的方程式是超越方程，求解時(shí)需要花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間 ，因而難以在實(shí)時(shí)控制中在線(xiàn)計(jì)算。 SPWM 波形的生成 根據(jù) SPWM 變換器的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定 它們的交點(diǎn)。為了使一相的波形正、負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，同時(shí)使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)， m 應(yīng)取載波比 m 為 3 的整數(shù)倍陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 20 的奇數(shù)。 異步調(diào)制 在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)，通常保持載波頻率固定不變，因而載 波比 m是變化的。 (4)輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。 大多采用 180176。三相橋式逆變器一般都采用雙極性控制方式。將每一等分中的正弦曲線(xiàn)與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形波所替代，從而得到一組等效于正弦波的一組等幅不 等寬的矩形脈沖的方法稱(chēng)為逆變器的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。211m a x123lrlssrpeLLRRnT??????????????異步電動(dòng)機(jī)ＳＰＷＭ變頻調(diào)速原理與仿真分析 15 4 PWM 控制技術(shù) 正弦脈寬調(diào)制原理及其優(yōu)點(diǎn) SPWM 原理 根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。這就是說(shuō)，在恒壓頻比的條件下改變頻率 ?1時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖 34 所示。239。 當(dāng) s 接近于 1時(shí)，可忽略式（ 64）分母中的 39。 但是，在低頻時(shí) sU 和 gE 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不 再能忽略。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美 。 圖 21 M文件 S函數(shù)流程 （ 2） M文件 S函數(shù)模板 Simulink為我們編寫(xiě) S函數(shù)提供了各種模板 文件，其 中定義了 S函數(shù)完整的框架結(jié)構(gòu)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要加以剪裁。 （ 3） 計(jì)算輸出：計(jì)算所有輸出端口的輸出值。 S函數(shù)是 Simulink的重要組成部分，它的仿真過(guò)程包含在 Simulink仿真過(guò)程之中。 （ 1） S函數(shù)中的連續(xù)狀態(tài)方程描述。且采樣時(shí)間計(jì)算與輸入 u相關(guān) 。 Simulink為我們提供了很多 S函數(shù)模板和例子，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要修改相應(yīng) 的模板或例子即可。 （ 6） 采用文本方式輸入復(fù)雜的系統(tǒng)方程。 S函數(shù)由一種特定的語(yǔ)法構(gòu)成，用來(lái)描述并實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng) 等動(dòng)態(tài)系統(tǒng)； S函數(shù)能夠接收來(lái)自 Simulink求解器的相關(guān)信息，并對(duì)求解器發(fā)出的命令做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，這種交互作用類(lèi)似 于 Simulink系統(tǒng)模塊與求解器的交互作用。 Simulink公共模塊庫(kù)是 Simulink中最為基礎(chǔ)、最為通用的模塊庫(kù)，它可以被應(yīng)用到不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中。也可以右擊子模塊庫(kù)標(biāo)題，在彈出的快捷菜單中選擇 【 Open】 命令，彈出子模塊庫(kù) 獨(dú)立窗口。 （ 1） 在 Command Window 輸入 “ sinmulink” 命令。 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 是一種特殊型式的同步電機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡(jiǎn)單的調(diào)速方法，在小容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途 。 （ 2） 轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 在這類(lèi)系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類(lèi)。其特點(diǎn)： 效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗； 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 （ 4）變極對(duì)數(shù) 調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)異步電動(dòng)機(jī)ＳＰＷＭ變頻調(diào)速原理與仿真分析 3 數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線(xiàn)簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低； 有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對(duì) N、 S 極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過(guò)電樞。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。直到 20世紀(jì) 70年代發(fā)明了矢量控制技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來(lái)分別控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，可以獲得和直流電動(dòng)機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，才使交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比的缺點(diǎn)日益顯露出來(lái)，例如具有電刷和換向器而必須經(jīng)常檢查維修 ，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度。 I 異步電動(dòng)機(jī) SPWM 變頻調(diào)速原理與仿真分 析 摘 要 在分析 SPWM 原理的基礎(chǔ)上， 利用 MATLAB/SIMULINK 軟件構(gòu)造了 SPWM 調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 并 說(shuō)明了規(guī)則采樣法的可行性。于是交流可調(diào)傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)的呼聲越來(lái)越高，交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制和解耦控制等方法，形成了一系列可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 調(diào)壓調(diào)速線(xiàn)路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 調(diào)壓過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。當(dāng)電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方 向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速 N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，變動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 本方法適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。 本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率， 因此這類(lèi)系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。 異步電動(dòng)機(jī)ＳＰＷＭ變頻調(diào)速原理與仿真分析 5 2 Siulink 仿真基礎(chǔ) Simulink 簡(jiǎn)介 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一， Math Works 公司在 1993 年推出 MATLAB 時(shí)推出了 Simulink 。 （ 2） 單擊 MATLAB 主窗口 左下角的【 Start】 按鈕，在彈出的快捷菜單中選擇 【 Simulink】/ 【 Library Browser】 命令。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 6 仿真過(guò)程 在已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 或系統(tǒng)框圖的情況下，利用 Simulink 進(jìn)行建模仿真的基本步驟 如下： (1)啟動(dòng) Simulink ，打開(kāi) Simulink 庫(kù)瀏覽器。 Simulink公共模塊庫(kù)共包含 14個(gè)模塊庫(kù) 。 S函數(shù)作為與其他語(yǔ)言相結(jié)合的接口，可以使用這個(gè)語(yǔ)言所提供的強(qiáng)大能力。 （ 7） 擴(kuò)展 Simulink功能。 （ 2） 在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的 Simulink模型框圖中添加 Sfunction模塊，并進(jìn)行正確的設(shè)置。 Simulink 在每一個(gè)采樣點(diǎn) 調(diào)用 mdlOutput 和 mdlUpdate例程。狀態(tài)向量的一階導(dǎo)數(shù)是狀態(tài) x、輸 入 u和時(shí)間 t的函數(shù)。S函數(shù)的仿真流程也包括初始化階段和運(yùn)行階段兩個(gè)階段。 （ 4） 更新?tīng)顟B(tài)：此例程在每個(gè)步長(zhǎng)處都要執(zhí)行一次，可以在這個(gè)例程中添加每一個(gè)仿真步都需要更新的內(nèi)容，例如離散狀態(tài)的更新。編寫(xiě) M文件 S函數(shù)時(shí)，推薦使用 S函數(shù)模板文件 。目前這種調(diào)速方法應(yīng)用很廣。這時(shí)，需要人為地把電壓 sU 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。rR ，則 （ 36） 即 s 接近于 1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與 s 成反比，這時(shí)， 是對(duì)稱(chēng)于原點(diǎn)的一段雙曲線(xiàn)。1133lrlsrsrsprrpmmeLLsRRsRUnsRInPT????? ? ? ? 239。它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情況基本相似。它表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無(wú)關(guān) 。 要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只需要按照統(tǒng)一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。 U、 V 和 W 三相的 SPWM 的控制通常公用一個(gè)三角波載波信號(hào)，用三個(gè)相位互差 120176。 控制方式，具體為： (1)每橋臂導(dǎo)電 180176。 關(guān)于 SPWM 的開(kāi)關(guān)頻率 SPWM 調(diào)制后的信號(hào)中除了含有調(diào)制信號(hào)和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。在調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱(chēng) [8]。 當(dāng)變換器輸出頻率很低時(shí)，因?yàn)樵诎胫芷趦?nèi)輸出脈沖的數(shù)目是固定的，所以由 SPWM調(diào)制而產(chǎn)生的諧波頻率也相應(yīng)降低。在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，這樣就可得到 SPWM 波形。 因而在工程實(shí)際上應(yīng)用不多 [8]。通常三相的三角波載波是公用的，三相正弦調(diào)制波的相 位依次相差 120176。39。 case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u)。 = 1。 function sys=mdlDerivatives(t,x,u) sys = []。 end if ((mT/4)amp。 else sys=。 圖 53 逆變器框圖 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 26 系統(tǒng)總框圖的 設(shè)計(jì) 將以上部分連接起來(lái)，并加入電機(jī) 組 成總框圖。 case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u,fc)。 = 0。 ts = [0 0]。 Td=(n+)*T。 end function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime = 1。(u(3)=t2) sys=1。 T=1/fc。 x0 = []。 end function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes。 case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u)。 控制方式。 end y1=u(1)*cos(*u(2)*u(3))。 end if ((m=0)amp。 str = []。 = 0。 case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u)。 tau rr ?sin?? ?Drc taT ?? sin12 ??? ? ? ?Drcc taTT ??? s i n142139。從圖 47 中可得到關(guān) 系式 （ 41） （ 42） 因此可得 （ 43） 在三角波的一個(gè)周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度 39。 自然采樣法是最基本的方法，所得到的 SPWM 波形很接近正弦波。 提高載波頻率可以使輸出波形更接近正弦波．但載波頻率的提高受到功率開(kāi)關(guān)器件允許最高頻率的限制。調(diào)制信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況， SPWM 變換器可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。 (3) 輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無(wú)關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。這個(gè)延遲時(shí)間將會(huì)給輸出的 SPWM 波形帶來(lái)影響