【异步电机变频调速SVPWM矢量控制算法的实现及其Matlab仿真分析案例3100字】

异步电机变频调速SVPWM矢量控制算法的实现及其Matlab仿真分析案例1.1SVPWM矢量控制算法的实现 利用DSP产生SVPWM波形既可用硬件切换模式（也叫开关损耗模式）即利用DSP内部的硬件PWM状态机来产生SVPWM波，也可以采用软件编程的方法即软件切换模式。1.1.1硬件切换模式型有个事件管理器和，每个模块都具有操作十分简化的对称空间矢量波形产生的内置硬件电路，利用这个硬件特点，通过对寄存器的正确设置来产生波形，可以大大减少产生波形的开销和用户的工作量。图中的个非零矢量将之分为个区域，不同区域对应不同扇区号，如图中，，，4，5，。Uout位于哪个扇区，就用相邻的基本电压空间矢量来合成Uout。在得出Uout在α轴和β轴上的两个分量Uα和Uβ后，先计算：3-1（2）3-1（2）令N=4Sign(Vref3)+2Sign(Vref2)+Sign(Vref1)，则N与扇区号的对应关系如表1所示[3]。表3-1N与扇区号对应关系N123456扇区号ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ这里的SVPWM波是五段式波形，其组成可表示为：UX、UX±60、O000或O111、UX±60、UX，其中UX±60段顺时针取“－”，逆时针取“＋”。零矢量的选择由硬件自动完成，选取原则是使相邻两个开关矢量中只有一个桥臂的开关状态发生变化。为完成一个空间矢量周期，不同事件管理器模块空间矢量硬件工作如下：在不同周期的起点，将输出置为由x.12设置的新方式，此称为第类输出方式。在增计数的时间内，当或C和通用定时器或发生第1次匹配时，如果ACTRx.15为0，则将PWM输出开启为方式Uy＋60；如果ACTRx.15为1，则将PWM输出开启为方式Uy-60(U0-60=U300，U360+60=U60)，此称为第2类输出方式。增计数时，当或和通用定时器或发生第次匹配时，当计数器达到时，将输出启动为方式或。它们和第类输出方式只有位的差别。在减计数期间，当或和通用定时器或发生第次匹配时，将输出方式设回为第类。减计数时，当或和通用定时器或发生第次匹配时，将输出方式设为第类。从空间矢量PWM的硬件工作原理可以看出SVPWM波是五段式波形，其五段的组成为UX、UX±60、O000或O111、UX±60、UX。其中UX±60段顺时针取“－”，逆时针取“＋”。电压矢量逆时针旋转时各个扇区的波形如表3-2所示。零矢量O000或O111的选择由硬件自动完成。产生SVPWM波形对硬件的设置1．设置寄存器来定义比较输出引脚。指令：SPLK#0000011001100110bACTRA；含义：使用正向SVPWM波形引脚PWM1，3，5高电平有效；2，4，6低电平有效。2．设置寄存器来使能比较操作和空间矢量模式，把的装入条件调为下溢。指令：SPLK#9200H，COMCONA；含义：允许比较使能硬件空间矢量。3．把通用定时器，设成连续计数，并打开定时器。指令：SPLK#1000100000000010b，T1CON；含义：采用定时器1，采用连续增/减计数方式。4．确定在二维（d，q）坐标系输入到电机的电压UOUT，并分解为Ud和Uq，来确定以下每个PWM周期的参数。（1）相邻矢量和(通过确定所在的扇区数就可实现）。（2）根据的调制周期计算两个基本的空间矢量和零矢量分别作用的时间。将相应于的开启方式写入到.位中，并将写入中，或者将的开启方式写入，并将写入中。将的值写入或寄存器，将的值写入到或寄存器。表3-2Uout所在扇区波形图Uout所在扇区波形图Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅳ区Ⅴ区Ⅵ区1.1.1软件切换模式①确定扇区基本电压矢量的作用时间：图3-1任意电压矢量的线性分解图图3-1为任意电压矢量的线性分解图，TPWM为PWM周期，T1，T2分别是Ux，Ux+60的作用时间，T0为矢量O000或者O111的作用时间，有：图3-1任意电压矢量的线性分解图（3-2）（3-2）又因为Uout是T1/TPWM倍的Ux和T2/TPWM倍的Ux+60的矢量和，即：（3-3）而对于图3-1中Ux+60和Ux则可以表示为：（3-4）式（）中θi=(i-1)*π/3(i=1,...,6)。当这里的i=0时，也就是Uout在Ⅰ区时，若要计算其相对应的扇区作用时间，则可以根据式子（3-3），（3-4）与图3-1得：（3-5）式（3-5）中uout是Uout的幅值，将之整理得：（3-6）当逆变器单独输出零矢量的时候，电动机的定子磁链矢量是不发生变化的。根据这个特点在TPWM期间插入零矢量作用的时间T，使得其满足式（3-3）。通过这样的方法可以调整角频率ω，从而达到变频的目的。但是在实际应用中，通常是得到给定电压矢量U在静止坐标系统中的两个分量表示形式，即U=usα+jusβ=uoutcosθ+juoutsinθ，代入式（3-6）并化简得到基本电压空间矢量工作时间T1和T2的表达式：（3-7）在计算T1和T2引入三个通用变量X，Y，Z其表达式如下：（3-8）当Uout处于Ⅰ区时，T1=－Z，T2=X。由于θi=(i-1)*π/3(i=1,...,6)，也就是当Uout处于不同区域时，其相邻的两个基本空间矢量作用的时间T1和T2就不一样，以上方法可以求出其他5个扇区作用时间，并结合式（3-8）可得表3-3。表3-3不同扇区对应的作用时间扇区ⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1－ZZX－X－YYT2XYYZ－Z－X②电压空间矢量所在扇区确定：基本电压空间矢量一共组成六个扇区，只要确定实现的电压相量位于哪个扇区，才能知道用那一对相邻的基本电压空间矢量区合成它。先定义A，B，C三个变量如下：（3-9）如A>0，则A=1，否则A=0；B，C亦然。计算N值为：（3-10）扇区号所对应的扇区见表3-4。表3-4N值与扇区对应关系N123456扇区号ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ波形是由1段零矢量和4段相邻的两个非零矢量组成，表3为每个扇区对于的PWM波示意图。设PWM1,2的开关切换时间为Tcm1，PWM3,4为Tcm2，PWM4,5为Tcm3。在计算PWM波开关切换时间时，令：（3-11）设Ⅰ区的矢量开关切换时间；Tcm1=Ta，Tcm2=Tb，Tcm3=Tc，同理可得表4。表3-5不同扇区开关切换时间N123456扇区号ⅡⅥⅠⅣⅢⅤTcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa1.2SVPWM逆变器的Matlab仿真Matlab是Mathworks公司于1984年推出的科学计算软件，其中Simulink工具箱有模块化，可封装，可视化等优点。故本设计在Simulink的基础下对SVPWM逆变器进行仿真。1.2.1SVPWM模块SVPWM模块如图3-2所示，其中包含3s/2s模块，X，Y，Z计算模块，扇区判断模块，基本空间电压矢量作用模块，扇区开关切换时间模块，SVPWM波形计算生成模块，线电压计算模块。图3-2SVPWM仿真模块3s/2s模块的作用为对输入的三相正弦电压进行clark变换，将三相系统（在abc坐标系中）的时域分量转换为正交静止坐标系(αβ)中的两个分量，其中三相电源作为输入，Usα，Usβ作为输出，其模块如图3-3所示。图3-33s/2s模块N的判断模块即对空间电压矢量所在扇区进行判定。3s/2s变换得到Usα与Usβ，又由式（3-9）可得空间电压矢量所在扇区，故可搭建其中Usα与Usβ作为输入，N作为输出，其模块如图3-4所示。图3-4N的判断模块X，Y，Z计算的计算模块是指在计算基本电压矢量的工作时间过程中，以两相静止坐标系下α，β轴分量usα与usβ，周期TPWM，扇区号以及直流母线电压Udc作为模块的输入，其模块如图3-5所示。图3-5X，Y，Z计算的计算模块以X，Y，Z作为输入信号，求出6个扇区的基本空间电压矢量作用时间T1和T2，其模块如图3-6所示。图3-6T1，T2的计算模块以T1，T2作为输入信号，以公式（8）进行模块搭建，得到以Ta，Tb，Tc作为输出的计算模块，其作用是得到不同扇区开关切换时间，其模块如图3-7所示。图3-7Ta，Tb，Tc计算模块以Ta，Tb，Tc作为输入，根据表4进行模块搭建，得到不同扇区开关切换时间Tcm1，Tcm2，Tcm3的计算模块，其模块如图3-8所示。图3-7Ta，Tb，Tc计算模块图3-8Tcm1，Tcm2，Tcm3的计算模块仿真模块调制波形为三角波，三角波周期设为定时器周期。将Tcm1，Tcm2，Tcm3波形与三角波进行比较。调制出SVPWM波形，其模块如图3-8所示。图3-9SVPWM波形生成模块线电压计算模块，是以三相SVPWM波形为输入，Vab，Vbc，Vca为输出，通过公式（）得到三相交流线电压，其模块如图3-9所示。图3-10线电压计算模块采用以上模块进行仿真，设三相交流电的电压幅值为220V，频率为50Hz，开关频率为10KHz，即1×10-4s。通过3s/2s模块即clark变换后输出波形为图3-11所示。图3-113s/2s模块输出波形图3-12扇区仿真波形N的判断模块输出波形如图3-12所示，其变化规律为6→2→3→1→5→4→6，查询表（2），知符合扇区从Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ即逆时针旋转的变化规律。图3-12扇区仿真波形切换时间Tcm1，Tcm2，Tcm3的波形如图3-13所示，可知其为马鞍波，其幅值也是开关频率的一半，SVPWM输出波形如图3-14所示。符合3-1节的理论分析，同时也证明了该模型搭建和控制算法的正确性。图3-13Tcm1，Tcm2，Tcm3波形图3-14