基于SIMULINK的SVPWM建模与仿真分析

彭莎，周信建

（1.桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004；2.梧州学院，广西梧州543002）

基于SIMULINK的SVPWM建模与仿真分析

彭莎1，周信建2

（1.桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004；2.梧州学院，广西梧州543002）

针对变频调速技术的核心—SVPWM技术，介绍了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法的具体实现步骤，并用MATLAB/Simulink工具箱搭建了仿真电路，分析仿真结果验证了SVPWM算法的可行性和正确性。该课题的研究对于深入理解SVPWM算法有很好的参考价值。

空间矢量；SVPWM；SIMULIK

Keyswords:space vector;SVPWM;SIMULIK

70年代以来，随着电力电子技术与控制理论的发展，交流电机变频调速技术取得了快速的发展，目前基于电机变频调速的节能技术已经在许多领域得到应用，创造了巨大的节能效果。采用脉宽调制（PWM）技术是变频调制的主要措施［1-2］。正弦波PWM（SPWM）技术首先被采用并一直沿用至今，经过不断地完善，效果显著。然而它仍有不足之处，例如电压利用率不高、低速时存在转矩脉动等［2］。20世纪80年代，SVPWM技术被提出［3］，克服了SPWM的部分缺点，表现在谐波抑制效果更好、转矩较平稳、直流利用率高，因此很快得到推广和应用。

本文采用了MATLAB的Simulink仿真软件环境，它有良好的人机界面和周到的帮助功能，通过模块组合就能方便地实现系统的动态仿真。在实际设计之前先进行仿真试验能有效地降低成本，还能及时地发现问题加以改正。

1 SVPWM算法的数字实现

三相电压源逆变器如图1所示，电机的相电压依赖于它所对应的逆变器的上下桥壁的开关状态，由开关电路组合可产生电压矢量在空间形成脉动旋转电压矢量，亦即产生脉动旋转磁链。三相电压型逆变器有8种工作状态，用矢量表示这8种工作状态，如图2所示。

图1 三相电压源逆变器

图2 逆变器输出的电压矢量空间

根据SVPWM工作原理，在Simulink仿真软件环境中搭建SVPWM仿真图，如图3所示。1.1 解析图3，即SVPWM波形产生的步骤：

图3 SVPWM 仿真图

（1）确定扇区N，即图3的Substytem1模块，其底层构建图如下页图4所示。以uout=uoα+j·uoβ形式出现时，

则P与扇区的对应关系见下页表1。

表1

图4 Substytem1确定扇区N的仿真实现

（2）计算X、Y、Z（扇区作用时间的可能取值），即图3的Substytem2模块，其底层构建图如图5所示。

图5 Substytem2计算X、Y、Z的仿真实现

如下页图6所示，uaν为给定电压，uνi，uνj为uaν相邻工作电压，uaν与uνi夹角为θ，uνi与A相轴线夹角为θi。以uout＝uoα+j·uoβ形式出现时，

图6 定子电压空间矢量

（3）确定T1、T2（各个扇区对应的两相邻矢量的作用时间），即图3的Substytem3模块，其底层构建图如图7所示。

图7 Substytem3确定T1、T2的仿真实现

由以上分析，得扇区编号与计算时间的关系，如表2。

表2

（4）确定Ton1、Ton2、Ton3（即比较器的切换点），即图3的Substytem4模块，其底层构建图如图8所示。

图8 Substytem4确定Ton1、Ton2、Ton3的仿真实现

扇区号与三相PWM半周期脉冲宽度的关系，如表3。

表3

（5）最后根据空间矢量切换点导通晶闸管产生SVPWM波形。即图3的Substytem5模块，其底层构建图如图9所示。

图9 产生PWM波形的仿真

1.2 仿真结果分析

设置仿真终止时间为0.2s,仿真算法为old45。电源的3路输入信号的初始相位设定为0,120,240。相电压设为380V，50Hz。直流母线电压设定Udc为537V,TPWM为0.0002s。图3中示波器仿真结果如图10所示。

Scop1：

图10 各参数的仿真结果

Scope1显示的是判断扇区N的结果。输入的3相电压经过clark坐标变化，产生相位差为90的两相电压，周期仍为0.02s。根据公式（1）、（2）扇区N的值呈现5、1、3、2、6、4的周期变化，仿真结果与理论一致。Scope显示的是产生的SVPWM波形的其中3路（pwm1、pwm3、pwm5），因为另外3路分别是这3路的取反输出，故只需分析这3路的波形。用矢量表示可以由波形图看出，（pwm1，pwm3，pwm5）组合以（001）（011）（010）（110）（100）（101）周期循环，对照图2知理论与实际仿真结果相符，SVPWM算法是可行的。

2 异步电机SVPWM控制系统仿真与分析

在Simulink环境下，建立的异步电机SVPWM控制系统的仿真模型如下页图11所示。

图11 系统仿真图

电机参数设定为：电机额定功率3.7KW，额定电压380V，额定频率50Hz，定子电阻0.436Ω，定子漏感0.002H，转子电阻0.815Ω，转子漏感0.002H，互感0.068H，转动惯量0.18N·m2，极对数2。

给定直流母线电压为537V,PWM载波频率为5KHz，总仿真时间为0.5s。

对各个元件的参数进行配置完成后就可以进行仿真了。此处我们进行的是理想空载起动仿真，令负载转矩为0，仿真结果如图12所示。

图12 系统仿真各参数仿真结果

从图12中可知，启动过程在0.25秒结束。因负载转矩为0，所以转速达到了同步转速（1500r/min）。电机在初始起动阶段呈现强烈振荡，完全启动后转矩为0，即设定的负载转矩。三相电流在电机启动过程中电流较大，随着转速的增加，三相电流的频率由起动时的50Hz变化到完全起动后的0Hz。

由以上分析可以看出，三相电流在电机启动过程中电流较大，但经过较短时间的调节，电流很快达到稳定，电流谐波小。从电机转速以及转矩曲线可以看出，系统带负载转动响应快速，在0.25秒左右达到稳定状态，电机转矩在启动过程中也有一定的波动，但达到稳定状态后转矩脉动小。

3 总结

基于SVPWM的变频调速系统结构简单，容易实现数字化，与其他变频调速系统相比，电流谐波较小，转矩脉动减小，更具有优势，更适应数字化控制系统的发展趋势。

[1]杨贵杰,等.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报，2001,21(5):79-83.

[2]丁辉.基于DSP的三相交流异步电机矢量控制系统[D].大连理工大学,2007.

[3]van der Broeck HW,Skudelny H C，StankeGV.Analysisand Realization ofa Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors[J]. Industry Applications,IEEETransactionson.1988,24(1):142-150．

[4]M.P.Kazmierkowski，L.Malesani．Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters:a survey[J].Industrial Electronics，IEEETranscctionson，2010,45(5):691-703．

[5]翁力,韩林,赵荣祥.SVPWM扇区过渡的分析研究[J].机电工程,2003(3):49-51.

Analysis of SVPWM M odeling and Simulation Based on SIMULINK

Peng Sha1,Zhou Xinjian2
（1.Information&Communication College,Guilin University of ElectronicTechnology,Guilin 541004, China；2.W uzhou University,W uzhou 543002,China）

In view of the core technique——SVPWM——of voltage variable-frequency regulating technology,this paper introduces the algorithm of space-vector pulse width modulation（SVPWM）and its implementation steps.By using MATLAB/ Simulink toolbox to build a simulation circuit,this paper analyzes the experimenting results and proves the feasibility and correctness of SVPWM algorithm.The study of this subject is of great reference value for the deep understanding of SVPWM algorithm

TN911.7

A

1673-8535(2013)06-0019-08

彭莎（1989-），女，湖南衡阳人，桂林电子科技大学信号与信息处理专业硕士研究生，研究方向：电机控制。

周信健（1987-），男，广西贵港人，梧州学院信号处理实验室科研人员，研究方向：工业控制、信号处理。

（责任编辑：高坚）

2013-08-18