电压空间矢量脉宽调制算法分析及仿真

电压空间矢量脉宽调制算法分析及仿真

丁巧娅赵娜田鹏刚马连凤

（中车永济电机有限公司）

摘要：介绍了一种用S函数实现电压空间矢量脉宽调制的算法，对SVPWM发生器建模，并对不同调制比下逆变器输出电压电流波形和开关作用时间进行了分析。

关键词：空间矢量脉宽调制（SVPWM）；数字实现；MATLAB/SIMULINK；S-函数；仿真分析

1引言

上世纪80年代开始，电机的空间矢量理论被引入到逆变器及其控制中，形成和发展了空间矢量控制思想。其原理就是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，不仅使得电机转矩脉动降低，电流波形畸变减小，而且与常规正弦脉宽调制(SPWM)技术相比，直流电压利用率有很大提高，并更易于数字化实现。

2SVPWM算法及实现

2.1SVPWM控制原理

空间相量表示法，是SPWM与电机磁链圆形轨迹直接结合的一种方法，它是1983年由J．Holtz等提出来的。

对于三相电压型逆变器供电的电机，其理想供电电压为三相对称正弦电，表达式如下：

理想情况下，电压空间矢量的旋转轨迹为圆形，而磁通为电压的时间积分，旋转轨迹也是圆形，且电压矢量应该超前磁通矢量90度相位角。

SVPWM是以磁链跟踪控制为目标，使逆变器瞬时输出三相脉冲电压合成的空间电压矢量与期望输出三相正弦波电压合成的空间电压矢量相等。对于三相电压型逆变器而言，电机的相电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下功率开关的状态。它有8种工作状态，用矢量表示这8种空间状态，如图1所示。

3．仿真建模及输出结果分析

根据上面的算法分析，在MATLAB7.4.0(2007a)／SIMULINK中采用S-函数建立了SVPWM发生器的仿真模型，并在三相逆变器主电路中对仿真模型进行了验证.

3.1SVPWM发生器建模

S-函数是系统函数（SystemFunction）的简称，是指采用计算机语言描述的一个功能块，其功能非常强大，是扩展SIMULINK功能的强有力的工具，用户可以用MATLAB、C、C++等语言编写自己的S-函数，然后进行封装便可得到具有特定功能的模块。S-函数非常适合连续、离散以及复合系统等动态系统的数学描述，并对仿真进行更精确的控制。

SVPWM发生器的建模见图2。

3.2模型验证及仿真结果分析

将所建的SVPWM发生器模型用三相逆变器主电路开环控制进行了验证。其中，直流电压Vdc的取值为1500V,IGBT开关频率取为2000Hz，负载的功率为185kVA,功率因数为0.85。从仿真结果可观测不同的输人情况下，调制信号Tcm1、Tcm2、Tcm3和输出电压、电流的波形及关系。

1）调制比小于1的情况

负载的线电压有效值设为630V,调制比理论计算应为0.59，仿真模型输出的逆变器线电压Vabinv和线电流Iainv的波形见图3。经过FFT分析得到线电压的有效值为628.7V,线电流的有效值为169.2，和实际计算结果相符。

调制信号Tcm1的波形见图4。从图中可以看出其波形为马鞍形。

4．结论

从上述SVPWM算法分析和仿真可以看出：

1）相同的直流母线电压下，采用SVPWM方式比传统的SPWM方式直流电压利用率提高了15％，能更好的利用电源电压。

2）实际使用SVPWM算法时，必须对参考信号有准确的认识，这样才可以选择合适的直流母线电压，如果直流电压太大，调制比将达不到1，不能充分利用直流电压；直流电压太小，虽然直流电压利用率更高，但由于饱和将导致谐波分量的增加。

3）SVPWM算法的特点很适合数字化实现，DSP具有快速运算能力，采用DSP实现电机的数字矢量控制系统，在实际中得到了广泛应用。