基于SVPWM变频器的Matlab仿真及硬件实现

U120（010） （-1/ 6姨 ，1/ 2姨 ） U000（000） U111（111） U180（011） （- 2姨 / 3姨 ，0） U240（001） （-1/ 2姨 ，-1/ 2姨 ） U300（101） （1/ 6姨 ，-1/ 2姨 ） U60（110） （1/ 6姨 ，1/ 2姨 ） β U0（100） （ 2姨 / 3姨 ，0） α 图 1 电压空间矢量 1 引言 近年来，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 PWM （SVPWM）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 宽调制技术，不仅使得电机脉动降低，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。 本文进行了基于空间矢量 PWM（SVPWM）变频 调速的仿真、硬件平台及软件实现。Matlab 的 Simulink是很好的仿真软件环境，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。所以本文对 SVPWM开环变频 调速系统进行了Matlab/Simulink仿真。在搭建硬件 平台之前利用仿真可以对理论进行验证性实验。而 基于 TMS320LF2407A DSP芯片的硬件平台实现了 变频器的基本功能，包括调速与人机界面。 2 电压空间矢量（SVPWM）算法数字实现 空间相量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示法，是 SPWM与电机磁链圆形 轨迹直接结合的一种方法。 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上下桥臂功率开关的状态。 三相桥式电压型逆变器有 8种工作状态，用矢量表 示这 8种空间状态［1，2，3，4］，如图 1所示。 SVPWM 工作原理的相关文献很多［1，2，3，4］，由 于篇幅所限，不再细述。从其原理可以看出，产生 SVPWM波的步骤主要有以下几步：先判断空间矢 基于 SVPWM变频器的 Matlab仿真及硬件实现 张 健，贾晓霞，牛 维，詹哲军 （太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024） 摘要：着重介绍了 SVPWM（空间电压矢量脉宽调制）的基本原理及其仿真和硬件的实现。用 Matlab/Simulink 工具箱搭建仿真平台，根据 SVPWM规律发脉冲使开关管通断，变频器输出 PWM波，实现定 U/f调速的控制 方式，仿真中的异步电动机参数都是实验室电机实际测量值。硬件主系统核心运用 TMS320LF2407A的 DSP 芯片实现，并设计有相应的主回路、触发电路板、采样板等并且软件算法实现 SVPWM波。仿真和实验结果表 明 SVPWM调制方案正确可行，提高了电压利用率及系统的控制精度，算法简单，较易实现。 关键词：SVPWM；变频器；仿真 中图分类号：TN773 文献标识码：A Matlab simulation and hardware realization of SVPWM frequency converter ZHANG Jian, JIA Xiao-xia, NIU Wei, ZHAN Zhe-jun （College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China） Abstract：SVPWM（Space vector pulse width modulate）is a new way of modulation. The basic principle，Matlab simulation and hardware realization are introduced. The simulation flatform is built by Matlab/Simulink toolbook. The parameters of all models are from real system. TMS320LF2407 DSP chip is employed as CPU, which build SVPWM waves. It reduces the veins of system，and improves the precision of the control. Key words：SVPWM；frequency converter；simulation 文章编号：1005—7277（2009）01—0010—05 2009年 第31卷 第 1 期 第10页 电 气 传 动 自 动 化 ELECTRIC DRIVE AUTOMATION Vol．31，No．1 2009，31（1）：10～14 1 Vα 2 Vβ 1 N 1 Constant u［2］ B0 f（u） B1 f（u） B2 0 Constant1 Switch Switch1 2 Switch2 Gain Gain1 4 f（u） P 图 3 判断电压空间矢量所处扇区 Sector模块框图 P 1 2 3 4 5 6 扇区号 1 5 0 3 2 4 表 1 P值与扇区号的对应关系 量 Uout所在的扇区，然后利用公式分别计算 X、Y、Z 的值，根据空间矢量所处在的扇区，分别计算该扇 区中晶闸管的导通时间 t1、t2。然后再根据所处扇区 确定空间矢量切换点 Tcm1、Tcm2、Tcm3。再根据空 间矢量切换点导通晶闸管产生 PWM波形。以下直 接给出算法流程： （1）确定矢量 Uout所在扇区（图 2中“Sector”模 块，模块内部结构如图 3所示）。 当 Uout 以 oαβ 坐标系上的分量形式 Uoutα、 Uoutβ给出时，先用下式计算 B0、B1、B2。 B0 =Uβ B1=sin60°Uα-sin30°Uβ B2 =-sin60°Uα-sin30°Uβ � � � �� � � � �� � （1） 再用下式计算 P值 P=4sign（B2）+2sign（B1）+sign（B0） （2） 式中 sign（x）是符号函数。如果 x＞0，sign（x）=1； 如果 x＜0，sign（x）=0。 然后根据 P值查表 1，即可确定扇区号［6，7，8］。 （2）相邻两矢量作用时间的确定（图 2中“计算 XYZ”模块，模块内部结构如图 4所示）。 令 X= 3姨 UαTs /Ud Y= 3姨 Uα /2+3Uβ /姨 姨2 Ts /Ud Z= 3姨 Uβ /2+3Uα /姨 姨2 Ts /Ud 姨 � � � �� 姨 � � � �� 姨 （3） 则各扇区相邻两矢量作用时间如表 2所示（图 2中“计算 T1T2”模块，模块内部结构如图 3 )。对于 不同的扇区 t1、t2，按表 2取值。t1、t2赋值后，还要对 其进行饱和判断。若 t1+t2＞TPWM，取 t1=t1TPWM /（t1+t2）， 2009年 第 1期 ·11·张 健，贾晓霞，牛 维等 基于 SVPWM变频器的 Matlab仿真及硬件实现 pulse + i- + + + A B C + - Universal Bridge + v- Ud + i- Id IGBT Inverter + - pulses A B C Step A B C Tm + v- m m is_abc phis_qd wm Te la lb lc lα lβ lα lβ ls ls lsa Uab 3/2变换 *sqrt（2/3） k- ψsdqψs Gain -C- 931 Ux Va Vb Vc Va Vb Vc Vα Vβ Vα Vβ N 计算 XYZ Vα Vβ T Ux X Y Z 计算 T1T2 X Y Z N Tx Ty T1 T T2 Tc Tb Ta 计算 Tabc Tc Tb Ta N Tcm1 Tcm2 Tcm3 Tcm1 Tcm2 Tcm3 计算 Tcmx 产生 PWM Scope1 Powergui -Discrete Ts=1e-006 s 图 2 SVPWM变频调速系统仿真结构图 2 T 1 T1 3 T2 3 Ta 3 Tb 3 Tc + - - k- 1/4 0.5 1/2 0.5 + + + + 图 5 计算 Ta、Tb、Tc 扇区号 1 2 3 4 5 6 t1 Z Y -Z -X X -Y t2 Y -X X Z -Y -Z 表 2 t1和 t2赋值表 ·12· 电气传动自动化 2009年 第 1期 t2=t2TPWM /（t1+t2）。 （3）确定比较器的切换点（图 2中“计算 Tabc” 模块及“计算 Tcmx”模块，如图 5、图 6所示）。 其定义为： Ta=（Ts-t1-t2）/4 Tb=Ta +t1 /2 Tc =Tb+t2 / � � � �� � � � �� � 2 （4） 根据空间欠量所处的扇区不同可以计算出矢 量切换时间 Tcm1、Tcm2、Tcm3，分别用表 3内的符 号表示。 最后根据所处扇区确定空间矢量切换点 Tcml、Tcm2、Tcm3。然后根据空间矢量切换点导通 晶闸管产生 SVPWM波形。 3 仿真及结果分析 在Matlab的 Simulink环境下，根据以上 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 与计 算公式，极易实现以上的 SVPWM的算法。建立仿真图 （图 2）。从仿真图可观测不同的输入情况下，调制信号 Tcmx和输出电压的波形及关系。为便于仿真分析 及与基于 DSP芯片的硬件平台相对应，三角载波 周期 TPWM取 0．0001 s，幅值取 TPWM /2即 0．00005 s。 仿真中的电机参数为实验室基于 TMS320LF2407 DSP的变频调速实验平台感应电机的实测参数。电 机参数如下：PN=2.2 kW、UN=380 V、nN=1500 r/min、 fN =50 Hz、IN =5 A，△接法，定子 Rs =6.9 Ω、Ls=0. 0455 H，转子折算后 Rr =8.18 Ω、Lr=0.0455 H，互感 Lm=1.0039 H。因此仿真中 Vdc取 931 V。实际电压矢 量 Uout周期为 0.02 s，经过仿真实验，可以得出以下 结论： （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 15％，能更好的利用电源电压。 （2）实际系统中，保证合适的 SVPWM方案，必 须对参考信号有较准确的认识，这样才可以选择合 适的 Vdc。如果 Vdc太大，调 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 将达不到 1，不能充 分利用直流电压；Vdc太小，虽然直流电压利用率更 高，但由于饱和导致谐波分量的增加，电动机力矩 脉振增大［9］。 仿真定子电流如图 7所示，磁链，转速和转矩 1 Vα 2 Vβ 3 T 4 Ux 3 Z f（u） 计算 Z 3 Y f（u） 计算 Y 3 X f（u） 计算 X 图 4 计算 X、Y、Z 扇区号 1 2 3 4 5 6 Tcm1 Tb Ta Ta Tc Tc Tb Tcm2 Ta Tc Tb Tb Ta Tc Tcm3 Tc Tb Tc Ta Tb Ta 表 3 切换时间 Tcm1、Tcm2、Tcm3赋值表 3 Tcm3 开关时刻 Tcm3 3 Tcm2 开关时刻 Tcm2 3 Tcm1 开关时刻 Tcm1 1 Tc Tb Ta N 4 3 2 图 6 计算 Tcm1、Tcm2、Tcm3 （a）40Hz定子线电流波形 （b）50Hz定子线电流波形 （c）10Hz-30Hz 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 图 7 定子电流 Isa的波形图 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1500 1000 500 0 -500 80 60 40 20 0 -200 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 图 8 磁链、转速和转矩波形 波形如图 8所示。 4 SVPWM的 DSP实现 TMS320L F2407A DSP 系统的指令周期为 33ns，运算速度快，指令效率高；内部具有 32k字的 Flash存储器，544字的双口 RAM；两个事件管理器 （EVA、EVB），每个事件管理器包括 2个定时器、3 个全比较单元、3个捕获单元、一个正交编码脉冲 输入单元和相关的 PWM产生电路及中断逻辑；16 通道的模拟-数字转换器，转换时间为 500ns/次；42 条功能复用的 I/O引脚，内部看门狗电路；以及 CAN控制器和用于串行通讯的 SCI、SPI接口；三个 全比较单元输出六路互补 PWM。在实现 SVPWM 的过程中，可以采用定时器连续加/减计数从而生 成对称的 PWM。 5 结束语 本文以TMS320LF2407A DSP 作为核心控制 器，采用恒压频比控制方式和 SVPWM调制策略研 制了一台 30 kW通用变频器的样机，控制电机进 （d）30Hz-10Hz 图 9 调速过程定子线电流和转速波形 2009年 第 1期 ·13·张 健，贾晓霞，牛 维等 基于 SVPWM变频器的 Matlab仿真及硬件实现 ·14· 电气传动自动化 2009年 第 1期 行试验。 如图 9所示为通过泰克示波器 TDS3014测得 的采样板实测的感应电机电流波形。图（a）、（b）分 别为电机在 40、50Hz空载条件下的定子稳态电流 波形。图（c）、（b）分别为频率从 10Hz上升到 30Hz 和从 30Hz下降到 10Hz过程的定子线电流和转速 波形，加、减速时间设定为 1.6 s。 参考文献： ［1］杨贵杰． 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］程善美． SIMULINK环境下空间矢量 PWM 的仿真［J］． 电 气自动化，2002，24（3）：38-41. ［3］王晶晶，徐国卿，王 麾． 基于 DSP高速信号处理器的空 间电压矢量 PWM 技术的研究与实现［J］． 电力系统及其 自动化学报，2002，14（6）：27-31. ［4］王晓明，王 玲． 电动机的 DSP控制—TI公司 DSP运用 ［M］． 北京航空航天大学出版社，2004.7. ［5］刘凤君． 正弦波逆变器［M］． 北京：科学出版社，2002. ［6］孙业树，周新云，李正明. 空间矢量 PWM的 SIMULINK 仿真［J］． 农机化研究，2003.4. ［7］祝 琴，钟祥微，章 鸿. SVPWM原理及其 Simulink仿真 ［J］． 电器技术. ［8］田亚菲，何继爱，黄智武.电压空间矢量脉宽调制（SVPWM） 算法仿真实现及分析［J］． 电力系统及其自动化学报， 2004.8. ［9］Khanbadkone Ashwin M, Holtz Joachim. Compensated sync- htonous PI current controller in overmodulation range and six-step operation of space-vector-modulation-based vector- controlled drives［J］． IEEETrans on Industrial Electronic, 2002,49（3）; 574-580. 作者简介： 张 健（1981-），男，山西晋城人， 太原理工大学电气与动力工程学 院在读硕士，从事交流电机调速的 科研工作。 收稿日期：2008-03-24 （上接第 4页） 研究的正确性。 如图 8所示为 U相上、下桥臂功率开关管驱 动信号、电压、电流波形。从图 8中可以看出，通过 对谐振电路的控制，功率开关器件的开通是在端电 压为零的情况下进行的，本文所研究的 ZVT软开 关三相 PWM 逆变器各桥臂功率开关器件工作情 况相同，即逆变器主电路的所有功率开关器件实现 了零电压软开关动作。综上所述，所有的功率开关 器件都实现了软开关动作。如图 9所示为逆变器的 三相输出电流波形，由图 9可见，本文研究的 ZVT 软开关三相 PWM 逆变器的三相输出电流仿真波 形具有较好的正弦度。 5 结束语 本文深入研究了 ZVT软开关拓扑结构基础上 逆变器的换向过程，重点讨论了辅助谐振电路特性 及谐振电感换流过程，采用 SAPWM控制方法，实 现了逆变器系统软开关功能。仿真研究表明，采用 基于谐振电感电流反馈的谐振周期控制算法，可有 效解决该拓扑存在的不足并实现所有功率开关器 件的软开关动作。另外，该软开关拓扑的辅助谐振 环节仅采用了一个换流开关，且辅助开关可以恒定 频率、恒定占空比的方式工作，简化了系统结构及 其控制，降低了系统成本，有利于技术产品化。 参考文献： ［1］高 珊，冯之钺．双向 ZVT-PWM三相软开关逆变器的原理 分析及仿真研究［J］.电工电能新技术，1999，（3）：6-8． ［2］V Vlatkovic，D Borojevic，F C Lee，et al. A New Zero-Voltage Tranition Threee-Phase PWM Rectifier/Inverter Circuit［C］． Conference Records of PESC’93：656-873． ［3］S R Lee，S H Ko，S S Kwon，et al． An Improved Zero-voltage Transition Inverter for Induction Motor Drive Application［C］. TENCON 99． Proceedings of the IEEE Region 10 Conference， 1999：986-989． ［4］许春雨，陈国呈，孙承波，屈克庆．三相软开关逆变器的 PWM 实现方法［J］． 中国电机工程学报，2003，23（8）：23-27. 作者简介： 孟岩峰（1980-），男，硕士生，主要从事电力电子及电力传 动的研究。 许春雨（1970-），男，博士，主要从事电力电子变换技术及 其电机驱动的研究。 宋建成（1957-），男，教授/博导，主要从事电力系统自动化、 智能电器技术的研究。 收稿日期：2008-02-05 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!