基于MATLAB的SVPWM算法仿真

基于MATLAB的SVPWM算法仿真科技论坛基于MATLAB的 SVPWM算法仿真潘言全（湖北师范学院物理与电子科学学院，湖北黄石 435000） 1 概述与传统的正弦波脉宽调制（SPWM）相比，空间矢量脉宽调制（SVP- WM）具有线性调制范围宽、直流电压利用率高、输出电压谐波小和易于数字化实现的特点[1]，因而在变频调速和无功补偿等电力电子变换器应用领域得到更加广泛的应用。本文首先介绍 SVPWM的基本原理，在分析机理的基础上推导 SVPWM算法，然后在MATLAB———主要在 SIMULINK环境下，采用 MATLA...

科技论坛基于MATLAB的 SVPWM算法仿真潘言全（湖北师范学院物理与电子科学学院，湖北黄石 435000） 1 概述与传统的正弦波脉宽调制（SPWM）相比，空间矢量脉宽调制（SVP- WM）具有线性调制范围宽、直流电压利用率高、输出电压谐波小和易于数字化实现的特点[1]，因而在变频调速和无功补偿等电力电子变换器应用领域得到更加广泛的应用。本文首先介绍 SVPWM的基本原理，在分析机理的基础上推导 SVPWM算法，然后在MATLAB———主要在 SIMULINK环境下，采用 MATLAB 的 SIMULINK 仿真方法对 SVPWM进行辅助设计，可计算机修改系统参数，直到获得理想的特性为止。通过仿真研究，从而实现优化设计，这对高性能的变频调速系统具有一定的应用价值和现实意义。 2 SVPWM的基本原理 SVPWM实际上是对应于三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合。按一定规律来控制逆变器三对桥臂晶体管的通断，将直流侧电压变为三相正弦电压输出。因此，三相桥式逆变电路各桥臂通断状态的组合为 6个有效的空间矢量U1（100）、U2 （110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101）和 2 个零矢量 U0（000）、U7 （111）。 SVPWM线性组合的控制策略就是通过合理控制两个相邻非零矢量及零矢量之间的切换，在每个开关周期内逼近旋转参考矢量Uref，使合成电压矢量的轨迹逼近圆形。可用矢量Uref所在扇区边界的两个相邻特定矢量Ux和Uy及零矢量Uz合成一个等效的电压矢量Uref，调控Uref 的大小和相位[2]。则在时间很短的一个开关周期 Ts中，矢量存在时间就由组成这个区域的两个相邻的非零矢量Ux存在 Tx时间、Uy存在 Ty时间以及零矢量Uz存在 T0时间来等效，即 UxTx+UyTy+UzT0=UrefTs=Uref（Tx+Ty+T0）（1） 3 SVPWM的算法 3.1判断矢量Uref所在扇区将给定的三相静止参考坐标系（A- B- C）上的相电压 uA、uB、uC利用 Park变换合成等效电压空间矢量（2）将Uref在两相静止参考坐标系（α-β）上进行分解（3）于是，利用式（2）、式（3）整理得到等效电压空间矢量U在两相静止参考坐标系的分量为：（4）当等效电压空间矢量Uref位于扇区 I时，可以得到如下条件： Uα>0，Uβ>0，00，uBC>0，uCA<0 同理推导出判断等效电压空间矢量U位于其他扇区的条件，见下表：表 1 扇区的新判据在仿真建模的过程中，为了能够清晰地表现出上述的判别过程，现做如下规定：当“线电压≥0”时，记为“1”；当“线电压 <0”时，记为“0”。则得到如表 1（最后一行）形式的扇区判别新判据。在表 1中，将每个扇区根据规定得到的三个数（0或 1）看作一个二进制数，然后将此二进制数转换成与之对应的十进制数，即得到表 1末行的N值。例如根据规定，扇区 I的优化判据为（1、1、0），我们将其看作二进制数“110”，然后转换成与之对应的十进制数“6”，即可得到表 1末行的N值为“6”。因此，在系统仿真模型输出N值时，将得到的N值在表 1中即可查找出所对应的扇区编号，从而实现扇区判别的功能。 3.2各扇区电压矢量作用时间 Tx，Ty 当参考电压在扇区 I时，根据空间矢量作用等效的原则（5）由于 U1=U2=（2/3）Ud，联立式（1）、式（4）和式（5），得到在扇区 I中，电压空间矢量U1、U2作用时间 T1、T2： T1=TsuAB/Ud， T2=TsuBC/Ud 同理可得，在其余各扇区电压空间矢量作用时间。其中，开关周期 Ts内的剩余时间由零电压空间矢量的作用时间 T0 来补充， T0=Ts- Tx- Ty （6） 3.3逆变器开关状态切换点 Tcm1、Tcm2、Tcm3 为了计算空间矢量比较器切换点 Tcm1、Tcm2、Tcm3，设 Ta=（Ts- Tx- Ty）／4 Tb=Ta+Tx／2 （7） Tc=Tb+Ty／2 4 SVPWM在MATLAB中的建模与仿真在MATLAB／Simulink仿真集成环境中建立 SVPWM控制模块的仿真模型，如图 1所示。图 1 SVPWM仿真模型在这个仿真系统中三角波的周期为 Ts=0.001s，其幅值为 0.0005s。三相电压为给定幅值为 220V，给定频率为 50Hz 相差 120°的正弦波，直流电压Ud=600V。经过 0.1s 仿真，得到如图 2 所示的仿真波形图。由图 2可以看出，这些比较值波形如马鞍形，故称为马鞍波，将这一马鞍波与载波进行比较，就可以得出 PWM脉冲波形。图 2 比较值波形 5 结论仿真是进行产品设计的重要手段。本文用MATLAB的 SIMULINK 易于对 SVPWM进行仿真实现，模型直观，不用编程，摘要：介绍了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的基本原理，详细阐述了在仿真软件 MATLAB环境下实现 SVPWM的方法，仿真结果验证了算法的正确性和可行性。关键词：SVPWM；MATLAB；动态模型；仿真 �� 2 ( ) 3 �� U u e u e u e � � � � �� 2 1 1( ) 3 2 2 3 ( ) 3 �� U u u u U u u � � � � � � � �� 1 2 3 2 � � U T U T U T U T U T � � � � � �� （下转 167页） 46· · 管理科学容易理解和使用，结果显示效果良好，完全符合实际电机控制仿真要求，为交流传动系统的进一步研究和设计打下良好的基础。参考文献 [1]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.[M].第 2版.北京：机械工业出版社， 2005. [2]理文祥，王庆贤，葛莲.SVPWM的算法与仿真研究[J].变频器世界， 2011（4）. 作者简介：潘言全（1963~），男，硕士，讲师，主要从事机电等方面的科研与教学。试析现代城市规划的新思路史春华韩树伟（大庆市规划建筑设计研究院，黑龙江大庆 163000）随着我国社会经济的发展，城市化进程加快，城市特别是大城市和特大城市面临的形势更为严重。如何在日益加速的城市化进程中进行科学的城市规划，营造美好未来？最关键的，应该是“以人为本、可持续发展”。个人认为，以人为本不只是关怀今人的生活环境、生活质量，也要尊重城市的历史，放眼未来，只有这样的城市规划才能造福于民，也才有生命力，才能可持续发展。 1 城市规划的现状我国的城市规划，大多是按照如下的步骤进行：资料的收集和研究→社会经济状态分析→确定城市性质、规模和发展方向→确定城市规划的目标→根据目标分解为具体指标→按照以上问题提出不同的规划方案 →研究不同方案的利弊→确定总体规划→按照总体规划进行分区规划→具体规划→近期实施方案制定→建设规划的治理。通常情况下，规划的重点在于城市土地和空间资源的规划和治理，城市规划的着眼点是城市的社会经济的发展。虽然在有关城市规划的法规中提出了社会、经济、人口、资源、环境的协调发展，但在实际操作时由于缺乏必要的保证措施和有效的实施手段，往往忽略了资源和环境的问题，而把主要注重力放在人口和社会经济的发展上。 2 城市规划的可持续发展观可持续发展作为一种全新的发展观在 1992年里约热内卢联合国环境与发展大会上得到全球的共识。可持续发展是指经济、社会、人口与资源和环境的协调发展，既满足当代人不断增长的物质文化生活的需要，又不损害满足子孙后代生存发展对大气、淡水、海洋、土地、森林、矿产等自然资源和环境需求的能力。1994年我国政府率先制定了中国的可持续发展战略《中国 21世纪议程中国 21世纪人口、环境与发展白皮书》。此后国务院专门发文，要求各地区、各部门将《中国 21世纪议程》的基本思想和内容纳入国民经济和社会发展计划，并强调要提高全民可持续发展意识，建立和完善相关制度。党的十五大报告中指出：“我国是人口众多、资源相对不足的国家，在现代化建设中必须实施可持续发展战略。坚持计划生育和保护环境的基本国策，正确处理经济发展同人口、资源、环境的关系。” 我国人口众多，许多资源相对短缺，经济建设过程中面临着沉重的资源环境压力。由于我国大中城市人口密集，社会经济活动高度集中，城市建设与治理的任务繁重，社会经济发展与资源环境之间的矛盾与西方国家相比更为突出，在城市规划中贯彻可持续发展思想尤为重要。当前，可持续发展观念至少在如下几方面对进一步完善我国城市规划提出了新的要求：①如何确立与可持续发展要求相适应的城市规划的指导思想与规划方法体系；②在规划环节怎样才能保证城市发展实现由粗放型向集约型的转变；③如何体现“科教兴市”从总体上对城市发展的推动和促进作用；④资源、环境作为城市发展的客观约束，通过何种形式才能在城市总体规划中得到有效反映；显然，对上述问题的回答将使我们的城市规划工作更好地适应和体现可持续发展的思想，从而有助于实现城市社会经济与资源环境的协调发展。 3 科学的城市规划理念实现城市的可持续发展，要求在城市规划中除了包括常规的规划内容之外，还必须综合考虑城市发展的资源与环境问题，猜测在不同政策方案下，城市系统的发展水平和资源环境状况，在环境容量与环境承载力两个要害指标的约束下，制定城市的发展方案及相应的发展对策建议，为了达到上述目的，需要对城市规划的内涵进行必要的拓展，形成可持续发展观念下城市规划的新思路。城市规划是一个反复迭代的过程，假如城市规划的初步方案突破了城市的环境承载力及城市的资源供给力，则要求进行相应的需求治理，对城市的社会经济发展需求进行控制，据此在环境指标和资源指标下得出一个新的城市规划方案，再与环境承载力和资源供给力比较，直至满足为止。这种城市规划新思路要达到的基本目标是综合需要与可能，建立一个满足社会经济发展和人民生活需要的城市系统；同时必须考虑城市环境承载力和城市资源供给力，将城市的资源环境消耗确定在一个合理的限度之内。根据研究目标设立了两个决策作用点：城市交通环境承载力和城市资源供给力。城市环境承载力即城市环境对污染承载能力；城市资源供给力即城市的资源（包括土地、淡水、森林、能源等资源）对城市发展的供给能力。对于任何区域，按照可持续发展的要求，城市的资源利用和城市的环境污染都是有一定限度的，超过限度将制约社会经济的发展。城市规划思路具有如下三个显著特点：①规划内容已不局限于城市本身的发展，而是将与之关联的人口、经济、社会、资源、环境等诸多因素纳入规划过程，在保证上述因素相互协调和相互促进的前提下，寻求城市适宜的发展规模、发展速度与发展方式；特别在规划的开始，就把城市的环境分析和城市的资源分析和城市发展的需求分析一并考虑，由此得出平衡城市发展的总体规划初步方案。②整个规划的出发点不仅是以往的城市社会经济发展与城市土地及空间资源的关系，而特别强调了城市环境承载力和资源供给力。这是可持续发展观念对城市规划提出的新的要求。③资源环境体系的基本承载力是决策城市规划方案的一个十分重要的控制点，即规划方案中建议的城市规划不能突破城市的环境承载力和资源供给力。需要说明的是，城市规划方案的确定并不是被动的接受承载力和供给力指标的约束。随着科技的不断进步，环境污染的排放因子和经济发展的资源消耗特性会相应发生变化，导致环境承载力不断增大和资源供给力的加大，以及城市系统答应发展规模上限的扩大。可见，环境承载力和资源供给力指标的引入，保证了城市发展与资源环境之间的良性互动，这是可持续发展思想的具体体现。总之，上述规划思路充分考虑到客观条件对城市发展的约束及科技进步对城市发展的能动作用，以之作为规划工作的出发点，将有助于从规划环节保证实现城市的内涵型、集约式发展以及“科教兴市”战略的贯彻实施。 4 结论对于未来的城市规划，我们一定要保持清醒的头脑，不能根据现有的习惯而做出轻率的推断。放眼未来，这才是城市规划有生命力的关键所在。摘要：随着城市社会经济活动规模的扩大和城市系统整体功能的复杂化，对城市规划的要求不断提高，城市规划的重要性也更加突出。一个城市的建设和治理，首先取决于科学合理的城市规划，本文从城市规划的现状、可持续发展设计、科学的城市规划理念等多方面进行了探讨，以指导设计者在城市规划设计中把握正确的设计理念，做出合理高效的设计方案。关键词：城市规划；现状；可持续发展；科学发展（上接 46页） 167· ·

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