毕业设计SVPWM技术仿真与实现xWord文档格式.docx
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2.2期望电压与空间矢量的合成 11
第3章 硬件开关模式 14
3.1硬件开关模式的实现 14
第4章 软件开关模式 18
4.1软件开关模式的实现 18
4.2SVPWM软件方法的开关模式 18
4.3软件开关模式的设计 错误！
未定义书签。
第5章 调制波的建模与仿真 23
5.1Simulink仿真软件简介 23
5.1.1Simulink仿真软件的发展 错误！
5.1.2Simulink概述 错误！
5.2建模与仿真 错误！
5.2.1硬件开关模式下的波形 错误！
5.2.2软件开关模式下的波形 错误！
5.3两种开关模式下波形的对比 错误！
结 论 27
谢 辞 错误！
参考文献 28
附 录 29
外文资料翻译 错误！
前 言
上世纪80年代中期，德国学者们在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的概念。
SVPWM又称磁链追踪型PWM法，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得圆磁场。
具体地说，它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪的过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成PWM波。
SVPWM控制技术是一种优化了的PWM控制技术，和传统的SPWM相比，SVPWM法具有直流利用率高、谐波少、控制简单、易于数字化实现等优点。
随着全控型快速半导体自开关器件和智能型高速微控制芯片的发展，使得数字化PWM成为PWM控制技术发展的趋势。
但是传统的SPWM法比较适合模拟电路实现，不适应于现代电力电子技术数字化的发展趋势。
电压空间矢量脉宽调制（SpaceVectorPulseWidthModulation，简称SVPWM）控制技术是一种优化了的PWM控制技术，和传统的PWM法相比，不但具有直流利用率高（比传统的SPWM法提高了约15%），输出谐波少，控制方法简单等优点，而且易于实现数字化。
近年来用于感应电机控制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。
SVPWM同时控制三相电流的状态,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,不仅使得电机脉动降低,电流波形畸变减小,能够提高功率因数,降低损耗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。
随着微机控制技术的发展，微控制器的实时处理能力和运算能力不断增强，使得数字化PWM有了更为广阔的应用前景。
随着电力电子技术的发展，PWM逆变器在电气传动中得到了越来越广泛的应用。
通过控制开关管门极的通断状态，PWM逆变器可以控制输出电压的
频率和幅值。
全数字式PWM逆变器的关键问题是怎样实时地得到PWM开关信号。
在众多的脉宽调制技术中，SVPWM是一种优化的PWM技术，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉冲转矩，且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统SPWM的趋势。
在电机控制中，由于电机的电气时间常数较小，一般的微控制器不能满足要求。
所以，在变频调速控制领域应用数字信号处理器DSP，可使系统向高可靠性，高性能和维护方便的全数字方向发展。
数字信号处理器DSP强大的实时处理能力和运算能力，使得数字化PWM有了更为广阔的应用前景。
TMS320LF2407DSP是TI公司为交流电机控制而推出的控制器，它包括一个定点的DSP芯核和专用的外围控制电路，事件管理器模块有专门为实现空间向量PWM而设计的控制电路。
而且指令执行速度很快，在40MHz的内部时钟频率下，指令周期为25ns。
25ns的指令执行速度和专门的空间向量PWM控制电路，为交流电机控制的全数字化实现提供了便利。
洛阳理工学院毕业设计（论文）
第1章 概述
1.1PWM技术的发展
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最应用的控制方式，也是人们研究的热点脉冲宽度调制（PWM），PWM是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
PWM整流器可以实现功率因数校正和谐波调制，还可以使电流双向流动。
早在20世纪70年代，国外就开始了该技术的研究。
从20世纪80年代后期开始，随着全控型器件的问世，采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。
脉宽调制即PWM控制技术也是变频器研究的关键核心技术。
对于传统的变频器PWM控型而言，方法有许多，当微处理器应用于PWM技术实现数字化以后，又有新的PWM技术出现从追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦，从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，目前，常用的PWM算法有载波调制法、电压空间矢量调制法、优化目标函数调制法等。
基于传统PWM技术研究的经验，经过近十几年的发展，PWM控制技术已形成了几类不同的实现方法，同时新的控制方法还在涌现。
目前多电平PWM的控制方法还需要面对一些新出现的问题，并拓展PWM控制的内涵，进而形成新的PWM控制思路。
9
1.2SVPWM技术的产生
SVPWM是电压空间矢量脉宽调制（SpaceVectorPulseWidth
Modulation）的简称。
SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。
传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。
svpwm的主要思想是:
以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。
传统的spwm方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而svpwm方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。
在变频电机驱动时，矢量方向是连续变化的，因此我们需要不断的计算矢量作用时间。
为了计算机处理的方便，在合成时一般是定时去计算（如每0.1ms计算一次）。
这样我们只要算出在0.1ms内两个基本矢量作用的时
间就可以了。
由于计算出的两个时间的总和可能并不是0.1ms（比这小），
而那剩下的时间就按情况插入合适零矢量。
由于在这样的处理时，合成的驱动波形和PWM很类似。
因此我们还叫它PWM，又因这种PWM是基于电压空间矢量去合成的，所以就称作SVPWM了。
1.3SVPWM技术的特点
现代交流变频调速系统以其优良的调速和启动制动性能广泛应用于工矿企业中，传统变频器所采用的正弦脉宽调制技术（SPWM）着眼于使变频器的输出电压正弦化，而未考虑输出电流的波形，其开关频率高、开关损耗大、装置效率低。
从电压利用率、调制波分析和开关损耗几个方面分析了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术与常规正弦脉宽调制（SPWM）技术的区别和联系,给出了SVPWM技术的几种优化措施.理论分析和仿真结果表明将每相电压正、负半周各60°
的不开关扇区对称分布于电流峰值两
侧的优化SVPWM调制技术是最为理想的控制策略.实际系统的运行结果证明,采用这种调制技术后,控制器的效率得到了显著提高。
电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）从交流电动机的工作特点出发，将电动机与变频器看作一个整体，着眼于获得空间圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
SVPWM比SPWM调制度高、开关模式简单、便于计算及实时控制，可提高直流电源电压利用率15%，并具有转矩脉动小、噪声低等优点，获得了广泛的应用。
SVPWM与SPWM的原理和来源有很大不同，但是他们确是殊途同归的。
SPWM由三角波与正弦波调制而成，而SVPWM却可以看作是由三角波与有一定谐波含量的正弦基波调制而成，这点可以从数学上证明。
与传统的脉宽调制技术相比，电压空间矢量控制的脉宽调制即
SVPWM主要有一下特点：
1..在每个小区间虽然有多次开关切换，但每次开关切换都只涉及一个器件，所以开关损耗较小。
2..可以利用电压空间矢量直接生产三相PWM调制波，计算也比较简
便。
3..逆变器输出的线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆
变器输出电压高出15%。
第2章 SVPWM的基本原理
2.1基本原理
2 . 1 . 1 电 压 空 间 矢 量 的 定 义 交流电机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果
考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。
在图2-1中，A、
B、C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间上互
2
差3,三相定子相电压uAO、uBO、uCO分别加在三相绕组上。
可以定义三
个定子电压空间矢量uAO、uBO、uCO，如图2-1所示。
当uAO>
0时，uAO与
A轴同向，uAO<
0时，uAO与A轴反向，B、C两相也同样如此，电压空间矢
量图如图2-1所示。
Bej
u
uCO
BO
us uCO
uBO
A（ej0）
uAO
C（ej2）
三相合成矢量
图2-1电压空间矢量
u=u +u +u （2-1）
s AO BO CO
图2-1为某一时刻u >
0、u >
0、u <
0时的合成矢量。
与定子电压的空
AO BO CO
间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量i和
s
分别为
is iAO
iBO
iCO （2-2）
s AO BO CO （2-3）
u是一个以电源角频率w为角速度作恒速旋转的空间矢量，它的幅值
s 1
3
是相电压幅值的 倍，当某一相电压为最大值时，合成电压矢量u就落
在该相的轴线上。
在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则
15
定子电流和磁链的空间矢量i和
度在空间作恒速旋转。
的幅值恒定，以电源频率w为电气角速
2 . 1 . 2 电 压 与 磁 链 空 间 矢 量 的 关 系 当异步电动机的三相对称定子绕组由三相电压供电时，对每一相都可
以写出一个电压平衡方程式，求三相电压平衡式的矢量和，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式
d s
US RSiS
dt
（2-4）
当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不
计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为
us d s
或
s usdt
（2-5）
（2-6）
当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。
定子磁链旋转矢量为
j（w1t ）
s se
（2-7）
式中 定子磁链矢量幅值；
定子磁链矢量的空间角度。
将式（2-7）对t求导得
d j（wt ） j（wt ） j（w1t2 ）
Us （se 1
） jw1se 1
w1se
dt （2-8）
us
式（2-8）表明，磁链幅值 s等于电压与频率之比w1，us的方向与磁链矢量 s正交，即为磁链圆的切线方向，如图2-2所示。
当磁链矢量在空
间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，若
将电压矢量的参考点放在一起，则电压矢量的轨迹也是一个圆。
因此，电动机旋转磁场的轨迹问题就可以解决。
Us
O
图2-2旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹
2.2期望电压与空间矢量的合成
每个有效工作矢量在一个周期内只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁场，与在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场相差甚远，六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。
要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择，但PWM逆变器只有八个基本电压矢量，能否用这八个基本矢量合成有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量
（ S VPW M ） 的 基 本 思 想 。
按六个有效工作矢量将电压空间矢量分为对称的六个扇区，每个扇区
对应 ，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用于期望输出电压矢
量相邻的两个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。
所谓等效是指在一个开关周期内，产生的定子磁链的增量近似相等。
电压空间矢量的六个扇区如图2-3所示。
II
III
I
IV
VI
V
图2-3电压空间矢量的六个扇区
以在第Ⅰ扇区内的期望输出矢量为例，图2-4表示由基本电压空间矢量u和u的线性组合构成期望的电压矢量u， 为期望输出电压矢量与扇
1 2 s
区起始边的夹角。
期望输出电压矢量的合成如图2-4所示。
u2
us
t2
T0
u1
t1u1
图2-4期望输出电压矢量的合成
在一个开关周期T中，u作用的时间为t，u的作用时间为t，按矢
0 1 1 2 2
量合成法则可得
由正弦定理得
u t1u
t2u
（2-9）
t1
T0 3
2U
d d us
（2-10）
sin（ ）3
sin sin 3
由式（2-10）解得
1
t
2usT0sin（ ）
（2-11）
Ud 3
t2 2usT0sin
Ud
（2-12）
—般来说t1+t2<
T0，其余时间可用零矢量u0或u7来填补，零矢量的作用时
间为
t0 T0 t1 t2 （2-13）
两个基本矢量作用时间之和应满足
t1 t 1T0
（2-14）
由式（2-14）可知，当 =6时，t1 t2 T0最大，输出电压矢量最大幅值为
usmaax
（2-15）
当定子相电压uAO、uBO、uCO为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值是相电压的幅值的 倍，故基波相电压最大幅值可达
基波线电压最大幅值为
Ud
Ummax
（2-16）
Ulmmax
3Ummax
（2-17）
U
d
而SPWM的基波线电压最大幅值为U
U 2
lmmax
3
升级会员 