SVPWM电机驱动模型分析报告.docx
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SVPWM电机驱动模型分析报告
SVPWM电机驱动模型分析报告
目录：
SVPWM电机驱动模型分析报告1
一：
整个电机模型的工作原理2
1.永磁同步电机逆变器前后原理与功能2
2.便于控制的PID数据以及便于计算的SVPWM输入数据的来龙及原理：
3
3.SVPWM的计算过程及PMSM模型:
4
二：
各个模块的工作原理、输出波形、配置参数5
1.电机模型整体框架：
5
2.仿真电机框图各个模块功能、标准波形、配置参数说明：
7
I-I-CLARK反变换，I-PARK反变换：
7
II-系统磁通量：
8
III-上层控制算法：
8
IV-SVPWM模块：
8
V-逆变器：
9
VI-PMSM电机模型：
9
三：
simulink仿真相关注意事项11
预备知识：
（1）MATLAB的相关知识。
主要有M文件编程、S-function函数的编写、Simulink框图仿真、基本的Simulink模块的使用。
（2）SVPWM驱动算法，交流永磁同步电机的构造原理。
（3）永磁同步电机逆变器的驱动原理。
一：
整个电机模型的工作原理
1.永磁同步电机逆变器前后原理与功能
在这里不详细讲解整个电机的工作原理。
从大体上讲下SVPWM控制方式的工作原理。
更加详细具体的讲解可以参考SVPWM永磁同步矢量控制的原理。
SVPWM是交流无刷永磁同步电机的前端控制算法，为什么需要SVPWM呢？
下面是交流永磁电机的模型：
浅显的理解是：
永磁同步电机在转动时，内部的磁通是正弦波变化（这和电机的内部结构相关）,因此为了稳定精确的控制电机，外部的输入电压也需要按正弦波变化，这样才能稳定的跟随。
为了输出按正弦波变化的电压，要借助逆变器。
下图是逆变器的构造：
逆变器的后面接通了PMSM电机，逆变器的输入参数VDC作为电机的电压，此参数越大，电机最大的转速越大。
逆变器由a-a’b-b’c-c’三相开关构成，开关的不同通断，使得电机的三端产生不同的电压：
看似离散的电压，将这电压值换算成一个周期的平均量（相当于计算一个周期的功率）当然每个电压的保持时间也是要精确控制的，那么就是一个很好的正弦波形，在三相开关的频率加大上，开关切换速度高，切换时间精确下，波形就越光滑，效果更好。
八种开关（实际六种）切换一周的时间就是周期，这个时间越小，频率越高，那么波形越好。
每个开关在这个周期里的某个时刻需要开通的时间计算的越精确，波形就越正弦。
理解上面的逆变器工作原理之后，这些都不涉及到SVPWM控制。
能够稳定输出正弦波，前提是能之后各相电流的相位和大小。
这就是SVPWM所要做的事情。
交流永磁同步电机不向有刷电机可以依靠电刷换相，这里需要靠在电机线圈中的三相电流的关系检测处此时电机的状态。
如上面三相逆变器的结构图，在VDC的线上串接一个电阻，测试它的电压，得到系统中的电流，然后依靠这个电流分析三相电流的此时状态。
这样就得到了电机当前的状态。
分析后就可以作为逆变器的PWM波形输入。
2.便于控制的PID数据以及便于计算的SVPWM输入数据的来龙及原理：
下面是理论分析:
三相a,b,c电流，一方面要便于计算机进行控制。
比如PI控制，需要最后的各个坐标下的电流是个恒定值，这样PID控制才能跟随这个值。
同时又要便于计算PWM各相在一个周期的持续时间，得到持续时间才能便于后面电机的稳定转动。
在基于换算前后功率相等的情况下，我们可以解决这两个问题。
CLARK变换：
将三相的电流变换成静止的二维坐标下的alf、bate电流，公式如下：
经过这个变化之后，就能得到alf、bate一直在变化的两相电流（对应到两轴的模一直在变化）。
这两个电流作为SVPWM模块的输入，计算出各路PWM波形置高时刻及持续时间。
PARK变换：
PARK变换是将输入的alf、bate两轴的电流变化到旋转坐标系中，因为电机在转动的时候，实际上可以把输入电流等效成垂直的磁感线方向和平行磁感线方向，在电机稳定转动的时候，两轴的电流是恒定值，垂直磁感线方向电流q为恒定值，平行磁感线方向的电流d为0，因为它们的夹角在一直变化。
这个夹角Θ的角度随着速度和负载的变化而变化。
这样用于计算机控制的q、d轴两个电流也已经计算出来，下面是具体的计算公式：
Θ角通过PWSM的反馈模块得出。
3.SVPWM的计算过程及PMSM模型:
SVPWM就是将alf、bate两相电流转化成在指定的周期内三路PWM波形置高的时间比例。
我们把αβ表示成矢量，那么它必定落在如下的六个象限中的某个象限内：
上面的两个图的含义就是说：
将a,b,c三相电压，换成αβ电压之后，建立的αβ坐标系下建立的扇区。
任何一个时刻，换算成的αβ等效电压，Vs只可能落在其中的某个扇区里面。
任何一个Vs都可以由六矢量中的两个相邻的矢量表示。
一个Vs就表示一个周期，当然还可以加入0矢量（实际也是这么做的），然后计算将Vs换算成在两个矢量上的时间比例，最后得出PWM波形的置高持续时间。
因为各个扇区的参考矢量不同，所以又将这个换算关系对应成5段-7段模式。
5段或7段模式实际就是取参考向量的粒度。
粒度越小，谐波越小，粒度越大，谐波越大。
为什么要在乎谐波呢？
因为逆变器的功率管是一个放大器，对于输入量（经过功率等效，即平均电压），谐波将会被放大。
对后面的正弦波的波形有直接影响。
7段：
在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。
并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM对称，从而有效地降低PWM的谐波分量。
5段：
采用每相开关在每个扇区状态维持不变的序列安排，使得每个开关周期只有3次开关切换，但是会增大谐波含量。
逆变器将这个PWM波形转化成电压，然后输给PMSM电机模块。
逆变器中有个参数，就是加入到电机两端的电压VDC。
PWSM模型：
就是将输入的三相电压，驱动电机转动，电机转动就按照永磁同步电机的预先植入的公式计算就可以了。
这里不再讨论。
同时对应电机转动之后会得到三相电压的波形，三相电流的波形，当前的转速，当前的磁矩以及当前的电机角度。
这些量都是作为反馈的参数。
在电机模型中，VDC作为参数来控制电机，VDC就是加到电机两端的电压，这个值越大，电机的最大转速越大。
当然SVPWM中也有两个参数一个是电机两端的电压、一个是PWM波形的频率或者周期。
参考基于TMS320F2812的永磁同步电机伺服控制系统研究.pdf闫光亚华中科技大学2007年05月硕士学位论文。
二：
各个模块的工作原理、输出波形、配置参数
1.电机模型整体框架：
下面要分析的具体电机模型是从网上下载的电机模型，本身的simulink中有逆变器和pmsm电机的模型，这里我没有采用这些模型，而是直接利用的网上下载的框图，框图是自己构建的电机驱动模型。
整个电机模型，核心是SVPWM，对于电机模型和逆变器模型关键是会用，理解原理。
下图是整个电机仿真模型：
图中是使用的电机模型和本身simulink自带的电机模型：
图一
上图中是本文使用中的电机框图模型，自己构建的电机运行参数模型。
实际上电机运行的各个参数对于simulink自建的模型也就利用公式计算，这里也是利用已经给定的公式计算得出。
所以两者实际上是没有什么区别的。
下图是参考的电机模型图，simulink自带的电机模型：
图二
说明：
以上的两种电机模型都由三部分组成：
逆变器、电机、电机测试仪（编码器和AD采样）.在图一中，是自己构建的，在图二中是直接调用的simulink的元件库。
图一中interver就相当于图二的UniversalBridge,都是将六路PWM波转换成对应的电压加在电机的三个相上。
2.仿真电机框图各个模块功能、标准波形、配置参数说明：
I-I-CLARK反变换，I-PARK反变换：
I-CLARK反变换，将输入的ua,ub,uc三轴的电压转换成αβ静止坐标系电压，如模块中
上面这个模块就是从电机采样中得到三相电压电流，然后转化成αβ电压，电流。
系统中产生的ia，ib电流以直角坐标系为坐标的波形图：
I-PARK反变换：
这个框图，首先是将电流变成αβ静止坐标电流，然后利用thr将静止坐标系电流编程旋转坐标系的qd电流。
这里面叠加了这两个反变换。
得到的q,d两轴的波形如下：
II-系统磁通量：
还不明白表示的是什么，从公式上看是磁通量。
看下面的框图：
对应框图->
从框图内部分析可以得出公式：
falfa=∫（ua-ia*Rs）dtfbate=∫（ub-ib*Rs）dt因为磁通量的变化率为电压，这里对电压求积分，那么就是表示磁通量。
含义是：
线圈产生的磁通量。
然后在直接坐标系中显示出来。
falfafbate在直接坐标系显示出来的波形：
III-上层控制算法：
这里的模型是双环控制的，外环是速度环，内环是电流环。
电流环将qd两轴的电流都进行了控制。
在电机模型中，需要做修改的就是这个环节。
然后仿真修对应算法的波形。
IV-SVPWM模块：
从上层控制算法中得到dq两轴的电流，这里要将其首先转化成αβ静止坐标电流。
先是一个I-PARK变化得到的αβ电流，然后再输入给SVPWM处理模块，（具体的算法可以参考相关的论文）。
SVPWM模块处理之后输出PWM波形。
前面已经讲解了SVPWM模块的基本工作流程。
这里不再详细贴出来框图的实现。
三路PWM波的输出正常情况下如下面波形：
SVPWM有两个配置参数。
一个是电机两端的电压，这个决定了电机的功率。
另外一个是Ts，这是PWM波形的一个周期所要时间，周期越短是越好。
V-逆变器：
前面已经详细讲解，逆变器功能是将输入的不同占空比的波形对应打开功率管的时间，使得输出按正弦波变化的电压曲线。
SVPWM模块和inverter都有一个共同的配置参数，电动机的线圈电压VD，这个参数的配置大小会影响电机的输出电流的饱和值。
转速越大，需要的电压越大。
和实际是比较吻合的。
和其参数配置对话框
输出的三相电压值波形（离散的）：
VI-PMSM电机模型：
PMSM电机模型是直接自己建模，没有使用系统库中的模型，实际上都是一样的，只是系统将框框进行了包装。
仿真之后正常情况下输出来的波形近似为：
三相电流波形：
速度跟随波形：
Td波形：
电机的配置参数界面：
Fr：
电机磁通量Pm磁极对数J惯性系数Rs线圈电阻L线圈电感K轴的摩擦系统
三：
simulink仿真相关注意事项
（1）s-function的执行时间。
如果是自己写的离散的s-function，那么要选择离散的执行方式，每次的步进值取小点好，可以比系统最大的步进值都小。
系统在仿真的时候就会以离散的s-function的步进作为系统的最大步进值。
（2）simulink仿真运行顺序。
仿真是依靠时间来的，如果模块都是连续采样，那么如果当前模块需要某个后面的模块，那么在此时的时间点上去计算后面的模块的输出值，然后再作用到当前的模块中。
（3）离散和连续仿真的区别，离散下当前的状态是依据前面时刻的状态得出，连续下则不需要，连续仿真下，当前的值是依据此时的时间积分运算出来的。
只依赖初始值。
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