SVPWM电机驱动模型分析报告.docx

1、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 21. 永磁同步电机逆变器前后原理与功能 22. 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： 33. 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 51. 电机模型整体框架： 52. 仿真电机框图各个模块功能、标准波形、配置参数说明： 7I- I-CLARK反变换，I-PARK反变换： 7II- 系统磁通量： 8III- 上层控制算法： 8IV- SVPWM模块： 8V- 逆变器： 9VI- PMSM电

2、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

3、：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

4、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

5、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

6、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：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

7、期内三路PWM波形置高的时间比例。我们把 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 电压之后，建立的 坐标系下建立的扇区。任何一个时刻，换算成的 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

8、。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

9、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simulin

10、k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

11、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Universal Bridge,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 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 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 静止坐标

12、电流，然后利用thr将静止坐标系电流编程旋转坐标系的q d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)dt fbate =( 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。falfa fbate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。

13、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 静止坐标电流。先是一个I-PARK变化得到的 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

14、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

15、 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。