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交流电机SPWM调速系统建模与动态仿真

1交流电机调速原理

正弦脉宽调制技术SPWM(SinePulseWidthModulation)是用所期望的正弦波为“调制波”(ModulationWave),而以N倍于调制波频率的三角波为“载波”

(CarrierWave)的一种逆变器控制技术。SPWM技术的控制的特点是原理简单、通用性强、控制方便、调节灵活，能有效降低谐波分量、稳定输出电压，是一种比较好的波形改善法，在目前中小型逆变器中获得了广泛的应用。

1.1SPWM控制原理

(1)单极性SPWM法是指三角波载波信号Uc与正弦波调制信号Ur始终保持相同极性Uc为正的三角波，当Ur处于正半周期时，产生正向调制脉冲信号；当Ur处于负半周期时，通过倒向电路保持同极性，产生负向调制脉冲信号，如图 1-1

所示。

(2)双极性SPWM法是指三角波载波信号与正弦波调制信号的极性均为正负交替改变，如图1-2所示。载波信号Uc为正负对称的三角波，调制信号Ur直接与Uc进行比较，便可得到双极性SPWM脉冲。对于三相逆变器来说，载波信号Uc可以三相共用；由正弦波发生器产生三相相位相差 120°的可变幅，

变频的正弦波信号Uru、Urv和Urw分别作为三相调制信号。三相调制信号分别于Uc进行比较，可获得三相SPWM信号，利用三相SPWM信号控制相应的电子开关的开通和关断，便可得到三相双极性SPWM输出电压。

图1-2双极性SPWM原理

1.2SPWM的控制算法

常用的生成SPWM波的控制算法主要有自然采样法和对称规则采样法（本文只介绍这两种）。

（1） 自然采样法：按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生成SPWM波形，称为自然采样法，如图1-3所示，图中Tc为载波周期，S为脉冲宽度。

自然采样法采用计算的方法寻找三角载波Uc与参考正弦波Ur的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是计算量大，难以做到实时控制，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般在实际的机算计控制中不采用。但是利用MATLAB/Simulink很容易建立其仿真模型。

（2） 规则采样法：采用近似求Uc和Ur交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与Uc的交点作水平线与三角波分别交与A点和B点，如图1-4所示，由交点确定SPWM的脉冲宽度，这种方法的计算量相对自然采样法小很多，但存在一定误差。

图1-4规则采样法图

图1-4规则采样法

2.SPWM交流调速系统的Simulink建模与仿真分析

2.1交流电机SPWM自然采样法的Simulink仿真模型

交流电机SPWM自然采样法的Simulink仿真模型，如图2-1所示。图中f为交流电机恒压频比调速的给定频率信号，0~1的数值对应交流电机0~50Hz的给定输入。Vo=0.1，为低频电压补偿。Gain2模块设定值为314,Gain3、Gain4、Gain5模块设定值为157。

图2-1交流电机SPWM自然采样法的Simulink仿真模型

2.2SPWM脉冲生成子系统

在图2-1中，SPWM为正弦波脉冲生成器子系统，如图2-2所示。W为调制波角频率给定输入，m为调制波幅值信号给定输入。功能函数Fcn、Fcn1、Fcn2用来生成正弦调制波信号，表达式如下。

Fen：y=cos(u[1])*u[2]

Fen1：y=cos(u[1]-2.0944)*u[2]

Fcn2:y=cos(u[1]+2.0944)*u[2]

图2-2SPWM脉冲生成子系统

图2-2中，S-Function模块用于生成载波（三角波），三角波参数设置对话框

如图2-3所示，在“S-Functionparameters文本框设置参数为“1.0,1500'（分别

代表三角波幅值和频率）。生成三角波S-函数的源文件如下：

号FLinctionBlockParameteS-FunctiQn

图2-3三角波S-Function模块参数设置对话框

function[sys,x0,str,ts]=sanjiaobowave2(t,x,u,flag,A,Freq)switchflag,

case0,

[sys,x0,str,ts]=mdllnitializeSizes;

case1,

sys=mdlDerivatives(t,x,u);

case2,

sys=mdlUpdate(t,x,u);

case3,

sys=mdlOutputs(t,x,u,A,Freq);

case4,sys=mdlGetTimeOfNextVarhit(t,x,u);

case9,sys=mdlTerminate(t