1、直流斬波的MATLAB仿真研究評職稱.發(fā)論文，交給機(jī)電之家.3個月內(nèi)完成!收藏此信息打印該信息添加：劉宗富來源：未知1引言這篇文章是在思考pwm問題時寫下的，涉及的問題很多，特別是spwm和svpwm的文章很多，很流行，突然說有問題，而且是理論上的問題，不一定為大家所接受。作者不想討論spwm和svpwm方法的缺點，只想提出自己的想法。作者分析，都是直流斬波，所以從直流斬波開始，先討論簡單的h橋pwm，第一步給定目標(biāo)函數(shù)，例如正弦電壓波，然后是給定量化的階梯波，步數(shù)多對稱性好當(dāng)然好，但有時受到條件的限制。直流斬波，是脈寬調(diào)制，不是脈幅調(diào)制，所以有了脈寬波的排列問題。我們希望電流正弦，所以不管電

2、壓的脈寬排列多么合理，如果電流的毛刺過大，還是達(dá)不到目的。這正是spwm或svpwm方法的主要問題。解決電流毛刺問題是電壓給定，特別是低速時的電壓給定很難解決的問題，所以一般在低速時采用電流閉環(huán)。電流閉環(huán)下的電流給定，有一系列想象不到的優(yōu)點，有可能完全取代電壓給定。當(dāng)然，電流給定也有一個巨大弱點，那就是有時候不知道該給多大電流?？傊?，這是一個新問題，需要說明的問題很多，在這里，作者是用仿真來回答問題。2直流變壓直流變壓在電力電子的支撐下變得簡單易行了，讓我們總結(jié)一下直流斬波的工作原理，雖然很簡單，但卻是主要的理論基礎(chǔ)。直流變壓，是將一個恒定的直流電壓ed,利用電力電子器件的斬波作用，斬成大小可

3、以調(diào)節(jié)的另一個直流電壓e。斬波時間t根據(jù)igbt的使用條件一般選在400ys左右。圖1示直流變壓的原理電路圖。ed=100v，通過igbt的斬波，在阻抗z上產(chǎn)生0100v可調(diào)的直流電壓e。b5E2RGbCAP圖1直流變壓原理電路圖根據(jù)圖1，在igbt導(dǎo)通t=1.98ms的時間內(nèi)，阻抗z上的電壓是ed=100v，當(dāng)igbt關(guān)斷t-t=1.32ms的時間內(nèi)，由于二極管d的續(xù)流作用，阻抗z被短路，得到的外加電壓等于零。所以每次斬波在阻抗z上產(chǎn)生的平均電壓e為：e=edx/t(1>注意，這里e是平均值，如果看電壓，波動很大，但如果看產(chǎn)生的電流，由于斬波時間t=3.3ms，時間很短，所以在電感的阻

4、尼作用下和平均值十分接近?？蛰d和純電阻不屬于我們討論的范圍。plEanqFDPw圖2igbt的直流震波器利用圖2進(jìn)行matlab仿真，r=103,l=60mh，斬波時間t=3.3ms。為了說明兩個重要概念,我們給出兩種情況進(jìn)行對比。(1>e=100v，導(dǎo)通比60%，即1.98ms，平均電流為6a，但仿真結(jié)果是(6.7+5.6>/2=6.15a(2>e=200v，導(dǎo)通比30%，即0.99ms，平均電流為6a，但仿真結(jié)果是(7.3+4.9>/2=6.1a很明顯，電壓e取得太高，雖然平均電流基本相等，但電流的波動從1.1a增加到2.4a,所以，希望電流的紋波不要太大，第一，導(dǎo)

5、通比不能取得太小。第二，e的值應(yīng)盡可能和輸出電壓接近，這兩個概念十分重要。仿真證明二極管的嵌位阻容十分重要，它能將兩倍的電壓尖峰減小得接近為零。DXDiTa9E3d3h橋逆變器h橋逆變器是一種流行的直流變交流結(jié)構(gòu)，圖3示由igbt構(gòu)成的h橋逆變器，我們討論它的斬波方法。RTCrpUDGiTReiay2APlF.'niSt、SiiiSvstenJn7Out7RjstaylBPIRetaySRetav8SiJbsyBteoi圖3h橋逆變器的仿真電路圖3.1單極性斬波單極性斬波亦即取ed和0兩種狀態(tài)進(jìn)行斬波，和直流變壓一樣。在圖3中ap和bn同時導(dǎo)通，代表阻抗z上的電壓vab為正，bp和an

6、同時導(dǎo)通代表阻抗z上的電壓為負(fù)，ap和bp同時導(dǎo)通，或者an和bn同時導(dǎo)通，阻抗被短路，電壓為零。圖3中，subsystem是igbt和逆導(dǎo)二極管的組合。我們規(guī)定環(huán)形分配器的步數(shù)b=12，步進(jìn)角為30°為了方便，電壓和斬波時間都采用標(biāo)幺值，在表1中tap代表ap管的導(dǎo)通時間，tan代表29/26an管的導(dǎo)通時間，其余類推。表TH橋產(chǎn)生正弦電流時各個管子的導(dǎo)通時間懾玄值）bTa-05T丄bnT汁1(15100L5as20.8610011340.86631100140.866100.1340,8箭5Q510asas6010i070.5OLEQ510g-018600.134G866i0g-

7、101i010-olsee0.1340.8661010.50L5U5i01201010表1可以編制各個管子的開關(guān)時間（以秒計。規(guī)定斬波時間'：1-匸，則管子bn的導(dǎo)通時間0,22.52.755.25.610112A11-1-11i-1'11B&323410,54.8Tn.151E.216l7IE”22D20.222.522.7AI-1-111-1-11B(15412-323JA2525.2601-1-1B34,8方便所有時間都去掉了卞廠丨。其中a=1代表觸發(fā)脈沖為正，管子bn導(dǎo)通。管子bn的觸發(fā)脈沖的寬度為：b=2.3。2.3。4.1等等。脈寬對4.8是對稱的。a=-1

8、代表觸發(fā)脈沖為負(fù),管子bn關(guān)閉。由于bn和bp兩個管子需要互鎖，把死區(qū)時間規(guī)定為0.2xi0-4s，亦即20S。同理得管子an觸發(fā)脈沖的發(fā)生時間tan為:tan=0,30,30.2,32.5,32.7,35,35.2 ,39.3,39.5,40,40.2,45,45.2,45.7,45.9,50,50.2,52.5,52.7,55,55.2 ,60。與之對應(yīng)的觸發(fā)脈沖列為：a=-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1。管子an的脈沖寬度為：b=30,2.3,2.3,2.3,4.1,0.5,4.8,0.5,4.1,2.3,2.

9、3,4.8。其余類推。使用上面的脈沖列對圖3的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真，得到了很好的交流電流波形。它的交流周期為”'；1_：£，相當(dāng)于167hz。如果規(guī)定產(chǎn)生50hz，可以將步數(shù)從12增加為36，周期為一i：匚，斬波時間：_k,-1=將b由12增加為32，電流波形將大為改善。圖4示電壓調(diào)制比m=1，步數(shù)b=32，頻率f=48.8hz，直流電壓ed=500v，電阻r=103,電感l(wèi)=60mh時的仿真結(jié)果。5PCzVD7HxA眇，鞫的電遠(yuǎn)(A)120必帥604020120晰飆萄402002040Vr/Aj'/7l7電皿(V)3020100-X)-20-30400TmSfflTTBf

10、fHffr?SiHiuiiaiiHimiiaiihiiinii：L1Mil-200-400-«0OUM1A5EEJS電詵:A)圖4m=1,b=36，三“s圖3的仿真結(jié)果圖4中管子bn和直流回路的電流都帶有很大的毛刺，負(fù)載的最大電流是25a，而這些毛刺的最大值高達(dá)100a，這些毛刺是如何產(chǎn)生的值得研究。從直流回路電流中可以明顯看出能量的再生過程。從電壓波形看是單極性調(diào)制，而且脈寬調(diào)制電壓的排列基本上是對稱的。仿真證明，頻率愈低，電流的波動就愈大，這是pwm斬波存在的主要問題。如果電壓可以調(diào)節(jié)，問題就簡單多了。圖5示電壓是階梯波時產(chǎn)生的電流。圖4和圖5具有相同的電壓和阻抗，頻率也基本相同

11、，但圖4的b=36，而圖5的b=12，如果將圖4的步數(shù)也降低為12，那電流波形就更不成樣子了。所以多電平逆變器更容易得到好的低頻特性，交-交變頻器所以有好的低速特性，直流電壓在低速時比較低是一個重要原因。jLBHrnAILg直流階梯波電壓（巧電流（A）圖5階梯波電壓產(chǎn)生的電流3.2雙極性斬波雙極性斬波，這是spwm方法中比較流行的斬波方法。這里只使用管子的pn和np兩種組合，不使用零電壓組合pp和nn。規(guī)定pn時vab為正，np時vab為負(fù)，令t代表pn時端子a上管子ap的導(dǎo)通時間，貝Ut=0.5（1+vab>（2>表2h橋雙極性pwm時各個管子的導(dǎo)通時間（標(biāo)幺值bJT“Ttn10

12、OlHCL5CL520151750.250,25.7530.6660.9330.067C.O670.933400150.8660.933D.0C7O-OST0_93350.75Q.25Q250.7570Q5as0L5Q5a0.50.250L750.75H259-0.S660.07m翁30.閃3105710_101LD11-0.8660.0S?0.933C,933OLOS7120.50.250.75a.750.25根據(jù)表2和脈寬調(diào)制波形對稱的原則，排列出管子bn的開關(guān)時間tbn如表3所示:B將這些開關(guān)時間輸入圖3，仿真結(jié)表3由表計算岀的管子餉的開關(guān)時問幾識何叫T“OLE3030.2606C.21

13、05105.2創(chuàng)120.21761716.2呦A11-L-11-1-111-1-1BK.S羈總1355.Sss19).224024).2»42442300300.2315315.2360A11-111-L-111B59.81855.8HSna和sa.sso3丸24042X2*5<155.2«0440.2SSA-1-111-1-111-1-1B39.83.8«.8143£8g536左知54.2600&OJ2604DM.28606(0.2675A11-1-I111I11B59.9IS5E.8A-1-1果見圖6。和單極性pwm方法比較，電流的波動

14、較大，而且管子的斬波次數(shù)幾乎增加了一倍。所以我們不使用雙極性斬波方法。XHAQX74J0X!£&!a>a>6&4l>2(>A-za4u-b&11A/%1dJL丿/$電慮（A?(V)潦回蹈電流（A）C020040.06006C.10120W0.16C1£0.2圖6圖3電路雙極性斬波的仿真波形很明顯，斬波的目的是讓電流保持正弦，要想精度高，毛刺少，先要使給定的階梯波電壓盡可能接近正弦，這就是增加步數(shù)b，但是步數(shù)太多，一是給定的計算工作量大幅度增加。二是管子的斬波次數(shù)也太多。由于直流電壓恒定，當(dāng)給定頻率很低時這個矛盾顯得尤為突出。圖

15、7和圖4都是在相同條件下圖3的仿真結(jié)果，唯一的差別是正弦的周期從-：-“增加為：巳。將兩圖進(jìn)行對比，圖7的電流毛刺明顯加大，另外圖7的功率因數(shù)明顯高于圖4，它的直流回路電流中很少有負(fù)的成分出現(xiàn)，亦即再生能量有限。LDAYtRyKfE梢譬電就:A：電辻1血(V)血流冃踣電瀝(A101&020125030.35-廠一Fwri:Q120100珈604O2&O切40圖7m=1，b=36,：£：“壬時圖3的仿真結(jié)果不管矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制，低速區(qū)都放棄電壓模型而改用電流模型，也就是說放棄了電壓開環(huán)給定而改為電流閉環(huán)給定。根據(jù)這一思路，我們也采用電流閉環(huán)給定進(jìn)行脈寬調(diào)制，結(jié)果

16、得到了意想不到的仿真效果，圖8和圖9分別示b=36，頻率為3.47hz和0.926hz時的電壓和電流波形。我們對電流反饋采用砰砰控制，亦即3調(diào)節(jié)，3的精度選為±).5a。Zzz6ZB2Ltk4三相逆變器型暫電流(切圖8采用電流反饋后的pwm波形，f=3.47hzR|.rni腳橋臂申謙電流恤血-60'3L_0D.203040.5C.&070«叮塔圖9電流反饋的pwmf=0.926hz圖10三相逆變器的仿真電路圖轉(zhuǎn)子申淆葉2000L一-才1轉(zhuǎn)速<r/n)in；1(X0磁0菇塩CN.M)定子線電壓Z圖11圖10電路的仿真結(jié)果f=49.6hzdvzfvkwMI

17、l圖10示三相逆變器的仿真電路，圖11是它的電壓和電流波形。從理論上說我們是將連續(xù)的正弦波量化為階梯波，然后再斬成脈寬調(diào)制波。當(dāng)然我們希望得到的脈寬調(diào)制波中盡可能不含或少含有害的高次諧波?，F(xiàn)在是三相，至少三相要對稱，如果用3個h橋去完成任務(wù)，問題就比較簡單，可是現(xiàn)在只有三條橋臂，理論上只能斬出兩個線電壓，第三個線電壓vca只能利用三相對稱條件，得Vca=(Vab+Vbc(3在表4中我們規(guī)定電壓調(diào)制比m=1，步數(shù)b=36，斬波時間1-二頻率f=49hz。表4m=1，b=36，廠-上時的線電壓脈寬調(diào)制(lvpwm>1Vte電axt：5&D.SE60Pifflesm0.811,20.7

18、66L73-O.9G9ppirtipmh.3m&.316,8-0.K1mel9pme.T92.405QE-1PHI2.8TO2,82G0.3420.B42-0.984PFHLi7PIN1.g3S.6Q.1730.7E&-0.3PPUfl.3P1W130.20D.囲-0.8CSPPI18PFPIC.81表4中線電壓使用的都是標(biāo)幺值，電壓調(diào)制比m=1，所以線電壓的最大值等于1。斬波時間-':匸，為了方便表中簡寫為5.6。pnn，nnn，ppn和ppp代表6個開關(guān)管的4種組合狀態(tài)。我們規(guī)定pnn代表電機(jī)的3個端子a接正電平p，b和c接負(fù)電平n,也就是管子ap，bn和cn導(dǎo)通。

19、我們規(guī)定pnn4.8代表一個完整的電壓矢量，電壓矢量的方向由pnn決定，而導(dǎo)通時間由4'8LE決定，兩者缺一不可。svpwm方法是大家熟知的三相斬波方法，它把pnn規(guī)定為一根電壓矢量，從斬波的角度看不夠完整，因為這里不包括斬波時間。如果說這一根電壓矢量是pnn1，即它的導(dǎo)通時間是1，方向在pnn上，則與之相應(yīng)的3個線電壓是:vab=1，vbc=0，vca=1，這在對稱三相線電壓中是不可能出現(xiàn)的，對于對稱的三相線電壓只有vab=vac=0.866，vbc=0。我們要求產(chǎn)生的是圓旋轉(zhuǎn)電壓矢量，如果步數(shù)b=36，則復(fù)數(shù)平面上均勻分布著36根電壓矢量，它們大小相等，相位上互差10°如

20、果把v(0放在實軸上，這時規(guī)定產(chǎn)生的3個線電壓瞬時值為:vab=vac=0，vbc=0.866。所以使用的電壓矢量是pnn4.8和nnn0.8。在表4中，我們是利用3個線電壓的瞬時值去計算有關(guān)的電壓矢量的，每一個電壓矢量都帶著作用時間，為了找到我們提出的線電壓脈寬調(diào)制方法(lvpwm和流行的svpwm方法有什么區(qū)別，我們看一看電壓矢量的矢量計算方法。在svpwm方法中，人們用矢量pnn=m和ppn=m(0.5+j0.866>去計算60°之間的其他電壓矢量，當(dāng)m=1時出現(xiàn)了管子導(dǎo)通的總時間大于斬波時間的矛盾，需要按比例對管子的導(dǎo)通時間進(jìn)行調(diào)整。所以出現(xiàn)這種矛盾是因為pnn1和pp

21、n1不是我們要使用的電壓矢量，如果要求產(chǎn)生圓旋轉(zhuǎn)電壓矢量，應(yīng)當(dāng)使用的電壓矢量是pnn0.866+nnn0.134和pnn0.866+ppp0.134。svpwm方法去掉了零電壓的作用時間，把pnn0.866加大為pnn1，電壓矢量的方向是對的，但導(dǎo)通時間加大了1.155倍，使得旋轉(zhuǎn)電壓矢量的幅度也加大了1.155倍。我們用圖12來說明這個問題。圓旋轉(zhuǎn)電壓矢量可以寫作'，-L，-':給定角度a可以計算出有關(guān)的旋轉(zhuǎn)電壓矢量v(a>當(dāng)角度a=0°時，電壓矢量v(0>的幅值等于1，方向在實軸上。令pnn代表幅值等于1.155m，方向在實軸上的一根矢量，作為電壓矢量

22、，pnn還必須有作用時間。根據(jù)斬波原理，v(0>*=pnnxt(5>所以得到pnn的作用時間t/tz=1/1.155=0.866(6>為了滿足斬波時間tz=1，還需要加上零電壓矢量nnn0.134。rqyn14ZNXI圖12lvpwm法電壓矢量的計算公式如果計算a=30°時的電壓矢量v(30>，貝Uv(30>=mcos30°+jmsin30°m(0.866+j0.5>(7>利用圖12中的矢量關(guān)系和斬波原理，得0.866tz=1.15t+0.575t(8>0.5tz=t'(9故得到的斬波時間是t'z=0

23、.5t/tz=0.5這和表4中用線電壓瞬時值得到的結(jié)果是相同的，不過這里用的是標(biāo)幺值。用圖12去計算svpwm方法中的電壓矢量不會出現(xiàn)斬波時間大于1的矛盾，得到的結(jié)果和表4完全相同。所以svpwm方法的問題是只考慮了電壓矢量，而沒有考慮到電壓矢量是否和三相線電壓的瞬時值互相對應(yīng)。我們的進(jìn)展是找到了判斷斬波時間的依據(jù)，不再停留在簡單的矢量運算上。仿真告訴我們，從連續(xù)的三相對稱正弦波到量化后的階梯波，這只是簡單的第一步，脈寬調(diào)制最重要的是脈寬調(diào)制波的波形排列。在圖4中電壓vba對中軸是對稱的，這可以減小諧波。但是三相對稱電壓只在60°的范圍內(nèi)允許將電壓矢量和零電壓矢量進(jìn)行前后對調(diào)，否則將

24、造成三相電壓不對稱。根據(jù)表4我們給出管子ap的導(dǎo)通時間如表5所示。表5m=1，b=36，-譏'門-時表4中管子ap的開關(guān)時間104.9“10.»11.1IL.2IJ.tLJ3L3討上33.(35.a期2A11-1-11-1-111廠11£51QIUl5439.«41X2血專軀用45<&7師”95&160.6512514前Z-11-11I*1-111E昭44孔TEAT酸"稅e66.14?.i利皿IOS.4Q$.SA1111-11J-1-：L111£IBL?4.1L1111.1HI.51Hi陸I13IM.4IM.514

25、0MX214i142丄-I1I-171I-1-1L1&1aiQ&4as44T應(yīng)。1嶋靑NT*5IM.2WT160LSA1L-1-Lii-L-111aL7IS2*15T7上16ILTIfiG/168m22OLC-1-1I-1-L11£L7%】L1爵q在表5中t代表給定的時間序列，a=1代表管子ap導(dǎo)通，a=-1代表ap關(guān)斷。當(dāng)t=0時ap導(dǎo)通,a=1。經(jīng)過480us,ap按表4應(yīng)當(dāng)關(guān)斷，加入20的死區(qū)時間，所以t=500“時ap關(guān)斷,a=-i、b=4.8代表ap管這一次的導(dǎo)通時間，其余類推。表5說明管子脈沖的給定是一個很麻煩的工作，雖然道理很簡單，但需要細(xì)心和耐心，特別

26、是不允許將電壓矢量的排列順序隨意調(diào)換。我們不再說明。表5說明，雖然步數(shù)b=36，但管子ap在一個周期內(nèi)的開關(guān)次數(shù)只有17次，原因是采用了單極性調(diào)制，看圖11上的線電壓Vbc就明白了。所以雖然規(guī)定的斬波時間是560s,但實際的管子開關(guān)頻率只有833hz，很低。根據(jù)圖11的仿真結(jié)果,可以認(rèn)為這種pwm方法在高速區(qū)很有效。但是，pwm的困難在低速區(qū)。如果我們把表4的斬波時間增加一倍，即取tz=1160s，則得到的仿真結(jié)果如圖13所示。定子電流和轉(zhuǎn)矩中都產(chǎn)生了較大的紋波，轉(zhuǎn)速也產(chǎn)生了波動。在電機(jī)控制中，低速時電流紋波的增加有一個重要原因，那就是隨著轉(zhuǎn)速的降低，反電勢也線性下降，電流變化率明顯增加。表6

27、示m=0.5,b=36丁-時管子的開關(guān)時間，由于60°寸稱，所以只給出60。范圍內(nèi)的值。EmxvxOtOco0040?00Ax斗才*工N.H.尸*2i.且n4£*a.Jii.*艸H廠r*1Yyrr轉(zhuǎn)子電流汁(A)-40-S0定子膽流f£(A)1000fiOOeoo4UO200轉(zhuǎn)盤(rmin)轉(zhuǎn)矩N.M)-50-100-ISO/vVUr0.flL690.70710.?20.73圖13圖10電路的仿真結(jié)果f=24.8hztr也電壓矢雖J240.W0-0,433FMfftlD.4m13,6柏0.333RO®7QB9PPW，1pnr.2W12.77203Z10i

28、l71-0,492PPff4.1JPvmp.7HBW12f2配0.950.2S(X5PPM6PHSHHU1212D011710.321-0.492PPffE7.7PH4.1KBWE12.21UD.086D.333-0,460PPff9.2EMU2.1WL12.716S00433-0.433PPBC10.4PPTH3.&表6m=0.5,b=36時的線電壓脈寬調(diào)制圖14示m=0.5，b=36時的仿真結(jié)果，和圖13比較，由于頻率由24.8hz降到11.57hz，雖然m=0.5，每個周期里管子的斬波次數(shù)也增加了，但特性壞得差不多無法使用了。由表5可以看出，各個管子的開關(guān)時間排列是很麻煩的工作，如果將步數(shù)加多為72，工作量就更大。所以低速的出路不是增加步數(shù)b而是改用電流閉環(huán)。圖8和圖9讓我們看見了電流閉環(huán)的明顯優(yōu)點。特別是圖9，當(dāng)步數(shù)b=36而頻率等于0.925hz時，電流波形不是毛刺加大，而是斬波次數(shù)自動增減，讓電流波形呈現(xiàn)出階梯波的特點。圖15示三相電流閉環(huán)控制時使用的仿真電路，由于這里只有電流給定的階梯波，不需要給定脈寬波的排列時間，所以給定的工作量很小，我們把步數(shù)取作b=72。圖16示頻率f=67.4hz時的仿真波形，圖17示頻率f=34.7hz時的仿真波形。由于給定電流的頻率是固定的，所以低速時電流達(dá)到了設(shè)定的上下限，電流跟隨設(shè)定的給定值，當(dāng)轉(zhuǎn)速升起來以后，在反電勢的