基于C语言S-函数的逆变器SVPWM算法的仿真

弟2 8卷弟4期 2016年8月沈阳大学学报（自然科学版）Journal of Shenyang University (Natural Science )V 〇l . 28，N 〇.4Aug . 2 0 16文章编号：2095-5456(2016)04-0306-05基于c 语言s -函数的逆变器SVPW M 算法的仿真李少波，孙小康(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010)摘 要：通过对其实现S V P W M 的机理分析，并在结合逆变器空间矢量PW M (SVPW M )控制原理的基础上，提出一种通过S 函数（S-Fun ctio n )便可高效简单实现S VP W M 算法的方法.仿真结果与直接利用理想 三相交流电仿真得到的响应完全一致.关键词：逆变器；空间矢量脉宽调制；S -函数；仿真 中图分类号：T M 464文献标志码：A随着社会现代化程度的不断提高，计算机控 制理论和电力电子技术的逐渐成熟，脉宽调制(PWM )作为电力电子逆变技术的关键取得了重 大发展.目前，在逆变器应用中最为常见的PWM 技术主要有两种：正弦脉宽调制（SPWM )和空间 矢量脉宽调制（SVPWM ). SVPWM 是一种优化 的PWM 技术，具有直流电压利用率高、减少谐 波、降低开关损耗、易于数字化等优点，已有逐渐 取代传统SPWM 的趋势[].在Matlab [2]的Simulink 仿真环境中，用户通 过S 函数来搭建自己需要的模块，可以采用Matlab 、C 、C ++、Fortram、Ada 等语言编写 S 函 数.本文建立基于C 语言的S 函数对五段式 SVPWM 进行建模仿真，并通过与理想三相交流电仿真结果对比，论证此方法的正确性及可行性. 本文的特色是，“建立了基于C 语言S 函数的五 段式SVPWM 逆变器仿真模型”，并且进行了仿 真，使得研究工作具有应用的价值.1SVPW M 实现思路SVPWM 是依据变流器空间电压矢量切换控制变流器的一种新颖思路的控制算法，早期针 对交流电动机变频驱动而提出的[3]，后因其生成相电压中高次谐波含量少，易于DSP 实现等优点 而在逆变器中广泛应用.本文的研究对象为三相电压型逆变器，主电路结构如图1所示.Fig. 1 The main c i r c u i t topology graph o fthree-phase voltage inverter结合逆变器工作原理及图1中的主电路图可 知，逆变器的三相开关管共有8种开关状态，因而 其空间电压矢量有8条，除了两条零矢量（V 。

、R )外，其余6条非零矢量(R 、^3、^6)对称均匀分布在复平面上，如图2所示.SVPWM 的参考电压矢量V ef 在复平面上匀速旋转就能得 到三相对称的正弦量，根据矢量合成原理，对于任 一扇区中的V ef 均可由该扇区两边的基本矢量来 合成[4]. SVPWM 算法要求在一个采样周期内， 通过控制基本矢量之间的切换和作用时间，使合 成电压矢量去逼近旋转的参考电压矢量，其运动 轨迹为圆形或逼近圆形.收稿日期：2015 12 15作者简介：李少波（1978 )，男，内蒙古包头人，内蒙古科技大学副教授.第4期李少波等：基于C语言S函数的逆变器S V P W M算法的仿真307space voltage vector2 五段式SVPW M算法实现S V P W M算法的步骤为：首先判断Vef 所在扇区及确定扇区内的基本矢量，然后计算出每个基本矢量作用的时间，进而确定各个开关的切换时间，最后通过与三角波调制信号的比较得出开关的触发脉冲.2.1判断所在扇区模块经过C la r k坐标变换，参考电压在三相静止坐标系下的分量变为两相静止坐标系中a，/?轴的分量V a、Vp.根据V a、V p两分量值的正负及式arctanVp/V J的值求得V f与a轴的夹角L通过^的度数与扇区的关系来确定V f所在 扇区及扇区内基本矢量，其关系如表1所示.表1V f所在位置及开关切换顺序Table 1Location of V r f f and switching sequenceV f所在位置基本矢量开关切换顺序I (0〇<^<60〇)V4、V6V74—6—7—6—4n (60〇<^<120〇)V6、V2、V。

6—2—0—2—6(120〇<^<180〇)V2V3V72—3—7—3—2F(180°<^<240° )V3V i V03—1—0—1—3V(240°<^<300° )V i、V5、V7i—5—7—5—1^(300°<^<360° )V5、V4、V05—4 —0 —4 —5其中零矢量的选择方式主要是为了减少开关频率.2.2计算基本矢量作用时间模块以V f在第一扇区时为例，V f由V4、V6、V7合成，依据平行四边形法则有+V4+T V6=V f.⑴式中：1、、2分别表示V4、V6在一个开关周期中的作用时间；T表示关周期.令V ef与V4间的夹角为=（w—1)X60°，式中w为V rff所在扇区号；由正弦定律得到：V f=兔T v6⑵.2n sin© .(n’sin j r sinj^y—c p\又因为V4=V6=2V&/3,所以由式（2)可得 基本矢量的作用时间：10=T —t1—t2 •式中，r n为S V P W M调制系数，rn= 3 Vef/ ，由式（3)可得到开关切换时间：同理根据式（3)、式（4)可以得到各扇区的基本矢量作用时间和开关切换时间.2.3开关触发脉冲产生模块引入三个中间变量V11、V22、V〇〇，将V ef所在 扇区内基本适量的序号值按顺序分别赋给三个变量. 通 过 开 关 切 换 时 间 与 三 角 调 制 波 (TriangleWave)比较，产生P W M脉冲，此过程分为三个阶段.(1)当 T rian gle W ave^t3时，若 temp1 = (V n/4) =1,J Qi =1，Q2 =0,否则 Qi =0，Q2 = 1;若 temp2 =int((V n—temp1 X4)/2) =1，贝l j Q3 =1，Q4 =0，否则 Q3 =0，Q4 =1;若 temp3 =int (V n—temp1 X4 —temp X2) =1，则 Q5 =1，Q6 = 0,否则 Q5=0，Q6=1;(2)当 t3<T ria n g le W a v e<t4时，若 temp1Qi =1，Q2 =0,否则 Qi =0, Q2=1;若 temp2 =in t((V22—temp1 X4)/2) =1, 则Q3=1，Q4=0，否则Q3=0，Q4=1;若temp3 = int(V22—temp1 X4 —tempX2) =1，则 Q5=1，Q6 =0，s j q5=0，q6=1;(3)当 t4^T rian gleW ave 时，若 temp1 = (^/。

/4) =1，则 Qi =1，Q2=0,否则 Qi =0，Q2= 1;若temp2 =in t((V00—temp1X4)/2) =1，则Q3 =1，Q4 =0，否则 Q3 =0，Q4 =1;若 temp3 =int (V00—tempi X4 —temp X2) =1，则 Q5=1，Q6= 0,否则 Q5=0，Q6=1.以V f在第一扇区为例，其基本矢量为V4、V6、V7，所以V ll=4、V22=6、V o o=7•将三个变量值代入上述的三个阶段的式中及根据对称性，得出开关触发脉冲顺序为：100 —110 —111 —110 100,与开关切换顺序相同，如图3所示•同理，其 他扇区也能根据这三个阶段得到相应的开关触发脉冲.308沈阳大学学报（自然科学版)弟28卷i n the f i r s t sector3基于C语言S -函数的SVPW M仿真模型3.1 C语言S-函数的创建M a tla b的C语言S函数编写有两种方法，一^种是在 Matlab 提供的模板“sfuntmpl—basic,c”下，往里面写好的回调函数的函数体中写入自己想实现的C代码，最后使用m e x编译并加入S F u n ctio n模块.另一种方法是利用S-Function Builder模块直接自动生成C语言S函数，比第一 种要简单方便.所以本文通过第二种方法对五段式S V P W M进行了建模仿真，仿真模型如图4所示. 3.2 S-函数的编写(1)模块创建.在S im u lin k环境中选中S-FunctionBuilder 模块，取名 CSV PW M 并初始化，及采样模块确定.接着在D a ta P ro p e rtie s里 定义输入、输出变量，输入变量有W ef在《—夕坐 标系下两个分量U alfa、U bata，P W M开关周期咒，直流侧电压和三角调制波；输出变量：扇 区Sector，V ref与a轴的夹角T h eta，V r e f与基本矢量的夹角ThetalnSector，V A u p〜VCdown 表示开关的触发触发脉冲，()定义中间变量及编写程序.在OutPuts 里进行函数的程序编写，首先定义中间变量，接着 按照核心算法的思路顺序编写程序，最后点击B u ild键进行编译创建S函数.S-Function Builder图4五段式S V P W M的仿真模型Fig. 4 Simulation model o f five-paragraph S V P W M4仿真结果在S im u lin k中构造S V P W M逆变器仿真模型和理想三相交流电仿真模型，如图5所示.通过 与理想三相交流电仿真模型仿真结果对比，来验证S V P W M模型的正确性.仿真有关参数设置：P W M开关周期Ts = 0.000 5 s，参考电压幅值为220,频率50 H z直流 侧电压匕=700 V，三角波的周期为0. 000 5 s，幅值为0.00025,电感值L=0.000 1 H，理想三相交流电的幅值和频率与参考电压相同.仿真结果如图6.图6a是上桥臂3个开关的脉冲波形图.由图6b可知，S V P W M逆变器A相输出电感电压是由0，±3匕，士3心，构成的电压脉冲.图6c中分别是S V P W M逆变器的A相电感电流（上）和 理想三相电源的A相电感电流，通过比较两个波形可知，两者基本一致，证明了S V P W M逆变器仿真模型的正确性和可行性.第4期李少波等：基于C语言S函数的逆变器S V P W M算法的仿真309图5 S V P W M逆变器和理想电源仿真模型Fig.5 Simulation model o f S V P W M inverters and ideal power supply(a) —S V P W M逆变器仿真模型；（b)—理想电源仿真模型.310沈阳大学学报（自然科学版)弟28卷图6仿真结果Fig. 6 Simulation results(a)—开关脉冲波形；（b)—S V P W M 逆变器电感电压；（)一电感电流.6结 论本文以TIDSP 实现SVPWM 算法的机理为 参考，建立了基于C 语言S 函数的五段式SVPWM 逆变器仿真模型.与其他方法的 SVPWM 仿真研究对比，该方法更为简单，高效且容易理解同时仿真结果证明该模型具有极 好的实现性，为实际系统的仿真研究提供了良好 的基础.参考文献：[1]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M ].北京：机械工业出版社，2013.(CHEN B S,CHEN M X. AC sPeed control system[M].Beijing：China Machine Press ，2013.)Simulation of SVPWM Based on S-Function of C LanguageLi S h a o b o ，S un X ia o k a n g(School of information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010, China)Abstract ： TI DSP ensures the high performance of SVPWM algorithm because of its high-speed datacom puting power ， through analyzing the m echanism of the realization of SVPWM ， and in com bination with inverter space vector PWM (SVPWM ) control principle ， a m ethod i for implementing SVPWM algorithm simply and efficiently by S -function . The simulation results coincide exactly with the results by the simulation of three-phase electric power .Key words ： inverter ； SVPWM ； S -function ； simulation[]张晓明，王刚，陈夺，等.转速、电流双闭环直流调速系统仿真及参数整定[].沈阳大学学报，2010,22(5)18 21(ZHANG X M, WANG G, CHEN D, et al. Current DC speed control system of double loop circuit simulation and parameter tuning [J ]. Journal of Shenyang University ， 2010,22(5)18 - 21.)[]李建华.基于S 函数的异步电机SPW M 调速系统的建模与仿真[].机电技术，2007,30(4)：-9.(LI J H. Modeling and simulation of asynchronous motor SVPWM speed control system based on S function [J]. Mechanical & Electrical Technology，2007 30(4) ： 1 - 9.) [4]张兴，张崇巍.P W M 整流器及其控制[M ].北京：机械工业出版社，2012:113 114.(ZHANG X ,ZHANG C W. PWM rectifier and its control [M]. Beijing ： China Machine Press，2012 ： 113 114.)[]MULLANE A,GREGORCIC G,LIGHTBODY G,et al. Avariable step size C-MEXS-function for reduced simulation times of variable speed drives [C ] ^ Proceedings of the Nordic MATLAB Conference ，2001.98L0-0-65 4 3 2 1a a a a a af f l M ^T /0o o o o o—010101010154321―I 123-45K /p 【责任编辑：肖景魁】。