基于SIMULINK的空间矢量脉宽调制SVPWM的建模与仿真（基于C语言的SIMULINK仿真模型

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1.1 基于C语言的SIMULINK仿真模型

1.2 基于SVPWM模块的仿真

1.1 基于C语言的SIMULINK仿真模型

使用C语言在MATLAB/SIMULINK中仿真，需要借助s-function builder模块实现。七段式SVPWM仿真模型如图1-1所示。仿真解算器（Solver）选择变步长（Variable-step）、ode23，最大仿真步长（Max step size）设置为1e-6，其余参数保持默认值。模型参数具体设置为：直流母线电压Udc = 100V，Ualpha = 50sin50ωt，Ubeta = 50cos50ωt，PWM开关周期Ts取为0.0001s（对应开关频率10kHz），则对应的仿真模型中PWM一个周期计数值Tcnt=15000（假设实际DSP的PWM外设时钟频率为150MHz，则Tcnt = 150MHz/10kHz = 15000）。

图1-1 SVPWM仿真模型

双击Sfunction builder模块设置（即图1-1中的SVPWM），首先填写S-function name：SVM，然后在Initialization选项卡中选择Sample mode为Discere，意味着使用离散采样模式，在Sample time value中设置采样周期，这里采用1e-4（单位：秒，这里与PWM开关周期设置为同一时间），如图1-2所示。

图1-2 Initialization选项卡设置

Data Properties选项卡用来设置模块的输入/输出接口。首先选择Input Ports子选项卡进行输入接口设置，分别添加名为“Ualpha”、“Ubeta”、“Udc”、“Tcnt”的4路输入接口，如图1-3所示。然后选择Output Ports子选项卡进行输出接口设置，添加名为“Tcm”的3维度输出接口和名为“Sec”的扇区输出接口，如图1-4所示。

图1-3 Initialization选项卡设置

图1-4 Data Properties选项卡Output Ports设置

Librabies选项卡用来指定所需的源文件、头文件、库文件等，如图1-5所示，在左侧窗口用来指定头文件路径和C源文件（含路径）。这里举例头文件路径为：INC_PATH ../Include；源文件为：SRC_PATH ../Source Svpwm.c。

图1-5 Libraries选项卡设置

Ouputs选项卡中用来写测试用的代码（C语言），一般格式为：1，将模块输入量赋值给测试代码接口；2，调用相关计算函数；3，将计算结果或测试变量赋值给输出接口。具体视实际项目需要而定，如图1-6所示，另外，所需的SVPWM核心代码为I_Svpwm.c和I_Svpwm.h，需要将这两个文件分别放入Library中指定的路径下。Ouputs选项卡中测试代码举例如下：

#include "Svpwm.h"
static SVPWM Svpwm = SVPWM_DEFAULTS;Svpwm.Input.Ualpha = Ualpha[0];
Svpwm.Input.Ubeta = Ubeta[0];
Svpwm.Input.Udc = Udc[0];
Svpwm.Input.Tcnt = Tcnt[0];
Svpwm.Calc(&Svpwm);
Tcmp[0] = Svpwm.Output.Tcm1;
Tcmp[1] = Svpwm.Output.Tcm2;
Tcmp[2] = Svpwm.Output.Tcm3;

图1-6 Outputs选项卡设置

最后，在配置完成并将相关被测试代码（I_Svpwm.c和I_Svpwm.h）放置到相关文件夹（Include和Source）后，点击界面右上角的Build按钮进行代码编译，在系统提示无错误无警告后即可进行仿真，如图1-7所示。

图1-7 编译完成提示信息

SVPWM程序如下：

1）Svpwm.h：

#ifndef __SVPWM_H__
#define __SVPWM_H__// Input interface
typedef struct { float Ualpha;float Ubeta;float Udc;unsigned int Tcnt;
} SVPWM_INPUT;#define SVPWM_INPUT_DEFAULTS { 0,\0,\0,\1 \
}// Output interface
typedef struct { float Tcm1;float Tcm2;float Tcm3;
} SVPWM_OUTPUT;#define SVPWM_OUTPUT_DEFAULTS { 0,\0,\0 \
}// Temporary variables
typedef struct { unsigned int A;unsigned int B;unsigned int C; unsigned int Sector;float X;float Y;float Z;float T1;float T2;float T3;float Ta;float Tb;float Tc;float M;
} SVPWM_TEMP;#define SVPWM_TEMP_DEFAULTS {  0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0,\0 \
}// Struct of space vector PWM
typedef struct { SVPWM_INPUT  Input;SVPWM_OUTPUT Output;SVPWM_TEMP   Temp;void   (*Calc)();
} SVPWM;#define SVPWM_DEFAULTS { SVPWM_INPUT_DEFAULTS,\SVPWM_OUTPUT_DEFAULTS,\SVPWM_TEMP_DEFAULTS,\(void (*)(long))SvpwmGen \
}// Function declaration
void SvpwmGen(SVPWM *);
#endif

2）Svpwm.c：

#include "Svpwm.h"void SvpwmGen(SVPWM *Var)
{float TempT1, TempT2;if(Var->Input.Ubeta > 0){Var->Temp.A = 1;}else{Var->Temp.A = 0;}if((1.732 * Var->Input.Ualpha - Var->Input.Ubeta) > 0){Var->Temp.B = 1;}else{Var->Temp.B = 0;}if((1.732 * Var->Input.Ualpha + Var->Input.Ubeta) < 0){Var->Temp.C = 1;}else{Var->Temp.C = 0;}Var->Temp.Sector = Var->Temp.A + 2 * Var->Temp.B + 4 * Var->Temp.C;    Var->Temp.X = 1.732 * Var->Input.Ubeta * Var->Input.Tcnt / Var->Input.Udc;Var->Temp.Y = (1.5 * Var->Input.Ualpha + 0.866 * Var->Input.Ubeta) \* Var->Input.Tcnt / Var->Input.Udc;Var->Temp.Z = (-1.5 * Var->Input.Ualpha + 0.866 * Var->Input.Ubeta) \* Var->Input.Tcnt / Var->Input.Udc;switch(Var->Temp.Sector){   case 1:Var->Temp.T1 = Var->Temp.Z;Var->Temp.T2 = Var->Temp.Y;break;case 2:Var->Temp.T1 = Var->Temp.Y;Var->Temp.T2 = -Var->Temp.X;break;   case 3:Var->Temp.T1 = -Var->Temp.Z;Var->Temp.T2 = Var->Temp.X;break;case 4:Var->Temp.T1 = -Var->Temp.X;Var->Temp.T2 = Var->Temp.Z;break;      case 5:Var->Temp.T1 = Var->Temp.X;Var->Temp.T2 = -Var->Temp.Y;break;case 6:Var->Temp.T1 = -Var->Temp.Y;Var->Temp.T2 = -Var->Temp.Z;break;default:break;}if((Var->Temp.T1+Var->Temp.T2) > Var->Input.Tcnt){TempT1 = Var->Temp.T1;TempT2 = Var->Temp.T2;Var->Temp.T1 = (TempT1 / (TempT1 + TempT2)) * Var->Input.Tcnt;Var->Temp.T2 = (TempT2 / (TempT1 + TempT2)) * Var->Input.Tcnt;}Var->Temp.Ta = (Var->Input.Tcnt - Var->Temp.T1 - Var->Temp.T2) * 0.25;Var->Temp.Tb = Var->Temp.Ta + Var->Temp.T1 * 0.5;Var->Temp.Tc = Var->Temp.Tb + Var->Temp.T2 * 0.5;switch(Var->Temp.Sector){case 1:Var->Output.Tcm1 = Var->Temp.Tb;Var->Output.Tcm2 = Var->Temp.Ta;Var->Output.Tcm3 = Var->Temp.Tc;break;case 2:Var->Output.Tcm1 = Var->Temp.Ta;Var->Output.Tcm2 = Var->Temp.Tc;Var->Output.Tcm3 = Var->Temp.Tb;break;case 3:Var->Output.Tcm1 = Var->Temp.Ta;Var->Output.Tcm2 = Var->Temp.Tb;Var->Output.Tcm3 = Var->Temp.Tc;break;case 4:Var->Output.Tcm1 = Var->Temp.Tc;Var->Output.Tcm2 = Var->Temp.Tb;Var->Output.Tcm3 = Var->Temp.Ta;break;case 5:Var->Output.Tcm1 = Var->Temp.Tc;Var->Output.Tcm2 = Var->Temp.Ta;Var->Output.Tcm3 = Var->Temp.Tb;break;case 6:Var->Output.Tcm1 = Var->Temp.Tb;Var->Output.Tcm2 = Var->Temp.Tc;Var->Output.Tcm3 = Var->Temp.Ta;break;default:break;}
}

为了验证算法的正确性，图1-8给出了SVPWM 算法的仿真结果。由图1-8(a)可知，扇区N值为3→1→5→4→6→2且交替出现，与表1-4所示的结果相同；由图1-8(b)可知，由SVPWM算法得到的调制波呈马鞍形，这样有利于提高直流电压利用率，有效抑制谐波。

(a) 扇区计算结果

(b) 切换点（调制波）Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3波形

图1-8 基于C语言的SVPWM仿真结果

1.2 基于SVPWM模块的仿真

上一小节是根据SVPWM算法的基本工作原理搭建的SVPWM模块，可使读者更加深入地了解SVPWM算法的工作原理和实现方法，同时，基于C语言的仿真具有移植到微控制器（如DSP）快，无须修改等特点。另外MATLAB/SIMULINK内提供了SVPWM模块（所在位置：Simscape SimPowerSystems Specialized Technology Control and Measurements Library Pulse &. Signal Generators SVPWM Generator (2-Level)）。

下面就该模块的参数设置作以详细说明。

1、Data type of input reference vector (Uref）（参考电压矢量输入类型）

Data type of input reference vector (Uref）（参考电压矢量输入类型）的下拉列表中包括3种类型：Magnitude-Angle (rad)（电压的幅值和相角）、alpha-beta components（静止坐标系下α-β分量）和Internally generated（内部模式）。

1） Magnitude-Angle (rad)（电压的幅值和相角）：当选择Magnitude-Angle(rad)时，SVPWM模块显示如图1-9所示。值得说明的是，电压的幅值｜u｜采用的是标么值（0 <｜u｜< l）而非实际值，电压的相角∠u的单位为弧度（rad）。

图1-9 选择Magnitude-Angle (rad) 时SVPWM模块

2） alpha-beta components（静止坐标系下α-β分量）：当选择alpha-beta components时，SVPWM模块显示如图1-10所示。需要说明的是，静止坐标系下的α-β分量Uα、Uβ采用的同样是标么值而非实际值。

图1-10 选择alpha-beta components 时SVPWM模块

3） Internally generated（内部模式）：当选择Internally generated时，SVPWM模块显示如图1-11所示。采用该类型时不需要外部变量的输入，只须在该界面对调制度、相位和频率进行设置。值得说明的是，输出电压的相位（Phase）的单位是电角度（°）而不是弧度（rad）。

图1-11 选择Internally generated 时SVPWM模块

2、Switching pattern（开关模式）

SVPWM 模块中包含两种开关模式：Pattern #1和Pattern #2。实际上，Pattern #1模式就是七段式SVPWM，而Pattern #2模式就是五段式SVPWM，关于两者的基本工作方式在1.1.6节已进行详细论述，此处不再赘述。

3、PWM frequency(Hz)（PWM开关频率）

此处用来设置PWM开关频率（三角载波）fpwm，它与开关周期Tpwm的关系为

4、Sample time（采样时间）

此处用来设置SVPWM模块的采样时间，单位为秒（s），设置0时代表连续采样。

最后，使用SVPWM Generator (2-Level)模块搭建仿真模型，如图1-12所示。参数设置为 Ualpha = 0.7sin50ωt，Ubeta = 0.7cos50ωt，PWM开关频率为10kHz，如图1-13所示。SVPWM Generator (2-Level)模块的输出P为6路PWM驱动波形，为了验证正确性，在输出端添加低通滤波器（实际使用中无须滤波器），其截止频率要设置在开关频率10kHz以下。

图1-12 基于SVPWM Generator (2-level) 的仿真模型

图1-13 SVPWM Generator (2-level) 参数设置

SVPWM输出的6路波形为等幅不等宽的脉冲，其经过低通滤波器滤掉开关频次的谐波后应该呈马鞍波状，取Sa、Sb、Sc三路观测，其相位互差120°，如图1-14所示。

图1-14 SVPWM三路驱动波形Sa、Sb、Sc滤波后的马鞍波

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