尺的数值趋近平均值，以达到调平的目的，其原理结构如图4所示。图4调高系统原理图5调高误差同步误差直接影响插拔销动作的执行，采用PID控制器的闭环控制系统进一步提高了同步精度。由于同步调高分为上升调高与下降调高2种状态，下降过程调高位移波动值较大，并且2种状态，同步误差初始较大，但闭环控制系统调整后，误差波动趋于零，系统实现了定挡自动调高功能，到达指定位置后自动插销，终调高精度在1mm以内，如图5所示。3结语本文分析研究了液压支架试验高度标准技术条件要求，提出了液压支架试验装备的理想调高档距，研究开发出一种双层差级插销式调高方法，有效缩小了调高挡距，并结合实际应用，实现了理想调高挡距的要求，其次还介绍了基于电液比例控制技术的四缸同步调高系统，为液压支架的试验研究提供了依据。参考文献：［1］中华人民共和国国家技师监督检验检疫总局.GB25974.1-2010煤矿液压支架第1部分：通用高技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2010.［2］煤炭科学研究总院北京开采研究所.MT312-2000液压支架通用技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2000.［3］中华人民共和国国家技师监督检验检疫总局.GB/T24506-2009液压支架型式、参数及型号编制［S］.北京：中国标准出版社，2009.［4］刘欣科.液压支架试验台调高控制系统的研究［J］.煤炭科学技术,2007，35（9）：62-65.［5］赵锐.30000kN液压支架试验台自动调高液压系统设计［J］.煤炭科学技术，2011，39（12）：99-101.作者简介：孙红波（1982-），北京人，山东科技大学工学硕士，助理研究员，现主要从事煤矿支护设备试验方法研究与试验装置的开发工作，电子信箱：sdust17@163.com.责任编辑：丛培建收稿日期：2015－01－10煤矿机械CoalMineMachineryVol.36No.07Jul.2015第36卷第07期2015年07月doi:10.13436/j.mkjx.201507035!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!基于Matlab/Simulink的永磁同步电机三相三电平SVPWM控制系统仿真王洋，祝龙记，赵贵龙（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）摘要：介绍了二极管中点箝位式三电平电压型逆变器为主电路的逆变装置及拓扑结构，深入分析了三相三电平逆变器SVPWM最新算法的原理，建立了新型三相三电平永磁同步电机和逆变器的SVPWM新型控制系统仿真模型，并在Matlab/Simulink中进行仿真分析，同时仿真结果与二电平进行比较，结果表明该三电平SVPWM永磁同步电机新型控制系统的有效性和模型的正确性。关键词：三相三电平；SVPWM；永磁同步电动机；仿真模型中图分类号：TM341文献标志码：A文章编号：1003－0794（2015）07－0083－04ControlSystemSimulationofThreePhaseThreeLevelSVPWMandPermanentMagnetSynchronousMotorBasedonMatlab/SimulinkWANGYang，ZHULong-ji，ZHAOGui-long（CollegeofElectricalandInformationEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China）Abstract:Introducesthediodeneutralpointclampedthreelevelvoltagetypeinverterdeviceandtopologicalstructureofthemaincircuit,analysistheprincipleofthreephasethreelevelinverterSVPWMnewalgorithm,establishesthenewmodelofcontrolsystemwhichbasedonSVPWMthethreelevelmodelofthree-phasepermanentmagnetsynchronousmotorandinverter,andsimulationanalysisiscarriedoutinMatlab/Simulink.ThesimulationresultsarecomparedwiththetwolevelandtheresultsshowthattheeffectivenessofthethreelevelSVPWMpermanentmagnetsynchronousmotormodelofthecontrolsystem.Keywords:threephasethreelevel;SVPWM;permanentmagnetsynchronousmotor;simulationmodel204060801001201401601803.002.502.001.501.000.500.00时间/s误差/mmPID控制器bbbABTPABTPABTPABTP位移反馈LY1LY2LY3LY4设定值比例泵bBP1483

第36卷第07期Vol.36No.07基于Matlab/Simulink的永磁同步电机三相三电平SVPWM控制系统仿真———王洋，等0引言大容量、高电压变频装置的使用，目前的单管容量以及传统的两电平的控制方式均无法满足应用要求，采用三电平控制器，三电平可以使开关器件承受的压降降低、改善输出波形的波形质量、减小逆变器和负载受到的冲击等优点，能更好地应用。本文对三相三电平逆变器SVPWM最新算法进行了详细的分析和阐述，建立了三相三电平永磁同步电机和逆变器的SVPWM新型控制系统仿真模型并进行仿真分析，为其全方位多方面应用与实践提供了帮助。1三相三电平逆变器的拓扑结构三电平逆变器每相桥臂由4个电力电子开关器件串联组成，如图1所示，电路中每一相由4个功率器件串联构成，直流回路中性点O（其电势为零）由2个箝位二极管引出，分别接到上、下桥臂的中间，每个功率器件的耐压值可降低1/2，对4个功率器件按一定的开关顺序进行驱动输出所需要的电平数，合成出相应的正弦图像波形，其结构更适合于中压大功率交流传动控制，这也是目前普遍应用的拓扑结构。图1中点箝位式三电平逆变器主电路拓扑结构（1）三电平空间电压矢量基本原理逆变器利用电力电子开关器件的开通和关断经由各相输出3种电压，分别是+Udc/2，0，-Udc/2，三电平逆变器的Park矢量U=23Ua+Ubj2π3+Ucj4π3!"（1）通过式（1）的变换，输出电压矢量有27种类型，也就是说逆变器输出27种基本矢量，如表1所示。在表1中如pnn，ppn，其幅值为Udc的矢量，将它们定义为大电压矢量；如pop，幅值为2Udc/3的矢量，被定义为中电压矢量；如poo，onn，其幅值为Udc/3的矢量，被定义为小电压矢量。通过定义的3类矢量分别被简称为长矢量、中矢量和短矢量。表1三电平矢量表为实现三电平逆变器的SVPWM控制，在每个采样周期内，分为以下步骤：①区域判断如表1中分别找出合成参考电压矢量的3个基本矢量；②时间计算确定此3个基本矢量的作用时间，即每个矢量对应的占空比；③时间状态分配将基本矢量对应的作用时间分配给相应的开关状态，确定其基本矢量对应的开关状态及作用次序，以完成对功率器件的控制。（2）算法原理区域划分传统算法根据三电平基本空间矢量图将整个大的矢量空间先分成6个大区域，再将每个大区域分成4个小区域。由于基本空间矢量中的短矢量在每个采样周期中出现的次数多，为了算法及仿真的准确性，本文采用的算法是将每个大区域细分成6个小区域。按照这样的划分方法，最新三电平SVPWM算法的区域划分为：I、II、III、IV、V、VI表示大区域，用1、2、3、4、5、6表示小区域，如图2所示。图2算法原理区域划分图按照参考电压矢量的角度判断其所在的大区域，其按照矢量角度每60°为一区划分。根据小区域的区域分布情况和几何关系，可以按照以下方法判断参考电压矢量所在的区域：①本文采用新式方法来判断大区域当在电机上加三相正弦电压时，电机气隙中产生圆形的磁链，并将这3个相差120°的正弦电流按照式（1）进行矢量合成，然后再进行幅值和相角的变换，得到一个相角不断变化的数值，再利用Matlab中Fun模块的ceil（ceil：往+方向舍入）功能对其进行大区域的判断，得到区域的值N；②小区域的判断判断出参考矢量所在的区域后，根据伏秒平衡方程组解出所有基本矢量的有矢量类型长矢量中矢量短矢量零矢量三相输出开关状态pnnppnnpnnppnnppnppopopnnponoponppnopooonnppooonopononoppnoooppnoopopnonpppooonnn534621OVrefVααVββS4S12S11S10S6S2S1S5S9S8S7S3D2D4D6D5D3D1C2C1OABCM84

效工作时间，可得到T1V1+T2V2+T3V3=Ts*VrefT1+T2+T3=T2（2）即完成三电平SVPWM算法对基本空间矢量作用时间的计算，区域范围内的基本矢量作用时间如表2所示。表2基本矢量作用时间表由表2可知，大区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ的作用时间的变化规律一样，大区域Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ的作用时间的变化规律一样，以区域Ⅰ和Ⅱ为例分析。大区域第Ⅱ个区域的作用时间只要调整下输出时间的顺序，即按上图将作用时间按顺序输出。同样原理，将其他扇区的仿真模型搭建出来，按照规律将输出的顺序调换一下可将作用时间构建出来，用同样的方法也可以将第Ⅱ大区域的计算时间模块搭建出来。然后根据各区域位置选择作用时间，选择开关按照小区域的作用顺序n在内部，大区域的作用顺序N在外部的原则，选择整个区域的作用时间。确定各个基本矢量对应的开关状态及作用次序，将基本矢量对应的作用时间分配给相应的开关状态，生成主电路功率开关器件的触发波形，完成对它们的控制，这是三电平SVPWM算法控制的关键部分。实现7段式时间分配是以负短矢量作为每个采样周期的起始矢量，是通过时间叠加产生含有与矢量状态对应的时间信息的梯形波M，作为下一个矢量状态次序仿真模块的选择信号或分配信号，并且根据状态的作用次序原则，每个采样周期以负短矢量作为起始矢量，以0，1，2表示矢量状态n，o，p，则表3为矢量状态次序仿真数据表中区域I和II的次序。表3大区域Ⅰ和Ⅱ的矢量状态次序表2永磁同步电机矢量控制原理永磁同步电机矢量控制系统基于电机的d-q坐标，三相静止坐标系下的永磁同步电机数学模型经Clarke变换与Park变换后，得到基于d-q坐标系的数学模型，永磁同步电机矢量控制采用定子电流直轴分量id=0的控制策略，id=0相当于等效直轴绕组开路，电磁转矩与交轴电枢电流成正比，转矩特性好，系统简单。区域Ⅰ1Ⅰ2Ⅰ3Ⅰ4Ⅰ5Ⅰ6Ⅱ1Ⅱ2Ⅱ3Ⅱ4Ⅱ5Ⅱ6矢量状态次序100110111211111110100110111211221211111110100110210211210110100110210211221211210110100210211221210200100110200210211210200100110111121221121111110010110111121111110010110120121221121120110010110120121120110010110120220221220120110010020120121120020010区域I1I2I3I4I5I6T1T2T32KTssinπ3-θTs1－2Ksinπ3+θθθ2KTssinθTs1－2Ksinπ3+θθθTs1－2Ksinπ3-θθθTs1－2Ksinπ3-θθθTs2Ksinπ3-θ-θθ1Ts1－2Ksinπ3+θθθTs1－2Ksinπ3+θθθ2KTssinπ3-θ2KTssinπ3-θTs2Ksinπ3+θ-θθ1Ts2Ksinπ3+θ-θθ1Ts（1－2Ksinθ）2KTssinθ2KTssinθTs（1－2Ksinθ）Ts（2Ksinθ-1）第36卷第07期Vol.36No.07基于Matlab/Simulink的永磁同步电机三相三电平SVPWM控制系统仿真———王洋，等图3三相三电平永磁同步电机SVPWM新型控制系统仿真模型VbVc3s/2sC23VaVaVbVcVbetaValfaValfa1thetaUNVbetaConstant300UthetaVdcnkCScope2Scope30.0025Scope4TsTsnkthetaNT3T2T1CpmtomipisPowerguiScopeSubsystemgABCN-DCVoltateSource+++DCVoltateSource1Three-LevelBridgeVoltaneMeasurementv+-TmABmNSPermanentMagnetSynchronousMachineCStepPWMGeneratorSubsystem1Scope1SubsystemT1T2T3MditaicaditaicbMPWMSignal(s)PuisesUbcScope6Scope5Add++85

SVPWM控制即磁链跟踪控制，着眼于逆变器和电机构成的整体，目的是使交流电机通入三相正弦电流后在电机的定子内圆形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。本文中的系统三相交流电压经坐标变化模块、SVPWM作用模块以及三相桥逆变器模块产生三相直流电压，控制永磁同步电机运行。3仿真模型文中的模型特点是大量使用Simulink中的多路选择开关器件排列矢量状态次序和判断所在区域最后进行状态的转换，并将最终状态量送入永磁同步电机带动运行进行测量和分析；关键是根据矢量的状态次序层层包含深入搭建并与PMSM状态过程相对应结合，实现仿真模型的简便操作易行，得到仿真模型如图3所示。4仿真结果通过加入三电平逆变桥所建立的新型仿真模型，测得输出线电压波形。同步电机参数：Rs=18.7，Ld=0.02682H，Lq=0.02682H，J=2.26e-5kg·m2，F=1.349e-5N·ms，p=2，负载在t=0.04s时加入转矩T=0.5Nm。为了与两电平带永磁同步电机的输出特性曲线相比较，加入两电平输出特性曲线，电机参数不变。仿真波形如图4～图6所示。（a）两电平BC线电压波形（b）三电平BC线电压波形图42种电平方式控制系统BC两相线电压波形比较（a）两电平t=0.04s（b）三电平t=0.04s图52种电平方式负载突加转矩后脉动变化波形比较（a）两电平THD含量（b）三电平THD含量图62种电平方式永磁同步电机控制系统THD含量在Matlab中的Simulink环境系搭建基于永磁同步电机三电平逆变器SVPWM新型控制系统仿真模型，较为清楚地展示和比较了其两电平系统电路与三电平电路的不同波形，仿真比较结果如下：（1）三电平逆变电路系统下永磁同步电机电磁转矩带有更少的脉动并且作用时间更快；（2）三电平电路的直流电压的比两电平的小一倍；（3）三电平电路输出的功率大，使永磁同步电机更快达到额定转速并且更加稳定；（4）使用Powergui进行FFT分析，三电平的THD含量明显下降比两电平要小，说明谐波含量更低。5结语本文主要研究了三相三电平永磁同步电机和逆变器的SVPWM新型控制系统，并在Matlab/Simulink环境下对模型进行仿真分析。由仿真结果可知三电平控制器使开关器件承受的压降降低、改善输出波形的波形质量、减小逆变器和负载受到的冲击，并且实验验证了建立的三电平永磁同步电机SVPWM新型控制系统的正确性和可操作性。参考文献：［1］程启明，王映斐，胡晓青，等.基于SVPWM的永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真［J］.上海电力学院学报，2012，28（4）：329-335.［2］刘嫣.一种改进的SVPWM算法研究［J］.计算机仿真，2010，27（9）：328-332.［3］夏长亮，谭智涵，张云.多电平逆变器简化空间矢量调制算法［J］.电工技术学报，2013，28（8）：218-223.［4］何亚屏，文宇良，许峻峰，等.基于多模式SVPWM算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略［J］.电工技术学报，2012，27（3）：92-99.［5］许嘉昱，徐国卿，康劲松.基于永磁同步电机的SVPWM死区分析与补偿［J］.电气传动，2007（2）：29-31.［6］赵辉，鲁超，冯金钊.基于SVPWM的永磁同步电机控制策略研究［J］.电测与仪表，2009（7）：13-16，17.［7］祝龙记，石晓艳.电气工程与自动化控制系统MATLAB仿真［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2014.［8］李强.永磁同步电机矢量控制系统研究［D］.南京：南京理工大学，2014.作者简介：王洋（1989-），安徽合肥人，在读研究生，研究方向：电力电子与电力传动技术，电子信箱：L397054671@qq.com.责任编辑：丛培建收稿日期：2015－01－05第36卷第07期Vol.36No.07基于Matlab/Simulink的永磁同步电机三相三电平SVPWM控制系统仿真———王洋，等00.010.020.030.040.050.060.07时间/s1.21.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6转矩/Nm00.010.020.030.040.050.060.07时间/s1.21.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6转矩/Nm00.010.020.030.040.050.060.07200150100500-50-100-150-200时间/s电压/V00.020.040.060.080.010.120.144003002001000-100-200-300-400时间/s电压/V2004006008001000120100806040200谐波次数2004006008001000120100806040200谐波次数86