实现先进PWM的仿真技术

在进行硬件实验之前，电力电子系统的控制方法首先需要通过仿真验证。计算机仿真技术可以根据对象的数学模型，在时域模拟真实系统的动静态过程。随着计算机技术的发展，采用高性能仿真软件可以较为真实地模拟电力电子系统不同时间尺度的性能。目前主要的仿真软件包括MATLAB/Simulink、Plecs、PSpice、Saber和PSIM等。不同的软件有不同的应用特点。PSpice和Saber等软件中可以嵌入较为准确的器件和分布电路模型，适用于器件特性及电路仿真，而MATLAB/Simulink软件虽然没有较准确的器件和分布电路模型，但其编程和分析能力强，可直接嵌入MATLAB程序，并且还有多种功能强大的工具箱，适合应用于各种控制算法的仿真分析。尤其是其中的SimPowersystem工具箱，它包含的各种变流器、电机和无源器件模型能够有效地和Simulink控制的信号模块进行组合，从而实现电力电子系统模型，非常适用于以先进脉宽调制算法为控制策略的性能仿真分析^[1]。

图8-1所示为一个典型的三相电力电子变换器的Simulink仿真系统。这是一个永磁同步电机矢量控制系统。该系统包括外环、内环和执行器三大部分。外环为速度控制器，产生参考电流送入内环。内环是dq解耦的电流控制器，产生dq坐标系下的占空比，通过坐标变换得到abc坐标系下的占空比，再送入PWM环节产生门极驱动脉冲，从而控制变换器以驱动电机。另一方面，电机的位置、速度和电流信号反馈给外环和内环，完成系统闭环。

在仿真中，实现先进PWM的核心是PWM模块，但Simulink软件中已有的PWM信号发生模块无法实现开关周期或者脉冲位置等自由度的可控变化，所以需要自己搭建。以三相变开关频率PWM为例，图8-2所示为Simulink环境下的变开关频率PWM模块的内部结构。由电流控制器输出并转换到abc坐标下的占空比首先送入第一个模块：变频率采样模块，该模块使用的是Simulink中的采样触发模块，即脉冲触发采样保持，触发脉冲与开关周期同步。这样即使开关周期发生变化，采样也能与开关保持同步。采样之后的占空比送入MAT-LAB计算模块，根据不同的控制要求计算所需的开关周期并通过一个触发采样模块保持，再被送入变开关频率PWM的核心：三角载波发生器。三角载波发生器发出的变开关频率三角波与占空比相比较发出开关脉冲，同时也产生与三角波同步的方波采样触发信号，送回给两个触发采样模块。

图8-1 一个典型的三相电力电子变换器的Simulink仿真系统

图8-2 Simulink环境下的变开关频率PWM模块的内部结构

图8-2仿真系统的核心部分是三角波发生器，其内部结构如图8-3所示，它由Simulink标准模块搭建而成，可产生周期可变的三角波，其输入是开关频率的计算值，将输入分别乘以2和-2之后送入一个切换模块（Switch）以决定三角波上升和下降部分的斜率。该斜率通过离散积分器积分，输入给一个滞环比较模块。滞环比较模块设置了三角波的上下限，如果积分达到了上限或者下限，滞环输出就会跳变，并触发切换模块切换到三角波另一侧的斜率，并以新的斜率继续积分。这样就可以根据输入的频率得到相应的对称三角波和采样触发信号。图8-3中，触发信号需要有一拍的延迟才能避免代数环的问题。三角波和采样触发信号发生原理如图8-4所示。(www.xing528.com)

图8-3 三角波发生器的内部结构

图8-4 Simulink中三角波和采样触发信号发生原理

图8-5 范例：仿真实现的三电平变开关频率载波和采样参考波

根据系统和控制目标的不同，可以通过图8-2中的MATLAB计算模块实现不同的变开关频率PWM。这种方法很好地利用了MATLAB语言在计算上的强大性能，该语言能将本书前几章中的数学方法很好地实现。以变开关频率三电平变换器为例，通过三相占空比计算得到上下载波的开关周期，产生相应的上下载波，并通过采样触发信号同步采样占空比。如图8-5所示，不同位置的三角波周期是不同的，而参考波被同步地采样，保证了每个开关周期内占空比不变，实现规则采样。