m基于simulink的SPWM控制器性能仿真,并分析其谐波,包括park模块和Clark模块

1.算法仿真效果

matlab2022a仿真结果如下：

2.算法涉及理论知识概要

       SHEPWM是特定谐波消除脉宽调制，即通过开关时刻的优化选择，产生PWM来消除选定的低次谐波。

        MATLAB仿真中的SHEPWM的发波采用S函数编写，S函数是一种用于描述Simulink仿真模块的计算机语言，它结合了m文件和Simulink仿真模块的优点，可以极大地增强和扩展Simulink仿真能力，用户可以通过编写S函数来构造用户自己的模块，以实现一些复杂的功能。

       为了方便开关角的动态切换，SHEPWM发波函数分为3个S函数，分别实现A、B、C单相发波，S函数的输入为1/4周期的开关角度值以及调制波频率，输入的1/4周期的SHEPWM开关角数最大为15个，最小为0个，当输入0个开关角时，S函数输出为方波。S函数的输入为16维，前15个为1/4周期内的SHEPWM开关角度值输入，开关角值按顺序输入，不足的补零；第16个输入为电压矢量角度输入，用于发波。

       S函数状态变量设置为离散型，状态变量数为SHEPWM一周期内的开关数，状态变量是通过输入的1/4周期的开关角来计算出全周期的SHEPWM的开关角，

       三相的S函数中的输入和开关角的计算方法都一样，只是在方波方式中采用移相的方法，当正转的时候，B相相位滞后120度，C相相位滞后240度，当反转的时候，B相相位滞后240度，C相相位滞后120度，其SHEPWM的高低电平根据开关角数和开关时刻段来判断，如图1和图2所示，当开关角数为奇数时，开关时间段为奇数时，输出低电平，开关时间段为偶数时，输出高电平；当开关角数为偶数时，开关时间段为奇数时，输出高电平，开关时间段为偶数时，输出低电平。

        因为S函数的电压矢量角度表示的是电压矢量相对静止坐标系A轴的角度，而一个完整的SHEPWM的基波部分都是正弦波，所以必须要对电压矢量角做一定处理，即

         shepwm技术的特定消谐方程组是非线性超越方程，在初值的选取上存在难度，方程求解难度复杂，收敛效果不佳，由于微处理器主频速度低，目前大部分shepwm多采用查表法生成pwm波形来进行电机控制，用(1)离线法将计算出的开关角度存储在程序中，同时对希望输出的电压进行分析，计算并找到角度结果相近似的开关角度，以此来进行igbt的开关状态，该方法输出的电压并不连续，同时随着精度的增高，程序的存储空间加大，算法的灵活性与实时性变差；(2)数值法是求解超越方程组最常见的的方法，该方法通过选择合适的初值以保证方程的迭代收敛性，当初值选择不同时，得到的开关角轨迹也不相同，计算速度快，数值精度高，因此该方法的重点是如何选取方程的初值，同时保证方程的迭代性。但是数值迭代法计算速度快，精度高，但是其收敛性较差,初值计算困难，必须选择合适的初值才能够得到shepwm方程组的解,无法做到全调至域m解得范围，当m等于0或者m>0,9后，易形成窄脉冲；(3)在现在控制算法中，遗传算法遵循进化论，按照自然选择和基因的生物学规律进行全局优化寻找，利用该方法的全局寻解功能对shepwm方程组进行求解，以求解全调至域下的逆变器的开关角度,计算速度慢，收敛性存在不稳定。

3.MATLAB核心程序

function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(Ts)
 
sizes = simsizes;
 
sizes.NumContStates  = 0;
sizes.NumDiscStates  = 4*15+3;
sizes.NumOutputs     = 5;
sizes.NumInputs      =16;
sizes.DirFeedthrough = 1;
sizes.NumSampleTimes = 1;   
 
sys = simsizes(sizes);
x0 = zeros(4*15+3,1);
str = [];
ts  = [Ts 0];  %在T特定值时采样
 
%=============================================================================
%更新状态变量
 
 
function sys=mdlUpdate(t,x,u,Ts)
%计算相应alpha角对应时间
m=find(u(1:15));
N=numel(m);
 
if N==0
    x(1)=pi;
else
    x(1)=0;
    x(2:N+1)=u(1:N);
    for k=1:N
        x(N+k+1)=pi-x(N-k+2);
        x(2*N+k+2)=pi+x(k+1);
        x(3*N+k+2)=2*pi-x(N-k+2);
    end
    x(2*N+2)=pi;
    x(4*N+3)=2*pi;
    
end
sys=x;
 
%=============================================================================
% 计算输出时间
function sys=mdlOutputs(t,x,u,Ts)
% PWM generation
 
global p1;
global p2;
global p3;
global p4;
 
 
u(16)=u(16)+pi/2;
 
while (u(16)>2*pi)
    u(16)=u(16)-2*pi;
end
if (u(16)>=pi/2)&&(u(16)<pi/2+pi/10)
%if (u(16)>=0)&&(u(16)<pi/10)
    starta=1;
else
    starta=0;
end
 
m=find(u(1:15));
N=numel(m);
 
 
 
if N==0
    if(u(16)>pi/2&&u(16)<3*pi/2)
        if u(16)<x(1)
            p1=1;p2=1;p3=0;p4=0;
        elseif (u(16)>=x(1))&&(u(16)<2*pi)
            p1=0;p2=1;p3=1;p4=0;
        end
    else
        if u(16)<x(1)
            p1=0;p2=0;p3=1;p4=1;
        elseif (u(16)>=x(1))&&(u(16)<2*pi)
            p1=0;p2=1;p3=1;p4=0;
        end   
    end
else
    for i=1:4*N+2
        if (u(16)>=x(i))&&(u(16)<x(i+1))
            flag1=mod(N,2);
            flag2=mod(i,2);
            if xor(flag1,flag2)==1
                if u(16)>pi/2&&u(16)<3*pi/2
                    p1=1;p2=1;p3=0;p4=0;
                else
                    p1=0;p2=0;p3=1;p4=1;
                end
            else
                p1=0;p2=1;p3=1;p4=0;
            end
        end
    end
end