Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ●软件应用 基于ＭＡＴＬＡＢ的ＳＰＷＭ电压型逆变器的仿真与分析 文／周胜兰 的通断的，如此便可得到一组相等幅值，而脉 基于ＭＡＴＬＡＢ软件中的 Ｓｉｍ１１ｌ ｉ１１ｋ和Ｐｏｗｅ ｒ ＳＹ ｓｔ ｅＩｌｌ 型逆变器。 宽正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉 冲。每一个矩形脉冲的面积与相应坐标处的正 弦波面积一致，因而这一组矩形波与期望的矩 形波等效。这种调制法称为正弦脉冲宽度调制 法（ｓＰｗＭ），这种序列的矩形波称作ＳＰＷＭ 波。 ３三相ＳＰＷＭ电压型逆变器的建模与仿真 利用Ｍａｔｌａｂ软件，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下的 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ仿真工具箱搭建的三相ＳＰＷＭ 电压型逆变器的系统电路模型。 系统主电路实现的是交流．直流．交流 Ｂ１ｏｃｈｓｅｔ，建立了以ＩＧＢＴ为开关 器件、有数字ＰＩ调节器的ＳＰＷｌｄ 电压型逆变器的仿真模型，分析 了主电路及控制电路的工作原理， 完成了逆变器输出特性的仿真。 并采用ＦＦＴ分析工具对仿真结果 进行谐波分析。 ２三相ＳＰＷＭ电压型逆变器控制系统基本 原理 的转换。交流发电机输出有效值２５ＫＶ，频率 ６０ＨＺ，容量１０ＭＶＡ的正弦交流电压，经过 ２５ＫＶ／６００Ｖ，５０ｋＶＡ的变压器降压后，通过一 【关键词】ＳＰＷＭ电压型逆变器数字ＰＩ调节器 该系统实现的功能是完成电压的逆变，即 将直流输入电压变换成交流输出电压。由整流 二极管构成的不控整流电路为三相桥式逆变器 系统提供直流输入电压，ＳＰＷＭ实现脉宽调制， 数字ＰＩ调节器能依据实际要求实时地调节逆 ＳＰＷＭ调节是以等腰三角波为载波，正 弦波为调制波，当三角载波与正弦调制波波形 曲线相交时，在交点处的时刻点将会产生控制 信号，此控制信号便是用来控制功率开关器件 变器的输出电压幅值，完成调压控制。三相桥 式逆变器的输出交流电压中一般含有较高次的 谐波，经ＬＣ滤波电路后可有效的滤掉高次谐 波，最后经全控型器件即组成完整的三相电压 个由二极管构成的三相桥式不控整流电路，再 经ＬＣ滤波电路滤掉高次谐波获得的直流电压， 作为逆变器的输入电压，该逆变器由绝缘栅双 １ ＳＰＷＭ基本原理 极型晶体管ＩＧＢＴ作为开关器件，且载波频率 为２ｋＨＺ。经逆变器后的输出电压为交流电压， 最后经ＬＣ滤波电路后，为负载提供５０ＨＺ， ３８０Ｖ的供电电压。该电路的离散采样周期为 ２ｕｓ。 下面详述系统模型中两个重要子模块， ＜＜上接７８页 术协议的无线通信则是最佳选择，其不仅应用 范围极为广泛，且其芯片集成度较高，可靠性 高，并具有低能耗的特点。 ３．２－３传感器的选型 一个执行模块由１个ＴｉｎｙＯＳ程序和多个组件 构成。 （２）建立新网络。该新建网络的工程主 参考文献 ［１］蔡义华，，李莉，刘卉．基于无线传 感器网络的农田信息采集节点设计与试 验．［Ｊ］．农业工程学报，２００９，２５（０４）． 要是由Ｚｉｇｂｅｅ来实现的，并借助具有ｚｉ ｅｅ 协调能力的设备来促使自身形成一个新的网络 节点。该网络节点做为整个无线传感器网络的 在进行传感器的选型时，在以实现广泛推 广的目的前提下，要综合考虑到传感器的价格、 ［２】高峰，俞力，张文安等．基于作物水分 胁迫声发射技术的无线传感器网络精量 灌溉系统的初步研究…．农业工程学 报，２００８，２４（０１）． 能耗等因素。在该系统中，水分传感器是用于 信息搜集的，其所搜集信息数据的准确性将直 接决定了整个系统运用分析的真实可靠性，是 该技术在农田土壤含水率监测中具有实用性的 第一步。因此，在选择传感器时，要充分考虑 到农田的环境，使得选择的传感器不会受到土 壤的腐蚀；要充分考虑到农田所在的地区，选 择那些受土质影响较小的传感器；要充分考虑 到其对土壤含水率的分辨率，确保传感器感知 土壤含水率的准确性。 协调器，整个系统的网络管理和配置都是由其 完成的，如为子设备分配网络地址、进行传感 器节点通信以及接收其他节点输送的数据信息 等。 ４结语 在我国的农业大环境下，无线传感器网 作者简介 熊展（１９９４－）女，江西省宜春市人。现在湖 南师范大学大学本科在读。研究方向为传感器、 网络、通信。 络在农田土壤含水率的监测中的应用尚还处于 起步阶段，与国外发达国家相比，技术比较落 后，再加上我国的农业现代化发展本就起步较 晚，且我国农业的生产经营多为分散式的农村 散户经营，因此在农业科技的应用程度上远不 张波（１９８２－）男， 湖北省武汉市武昌区人。 硕士学位。现为武汉信息传播职业技术学院信 息工程系讲师 研究方向为网络、通信。 ３．３无线传感器网络的软件设计 （１）在该无线传感器网络的软件设计方 面，各节点的软件设计主要是采用ＴｉｎｙＯＳ １．１ 的嵌入式操作系统 在该系统的操作过程中， 运用ＮｅｓＣ语言根据各节点的不同特点及其本 身的功能和作用编程了各自不同的执行程序， 作者单位 １．湖南师范大学大学 湖南沙市 ４１ Ｏ０ＯＯ 如西方发达国家的农场式规模化经营，这也就 决定了无线传感器网络在农业信息检测中的应 用有待于进一步的研究开发。在此过程中，一 ２．武汉信息传播职业技术学院信息工程系 湖北省武汉市４３００００ 定要与我国农业生产经营的实际情况相结合， 充分考虑其其在农田信息监测中的实用性。 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・９５ 软件应用・Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 分别是调压模块ＶｏＹａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ和ＰＷＭ发 生器模块Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ＰＷＭ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ。Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ实现的是数字ＰＩ调节器的调压功能， 如图１所示为ＰＩ调节子系统模型；Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ＰＷＭ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ实现的是产生ＳＰＷＭ控制信 号，用以控制逆变器ＩＧＢＴ开关管的通断。 Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｖｉｒｔｕａｌ ＰＬＬ和Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块是系统自带的模块，前者无需 设置输入信号，可生成离散的正余弦信号。后 者即离散ＰＩ控制器，实现的是离散的ＰＩ调节。 得到经ｐａｒｋ变换后的Ｖ 、Ｖ。值，设置限幅值 为ｌ，这是因为，一般情况下，调制波与载波 的比值ｍ ｌ时，输出才有意义。ＰＩ控制器的 常用算法有三种：梯形法、前向欧拉法、后项 欧拉法。本模块中使用的是后项欧拉法。 Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ＰＷＭＧｅｎｅｒａｔｏｒ是一个离散的 ＰＷＭ脉冲发生器，其内部结构如图２所示。 ＰＷＭ脉冲发生器可通过对Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｍｏｄｅ变量的设定，即电桥桥臂个数（１－４）的 选择，而产生与之对应的脉冲个数，此仿真模 型选择的是３个桥臂，则脉冲发生器将产生６ 个ＰｗＭ脉冲。 ＰＷＭ脉冲发生器中的ｍＩｎｄｅｘ、ｐｈａｓｅ和 Ｏｉｓ￣ｅｔｅ ＶｉｆｕａＩ ＰＬＬ ∞Ｈｚ 图１：ＰＩ调节子系统模型 Ｉｎｔｅｒｎａｌ—Ｐｈａｓｅ三个模块都是常数模块。其中 ｍｌｎｄｅｘ可设定调制信号ｎｌ，即调制正弦波的 幅值。１２：３４是时钟模块，提供时间信息ｔ， 它与增益模块Ｋ＝２＊ｐｉ＊Ｆｒｅｑ（ｃｏ＝２ｚｔｆ）相乘， 就得到了ｏｔ；Ｐｈａｓｅ与增益模块ｐｉ／１８０相乘， 即将相位角转换到幅度。三者经求和模块后， 再经正弦波发生器，即可得到幅值为１的离 散型正弦波信号。乘法器将该正弦波信号与 ｍｌｎｄｅｘ（调制信号ｍ）相乘，就得到了幅值为 ｍ的正弦调制信号。 Ｓｉｇｎａｌｓ作为输入模块，其后是具有三个 输入端子的开关模块：当输入端２，即Ｉｎｔｅｒｎａｌ 的值＞Ｔｈｒｅｓｈｈｏｌｄ（＝０．５）时，则输入端１可通过， 输入端３则被截断；反之，输入端１被截断， 则输入端３可通过，即输出Ｓｉｇｎａｌｓ信号。 Ｔｌｉａｎｇｌｅ ＰｌＩｌ『Ｍ Ｏｅｎｅｒａｔｏｒ ４仿真结果 启动模拟仿真。经过了大约５Ｏ毫秒的过 渡阶段，系统达到稳定状态。通过ｓｃｏｐｅｌ观察 直流母线电压波形、变频器输出和载荷，其仿 真结果如图７所示。变频器产生的在２千赫周 围的谐波被ＬＣ滤波器所过滤。 负荷电压的峰值为５３７伏（３８０Ｖｒｍｓ）。在 稳态时，平均调制比ｒｎ＝Ｏ．８０，直流侧平均电压 为７７８ Ｖ。因此，经过逆变器斩波后频率为５０ 图２：ＰＷＭ脉冲发生器 通过观察分析结果可知， 最大谐波含量 ［１】陈坚．电力电子学一一电力电子变换和控 为１．４％，总的谐波含量为２％。 制技术［Ｍ．北京：高等教育出版社，２００２．Ｍ］ ［２］洪仁刚．电力电子和电力拖动控制系统的 ５结束语 本文利用Ｍａｔｌａｂ软件中Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和 ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｒｎ Ｂｌｏｃｈｓｅｔ模块，建立了具有数字 ＰＩ调压控制功能的三相ＳＰＷＭ逆变电源仿真 模型。仿真实例结果表明该仿真模型准确性， ＭＡＴＬＡＢ仿真【Ｍ】．北京：机械工业出版社， ２００６． ［３］昊小华，邹仁炜，叶建峰．基于数字ＰＩ 控制的三相逆变电源的仿真研究［Ｊ］．计 算机仿真，２００６． 赫兹的基波的相电压为：Ｖａｂ＝７７８＊Ｏ．６１２ Ｏ．８０ ＝３８１Ｖ ｒｍｓ。 完全可用于定量分析计算逆变电源的输出特 性。 接下利用快速变换（ＦＦＴ）分析工具对 其仿真输出电压进行谐波分析。首先打开 Ｐｏｗｅｒｕｉ并且选择‘ｇＦＦＴＡｎａｌｙｓｉｓ’ 作者单位 武汉工程大学邮电与信息工程学院湖北省武 汉市４ ３００７０ 参考文献 ９６・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
