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PWM Generator (Three-phase, Two-level)

三相 2 レベルのパルス幅変調波形の生成

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  • PWM Generator (Three-phase, Two-level) block

ライブラリ:
Simscape / Electrical / Control / Pulse Width Modulation

説明

PWM Generator (Three-phase, Two-level) ブロックは、三相 2 レベル電力コンバーターのスイッチング動作を制御します。このブロックの内容は次のとおりです。

  1. ブロックの次の入力に基づいてオンゲートとオフゲートの時間を計算します。

    • 3 つの正弦波基準電圧 (相ごとに 1 つ)

    • DC リンク電圧

  2. ゲート時間を使用して 6 スイッチ制御パルスを生成します。

  3. ゲート時間を使用して変調波形を生成します。

連続 PWM と不連続 PWM

このブロックには、連続と不連続の両方のパルス幅変調 (PWM) のモードがあります。次の図は、連続正弦波 PWM (SPWM) と連続空間ベクトル変調 (SVM) の波形の一般的な違いを示しています。

不連続 PWM (DPWM) の場合、ブロックは基本周期ごとに合計 120 度の変調波を正または負の DC レールに固定します。固定区間は変調が不連続になります。

30 度の DPWM の波形には、基本周期ごとに 4 つの 30 度区間があります。

正または負の 30 度位相シフトを選択すると、60 度の DPWM の固定区間に影響します。

次の図は、120 度の DPWM の正と負の DC 固定の波形を示しています。

サンプリング モード

このブロックでは、変調波のサンプリングを固有、対称、非対称から選択できます。

PWM Generator (Three-phase, Two-level) ブロックは搬送波ベースの PWM は実行しません。代わりに、このブロックは入力信号を使用してゲート時間を計算し、出力するスイッチ制御パルスと変調波形の両方をゲート時間を使用して生成します。

ただし、サンプリング モードの選択がブロックで生成されるパルスのスイッチオンとスイッチオフの動作にどのように関係するかを示すには、搬送波ベースの PWM が有効です。2 レベルの搬送波ベースの PWM 方式を使用する発生器は以下を実行します。

  1. 基準波をサンプリングします。

  2. サンプルと三角搬送波を比較します。

  3. サンプルが搬送信号よりも高い場合はスイッチオン パルスを生成し、サンプルが搬送波よりも低い場合はスイッチオフ パルスを生成します。

スイッチオン パルスとスイッチオフ パルスの動作を特定するために、2 レベルの搬送波ベースの PWM 発生器は次の方法を使用して三角波をサンプリングします。

  • 固有 — サンプリングと比較が変調波と搬送波の交点で発生します。

  • 非対称 — サンプリングが搬送波の上限と下限で発生します。比較はサンプリングの後の交点で発生します。

  • 対称 — サンプリングが搬送波の上限でのみ発生します。比較はサンプリングの後の交点で発生します。

過変調

変調指数は、電力コンバーターの所定の電圧を出力する能力を測定する指数であり、次のように定義されます。

m=VMVC,

ここで、

  • m は変調指数です。

  • Vm は変調波のピーク値です。

  • Vc は三角搬送波のピーク値です。

三相 SPWM の場合は次のようになります。

Vpeak=mvdc2,

ここで、

  • Vpeak は相-中性点間電圧の基本成分のピーク値です。

  • vdc は DC リンク電圧です。

三相空間ベクトル PWM (SVM) および DPWM の場合は次のようになります。

Vpeak=mvdc3.

通常の定常状態動作中は 0 <m ≤ 1 です。負荷の増加などの過渡によって Vm の振幅が Vc の振幅を超えると、過変調 (m > 1) が発生します。

過変調が発生すると、電力コンバーターの出力電圧が正または負の DC レールに固定されます。

三相 2 レベル PWM 発生器の例の Two-Level Controller サブシステムには、400 V の DC リンクの入力があり、変調指数 m は 0.8 です。SPWM の場合、最大入力電圧は 400 V/2、つまり 200 V です。過変調を示すために、シミュレーションの最初に過渡を加えます。この過渡で、基準電圧の振幅が DC リンク電圧の振幅の 1/2 を超えるように強制します。過変調を強調表示するために、スコープには 6 つの出力パルスのうち 1 つのみのシミュレーション結果と a 相のみの基準電圧、変調波形、出力電圧を含めています。

変調指数が 0.03 秒から 0.09 秒まで 1 を超えています。過変調時は次のようになります。

  • パルスはオンまたはオフの位置のままです。

  • 出力電圧 Vao は正または負の DC レールに固定されます。

例

非同期機のスカラー制御

非同期機のスカラー制御

この例では、スカラー V/f 制御法を使用して非同期機 (ASM) 駆動装置の回転子の速度を制御する方法を説明します。コンバーターは、基準速度を基準電気周波数に変換します。コントローラーは、スカラー V/f 制御によって一定の電圧対周波数比を維持し、基準周波数から基準電圧を生成します。

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電気エンジン動力計

電気エンジン動力計

この例では、電気自動車の動力計テストをモデル化する方法を説明します。テスト環境には、機械シャフトを介して背面合わせに連結された非同期機 (ASM) と埋込永久磁石同期機 (IPMSM) が含まれています。高圧バッテリーから、制御された三相コンバーターを通して両方のマシンに電力が供給されます。164 kW ASM が負荷トルクを生成します。35 kW IPMSM がテスト対象の電気機です。Control Machine Under Test (IPMSM) サブシステムは、IPMSM のトルクを制御します。コントローラーにはマルチレートの PI ベース制御構造が含まれています。開ループのトルク制御のレートは、閉ループの電流制御のレートより遅くなっています。コントローラーのタスク スケジューリングは、Stateflow® ステート マシンとして実装されます。Control Load Machine (ASM) サブシステムは、シングル レートを使用して ASM の速度を制御します。Visualization サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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48 V 始動発電機のエネルギー バランス

48 V 始動発電機のエネルギー バランス

この例では、単純化された 48 V の車載システムにおいて始動機/発電機として使用される埋込永久磁石同期機 (IPMSM) を説明します。このシステムには、48 V の電気回路網と 12 V の電気回路網が含まれています。内燃エンジン (ICE) は、基本的な機械ブロックで表されます。IPMSM は、ICE がアイドリング速度に達するまでモーターとして動作し、その後は発電機として動作します。IPMSM は、R3 の電力消費源を含む 48 V 回路網に電力を供給します。48 V 回路網は次の 2 つの消費源を含む 12 V 回路網に電力を供給します。R1 および R2。合計シミュレーション時間 (t) は 0.5 秒です。t = 0.05 秒で ICE が始動します。t = 0.1 秒で R3 がオンになります。t = 0.3 秒で R2 がオンになり、12 V 電気回路網の負荷が増加します。EM Controller サブシステムには、外側の電圧制御ループと内側の 2 つの電流制御ループをもつ、マルチレートの PI ベース カスケード制御構造が含まれています。Control サブシステムのタスク スケジューリングは、Stateflow® のステート マシンとして実装されます。DCDC Controller サブシステムは、12 V 回路網に電力を供給する DC-DC 降圧コンバーター用の単純な PI コントローラーを実装します。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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HESM トルク制御

HESM トルク制御

この例では、ハイブリッド励磁同期機 (HESM) をベースとする電気牽引駆動装置において、トルクを制御する方法を説明します。永久磁石および励磁巻線が HESM を励磁します。高電圧バッテリーは、制御された固定子巻線用三相コンバーターと制御された回転子巻線用 4 象限チョッパーを通して SM に電力を供給します。理想的な角速度源が負荷を提供します。Control サブシステムは、トルク制御に開ループ アプローチを使用し、電流制御に閉ループ アプローチを使用します。各サンプル瞬時において、トルク要求は関連する指令電流に変換されます。電流制御は PI ベースです。シミュレーションでは、モーター モードと発電機モードの両方で、複数のトルク ステップを使用します。Visualization サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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HESM の速度制御

HESM の速度制御

この例では、ハイブリッド励磁同期機 (HESM) をベースとする電気牽引駆動装置において、回転子の角速度を制御する方法を説明します。永久磁石および励磁巻線が HESM を励磁します。高電圧バッテリーは、制御された固定子巻線用三相コンバーターと制御された回転子巻線用 4 象限チョッパーを通して HESM に電力を供給します。理想的なトルク源が負荷を提供します。Control サブシステムには、マルチレートの PI ベース カスケード制御構造が含まれています。制御構造には、外側に 1 つの角速度制御ループがあり、内側に 3 つの電流制御ループがあります。Visualization サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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IPMSG の電圧安定化

IPMSG の電圧安定化

この例では、埋込永久磁石同期発電機 (IPMSG) をベースとしたハイブリッド電気自動車 (HEV) 用低電圧発電機システムを制御する方法を説明します。Control サブシステムには、外側の電圧制御ループと内側の 2 つの電流制御ループをもつ、マルチレートの PI ベース カスケード制御構造が含まれています。Control サブシステムのタスク スケジューリングは、Stateflow® のステート マシンとして実装されます。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。内燃エンジンを表す理想的な角速度源が IPMSG を駆動します。IPMSG は、負荷 R1 および R2 に低電圧電力を供給します。t = 0.4 秒で、スイッチが閉じ、負荷が増加します。

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並列 HEV における IPMSM トルク制御

並列 HEV における IPMSM トルク制御

この例では、単純化された並列ハイブリッド電気自動車 (HEV) を説明します。埋込永久磁石同期機 (IPMSM) と内燃エンジン (ICE) が車両に推進力を与えます。IPMSM は、モーター モードと発電機モードの両方で動作します。車両のトランスミッションと差動装置は、ギア減速比の固定されたモデルを使用して実装されています。Vehicle Controller サブシステムは、運転者の入力をトルク指令に変換します。車両制御の手法は、Stateflow® のステート マシンとして実装されます。ICE Controller サブシステムは内燃エンジンのトルクを制御します。Drive Controller サブシステムは IPMSM のトルクを制御します。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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直列 HEV における IPMSM トルク制御

直列 HEV における IPMSM トルク制御

この例では、単純化された直列ハイブリッド電気自動車 (HEV) を推進する埋込永久磁石同期機 (IPMSM) を説明します。高電圧バッテリーに接続された理想的な DCDC コンバーターは、制御された三相コンバーターを通して IPMSM に電力を供給します。内燃エンジン駆動の発電機により高電圧バッテリーが充電されます。車両のトランスミッションと差動装置は、ギア減速比の固定されたモデルを使用して実装されています。Vehicle Controller サブシステムは、運転者の入力を、IPMSM と発電機用の関連指令値に変換します。Drive Controller サブシステムは IPMSM のトルクを制御します。コントローラーにはマルチレートの PI ベース制御構造が含まれています。開ループのトルク制御のレートは、閉ループの電流制御のレートより遅くなっています。コントローラーのタスク スケジューリングは、Stateflow® ステート マシンとして実装されます。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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直並列 HEV における IPMSM トルク制御

直並列 HEV における IPMSM トルク制御

この例では、単純化された直並列ハイブリッド電気自動車 (HEV) を説明します。埋込永久磁石同期機 (IPMSM) と内燃エンジン (ICE) が車両に推進力を与えます。ICE はまた運転中に、発電機を使用して高電圧バッテリーの再充電も行います。車両のトランスミッションと差動装置は、ギア減速比の固定されたモデルを使用して実装されています。Vehicle Controller サブシステムは、運転者の入力をトルク指令に変換します。車両制御の手法は、Stateflow® のステート マシンとして実装されます。ICE Controller サブシステムは内燃エンジンのトルクを制御します。Generator Controller サブシステムは発電機のトルクを制御します。Drive Controller サブシステムは IPMSM のトルクを制御します。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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車軸駆動 EV における IPMSM トルク制御

車軸駆動 EV における IPMSM トルク制御

この例では、単純化された車軸駆動電気自動車を推進する埋込永久磁石同期機 (IPMSM) を説明します。高圧バッテリーは、制御された三相コンバーターを通して IPMSM に電力を供給します。IPMSM は、モーター モードと発電機モードの両方で動作します。車両のトランスミッションと差動装置は、ギア減速比の固定されたモデルを使用して実装されています。Vehicle Controller サブシステムは、運転者の入力を、関連するトルク指令に変換します。Drive Controller サブシステムは IPMSM のトルクを制御します。コントローラーにはマルチレートの PI ベース制御構造が含まれています。開ループのトルク制御のレートは、閉ループの電流制御のレートより遅くなっています。コントローラーのタスク スケジューリングは、Stateflow® ステート マシンとして実装されます。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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IPMSM の速度制御

IPMSM の速度制御

この例では、埋込永久磁石同期機 (IPMSM) をベースとする自動車の電気牽引駆動装置において、回転子の角速度を制御する方法を説明します。高圧バッテリーは、制御された三相コンバーターを通して IPMSM に電力を供給します。IPMSM は、負荷に応じてモーター モードと発電機モードの両方で動作します。理想的なトルク源が負荷を提供します。Scopes サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。Control サブシステムには、外側の角速度制御ループと内側の 2 つの電流制御ループをもつ、マルチレートの PI ベース カスケード制御構造が含まれています。Control サブシステムのタスク スケジューリングは、Stateflow® のステート マシンとして実装されます。1 秒間のシミュレーション中、角速度要求は 0 rpm、500 rpm、2000 rpm、3000 rpm になります。

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SM トルク制御

SM トルク制御

この例では、同期機 (SM) をベースとする電気牽引駆動装置において、トルクを制御する方法を説明します。高電圧バッテリーは、制御された固定子巻線用三相コンバーターと制御された回転子巻線用 4 象限チョッパーを通して SM に電力を供給します。理想的な角速度源が負荷を提供します。Control サブシステムは、トルク制御に開ループ アプローチを使用し、電流制御に閉ループ アプローチを使用します。各サンプル瞬時において、トルク要求は関連する指令電流に変換されます。電流制御は PI ベースです。シミュレーションでは、モーター モードと発電機モードの両方で、複数のトルク ステップを使用します。タスク スケジューリングは Stateflow® ステート マシンとして実装されます。Visualization サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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SM の速度制御

SM の速度制御

この例では、同期機 (SM) をベースとする電気牽引駆動装置において、回転子の角速度を制御する方法を説明します。高電圧バッテリーは、制御された固定子巻線用三相コンバーターと制御された回転子巻線用 4 象限チョッパーを通して SM に電力を供給します。理想的なトルク源が負荷を提供します。Control サブシステムには、外側の角速度制御ループと内側の 3 つの電流制御ループをもつ、マルチレートの PI ベース カスケード制御構造が含まれています。Control サブシステムのタスク スケジューリングは、Stateflow® のステート マシンとして実装されます。Visualization サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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同期リラクタンス機の速度制御

同期リラクタンス機の速度制御

この例では、同期リラクタンス機 (SynRM) をベースとする電気駆動装置において、回転子の角速度を制御する方法を説明します。高電圧バッテリーは、制御された三相コンバーターを通して SynRM に電力を供給します。理想的なトルク源が負荷を提供します。Control サブシステムには、マルチレートの PI ベース カスケード制御構造が含まれています。制御構造には、外側に 1 つの角速度制限ループがあり、内側に 2 つの電流制御ループがあります。Visualization サブシステムには、シミュレーション結果を確認できるスコープが含まれています。

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センサー制御を使用した三相非同期ドライブ

センサー制御を使用した三相非同期ドライブ

この例では、センサー付き回転子ベクトル制御を使用して非同期機 (ASM) の操作の制御と解析を行う方法を説明します。このモデルには、メインの電気回路に加えて、制御、測定、スコープを含む 3 つの付加的サブシステムが表示されています。Controls サブシステムには 2 つのコントローラーが含まれています。1 つは送電系統側コンバーター (AC/DC) 用で、1 つはマシン側コンバーター (DC/AC) 用です。Scopes サブシステムには 2 つの時間スコープが含まれています。1 つは送電系統側コンバーター用で、1 つは ASM 用です。モデルが実行されるとスペクトル アナライザーが開き、A 相供給電流の周波数データが表示されます。

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センサーなし制御を使用した三相非同期ドライブ

センサーなし制御を使用した三相非同期ドライブ

この例では、センサーなし回転子ベクトル制御を使用して非同期機 (ASM) の操作の制御と解析を行う方法を説明します。このモデルには、メインの電気回路に加えて、制御、測定、スコープを含む 3 つの付加的サブシステムが表示されています。Controls サブシステムには 2 つのコントローラーが含まれています。1 つは送電系統側コンバーター (AC/DC) 用で、1 つはマシン側コンバーター (DC/AC) 用です。Scopes サブシステムには 2 つの時間スコープが含まれています。1 つは送電系統側コンバーター用で、1 つは ASM 用です。モデルが実行されるとスペクトル アナライザーが開き、A 相供給電流の周波数データが表示されます。

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三相 2 レベル PWM 発生器

三相 2 レベル PWM 発生器

この例では、PWM 発生器 (三相、2 レベル) を使用してコンバーターを制御する方法を説明します。PWM 発生器への入力は、基準 AC 波形と 400 V の DC リンク電圧です。コントローラーの波形用に時間スコープが 1 つあります。

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端子

入力

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接続されたコンバーターで出力する 3 つの正弦波電圧 (相ごとに 1 つ) を指定します。

コンバーターの DC リンク電圧を示す正の実数を指定します。

出力

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接続された電力コンバーターでのスイッチング動作を決定する 6 パルス波形。

PWM 機能を備えたハードウェアをもつプラットフォーム用のコードを生成する場合、変調波をハードウェアに展開できます。それ以外の場合は、これは参考用のデータです。

パラメーター

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不連続 PWM では、基本周期ごとに合計 120 度の波形が DC レールに固定されます。これは連続 PWM では行われません。

依存関係

[連続 PWM] パラメーターは、[PWM モード] パラメーターを [連続 PWM (CPWM)] に設定した場合のみ使用できます。

サンプリング モードにより、波が交差したとき、搬送波が一方の境界条件に達したとき、搬送波が両方の境界条件に達したときのいずれの時点でブロックが変調波形をサンプリングするかが決まります。

電力コンバーター内のスイッチを切り替えるレートを指定します。

連続するブロック実行 (出力計算) 間の時間間隔を指定します。生成された信号で十分な分解能が得られるように、この値は 1/(50*Fsw) 以下に設定します。ここで、Fsw は [スイッチング周波数 (Hz)] です。

ブロックが周期ごとに 120 度の変調波を DC レールに固定する際の分配方法を指定します。他のオプションは次のとおりです。

  • 60 DPWM (+30 度シフト): 60 DPWM から +30 度シフト

  • 60 DPWM (-30 度シフト): 60 DPWM から -30 度シフト

  • 30 DPWM: 30 度の不連続 PWM

  • 120 DPWM: 正の DC 成分

  • 120 DPWM: 負の DC 成分

波が固定されているときは変調が不連続になります。

依存関係

[不連続 PWM] パラメーターは、[PWM モード] パラメーターを [不連続 PWM (DPWM)] に設定した場合のみ使用できます。

参照

[1] Chung, D. W., J. S. Kim, and S. K. Sul. “Unified Voltage Modulation Technique for Real Time Three-Phase Power Conversion.” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 2, 1998, pp. 374–380.

[2] Hava, A. M., R. J. Kerkman, and T. A. Lipo. “Simple Analytical and Graphical Methods for Carrier-Based PWM-VSI Drives.” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 14, No. 1, 1999, pp. 49–61.

拡張機能

C/C++ コード生成
Simulink® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

バージョン履歴

R2016b で導入

参考

Simscape ブロック

ブロック