PWM Generator (Three-phase, Two-level)
3상 2레벨 펄스 폭 변조 파형 생성
라이브러리:
Simscape /
Electrical /
Control /
Pulse Width Modulation
설명
PWM Generator (Three-phase, Two-level) 블록은 3상 2레벨 전력 컨버터의 전환 동작을 제어합니다. 이 블록은 다음 작업을 수행합니다.
다음과 같은 블록 입력을 기준으로 온게이팅 시간과 오프게이팅 시간을 계산합니다.
세 개의 정현파 기준 전압(1상당 하나)
DC 링크 전압
게이팅 시간을 사용하여 6개의 스위치 제어 펄스를 생성합니다.
게이팅 시간을 사용하여 변조 파형을 생성합니다.
연속 PWM 및 불연속 PWM
블록은 연속 펄스 폭 변조(PWM)와 이산 펄스 폭 변조(PWM) 모두에 대한 모드를 제공합니다. 다음 그림은 연속 정현파 PWM(SPWM) 파형과 연속 공간 벡터 변조(SVM) 파형 간의 일반적인 차이점을 보여줍니다.
불연속 PWM(DPWM)의 경우 블록은 기본 주기마다 변조파를 총 120도 구간에 걸쳐 양의 DC 레일 또는 음의 DC 레일에 클램핑합니다. 클램핑 구간에서는 변조가 중단됩니다.
30도 DPWM을 가진 파형은 기본 주기당 4개의 30도 구간을 갖습니다.
60도 DPWM에 대해 양의 30도 위상 변위 또는 음의 30도 위상 변위를 선택하면 클램핑 구간에 영향을 미칩니다.
다음 그림은 120도 DPWM에 대한 양의 DC 클램핑과 음의 DC 클램핑의 파형을 보여줍니다.
샘플링 모드
이 블록을 사용하면 변조파에 대해 자연 샘플링, 대칭 샘플링 또는 비대칭 샘플링을 선택할 수 있습니다.
PWM Generator (Three-phase, Two-level) 블록은 반송파 기반 PWM을 수행하지 않습니다. 대신에 이 블록은 입력 신호를 사용하여 게이팅 시간을 계산한 다음, 해당 게이팅 시간을 사용하여 스위치 제어 펄스와 출력할 변조 파형을 모두 생성합니다.
한편, 반송파 기반 PWM은 선택한 샘플링 모드가 이 블록이 생성하는 펄스의 스위치온 동작 및 스위치오프 동작과 어떻게 관련되는지 보여주는 데 유용합니다. 2레벨 반송파 기반 PWM 방법을 사용하는 생성기는 다음을 수행합니다.
기준파를 샘플링합니다.
샘플을 삼각 반송파와 비교합니다.
샘플이 반송파 신호보다 높은 경우에는 스위치온 펄스를 생성하고 샘플이 반송파보다 낮은 경우에는 스위치오프 펄스를 생성합니다.
스위치온 펄스 동작과 스위치오프 펄스 동작을 결정하기 위해 2레벨 반송파 기반 PWM 생성기는 다음 방법을 사용하여 삼각파를 샘플링합니다.
자연 — 샘플링 및 비교가 변조파와 반송파의 교점에서 발생합니다.
비대칭 — 샘플링이 반송파의 상부 경계와 하부 경계에서 발생합니다. 비교는 샘플링을 한 이후에 교점에서 발생합니다.
대칭 — 샘플링이 반송파의 상부 경계에서만 발생합니다. 비교는 샘플링을 한 이후에 교점에서 발생합니다.
과변조
전력 컨버터가 주어진 전압을 출력할 수 있는지를 측정하는 변조 인덱스는 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 각각은 다음과 같습니다.
m은 변조 인덱스입니다.
Vm은 변조파의 피크 값입니다.
Vc는 삼각 반송파의 피크 값입니다.
3상 SPWM의 경우는 다음과 같습니다.
여기서 각각은 다음과 같습니다.
Vpeak는 상-중성점 전압의 기본 성분의 피크 값입니다.
vdc는 DC 링크 전압입니다.
3상 공간 벡터 PWM(SVM) 및 DPWM의 경우는 다음과 같습니다.
일반적인 정상 상태 동작의 경우 0 <m ≤ 1입니다. 부하 증가와 같은 과도로 인해 Vm의 진폭이 Vc의 진폭을 초과하는 경우 과변조(m > 1)가 발생합니다.
과변조가 발생하면 전력 컨버터의 출력 전압은 양의 DC 레일 또는 음의 DC 레일에 클램핑됩니다.
3상 2레벨 PWM 생성기 예제에서, Two-Level Controller 서브시스템은 400V DC 링크 입력과 0.8의 변조 인덱스 m을 포함하고 있습니다. SPWM의 경우 최대 입력 전압은 400V/2, 즉 200V입니다. 과변조를 보여주기 위해 시뮬레이션 시작 시점에 과도가 추가됩니다. 이 과도는 기준 전압의 진폭이 DC 링크 전압 진폭의 1/2을 초과하도록 만듭니다. 과변조를 강조하기 위해, 스코프는 6개의 출력 펄스 중 하나에 대한 시뮬레이션 결과와 기준 전압, 변조 파형, 출력 전압의 a상에 대한 시뮬레이션 결과만 포함하고 있습니다.
0.03~0.09초에서 변조 인덱스는 1보다 큽니다. 과변조 시 다음이 수행됩니다.
펄스는 켜진 상태 또는 꺼진 상태를 유지합니다.
출력 전압 Vao는 양의 DC 레일 또는 음의 DC 레일에 클램핑됩니다.
예제
비동기기 스칼라 제어
이 예제에서는 스칼라 V/f 제어 방법을 사용하여 비동기기(ASM: Asynchronous Machine) 드라이브에서 회전자 속도를 제어하는 방법을 보여줍니다. 컨버터는 기준 속도를 기준 전기 주파수로 변환합니다. 제어기는 스칼라 V/f 제어를 통해 전압 대 주파수 비를 일정하게 유지하여 기준 주파수에서 기준 전압을 생성합니다.
전기 엔진 다이노
이 예제에서는 전기차 동력계 테스트를 모델링하는 방법을 보여줍니다. 테스트 환경에는 기계 샤프트를 통해 연이어 연결된 비동기기(ASM)와 매립형 영구 자석 동기기(IPMSM)가 포함되어 있습니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터를 통해 이 두 머신에 전력을 공급합니다. 164kW ASM은 부하 토크를 생성합니다. 35kW IPMSM은 테스트 대상 전기 기기입니다. Control Machine Under Test(IPMSM) 서브시스템은 IPMSM의 토크를 제어합니다. 제어기는 멀티레이트 PI 기반 제어 구조를 포함하고 있습니다. 개루프 토크 제어의 속도는 폐루프 전류 제어의 속도보다 느립니다. 제어기에 대한 작업 스케줄링은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. Control Load Machine(ASM) 서브시스템은 싱글레이트를 사용하여 ASM의 속도를 제어합니다. Visualization 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
48V 스타터 발전기의 에너지 평형
An interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM) used as a starter/generator in a simplified 48V automotive system. The system contains a 48V electric network and a 12V electric network. The internal combustion engine (ICE) is represented by basic mechanical blocks. The IPMSM operates as a motor until the ICE reaches the idle speed and then it operates as a generator. The IPMSM supplies power to the 48V network, which contains the R3 power consumer. The 48V network supplies power to the 12V network which has two consumers: R1 and R2. The total simulation time (t) is 0.5 seconds. At t = 0.05 seconds, the ICE turns on. At t = 0.1 seconds, R3 switches on. At t = 0.3 seconds, R2 switches on and increases the load on the 12V electric network. The EM Controller subsystem includes a multi-rate PI-based cascade control structure which has an outer voltage-control loop and two inner current-control loops. The task scheduling in the Control subsystem is implemented as a Stateflow® state machine. The DCDC Controller subsystem implements a simple PI controller for the DC-DC Buck converter, which feeds the 12V network. The Scopes subsystem contains scopes that allow you to see the simulation results.
HESM 토크 제어
이 예제에서는 하이브리드 여자 동기기(HESM) 기반 전기-견인 드라이브에서 토크를 제어하는 방법을 보여줍니다. 영구 자석과 여자 권선은 HESM을 여자합니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터(고정자 권선의 경우)와 제어된 4사분면 초퍼(회전자 권선의 경우)를 통해 SM에 전력을 공급합니다. 이상적 각속도 소스가 부하를 제공합니다. Control 서브시스템은 개루프 접근법을 사용하여 토크를 제어하고 폐루프 접근법을 사용하여 전류를 제어합니다. 각 샘플 시점에 토크 요청은 관련된 전류 기준으로 변환됩니다. 전류 제어는 PI 기반입니다. 시뮬레이션은 모터 모드와 발전기 모드 모두에서 몇 가지 토크 스텝을 사용합니다. Visualization 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
HESM 속도 제어
이 예제에서는 하이브리드 여자 동기기(HESM) 기반 전기-견인 드라이브에서 각속도를 제어하는 방법을 보여줍니다. 영구 자석과 여자 권선은 HESM을 여자합니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터(고정자 권선의 경우)와 제어된 4사분면 초퍼(회전자 권선의 경우)를 통해 HESM에 전력을 공급합니다. 이상적 토크 소스가 부하를 제공합니다. Control 서브시스템은 멀티레이트 PI 기반 캐스케이드 제어 구조를 포함합니다. 이 제어 구조는 바깥쪽의 각속도 제어 루프 1개와 안쪽의 전류 제어 루프 3개로 이루어집니다. Visualization 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
IPMSG 전압 안정화
Control an Interior Permanent Magnet Synchronous Generator (IPMSG) based low voltage generator system for a hybrid electric vehicle (HEV). The Control subsystem includes a multi-rate PI-based cascade control structure which has an outer voltage-control loop and two inner current-control loops. The task scheduling in the Control subsystem is implemented as a Stateflow® state machine. The Scopes subsystem contains scopes that allow you to see the simulation results. An ideal angular velocity source, which represents a combustion engine, drives the IPMSG. The IPMSG supplies low-voltage power to loads R1 and R2. At t = 0.4 seconds, the switch closes, increasing the load.
병렬 HEV에서 IPMSM 토크 제어
이 예제에서는 단순화된 병렬 하이브리드 전기차(HEV)를 보여줍니다. IPMSM(내부 영구 자석 동기기)과 ICE(내연 기관)는 차량에 추진력을 제공합니다. IPMSM은 모터 모드와 발전기 모드 모두에서 작동합니다. 차량 변속기와 차동 기어는 고정 비율 기어 감속 모델을 사용하여 구현됩니다. Vehicle Controller 서브시스템은 드라이버 입력값을 토크 명령으로 변환합니다. 차량 제어 전략은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. ICE Controller 서브시스템은 내연 기관의 토크를 제어합니다. Drive Controller 서브시스템은 IPMSM의 토크를 제어합니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
직렬 HEV에서 IPMSM 토크 제어
이 예제에서는 단순화된 직렬 HEV(하이브리드 전기차)를 추진하는 IPMSM(매립형 영구 자석 동기기)을 보여줍니다. 고전압 배터리에 연결된 이상적인 DCDC 컨버터는 제어된 3상 컨버터를 통해 IPMSM에 전력을 공급합니다. 연소 기관으로 구동되는 발전기가 고전압 배터리를 충전합니다. 차량 변속기와 차동 기어는 고정 비율 기어 감속 모델을 사용하여 구현됩니다. Vehicle Controller 서브시스템은 운전자 입력을 IPMSM과 발전기에 대한 명령으로 변환합니다. Drive Controller 서브시스템은 IPMSM의 토크를 제어합니다. 제어기는 멀티레이트 PI 기반 제어 구조를 포함하고 있습니다. 개루프 토크 제어의 속도는 폐루프 전류 제어의 속도보다 느립니다. 제어기에 대한 작업 스케줄링은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
직렬-병렬 HEV에서의 IPMSM 토크 제어
이 예제에서는 단순화된 직렬-병렬 하이브리드 전기차(HEV)를 보여줍니다. IPMSM(내부 영구 자석 동기기)과 ICE(내연 기관)는 차량에 추진력을 제공합니다. ICE는 또한 전기 발전기를 사용하여 주행 중에 고전압 배터리를 충전합니다. 차량 변속기와 차동 기어는 고정 비율 기어 감속 모델을 사용하여 구현됩니다. Vehicle Controller 서브시스템은 드라이버 입력값을 토크 명령으로 변환합니다. 차량 제어 전략은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. ICE Controller 서브시스템은 내연 기관의 토크를 제어합니다. Generator Controller 서브시스템은 전기 발전기의 토크를 제어합니다. Drive Controller 서브시스템은 IPMSM의 토크를 제어합니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
차축-드라이브 HEV에서 IPMSM 토크 제어
이 예제에서는 단순화된 차축-드라이브 전기차를 추진하는 매립형 영구 자석 동기기(IPMSM)를 보여줍니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터를 통해 IPMSM에 전력을 공급합니다. IPMSM은 모터 모드와 발전기 모드 모두에서 작동합니다. 차량 변속기 및 차동 기어는 고정 비율 기어 감속 모델을 사용하여 구현됩니다. Vehicle Controller 서브시스템은 드라이버 입력값을 이에 대응하는 토크 명령으로 변환합니다. Drive Controller 서브시스템은 IPMSM의 토크를 제어합니다. 제어기는 멀티레이트 PI 기반 제어 구조를 포함하고 있습니다. 개루프 토크 제어의 속도는 폐루프 전류 제어의 속도보다 느립니다. 제어기에 대한 작업 스케줄링은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
IPMSM 속도 제어
이 예제에서는 매립형 영구 자석 동기기(IPMSM) 기반의 자동차 전기-견인 드라이브의 회전자 각속도를 제어하는 방법을 보여줍니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터를 통해 IPMSM에 전력을 공급합니다. IPMSM은 부하에 따라 모터 모드와 발전기 모드 모두에서 작동합니다. 이상적 토크 소스가 부하를 제공합니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다. Control 서브시스템은 바깥쪽의 각속도 제어 루프 1개와 안쪽의 전류 제어 루프 2개를 갖는 멀티레이트 PI 기반 캐스케이드 제어 구조를 포함합니다. Control 서브시스템의 작업 스케줄링은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. 1초의 시뮬레이션 중에 각속도 요구량은 0rpm, 500rpm, 2000rpm, 그런 다음 3000rpm입니다.
SM 토크 제어
이 예제에서는 동기기(SM) 기반 전기-견인 드라이브에서 토크를 제어하는 방법을 보여줍니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터(고정자 권선의 경우)와 제어된 4사분면 초퍼(회전자 권선의 경우)를 통해 SM에 전력을 공급합니다. 이상적 각속도 소스가 부하를 제공합니다. Control 서브시스템은 개루프 접근법을 사용하여 토크를 제어하고 폐루프 접근법을 사용하여 전류를 제어합니다. 각 샘플 시점에 토크 요청은 관련된 전류 기준으로 변환됩니다. 전류 제어는 PI 기반입니다. 시뮬레이션은 모터 모드와 발전기 모드 모두에서 몇 가지 토크 스텝을 사용합니다. 작업 스케줄링은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. Visualization 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
SM 속도 제어
이 예제에서는 동기기(SM) 기반 전기-견인 드라이브에서 회전자 각속도를 제어하는 방법을 보여줍니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터(고정자 권선의 경우)와 제어된 4사분면 초퍼(회전자 권선의 경우)를 통해 SM에 전력을 공급합니다. 이상적 토크 소스가 부하를 제공합니다. Control 서브시스템은 바깥쪽의 각속도 제어 루프 1개와 안쪽의 전류 제어 루프 3개를 갖는 멀티레이트 PI 기반 캐스케이드 제어 구조를 포함합니다. Control 서브시스템의 작업 스케줄링은 Stateflow® 상태 머신으로 구현됩니다. Visualization 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
동기식 릴럭턴스 머신 속도 제어
이 예제에서는 동기식 릴럭턴스 머신(SynRM) 기반 전기 드라이브에서 회전자 각속도를 제어하는 방법을 보여줍니다. 고전압 배터리가 제어된 3상 컨버터를 통해 SynRM에 전력을 공급합니다. 이상적 토크 소스가 부하를 제공합니다. Control 서브시스템은 멀티레이트 PI 기반 캐스케이드 제어 구조를 포함합니다. 이 제어 구조는 바깥쪽의 각속도 제어 루프 1개와 안쪽의 전류 제어 루프 2개로 이루어집니다. Visualization 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.
센서 제어가 포함된 3상 비동기식 드라이브
이 예제에서는 센서 회전자 자속 기준 제어를 사용하여 ASM(비동기기)의 작동을 제어하고 분석하는 방법을 보여줍니다. 이 모델은 기본 전기 회로를 보여주며, 여기에는 제어, 측정, 스코프를 포함하는 3개의 추가 서브시스템이 있습니다. 제어 서브시스템은 2개의 제어기를 포함하며, 하나는 그리드 측 컨버터(AC/DC)를 위한 것이고 다른 하나는 머신 측 컨버터(DC/AC)를 위한 것입니다. Scopes 서브시스템은 2개의 시간 스코프를 포함하며, 하나는 그리드 측 컨버터(AC/DC)를 위한 것이고 다른 하나는 ASM을 위한 것입니다. 모델이 실행될 때 스펙트럼 분석기가 열려 A상 공급 전류에 대한 주파수 데이터가 표시됩니다.
센서리스 제어가 포함된 3상 비동기식 드라이브
이 예제에서는 센서리스 회전자 자속 기준 제어를 사용하여 비동기기(ASM)의 작동을 제어하고 분석하는 방법을 보여줍니다. 이 모델은 기본 전기 회로를 보여주며, 여기에는 제어, 측정, 스코프를 포함하는 3개의 추가 서브시스템이 있습니다. 제어 서브시스템은 2개의 제어기를 포함하며, 하나는 그리드 측 컨버터(AC/DC)를 위한 것이고 다른 하나는 머신 측 컨버터(DC/AC)를 위한 것입니다. Scopes 서브시스템은 2개의 시간 스코프를 포함하며, 하나는 그리드 측 컨버터(AC/DC)를 위한 것이고 다른 하나는 ASM을 위한 것입니다. 모델이 실행될 때 스펙트럼 분석기가 열려 A상 공급 전류에 대한 주파수 데이터가 표시됩니다.
3상 2레벨 PWM 생성기
이 예제에서는 컨버터를 제어하기 위해 PWM 생성기(3상, 2레벨)를 사용하는 방법을 보여줍니다. PWM 생성기에 대한 입력은 기준 AC 파형과 400V의 DC 링크 전압입니다. 제어기 파형에 대한 시간 스코프가 한 개 있습니다.
포트
입력
출력
파라미터
참고 문헌
[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.
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