（控制理论与控制工程专业论文）基于svpwm有源逆变技术在电机调速中应用的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 目前，在交流异步电机高效节能调速方面，根据不同用途主要是用变频调 速或串级调速技术。变频技术控制电机的定子侧供电电源，交流装置要承受很 高的高压，控制电机的全部功率;而串级技术控制电机的转子侧，变流装置仅 承受转子回路低电压，控制很小的转子转差率。串级调速是十分经典的电机调 速方法，其原理在本文也做了详尽的阐述。鉴于此，本文设计了基于 s v p w m技 术有源逆变在电机调速中的应用。 文章首先分析了常规 s v p w m控制技术的工作原理，推导了其调制波函数， 还用仿真实验验证了可行性;接着对电 压型 p w m整流器和电流型整流器进行了 比较，并根据系统的要求选用了电压型 p w m整流器为系统的主电路;随后也给 出有源逆变整个系统的详细分析及其驱动保护电路;最后给出利用数字信号处 理器来实现 s v p w m控制 的方法 。 关键词:有源逆变，s v p w m , d s p abs tract a t p r e s e n t , i n e x c h a n g i n g t h e a s y n c h r o n o u s e l e c t r i c a l m a c h i n e ry e n e r g y - e f f i c i e n t a n d a d j u s t i n g t h e s p e e d , a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t u s e s , m o t o r s m a i n l y a d j u s t s p e e d o r e a c h a n d a d j u s t s p e e d t e c h n o l o g y w i t h f r e q u e n c y c o n v e r s i o n . f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y c o n t r o l s t a t o r s i d e o f e l e c t r i c a l m a c h i n e ry s u p p l y p o w e r ， e x c h a n g e d e v i c e w i l l b e a r h i g h p r e s s u r e v e ry t o w a n t , c o n t r o l t h e p o w e r o f t h e e l e c t r i c a l m a c h i n e ry . a n d s p e e d o f a d j u s t i n g o f e a c h c o n t ro l t h e r o t o r s i d e o f t h e e l e c t r i c a l m a c h i n e ry. t u r n 山. d e v i c e i n t o a n d fl o w o n l y b e a r s t h e r e t u r n c i r c u i t l o w - v o l t a g e o f t h e r o t o r ， c o n t r o l v e ry s ma ll rot o r t o t r a n s f e r t o t h e d i ff e r e n c e r a t e . t h e s p e e d o f a d j u s t i n g o f e a c h i s t h a t v e ry c l a s s i c a l e l e c t r i c a l m a c h in e ry a d j u s t s t h e s p e e d me t h o d , h a s d o n e e x h a u s t i v e e x p o s i t i o n t o o运t h i s t e x t i n i t s p r i n c i p l e . i n v i e w o f t h i s , i t i s a c t i v e i n v e r t t u r n i n g i n t o i n t h e e l e c t r i c a l m a c h i n e ry a d j u s t i n g t h e a p p l i c a t i o n i n t h e s p e e d t h a t t h i s t e x t h a s b e e n d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f s v p wm t e c h n o l o g y . f i r s t l y , t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e w o r k i n g p r i n c i p l e s o f t r a d i t i o n a l fl u x s i n u s o i d a l p w m c o n t r o l t e c h n i q u e i n d e t a i l . a n d t h e m o d u l a t i o n w a v e f u n c t i o n s a r e d e d u c e d . t h e d i g i t a l s i m u l a t i o n i s d o n e b y c o m p u t e r t o v e r i f y . f o l l o w l i n g t h e t h e s i s d r a w c o m p a r i s o n s b e t w e e n v o l t a g e t y p e p w m r e c t i fi e r a n d c u r r e n t r e c t i fi e r a n d f in a l l y s e l e c t v o l t a g e t y p e p w m r e c t i f i e r a s t h e m a i n c i r c u i t o f t h e s y s t e m. d e t a i l e d a n a l y s i s o f t h e w h o l e s y s t e m t h a t t h i s t e x t p r o v i d e s a n d g o e s a g a i n s t a c t i v e i n v e rt a n d d r i v i n g a n d p r o t e c t i n g t h e c i r c u i t , p r o v i d e a n d m a k e u s e o f d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r t o r e a l i z e t h e m e t h o d t h a t s v p w m c o n t r o l s f in a l l y . l i y a o ( t h e o ry a n d e n g i n e e r i n g o f c o n t r o l ) d i r e c t e d b y p rof . wa n g b i n g s h u a n d p r o ti n y o n g j u n key w ords: ac t i ve i nve r t , svpw m , dsp 侧梦d口 沂 口卜 月 本人郑重声明: 此处 所提交的 硕士学位论文 基于s v p wm有源逆变技术在电 机调速中应用的研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的 研究工作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 嘴 :f_ . _ _ 、 ， 二 学 位 论 文 作 者 签名 : 了 日 期， 上 / , , 关于学位论文使用授权的说明 本人完 全了 解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权 保管、 并向 有关部门送交学位论文的原件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印 或 其它复制手 段复制并保存学位论文: 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校 可以 学术交流为目的 ， 复制赠送和交 换学位论文: 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容。 ( 涉密的学位论文 在解密后遵守此规定 ) 作 者 签 名 : 里 i 2 期 呼七 导 师 签 名 : 卫了 日期 :， 夕 . 了 今 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 交流调速的发展与现状 交流电动机在 1 8 8 5 年出现后， 虽然结构简单、 可靠、 造价低廉， 但调速性能( 调 速范围、稳定性或静差度、平滑性等) 却无法与直流调速系统相媲美，所以在调速 领域中，直流传动一直占据着统治地位。但是，由于直流电动机存在着 “ 换向”这 一理论和技术方面的实际困难，使得直流电动机的最高电压只能达到 1 0 0 0多伏， 而交流电动机则很容易做成 6 k v , 1 0 k v或更高:另外直流电动机的制造和维护也比 交流电动机复杂， 特别是随着科学技术的发展， 直流电动机的单机容量、电压等级、 转速和体积往往不能满足实际需要，例如，目前直流电动机的单机容量只能达到 1 2 0 0 0 k w和 1 4 0 0 0 k w 现分别制成三电枢和双电枢的形式，而交流同步电动机和异步 电动机的单机容量都可以远远高于此值;在转速方面直流电动机的最高转速只能达 到3 0 0 0 转/ 分左右，而交流电动机转速则可高达每分钟数万转或更高，这些都是直 流传动的薄弱环节n n z 为了克服上述缺点，很多国家一直在致力于发展交流传动技术。起初，由于交 流调速的发展受其物质基础一静止式变流器件以及相应的电子逆变技术的限制，交 流调速装置未能得到推广应用，有的甚至未能走出实验室。本世纪六十年代以后随 着电力电子学与电子技术的发展，交流调速发展出现了一个飞跃:尤其是七十年代 以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交 流调速的发展进步创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调 速、无换向电动机调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速逐步具备了宽 调速范围、高稳速精度、快动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。 原来的交直流拖动分布格局被逐渐打破，在各工业部门用可调速交流拖动取代直流 拖动的形式已指日可待。 特别应该指出的是， 交流调速拖动系统在能源方面的作用。 在世界能源紧张、能源费用高涨的今天，交流调速技术作为节约能源的一个重要手 段，引起了人们的高度重视。究其原因:一方面，交流拖动负荷在各国的总用电量 中都占有很大的比重( 工业发达国家，大都占一半以上) ，对这类负荷实现节能，可 以获得十分可观的节电效益: 另一方面，交流拖动本身又存在着很大的可以挖掘的 节电能力 u 1 总之， 交流调速技术具有优良的调速性能， 还可带来节约能源、 减少维修费用， 节省占地面积等优点，尤其在大容量或工作于恶劣环境时更为直流电机拖动所不 及。所以，交流调速技术的应用有着广阔的前景。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2大功率电机负载节能调速的发展状况 当前世界普遍重视能源问题，要求节能的呼声越来越高。我国是工业生产能耗 高，能源紧张的国家。据有关资料记载，我国发电总量中，大约有6 0 %是电动机消 耗掉的。在我国电力、石化、矿山、冶金及给排水等领域，风机和泵类负载是应用 最广泛、耗电量最大的一类生产机械。据统计，泵和风机的耗电量占到整个工业用 电量的4 0 % 以上， 而风机、 水泵用电量的3 0 %-4 0 %消耗在调节阀门及管网压降上， 使用中存在运行效率低的缺点，这样就造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准还 有相当大的差距，所以这类负载的节能潜力相当大。 众所周知，在风机、水泵的节能措施中调速运行是最有效的。而在节电率相同 的情况下，电动机的功率越大其节能效益也就愈大。因此，高压大功率电动机驱动 的风机、水泵采用调速传动，其节能效果将更加明显。因此高压大功率风机、泵类 负载的节能调速应大力推广。 1 . 3 p w m 的调制技术 自二十世纪九十年代以来，对 p wm整流器的研究一直成为学术界关注和研究 的焦点。随着研究的深入，基于p wm整流器拓扑结构及其控制的策略拓展开来。 就拓扑结构而言， 电流型和电压型拓扑结构是p wm整流器拓扑结构的两大类。 对于不同功率等级以及不同的用途，研究了各种不同的 p wm拓扑结构。在小功率 应用场合，p wm 整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出 性能上: 对于大功率p wm整流器， 其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、 整流器组合以及软开关技术上; 对于大电流应用场合， 常采用整流器组合拓扑结构， 即将独立的电流型 p wm 整流器进行并联组合。与普通并联不同的是，每个并联的 p wm整流器中的p wm信号发生移相p wm控制技术， 从而以较低的开关频率获得 等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地提高了p wm整流器的 电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的电压型 p wm整流器进行串联移相 组合，以适应高压大容量的应用场合。此外，在大功率 p wm整流器设计上，还研 究了基于软开关控制的拓扑结构和相应的控制策略。但是这一技术还有待进一步完 善和改进。 目前，采用高速功率器件的电压型p w m 整流器的主导控制技术有 6 1 s ( 1 ) 基于正弦波与三角波脉宽调制的s p w m 控制; ( 2 ) 基于消除指定次数谐波的h e p w m 控制; ( 3 ) 基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制; ( 4 ) 电压空间矢量控制( s v p w m 控制) ，或称磁链轨迹跟踪控制。 z 华北电力大学硕士学位论文 以上四类p w m 变换器中。前两类是以输出电压接近正弦波为控制目 标，第三类 以输出正弦波电流为控制目标，第四类则以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目 标。 其中，电流滞环法的优点是控制简单、电流响应快、鲁棒性强;而其缺点是开 关频率不固定，电流纹波大，低调整比时造成开关频率高，对功率器件不利，而且 三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制复杂度.此 外，在直流电压不够高、反电动势太大( 高速调速中) 或电流太小时，电流控制效果 不理想。 三相 s p w m控制方案由于其原理简单，通用性强，控制和调节性能好，在目前 国内外的电机控制中是应用最广的一种，但它仍然存在直流电压利用率低、谐波含 量大，转矩脉动较大等缺点。 消除指定次数谐波的h e p w m 控制是通过脉冲平均法把逆变器输出的方波电压转 换成等效的正弦波以消除某些特定谐波. 1 ，这样就可以实现某些特定的优化目 标， 如谐波最小，效率最优等;但是其中求解最优开关角的方程为非线性的，且为超越 函数， 因此必须采用计算机编写最优的搜索程序， 另外， 要提高直流电压的利用率， 还必须采取相应的优化措施，这又增加了系统的开发复杂度。 电压空间矢量控制( s v p w m 控制) ，已超越了常规s p w m的思路， 从电动机角度出 发，直接以电动机磁链圆形轨迹控制为目的，不仅在控制上与 s p w m的效果相同， 而且更直观， 物理意义更明晰。 s v p w m 算法将逆变器三相视为一个整体来进行控制， 而且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，适合数字化方案，更重要的是无 论从直流电压利用率， 还是从电动机谐波损耗上看， s v p w m 法都优于s p w m 法， 而且 通过对零矢量分配关系和作用时间的不同安排，可以得到不同的调制方法，它们在 谐波与开关频率等方面会产生很大的差别。因此，在优化调制波上有很大的选择余 地，这一点对提高开关频率以改善电机运行特性上会有很大的好处，而当前国内外 在这个方面的研究还很有限，缺乏完整性和系统性。所以，本文将对s v p w m 的优化 调制波理论及其实际运用进行深入的探讨。 1 . 4国内外串级调速的研究现状 1 . 4 . 1我国串级调速的发展 6 0年代末期我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验，7 0年代后期西 安整流器厂首先推出了系列产品，以后其它厂家也相继推出了系列产品。 1 9 8 4 年当 时的机械工业部发布了串级调速装置的电工专业标准. 1 9 9 0 年国家技术监督局批准 了半导体变流串级调速装置的国标( g b 1 2 6 6 9 - 9 0 ) ，规范了这类装置的设计、试验要 华北电力大学硕士学位论文 求。 7 0 年代以来机械式串级及电机式串级调速系统也得到了发展， 上海电机厂推出 了机械式和电机式两种 串级调速设备的系列产品。 我国申级调速系统应用的特点: 根据资料统计，国外晶闸管串级调速主要应用于大容量风机、泵类 即平方转矩 负载的节能调速，单台电动机的容量达到 2 0 m w以上。晶闸管串级调速系统在我国 应用 比国外更广泛一些 。串级调速的应用主要有以下几种类型 :平方转矩负载调速 型、恒转矩负载调速型和恒 转矩位能负载起动调速型。 国内最先是由屈维谦提 出内反馈方案的，时间是在 8 0年代后期。内反馈串级 调速真正推向市场则是北 京长城机 电( 集 团) 公司组织上海 电机厂等单位 的专家通 过论证试验才得以实现的。 9 0 年代中期以后保定北方调速有 限公司又推出斩波式 内反馈串级调速。 到 目前 为止有上海、兰州、哈尔滨等多家电机厂生产内反馈串级调速电 动机。 1 . 4 . 2 国外串级调速的系统的发展情况 2 0 世纪6 0 年代中期，w . 舍费尔德钾. s h e p h e r d ) 和 j . 司坦威( j . s t a n w a y) 两 人就提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流，然后经过三相电网换相晶 闸管逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机 的定子辅助绕组中的晶闸管串级方案 。 贾 . 舍费尔德和 j . 司坦福把这种 申级称为“ 定子反馈 ” 方案。 而把通过变压器 ( 逆 变变压器) 将转差功率反馈到电网的串级( 常规的晶闸管串级) 称为 “ 电网反馈”方 案。在 “ 定于反馈” 方案中，辅助绕组与定子绕组电气上绝缘，通过磁祸合，即电 磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网。这就是我们 国家所说的 “ 内反馈 ” 申调。其后在 1 9 6 6 年、1 9 6 9 年还有论文介绍这种 “ 定子反馈”串级。 1 . 4 . 3 串级调速的意义 电气传动在 日常生活、工收生产 中占有很大 的比重，特别是风机和泵类、压缩 机这此负载的消耗 占有 能源消耗的很大的比重 ，如果能够对 这此 负载进行节能控 制，带来的效益是非常可观的。这此系统在设计的时候就留有很大的裕量，在最大 负荷的情况下工作的时间非常少，过去控制都是通过风门、闸阀等等方法控制，这 样的控制方法不仅对设备和设施造成损坏而且浪费了很多的能量，利用先进的电气 控制方法对这此设备进节能，不仅节约了能源而且能够更有效的控制系统。 串级调速 是在绕线式 电机转 了回路中串入平滑而且可以调节的直流 电势来改 变 电机的转差率以达到调速 目的。基本原理是希望串入的直流电动势的装置吸收转 华北电力大学硕士学位论文 子侧传递来的转差功率并加以利用不被浪费。将这此能量变为机械能、热能，回馈 到电网中再次利用。风机、泵类负载都是大容量的而且对系统动静态特性要求不是 很高，相对于其他的交流调速方法如应用较多的变频调速方法其逆变器的负载功率 仅为全功率的 1 / 3 - 1 / 2 转子侧是低压调速，设备的投资有很大的节省。 1 . 5逆变控制技术的发展状况 在逆变系统中，控制电路和主电路同样重要，这两部分只有相互配合，共同工 作，才能构成完整的逆变系统，两者缺一不可。没有控制电路，主电路就不知道如 何工作。逆变系统控制电路的设计不仅受主电路形式、主电路开关管器件的类型和 逆变工作频率的支配，而且还取决于选取的功率变换技术的种类。 逆变系统也是一种控制系统， 也是通过调节一个或几个参考值来改变逆变系统 的输出。逆变系统也有开环系统和闭环系统之分，但是我们所涉及到的逆变系统一 般都采用闭环控制系统，因为开环逆变系统的输出在电网电压和负载变化时，根本 没有稳定作用，控制效果太差，几乎不能满足任何一种逆变系统的要求。最初的逆 变控制电路是由分离的模拟器件来完成的，这样的控制电路存在着很多问题，例如 电路结构复杂、体形庞大、调试困难、效率低、控制精度低、动态响应慢、参数整 定不方便、温度漂移严重、容易老化等。随着集成电路的迅速发展，专用于逆变控 制的谐振开关变换集成芯片以及各种p wm控制芯片相继问世，使得逆变控制电路 又向前迈进了一步， 大大简化了控制线路的复杂程度， 提高了控制信号的开关频率， 只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可 靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数 的精度和一致性、元件老化、抗干扰性差、参数修改困难等弱点仍然存在。此外， 模拟集成控制芯片还存在功耗较大、 集成度低、 控制不够灵活、 通用性不强等问题。 在这样的情况下，采用数字化的控制方法势在必行。用数字化控制代替模拟控制， 可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调 节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时 可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现 运行数据的自 动储存和故障自 动诊断，有助于实现逆变系统运行的智能化。 数字信号处理器( d s p芯片) 以 其运算速度快、功耗低、开发方便灵活的优点而 在电源设计中得到了广泛的应用。尤其是t i 公司的t ms 3 2 0 系列d s p 芯片专为数 字电 机控制而设计，它们除了 具有一般 d s p芯片都具备的改进哈佛型结构( 数据总 线和程序总线分开) 、 支持流水线操作( 指令的取指、译码、执行等并行完成) 、片内 含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器及累加器、灵活的寻址方式等特点外，还 在片内集成了a / d转换器、p wm 比较单元、光电编码器接口等电机控制常用的接 华北电力大学硕士学位论文 第二章 空间电压矢量调制及控制算法 在电气传动中， p wm控制技术已得到广泛应用。 简单地说， p wm控制技术就 是利用一定的规则，来控制功率半导体器件的导通和关断，把直流电压转换成一系 列的电 压脉冲序列，并通过规则控制来调整电压脉冲序列的周期和宽度，以达到预 期的变频、调压及减少谐波含量等目的。 随着电气传动系统对其控制性能要求的提高，人们也对 p w m技术展开了深入 的研究，从电压波形正弦，到 电流波形正弦，再到磁通的正弦，p wm 技术得到不 断地创新和完善 7 1 .磁通正弦 p wm 技术具有谐波分量小、转矩脉动低、直流利用 率高、控制方法简单的特点，而且容易实现数字化。 本章对空间电压矢量 p wm 的原理进行了分析，用一种比较简单的方法推导了 其控制算法，推导出了调制波函数，对线性调制区和过调制区进行了讨论，最后用 仿真实验验证。 2 . 1磁通正弦 p w m技术 磁通正弦 p wm技术又叫空间电压矢量脉宽调制 ( s v p wm) 。上世纪 8 0 年代， 德国的h . wv a n d e r b r o e c k教授等提出了空间电压矢量策略， 这种新型的p wm调制 方式一问世，就迅速受到重视 ，并在电机调速方面得到广泛应用。 空间电 压矢量脉宽调制( s v p wm ) 将逆变器和电机看成一个整体， 从电动机的角 度出发，着眼于如何使电 机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。 用逆变器不同 的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通 ，从而达到较 高的控制性能。 在理想电源供 电时，加到电机三相绕组上的三相对称电压为: r u o i _ f s in ( m t ) u d = ? u , k in ( ， 一 2 / 3 yr ) ! l u ,j 3 l sin (m t + 2 / 3 ,r) , ( 2 - 1 ) 其中 u d 为直流母线电压值，f 0 为电 源角频率，u . . u p . u 。 分别为三相定子绕组 的相 电压。 根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变的原则，电子电压的空间矢量可以 表示为: u = 呈 ( u . + b u e + b z u ,) 3 - = 呈 u de j a ( 2 - 2 ) 电机定子电压方程可描述为: u= r x i + d o / d t ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 忽略定子阻抗压降，定子磁通可表示为: ， 一 f u dt = nu k; 。 一 l enm ， 一纂ej(， 一(2-4) 由此可见，磁通矢量是一个落后于电压矢量9 0 度的旋转矢量。 通矢量的轨迹为 圆，其半径为: ， _ 且 2 1 r f ( 2 - 5 ) 由上( 2 - 5 ) ， 不难看出当电压品率比u / f 为常数时， 磁通轨迹圆的半径也为常数。 这样随着w 的变化， 磁通矢量的顶点的运动轨迹就形成了一个以r 为半径的圆形， 即得到了 一个理想的磁通圆，s v p wm法就是以此理想磁通圆为基准圆的。 2 . 2 s v p w m 产生原理 三相电 压型逆变器简化原理图如图 2 - 1 ， 其中同一桥臂上的上下两个开关元件是 互补动的， 可以由三个单刀双置开关来表示， 用三个开关变量凡 r 1 3 u 4 s 1 3 5 b ( k ) 5 t 1 3 ) a c o s b ( k ) + 二 / 6 ( 2 jr / 3 5 b ( k ) 二 u 5 1r / 3 5 b ( k ) 2 x ) r.1刃ee. 一一 u b(m t) 一 u (w t 一 乌 3 4 y r _ u , ( w t ) = u( w t 一 二 ) 3 其线电压的调制函数为: ( 2 - 1 2 ) u c b ( w t ) = u . ( 叫 一 u b ( 叫 一 f iu lsin (w t + 警 ubc(w t) = u b(， 一 _2r r )3 ( ，二 u b(， 一 413 r ) ( 2 - 1 3 ) 从调制波函数来看，输出相电压是不规则的分段函数，输出的线电压是正弦波。 2 . 4 s v p w m算法 2 . 4 . 1实现方法 s v p wm控制技术的目 标是通过控制开关状态的组合， 将空间电压矢量u控制 华北电力大学硕士学位论文 为按设定的参数做圆形旋转。由八种磁链矢量的不同组合作用，可使该磁链轨迹逼 近正n多边形或圆形。 根据使用这八种磁链矢量方式的不同， 传统磁链追踪型p wm 控制方法可分为两类: 一是比 较判断式磁链追踪型 p w m法( 磁通闭 环方式) ; 二是 三矢量合成式磁通正弦p w m法( 磁通开环方式) 。 比较判断式磁链追踪型 p wm法控制虽然简单，能实时追踪，但易出现判断误 差和量化误差，从而影响到磁链追踪的精度。在保留比较判断式磁链追踪型 p wm 法的基础上，形成了一种新的控制算法一高精度比较判断式磁链追踪型 p wm控制 法。它消除了比较判断误差，很大程度上提高磁链追踪的精度，输出电流更接近于 正弦。但这两种p w m控制法， 均具有算法复杂、实现困 难 伙 目前，磁通正弦p wm多采用控制电压矢量的导通时间方法，用尽可能多的多 边形磁通轨迹来逼近理想磁链圆。三矢量合成式磁通正弦 p wm 法，即用实际磁链 矢量追踪理想磁链圆的方式，是用三段实际磁链合成磁链平。把它分成六个扇区， 每6 0 。为一个扇区， 在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏 秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量。即: 丈 u t - 扩 u t i lt + y u rt yd t + f ty u .t od t ( 2 - 1 4 ) 或者进一步等效写成下式: u* t - 认 t十 u y t y + u o - t o ( 2 - 1 5 ) 其中u为期望电 压矢量; t 为采样周期: t , ( t y ,t o ) 为对应电压矢量u x ( u y , ) 的作 用时间;其中u 。 包括了u o o u 0两个零矢量。( 2 - 1 4 )的意义是，矢量 u在 t时间 内所产生的积分效果 ( 在电机调速中，忽略定子电阻的影响时，电压的积分就是磁 链 ( 1 6 1 ) 与u , u y u p 分 别 作 用t x t y t o 时 间的 积 分 相 加总 和 值 效 果 相同。 以下是以在第一扇起的情况为例。介绍七段式s v p wm生成方法及计算主、辅 矢量的作用时间 ( 其它区间也按同样的方法计算) 。 当合成矢量落在第一扇区内，则用平均值等效可得: u 4 t 4 + u 6 t 。 一 u t ( 2 - 1 6 ) t 一 t o + t 4 + t 6 ( 2 - 1 7 ) 其中， t 4 , t 6 和t o 分别为对应电压矢量 u 4 . u 6 和u o ( u 7 ) 的作用时间， t为p wm 周期值。另外，为使波形对称，把每个矢量的作用时间都一分为二，同时把零矢量 时间分配给两个零矢量u o 和u 7 ，这样可以降低逆变器谐波输出 含量 1 火 同时，各 电压矢量的作用次序要遵循开关次数最少的原则，即任意一次电压矢量的变化只能 有一个桥臂的开关动作，表现在二进制矢量表示中只有一位发生变化。这是因为如 果允许有两个或三个桥臂同时动作，则在线电压的半周期内会出现反极性的电压脉 冲，产生反向转矩，引 起转矩脉动和电磁噪声 1 6 j 华北电力大学硕士学位论文 所以产生的开关序列为u 6 - u 4 - u 6 - u 7 - u 7 - u 6 - u 4 - u o 。 其图形如下图2 - 4所 不 . u口 万 几 u心 图 2 - 4七段式 s v p w m 波形图 2 . 4 . 2一种比较简单的实现方法 矢量作用时间的推导过程比较繁杂，在这里，本文用一种比较简单的方法，来 推导s v p wm算法中各矢量的作用时间。这种方法利用空间矢量的对称特点，只需 计算三个扇区的作用时间，就可推导出另处三个扇区的作用时间，达到减少计算工 作量的目的。 e u u, 1 u b 盯 o e ， 6 e . 图 2 - 5 各矢量的作用时间则根据图2 au ，一 u 孟 矢量作用时间 一 6 ， 由正弦定理可得: ob ab ， 兀.、 s i n ( 一 一u) 3 2 7 r s m 3 s i n b ( 2 - 1 8 ) -汀 u12 t- 县 p : t4 u4 ， 厅。、 s m( 一 一a) 3s m 丁 t 6 u 6 s i n日 ( 2 - 1 9 ) 6个基本空间矢量辅值相等，把 u 6 - u 4 = 2 u d / 3 代入上式，即可求出第一扇区时 间; 1 3 华北电力大学硕士学位论文 _ 石u t.二 _ 17= s i l l 一 一d) ud 3 t 6 = 亚7 s in b ud 时得矢量时间分配: ( 2 - 2 0 ) 同理，可 以推出当扇区号 n = 2 _ f6 t. . 2 ;r _ 1 2 = s e l l 一沙) u d3 _ 奴 t._瓜 l6= s u l 1 d一一 ， ud、3 ( 2 - 2 1 ) n = 3时: t2 = ,u t ud s i n ( 7 r 一 0 ) , 1 3 u t ( 2 - 2 2 ) .， 2 ) r . s u r d- 1 j 将以上三式综合起来表示，就可得到n = 1 , 2 , 3 时的矢量作用时间计算公式: _ fu t 1s= 一 u d _ 币u t 1 y=-t - ud sin ( 3 n - 0 ) sin (0 - (n 3 1)7r)3 ( 2 - 2 3 ) 从基本矢量图中可以看出，第 1 扇区内矢量与第4 扇区内矢量关于圆心对称， 即空间相位差为1 8 0 0 ， 根据这种对称关系可以知道各矢量作用时间值也是关于圆心 相对称的第2 扇区与第5 扇区、第 3 扇区与第 6 扇区则有着同样的对称关系。因而 第4 , 5 , 6 扇区各矢量作用时间就不需要再作推导，直接根据第 1 , 2 , 3 扇区作用 时间来确定即可( n = 4 , 5 . 6 ) : t =孩 t u d _ ., n- 3 s i n屯 万 ee口子 3 再u t._( n一 or . s m 卜， ud一3 ( 2 - 2 4 ) 为了补偿 u的旋转频率，需要插入零矢量u 。 或者u 7 , 其作用总时间为t o ， 满足 条件: t o = t 一 t 4 - t s t o o = ( 1 一 k ) t o t a r = k t o ( 2 - 2 5 ) 约束条件为 ( o ,k 1 ) 在此， 定义扇区内 先发 生的 矢量t 二 叫主 矢量， 后发 生的 矢量t y 叫 辅矢量. 将 以 上各个扇区内矢量作用时间的计算情况， 作3 / 2 坐标变换， 到静止“ 一 刀 二相坐标 系下，用u a u r 来表示以上各式，综合起来考虑，就得到计算导通时间的公用计 算公式: 一一一 一一一一一 一一一止p i t or )i it av 。 币t ， ， a =- : : 一口声 uj 习 u 万一2 ; = u g (2 介 + ( 2 - 2 6 ) _ t，3 _ _ 万 _ _ _ g ” u d ( 2 u a + 万u p ) 定义t i t 2 分别为各个扇区内得主、辅矢量作用时间，将计算综合成一个表 格，如下: 扇区号 12 34 56 tizy- z - xx- y t 2y- xx z- y - z 表 2 - 3各扇区作用时间 这种方法的优点是， 只要知道了参考电压u所在的扇区， 就可以根据上表格快 速计算出两矢量的作用时间，而不必去计算电位角，省去了复杂的三角函数运算等 问题。 t o o / 2t 1 1 2 t 2 / 2t o t 2 / 2t 1 1 2t o o / 2 uoulu2 u,u2 uiuo 表 2 - 4发送顺序 在知道各扇区内两相邻矢量作用时间后，遵循开关次数少的原则，便可采用七 段式空间矢量合成方法来发送各矢量，即:在每个扇区内，每个零矢量均以 ( 0 0 0 ) 开始和结束，中间的零矢量均为 ( 1 1 1 )， 其它非零矢量的发送保证每次只有一个开 关切换。各矢量的发送顺序规律见表2 - 4 . 2 - 5 所示。 为了计算空间电压矢量比较器的切换点，在此定义: t一t i 一t2 4 tb = t + 互 2 ( 2 - 2 7 ) tc = tb 十 亚 2 华北电力大学硕士学位论文 扇区号 12345 6 t ant bt ot ott ct b 2 c m 2t ot ct bt ot o t t c b r 3t ot btt o介t o 表 2 - 5时刻切换点 遵循上述各矢量的发送顺序和作用时间规律，便可以合成所期望的电压矢量， 从而实现磁链追踪。显然，控制器采样频率越大，逆变器开关频率越高，磁链追踪 的精度越高，但逆变器开关频率的提高必然造成电流谐波含量的增大和开关损耗的 增加。 2 . 5 s v p w m 控制算法的仿真 在科研实践中 和实验模拟的费用 系统仿真变得越来越不可缺少。精确的仿真可以大量减少设计 其优点为: 2. 优参数。 仿真可很好为教学目的服务。 仿真可以提供系统性能的数据资料，发现系统原型中存在的问题，确定最 3 、仿真通常比在实际电路中做实验要便宜得多。 而长期以来，仿真领域的研究重点放在了仿真模型的建立环节上，然后再去产 生仿真算法和软件，复杂费时，因而大大阻碍了仿真技术的推广应用， ma t l a b提 供系统仿真工具s i m u l i n k ，使建模变得非常简单，有效地解决了上述问题，可以 超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型( i e m a t l a b具有强大的 数学运算能力、实用的绘图功能和语言的高度集成性。 ma t l a b 诞生于上世纪 7 0年代后期，是新墨西哥大学的 c l e v e mo l e r编写 f o r t r a n程序，取名 m a t l a b ，并很快受到欢迎;8 0年代后的第二代 ma t l a b 开始用c语言编写核心程序，并推向市场，在欧美高等院校，已成一些高级课程的 基本教学工具和学生必须掌握的基本技能。 发展到现在， ma t l a b已拥有丰富的数 据类型、数据分析资源和结构更加快速精良的可视图形应用开发工具，拥有控制系 统工具箱、系统辨识箱、模糊推理系统工具箱等数十种完备的工具箱。在工业控制 方面， 成环境 s i m u l i n k软件包，它提供了一个交互式操作动态系统建模、仿真、分析集 利用 s i mu l i n k环境下的丰富模型，可很方便的实现 s v p wm 的仿真。经过 上节分析可知，在三相逆变器的实际运行中，一共有 8 个空间电压矢量，其中2 个 零矢量和6 个非零矢量。因而也只能用这8 个矢量来等效形成旋转的电压矢量u , 1 6 华北电力大学硕士 学位论文 用电机实际产生的磁链来逼近理想的磁链圆。实现 s v p wm算法主要有以下步聚: 1 . 判断矢量 u所处的扇区 2 . 计算公用公式x , 丫z ,并进一步计算出各扇区内主辅矢量的作用时间的分配 情况。 3 . 根据扇区来确定空间电压矢量切换点t c m1 , t c m2 , t c m3 o s v p wm的数学模型是非线性的， 采用通用的软件进行仿真需要的工作量很大， 开发周期长，难度大。随着 ma t l a b 6 . 5推广，可以利用电气系统库很方便地设计 一个电气控制系统。 2 . 5 . 1判断扇区 在此，我们定义三个中间变量，b o , a,及，其图示如图2 - 6 ，显然有: b o = u p b t = 李 u a - 1 u ,e lz ( 2 - 2 8 ) b 2 一 李 u a 一 。 l 经过分析可以得知，当b o , b t , b : 三个变量的符号发生变化时，能够用它们来 表示不同的扇区，用这种方法，可用一个表达式来描述扇区号: p = s i g n ( b o ) + 2 s i g n ( b ,) + 4 s i g n ( b 2 ) ( 2 - 2 9 ) 尸值 12 34 56 扇区号11vi iw mv 表 2 - 6 p 与扇区号对应关系 根据以上分析，建立起扇区判断的仿真模型: 图2 - 6扇区判断模型 华北电力大学硕士学位论文 2 . 5 . 2公用公式x , y , z 和矢量分配时间t , t r 在前面相关内容中，已经推导过这几个量的数学模型， 这里就能够按照数学模 型来建立仿真模型了。下面是仿真模型图: 图2 - 7 x , y , z 仿真模型 七 坐罗 图 2 - 8 t i 、t z 仿真模型 2 . 5 . 3计算t o “ t 图 2 - s t ot o t , 仿真模型 i g 华北电力大学硕士学位论文 2 . 5 . 4矢量切换点t c u i . t c u 2 、t c u 3 在上节内容中，相关部分已经描述了矢量切换点与相关的量的关系，利用这些 关系，可以建立起不同扇区内矢量切换点的仿真模型，如下图: 图2 - 1 0 矢量切换点模型 2 . 5 . 5 s v p w m 调制的仿真 在此，取三角波周期t = 0 .0 0 1 s ，幅值取t 1 2 即0 .0 0 0 5 s , u e = 3 1 0 v 输出电源的 周期为0 . 0 2 s . 取u u d t 行 l 7 1 1 u 1:、二_ i 片 燕 议获.人 戮 _ _ .j 习 ，产 若 ; 口 卜丫) ，4，2 .二0 图 2 - 1 1 t c u x 的调制波形 2取u = 1 8 0 v ，即 “ u a t3 1 9 华北电力大学硕士学位论文 卜_卜 卜.:扣). .，厂二 xi 已 心 、 卜.-， y ,. - 士 /: . :.:. . s.一