（检测技术与自动化装置专业论文）同步电机电压空间矢量控制系统的研究.pdf

捅要 在油田上，大量配用异步驱动电机降低了电网的功率因数，增加了无功消耗，电 能浪费巨大，影响了油田的综合经济效益。而永磁同步电机除了具有原异步电机的优 点外，还具有效率高、功率因数高等优点，在常规抽油机上推广使用，能够取得良好 的节能效果，因此对永磁同步电机控制系统进行研究具有重要意义。 论文首先分析了永磁同步电机矢量控制的原理，利用坐标变换的思想，建立了永 磁同步电机的数学模型，对电压空间矢量控制算法进行了深入的理论分析。其次，在 对永磁同步电机数学模型和s v p w m 矢量控制原理研究的基础上，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件对永磁同步电机的矢量控制系统进行了建模仿真，分析了电压空 间矢量控制算法的精确性和可靠性，仿真结果验证了控制系统方案的可行性。 论文采用了t i 公司专用的电机控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 作为控制核心， 设计并开发了永磁同步电机的矢量控制调速系统的软件部分和硬件部分。硬件部分包 括主电路、控制电路及外围辅助电路的设计和调试；软件部分采用汇编语言编写了控 制系统的主程序和s v p w m 中断子程序，实现了转速电流的双闭环。最后，在实验室 搭建的矢量控制系统条件下对电机进行了实验，实验结果验证了硬件电路及软件控制 方案的正确性。 关键词：永磁同步电机；m a t l a b 仿真；s v p w m ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a r e s e a r c ho nv o l t a g e s p a c e - v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f s y n c h r o n o u sm o t o r w a n gl i s h u a n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m aw e n z h o n g a b s t r a c t i no i lf i e l d t h ep o w e rf a c t o rw a sr e d u c e da n dt h er e a c t i v ep o w e rc o n s u m p t i o nw a s i n c r e a s e db e c a u s eo ft h eu s a g eo ft h el a r g en u m b e ro fa s y n c h r o n o u sm o t o r , a n dr e s u l t i n gi n ah u g ew a s t eo fe n e r g y , w h i c hr e d u c e dt h ei n t e g r a t e dc o s t - e f f e c t i v eo ff i e l d t h ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rp o s s e s sa l lt h ea d v a n t a g e so fa s y n c h r o n o u sm o t o ra n di th a s h i 曲e f f i c i e n c ya n dh i g h e rp o w e rf a c t o r f o rt h ea d v a n t a g e so fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s ，i tw i l lb r i n gg o o de n e r g ys a v i n gr e s u l t si fi ti su s e di np u m p i n gu n i t a sa r e s u l t ，t h es t u d yo np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o ls y s t e mi si m p o r t a n t i nt h i sp a p e rt h et h e o r yo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo np m s mi sf i r s td e e p l ys t u d i e d ，a n d t h ei d e ao fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni su s e dt ob u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m a n i n - d e p t ht h e o r e t i c a la n a l y s i so fv o l t a g es p a c ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mi sd o n e s e c o n d l y , b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra n ds v p w m t h e o r y , t h em o d e lo fp m s m v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e db yo fm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gt h ec o n t r o ls y s t e m i nt h ep a p e r ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fp m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d c o r e b a s e dt ic o m p a n y sm o t o rc o n t r o ld s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a h a r d w a r ei n c l u d e s t h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s ；s o f t w a r ec o n t a i n st h em a i n p r o g r a ma n ds v p w mi n t e r r u p ts u b r o u t i n e ，i ta c h i e v e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed u a l c l o s e d - l o o pc u r r e n t a tl a s t ，t h em o t o re x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do nu n d e r t h el a b o r a t o r y ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h eh a r d w a r ea n dc o n t r o lp r o g r a m k e yw o r d s ：p m s m ；m l a t l a bs i m u l a t i o n ；s v p w m ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：耋亟日期：2 册7 年6 月乡日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部 门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论 文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：呈童双 指导教师签名： 日期：2 0 0 1 年i f 月岁r 日期：2 口哆年 参月弓同 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1本课题研究的背景及意义 现代电力电子工业的飞速发展有力的推动了电力传动控制领域科技的发展。电力电 子器件的不断进步，矢量控制方法等控制理论的提出，以及全数字控制技术的发展，使 得交流同步电机作为一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统的灵活控制成为可能。 目前，交流同步电动机由于其体积小、重量轻；结构简单，运行可靠；损耗小，效 率高等一系列优点，越来越引起人们的重视。同步电机现以永磁电机为主，永磁同步电 机几乎遍及航空，国防，工农业生产和日常生活的各个领域。在油田上，大量配用异步 驱动电机降低了电网的功率因数，增加了无功消耗，致使电机平均负载率不足3 0 ，“大 马拉小车 现象严重，电能浪费巨大，使得开采成本居高不下，影响了油田的综合经济 效益。为此，在常规抽油机上推广使用永磁同步电机，它保留了原异步电机结构简单、 使用方便、经久耐用等优点外，还具有效率高、功率因数高等上述优点。取得了良好的 节能效果。应用永磁同步电机，定子边励磁电流大量减少，转子边的铜、铁损耗亦大量 减少，大幅度提高了功率因数与效率，降低了电机的温升和配电设备的容量。因此，永 磁同步电机完全适用于常规抽油机的配套生产，是目前抽油机用异步驱动电机较理想的 节能替代产品。 随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格的降低，以及驱动系统的理论研 究和实践应用的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发 展及应用。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机已从4 , n 大，从一般控制驱动到高精 度的伺服驱动，从人们同常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现， 而且前景会越来越明显。另一方面，电压空问矢量控制具有直流侧电压利用率高、电 流谐波少、转矩脉动小、噪声低、易于实现数字化控制等优点，使其成为控制领域研 究的热点。 1 2永磁同步电机的结构与特点 永磁同步电动机( p m s m ) 从转子结构上分，主要有： ( 1 ) 表面安装永磁式s p m ( s u r f a c ep e r m a n e n tm a g n e t ) ：将磁钢装在转子表面， 第1 章绪论 磁钢为扇型结构。 ( 2 ) 内埋永磁式i p m ( i n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e t ) ：将磁钢嵌在转子内部，磁钢 为矩形结构。 表贴式永磁同步电机定子与转子之间的磁路分布均匀，基本上与转子位置无关。 内埋式转子具有明显的磁极，定子与转子之间磁路是不均匀的，与转子的位置无关。 表贴式永磁同步电机结构较简单，但机械强度较低，一般用于低速场合。内埋式永磁 同步电机制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般用于高速场合。 s p m 电动机，气隙磁通密度较低，齿槽效应小，凸极效应弱，矢量控制容易，被 绝大部分伺服系统采用；i p m 电动机，气隙磁通密度较高，齿槽效应大，凸极效应显 著，矢量控制较s p m 困难。本文以三相正弦波驱动表贴式永磁同步电机作为控制对象 【l 】 5 o 虽然不同的永磁同步电机转子结构差异很大，但由于永磁材料的使用，使得永磁 同步电动机有如下的特剧2 钉： ( 1 ) 电机电磁转矩波纹系数小，运行平稳，动态响应快，过载能力强。永磁同步 电动机比异步电动机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力。异步电动机负载转矩 发生变化时，要求电机的转差也跟随变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统 转动部分的转动惯量阻碍电机转速的相应变化，从而降低了电机的响应频率。永磁同 步电动机的负载转矩发生变化时，仅需要电机的功角适当改变，而转速维持在原来的 同步转速下不变，转动部分的转动惯量不会影响电机转矩的快速响应。永磁同步电动 机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使得永磁同步电机非常适合在负载 转矩变化较大的情况下运行； ( 2 ) 高功率因数、高效率。转子采用永磁体，无需励磁电流，提高了效率，而且 同步电机的功率因数可以调节，甚至可以达到1 ； ( 3 ) 体积小、重量轻。近年来随着高性能永磁材料的不断发展和应用，永磁同步 电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大 的减少，使其适合应用在许多特殊的场合； ( 4 ) 结构多样化，应用范围广。由于永磁同步电动机转f 结构的多样化，衍生出 许多特点和性能各异的品种，从工业到农业，从民用到国防，从同常生活到航空航天， 从简单电动工具到高科技产品，几乎无处不在； ( 5 ) 可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，没有电刷，结构简单， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统的可靠性高。 1 3 同步电机调速系统发展的现状和趋势 从发展的历程来看，电机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、 微型计算机以及控制理论的发展密切相关。随着生产的发展和科技的进步，调速控制 系统有了突飞猛进的发展。1 9 7 1 年，德国学者相继提出了交流电机的矢量变换控制的 新思想和新理论，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种 通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相 媲美。而后，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料科学的发展，矢量控制 技术得以迅速应用和推广。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理 论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电机。 由于三相感应电动机运行时，转子发热会造成转子参数变化，而转子磁场的观测依赖 于转子参数，所以转子磁场难以准确观测，使得实际控制效果难以达到理论分析的结 果，这是矢量控制实践上的不足之处。而永磁同步电机采用永磁体做转子，参数较固 定，所以矢量控制永磁同步电机在小功率和高精度的场合应用广泛。随后，1 9 8 5 年， 由德国鲁尔大学教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着又把它推广到弱磁调速范 围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制很大程度上解决了矢量控制三相感应电动机 的特性易受电机参数变化的影响这一问题。直接转矩控制一诞生，就以自己新颖的控 制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的 发展。目前陔技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。德国、r 本、 美困都竞相发展此项新技术旧1 。 2 0 世纪9 0 年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、 低成本的微处理器问世，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，使电 机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化 了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、 自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修f 控制参数和模型也变得简单易行， 这样就大大提高了系统的可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中， 多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、电流环以及速 度环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控 3 第1 章绪论 制、矢量控制、滑模变结构控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成。 国内外专家学者纷纷致力于交流电机控制技术的研究热潮，非线性解耦控制、人 工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型 积分控制、滑模变结构控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出 更为广阔的前景，为进一步推动交流伺服控制技术的发展做出了不懈工作。因此，采 用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统的重要 发展方向之一h 1 。 综合起来，永磁同步电机的控制策略主要集中在以下几种口1 ： 1 、矢量控制 矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁 链定向的两相参考坐标系，参照直流电机的控制思想，完成电机转矩的控制。磁场定 向矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载。但 是，矢量控制系统需要确定转子磁链，要进行坐标变换，运算量很大，而且还要考虑 电机转子参数变动的影响，使得系统比较复杂，这是矢量控制存在的不足之处。 2 、直接转矩控制 它通过对定子磁链定向，实现对定子磁链和转矩的直接控制。其控制思想是通过 实时检测电机转矩和磁链的幅值，分别与转矩和磁链的给定值比较，由转矩和磁链调 节器直接从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器 的功率开关的状态。直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化 处理，没有脉宽调制信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得 较好的动态性能。但是也存在着一些不足，如逆变器开关频率不固定转矩、电流脉动 大实现数字化控制需要很高的采样频率等。 3 、基于空问矢量调制的直接转矩控制( s v m d t c ) s v m d t c 控制是将矢量控制和直接转矩控制结合在一起，其理论基础还是d t c 控制理论，是基于转矩角控制。根据转矩角的变化量及磁链矢量的位置，得到下一个 周期的磁链的位置，从而可以得到所需的参考电压矢量，再把参考电压矢量进行调制， 产生p w m 波驱动逆变器。s v m d t c 控制中，利用磁链的变化来确定下一个位置， 所以磁链的准确估计对控制系统有较大的影响，而磁链的估计有赖电机参数的稳定。 另外，电磁转矩和转矩角是一种非线性关系，而实际应用中一般近似为线性，采用p l 调节，这样p i 参数的选择也会影响到系统的性能。最后，s v m d t c 控制的计算周期 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 很短，计算量很大，因此对控制器要求也较高。 4 、模型参考自适应控制( m r a s ) 模型参考自适应控制系统要求控制系统用一个模型来体现，模型的输出就是理想 的响应，这个模型称为参考模型。系统在运行中总是力求使可调模型的动态与参考模 型的动态一致。通过比较参考模型和实际过程的输出，并通过自适应控制器去调节可 调模型的某些参数或产生一个辅助输入，以使得实际输出与参考模型的输出偏差尽可 能的小。实际应用中，通常用于速度估计，以实现无速度传感器运行。由此可知，模 型参考自适应主要取决于可调模型的精确程度，它对系统的稳定运行起着决定性的作 用。另外，自适应控制律参数整定也是一个难题，对控制系统的控制精度也有着很大 的影响。 5 、基于状态观测器控制 基于状态观测器控制是在现代控制理论的基础上发展起来的，在永磁同步电机数 学模型的基础上构造观测器，用来观测控制系统中各个量的状态，从而提取速度等控 制量。它也依赖电机模型的准确性，当低速运行或温度升高导致电机参数变化时会出 现较大的误差，从而给控制带来较大的偏差。 6 、智能控制 利用智能化的算法，对控制系统进行智能化的控制，如模糊控制、神经网络控制、 参数自整定等等，通过一次或几次试运行后，自动将参数整定出来，实现最优化控制。 智能控制虽然有着很多优点，尤其是其在多变量、非线性的电机控制系统中，然而， 它的控制性能好坏有赖于控制对象，也就是说不是每个控制系统都“8 b “lk o 则b = i ，否则b = o 5 如果3 0 则c = 1 ，否则c = o 。 则扇区的计算公式为s e c t e r = a + 2 b + 4 c 当电压矢量的分量u a 、u p 和其所在的扇区数己知时，只要计算出电压分量的分别 作用时间就可以利用电压空间矢量s v p w m 技术，产生p w m 控制信号来控制逆变器实现 同步电机的矢量控制。下面介绍一下电压分量作用时间的计算。 3 4 f 。、f ：和f 。的计算 如果交流同步电机仅由常规的六拍阶梯逆变器供电，只能形成正六边形的旋转磁 场，而不是f 弦波供电时所产生的圆形旋转磁场，使电动机不能获得恒定转矩。其所 以如此，是因为在一个周期内逆变器的工作状态只切换6 次，只形成6 个电压空i 日j 矢 量。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每个扇区区间内出现多个 工作状态，以形成更多的相位不同的电压空i 、日j 矢量，为此，必须对逆变器的控制模式 进行改造。p w m 控制显然可以适应上述要求。下面介绍一种利用六个非零的基本电 压空间矢量的线性时间组合来得到更多的开关状态的方法口2 1 。 图3 4 绘出了逼近圆形时的磁链矢量轨迹。如果每周期只切换6 次，当电压为甜时， 磁链增量为，磁链轨迹呈六边形。如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁 中国石油大学( 华东) 硕t 学位论文 链增量由图中的。、2 、3 、。共4 段组成。这时，每段施加的电压空间矢 量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。 图3 - 5 表示由电压空间矢量和“：的线性组合构成新的电压矢量甜。设在一段换 相周期时间丁中，有一部分时间f l 处于工作状态u ，另一部分时间岛处于工作状态“：。 由于f l 和r ：都比较短，所以产生的磁链变化也较小，可以分别甩电压矢量( t , r ) u ，和 ( t 2 t ) u ：来表示，这两个矢量之和u 。表示e h 两个矢量线性组合后的电压矢量，u ，与矢 量“。的夹角目就是这个新矢量的相位，它与甜，和“：的相位都不同了。 采用不同电压空间矢量在不同时间作用下的线性组合，就可以得到所需相位的磁 链增量，如图3 - 4 所示的a u i l 、2 、3 和4 。显然，少1 1 可以从蚝和的线性 组合获得，2 是甜6 和在另一种作用时间下的线性组合，沙。3 和。则是和在 不同作用时间下的线性组合。 看出 o 图3 - 4 逼近圆形时的磁链增量轨迹 f i g3 - 4i n c r e m e n t a lf l u xt r a c kw h e n a p p r o a c h i n gac i r c u l a r 争材。 z ，c 。s 乡 z ，- 图3 - 5 电压空间矢量的线性组合 f i g3 5 t h el i n e a rc o m b i n a t i o mo ft h e v o lt a g es p a c ev e c t o r 下面将根据各段磁链增量的相位求出所需的作用时间和甜：。在图3 - 5 中，可以 驴争”争甜：= 。s 秒+ 几s i n 护 ( 3 - 1 1 ) 根据式( 3 - 2 ) 用相电压表示合成电压空间矢量的定义，把相电压的时| 日j 函数和空 第3 章p m s m 的s v p w m 控制策略的研究仿真 间相位分开写，得 u s = t l a 0 ( t ) + u s o ( t ) e j 7 + u c o ( t ) e m ( 3 1 2 ) 式甲，厂= 2 州3 。 若改用线电压表示，由于h a b ( ，) = d ( f ) 一“肋( f ) ，u b c ( t ) = u , o ( t ) - u c o ( t ) 代入式 ( 3 1 2 ) 并化简后，可得 u s = 口( t ) - u n c ( t ) e 一7 7 ( 3 1 3 ) 由图3 - 2 可见，当各电力电子开关器件处于不同状态时，线电压可取值为、0 、 一，比用相电压表示时要明确一些。当开关状态为【1 , 0 ，o 】时，输出线电压材一占= ， 彪= o ，则合成电压甜，= ，当开关状态为【1 ，1 ，0 】时，“4 b = 0 ，1 j b c = ，则合成 电压= 一u o c e 嘶= e 7 护，以此类推，可以求出都3 蚝的表达式。代入式( 3 - 1 1 ) ， 得 虬= 争+ 争= ( 争+ 争e j g 3 ) = u 嬲 争+ 争c c 。s 詈+ s i n 詈) 吡睁圭+ 割 吡怿扣粤 比较式( 3 1 4 ) 和式( 3 11 ) ，令实数项和虚数项分别相等，则 z ，、c 础= ( 争+ 寺) ( 3 - 1 5 ) i n 让鲁 ( 3 - 1 6 ) 求解f 1 和，2 ，得 i ：u , c o s 1 9 一1 ：竺：墅旦( 3 1 7 ) = 一一= 一 ) 一 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f ，2 “。s i n 秒 ：二= 一- 二一 t 矗u 蔸 ( 3 1 8 ) 换相周期t 应由旋转磁场所需的频率决定，t 与 + f ：未必相等，其间隙时间可用 零矢量和“，来填补。为了减少电力电子器件的开关次数，般使u o 和“，各占一半时 间，因此 f 。= 岛= 丢( 丁一一f 2 ) o ( 3 一1 9 ) 实现s v p w m 控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间t 的小区间。按照 上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量甜，以获得优于正六边形的多边形而 逼近圆形的旋转磁场。 每一个t 相当于p w m 电压波 形中的一个脉冲波，例如式 ( 3 - 1 7 ) 式( 3 - 1 9 ) 所表示的t 区间包含t l 、of 0 和f ，即1 0 0 、 1 10 、1 11 和0 0 0 共4 种开关状态。 ， vd 为了使电压波形对称，把每种状态 的作用时间都一分为二，因而形成 电压空间矢量的作用序列为： u 1 2 7 0 0 7 2 1 ，其中1 表示地作用，2 o 12 772 1 o k 7 1 i 一一二 2厶 三i 2 图3 _ 6 第一扇区内t 区间的开关序列与逆变器电压波形 表示材2 作用，。这样，在这一f i g3 - 6 t h es w i t c h 鸵q u e n c ea n dt h ei n v e r t e rv o i t a g e 个t 时间内，逆变器三相的丌关序 w a v e f o 珊o f 山et 岫e r v a w h 洒恤e 矗璐s 即。r 列为1 0 0 、1 1 0 、1 1 1 、0 0 0 、0 0 0 、1 1 1 、1 1 0 、1 0 0 。在实际系统中，应该尽量减少丌关 状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换 开关状态时，只切换一个电力电子开关器件，以满足最小丌关损耗。按照这个原则检 查一下，即可发现，上述1 2 7 0 的顺序是不合适的。虽然由1 0 0 切换到1 1 0 时，只有b 相丌关切换；由1 1 0 切换到1 1 1 也只有c 相丌关切换；但由1 1 1 切换到0 0 0 就不行了， 出现了a 、b 、c 三相丌关同时切换的情况，显然违背了最小开关损耗的原则。为此， 应该把切换顺序改为0 1 2 7 7 2 1 0 ，即丌关状态序列为0 0 0 、1 0 0 、11 0 、1 l1 、1 l1 、1 1 0 、 2 3 第3 章p m s m 的s v p w m 控制策略的研究仿真 1 0 0 、0 0 0 ，这样就能满足每次只切换一个开关的要求了。图3 - 6 绘出了在这个小区间 t 中按修改后开关序列工作的逆变器输出三相相电压波形，图中虚线间的每- 4 , 段表 示一种工作状态，其时间长短可以是不同的晗3 1 。 如上所述，如果一个扇区分成4 个小区间，则一个周期中将出现2 4 个脉冲波，而 电力电子开关器件的开关次数还更多，须选用高开关频率的器件。当然，一个扇区内 所分的小区间越多，就越能逼近圆形旋转磁场。 3 5p m s m 矢量控制系统的仿真 3 5 1 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境啪1 2 1 1 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一种功能强大、效率高、交互性好的 数值计算和可视化计算机高级语言，它将数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示 有机地融合为一体，形成了一个极其方便、用户界面友好的操作环境。随着m a t l a b 不 断的发展，其功能越来越强大，广泛应用于数字信号处理、数字图像处理、自动控制 系统、电力系统等领域的仿真。 s i m u l i n k 是软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，利用它可 以直接迸 j ：模型化图形组态，为仿真带来了极大的方便。s i m u l i n k 具有以下特点：基 0 ：矩阵的数值计算；高级编程语青；图形与可视化上具箱提供面向具体席用领域的功 能；丰富的数据i o 工具：提供与j 他高级语言的接口；支持多平台；丌放几f 扩展的 体系结构。提供了一些按功能分类的基本系统模块，用户只需要知道这些模块的输入、 输f 及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这止鸟基本模块的调用， 将它f l 、j 迮接起米就町以构成月i 需要的系统模犁，进l m 白：接进行仿真。 s i m u l i n k 仿真j ：h 箱提供了争门削j i 电，j j 电子，电7e 传动学年： 进行仿真的电气系 统模块孵s i m p o w e r s y s t e m s 。启动m a t l a b ，町以直接往命令窗i 键入“p o w e r l i b ”，或 是从左下乃一s t a r t ”按钳打_ 丌s i m p o w e r s y s t e m s 。可以看到s i m p o w e r s y s t e m s 包括以 卜7 个予模块： ( 1 ) t 巳源模块( e l e c t r i c a ls o u r c e s ) ：包括直流电压源、交流电_ r 源、交流电流源、几j 控f 乜压源剐町控f 乜流源等； ( 2 ) 基木厄件脬( e l e m e n t s ) ：包新书联r c l 负载、串联r c l 支路、j ；：联r c l 负载、 线性变j1 i 器、饱和变爪器、互感器、断路器、n 棚分白参数线路、甲棚兀犁凭t ，参数 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 传输线路和浪涌放电器等； ( 3 ) 电力电子模块库( p o w e re l e c t r o n i c s ) ：包括二极管、晶闸管、g t o 、m o s f e t 和理想歹r 关等，为满足不| 一的仿真要求并提高仿真速度还设有晶| 甲j 管简化模型； ( 4 ) 电机模块库( m a c h i n e s ) ：包括激磁装置、水轮机及其调节器、异步电机、同步 电机及其简化模型和永磁同步电机等： ( 5 ) 连接模块库( p h a s o re l e m e n t s ) ：包括地、中性点和母线( 公共点) 等； ( 6 ) 测量模块库( m e a s u r e m e n t s ) ：包括电流测量和电压测量模块等； ( 7 ) 附加电气系统模块库( e x t r al i b r a r y ) ：包括均方根测算、有功与无功功率测算、 傅立叶分析、可编程定时器、同步脉冲发生器及三相库等。 利用s i m u l i n k 库和s i m p o w e r s y s t e m s 库，就可以组建出任意的电力系统仿真模型 图。值得注意的是，电气系统模块库中的模块与常规的s i m u l i n k 模块两者本质上是有 区别的。所以在内部，进行仿真前有一个初始化的过程，把包含p o w e r l i b 模块的系统 转化为s i m u l i n k 能够仿真的等效系统，这个初始化的过程对用户来说是屏蔽的，电气 系统模块库中的模块在使用上与常规的s i m u l i n k 模块类似，建立拷贝到自己的模型中 并设置合适的参数即可。但是，p o w e r l i b 模块与常规的s i m u l i n k 模块毕竟是两类本质 不同的模块。所以，对于同时使用两类模块的仿真模型，必然会有两类模块之间的信 号流动，这就需要中问接门模块。具体地说，当模块的信号送入模块时，应根据其性 质，采用可控电压源或可控电流源模块作为巾间环节；反之，当模块。l 一，的信号反馈给 模块构造的控制系统时，应采剧电流或电压测量模块，从而解决两类信号传输问题， 否则在仿真过群中就会出现错误。 3 5 2p m s m 控制系统的仿真实现 1 坐标变换馍块的搭琏 矢量控制中用剑的 标变换彳j ：c l a r k e 变换( 将柏半商举标系向两相直角世标 系的转换) 、p a r k 变换( 将蹦褶静止直角坐标系向眄相旋转直焦坐标系的变换) 以及 它的反变换i p a r k 一变换。t t l 卜得它们的m a t l a b 实现如隆l3 7 、图3 - 8 和图3 - 9 所示： 卧层 1 i 三 22 o 笪一笪 22 ； ， 乏 2 。一c s o i s n o 秒c s 。i n s o 汐j i 【- f 如i o 一l ， 乏 2 。c s i o n s 秒o - c s 。i s n 秒a 一| 。 i d j 1 2 5 第3 章p m s m 的s v p w m 控制策略的研究仿真 g a i n 3 图3 - 7 三相平面坐标系到两相静止坐标系变换 f i g3 - 7t r a n s f o r m a t i o nf r o mt h r e e - p h a s ep l a n ec o o r d i n a t e t ot w o - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y e t e m pr o d uc 1 3 图3 8 两相静止坐标系到旋转坐标系 f i g3 - 8t w o - p h a s es t a t icc o o r d i n a t es y s t e m t ot h er o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m p t o d uc 1 3 图3 - 9 旋转嫩标系到两楣静i l ：坐标系 f i g3 - 9r o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e mt ot h e t w o p h a s es t a t i cc o o r d i h a t es y s t e m 2 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 s v p w m 模块的搭建 s v p w m 的基本原理就是用若干个开关电压矢景逼近参考空问电压矢量，它的控制 方式与其他方法不同之处在于，它不需要在三相中每一项使用调节器，而是把综合电 压矢量作为一个整体来处理。s v p w m 模块的搭建主要分为三个环节来建立：判断扇区、 确定基本电压矢量作用时间和确定基本电压矢量作用次序。 ( 1 ) 给定电压矢量所在扇区判断 将两相静止坐标系下给定电压眈、u p 变换为，2 ，3 。根据3 3 节中式 ( 3 一l o ) 扇区的确定方法得如下的扇区判断模块： 。d a t at y p ec o n v er s i o n l o a i n 5 图3 - 1 0 扇区判断模块 f i g3 l o s e c t o rj u d g em o d u e ( 2 ) 计算中1 b j 变量x 、y 、z 及石、疋 分别用五、瓦表示小同矢量作用的时1 h j ，考虑到扇lx 的1 i 同，则互、瓦的计算可9 】 纳为对x 、y 、z - 二个值的计算，1ji 式( ： _ i7 ) 、j f ： 一ih ) f ：jx 、z ： x - - v 3 u a t u 破 h 缸+ 抄丁声止( 3 - 2 0 ) z = c 缸一抄丁卢止 2 7 第3 章p m s m 的s v p w m 控制策略的研究仿真 图3 - 1 1 中间变量x 、y 、z f i g3 1 1 i n t e r m e d i a t ev a r i