（机械设计及理论专业论文）基于dsp的交流异步电机调速控制器的研究.pdf

中文摘要 随着半导体业的快速发展，特别是数字信号处理器的出现，以及精确的异 步电机模型和各种先进的控制策略的提出，很大的促进了电机控制的发展，使 得精度高、调速范围宽、控制性能好的电机控制器的实现成为可能。 矢量控制作为一种先进的控制策略，是在电机统一理论、机电能量转换和 坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。其 思想就是将异步电动机的模型通过坐标变化，使之变成直流电动机模型，将定 子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现 磁通和转矩的解耦控制，以期达到直流电机的控制效果。 本课题主要以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为控制核心，并在此基础上 进行数字化p w m 交流变频调速系统的研究。阐述了正弦脉宽调制( s p w m ) 控制技 术、电压空间矢量( s v p w m ) 控制技术，并实现对异步电机的控制，提高了能量的 利用效率，通过实验证明了其正确性及有效性。 在硬件方面，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为控制器，设计数字接口完成频率 给定、数据显示，通讯等功能；模拟接口完成电流、电压捡测及保护等功能。 主电路采用交一直一交电压源型变频器。 在软件方面，用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 汇编语言编制程序实现正弦脉宽调制、电 压空间矢量脉宽调制从而达到对异步电机变频调速的目的。 实验证明本文提出的基于d s p 的交流变频调速器的软硬件设计是成功的， 其结构简单，性能良好，运行稳定，抗干扰能力强，电机运行噪音小，不失为 一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统，为今后开发高性能的矢量控制 系统奠定了良好的基础。 关键词：矢量控制，变频调速，数字信号处理器( d s p ) ，电压空间矢量法( s v p 删) a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y ，s p e c i a l l yt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o ra p p e a r a n c e ，a sw e l la st h ep r e c i s ei n d u c t o rm o t o rm o d e la n de a c h k i n do fa d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e ，t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lm a c h i n e r y e o n t r o l l e dh a v er e s u l t e di nd l ed e v e l o p m e n to fah i g h l yr e l i a b l ed r i v ew i t hh i g l l l y a c c u r a t ea n dv a r i a b l es p e e dc o n t r o l s f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) i so n eo f t h ea d v a n c e dt h e o r i e s ，w h i c hi sb a s e do n m o t o ru n i f i c a t i o np r i n c i p l e ，e n e r g yc o n v e r s i o na n dv e c t o rc o o r d i n a t ei r a n s f o r m a t i o n t h e o r y i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sn o v e l t y ，p r a c t i c a b i l i t ya n da d v a n c e m e n t b y t r a n s f o r m i n gt h em o d e lo fa cm o t o rt od cm o t o r ，t h es t a r e rc u r r e n ti sd e c o m p o s e d i n t ot w od cp a r t sw h i c ha r co r i e n i n t e dt o w a r d s 血er o t a t o rm a g n e t i cf i e l da n d c o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l y t h u st h em a g n e t i cf l u xa n dt o r q u ea l ed e e o u p l e d i nw h i c h w a y ，i tc o n t r o l st h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri nas y n c h r o n o u sw a y u s i n gd s po ft ii n c 一t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h i st h e s i sd e v e l o p sag e n e r a la c v a r i a b l e - s p e e ds y s t e m ，a n dt h e nc a l t i e so u tt h er e s e a r c ho nv a r i o u sn e wc o n t r o l s t r a t e g i e s f o ri n d u c t i o nm o t o rb a s e do ni t a sf o rh a r d w a r e ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai st h ec o n t r o lu n i t d i g i t a ls i g n a lb o a r d m a i n l yi m p l e m e n t sf r e q u e n c yg i v i n e d a t ad i s p l a y , e o m u n i e a t i o na n ds oo n a n a l o g s i g n a lb o a r dm a i n l yd e t e c t sc u r r e n ts i g n a l s ，v o l t a g es i g n a l sa n di m p l e m e n t sf a u l t p r o t e c t m a i nc i r c u i ta d o p t st h e a c d c a c s t r u c t u r ea sm a i ns w i t c h 1 1 1 es o f t w a r ei m p l e m e n t ss i n ep u l s ew i d i hm o d u l a t i o n ( s p w m ) s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) u s i n ga s s e m b l yl a n g u a g eo ft m s 3 2 0 i 舅2 4 d 7 a a n da c h i e v e st h ep u r p o s eo f v a r i a b l e - f r e q u e n c ya d j u s t i n g - s p e e df o ri n d u c t i o nm o t o r 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es c h e m eo fs o f i w a r e a n dh a r d w a r ei s s u c c e s s f i = f 1 u s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r ( d s p ) ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，w h i c hi ss p e c i a l f o rm o t o rc o n t r o l ，w ed e v e l o pas u i to f s p e e da d j u s t a b l e ，r e l i a b l ea n dh i g h l ye f f e c t i v e i n d u c t i o nd r i v eb a s e do nf o c p r i n c i p l e r e a l i z a t i o no ft h ew h o l eh a r d w a r ea n dt h e w h o l es o f t w a r ei sd e s c r i b e d a tt h es m t i ct i m e ，an e wp u l s ow i d mm o d u l a t i o n ( p w m ) n a m e ds p a c ev e c t o rp u i s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) m e t h o di si n t r o d u c e dw h i c h i sm o r ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t a b l e ，d i g i t a ls i g m l p r o e n s s o r ( d s p ) 。s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展概况 在电力电子技术发展之前，直流电机几乎占垄断地位。对于直流电机，只 要改变电机的电压或者是励磁电流就可以实现电机的无级调速，且电动机的转 矩容易控制，具有良好的动态性能l l j 。但是直漉电动机也有其本身固有的缺点： 结构复杂，重量大，价格高；电刷易磨损，维修不方便；对环境要求高，不适 合用于易燃、易爆及有腐蚀性气体的场合。这些都与现代调速系统要求的可靠 性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直流电动机已经难以适应现代电气传动 的要求了。 交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，结构简单，坚固耐用，制造方便， 价格低廉，容量没有限制，而且维修方便，对环境要求不高等优点，在工农业 生产中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个非线性、强耦台的多变 量系统，其可控性较差；而随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子变流 技术的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之 到来。 。1 交流异步电机调速系统种类繁多1 1j 2 j 常见的有： 降电压调速： 绕线转予异步电机串级调速； 变极对数调速； 变压变频调速： 现目前，在上述的调速方式中，变频调速己经成为异步电动机最主要的调速 方式，在很多领域都得到了广泛的应用；而且随着一些新的交流电机调速理论 ( 如：矢量控制和直接转矩控制) 和现代电力电子技术( i g b t 、i p m ) 以及高效的处 理器( 如：d s p ) 等相关技术的发展，它将在很长一段时间内主导电气传动领域， 并向更高性能、更大容量以及智能化方向发展。 在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通公司已g 提供用于船舶 推进系统单机容量达3 万跚的电气传动设备；在大功率无换向器电机变频调速 技术方面，a b b 公司能提供用于抽水蓄能电站单机容量为6 万k 1 j r 的设备；在中 功率变频调速技术方面，德国西门子公司电流型晶闸管变频器调速设备单机容 量为1 0 2 6 0 0 k v a ；在小功率变频调速技术方面，日本富士公司双极晶体管( b j t ) 变频器最大单机容量可达7 0 0 k v a 1 1 。 总的看来，我国电气传动的技术水平较国际先进水平还有一定的距离。在 大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力 制造，在数字化及系统可靠性方面与国外有相当差距。而这方面产品在诸如抽 水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面 有很大需求。中小功率变频技术方面，国产大部分产品都是普通的恒v f 控制， 控制芯片采用的大都是单片机，难以实现先进的算法，只有小部分的产品采用 数字信号处理器( d s p ) 来控制。 本系统以d s p 和功率管( m o s f 盯) 及异步电动机构成的系统为研究对象， 以提高算法的执行速度和精度为目标，以空间电压矢置脉宽调制( s v p 嗣) 为控制 算法，设计了一种全数字化的变频调速系统，具有一定的理论和实际应用价值。 1 2 变频调速的相关技术 1 2 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是现代交流调速装置的基础，其发展直接决定和影响交流调 速的发展【3 1 。2 0 世纪5 0 年代出现硅晶闸管s c r ，6 0 年代出现门级可关断晶闸管 g t o ，7 0 年代出现巨型晶体管g t r ( 也称b j t ) 和功率场效应晶体管m o s f e t ，8 0 年 代相继出现绝缘栅双极型晶体管i g b t 和绝缘栅双极型门控晶闸管i g c t ，9 0 年 代出现智能功率模块i p m 。 g t o 是高电压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大；g t r 是电流 驱动器件，通态压降低，容量没有g t o 大，但功耗大，调制频率不离，噪声大， 现趋于淘汰中。m o s f e t 是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小，安全工 作区广，但耐压不高；而i g b t 集g t r 和m o s f e t 的优点于一体，是目前变频调 速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一。i p m 是先进的混合集成 功率器件，由高速低耗的i g b t 和优化的门极驱动及保护电路构成，采用了有电 流传感器功能的i g b t ，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护。 由于i p m 集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。 在本系统中由于电机的功率比较小，考虑成本的原因。采用栅极增强型 武汉理工大学硕士学位论文 m o s f e t 管( i r f p 4 5 0 ) 。 1 2 2 控制理论的发展 早期变频系统都是采用开环恒压比( v f = 常数) 的控制方式，其优点是控制 结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负 载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区 效应的存在而性能下降稳定性变差等。因此这种控制方式比较适合应用在风机、 水泵调速场合。 本世纪7 0 年代西德f b l a s c h k e 等人首先提出矢量控制理论，它以直流电 动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等 效直流电动机控制的先河【4 j 。矢量控制理论的主要思想是将异步电动机模拟成直 流电动机，通过坐标变换的方法，分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分 量，实现正交或解耦控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。 因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要 求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电 机参数变化影响系统性能等等问题，国内、外学者进行了大量的研究。 在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其他控 制思想的研究。1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理 论( d t c ) 。直接转矩控制与矢量控制不同，d t c 摒弃了解耦的恩想，取消了旋转 坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算 电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控 制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控 制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽 调制( p 删) 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态 性能。 由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的砰一砰控制，避开了旋转坐标变 换，控制定子磁链而不是转予磁链，不可避免地产生转矩脉动。降低调速性能， 因此只能用在对调速要求不高的场合。本系统采用的是矢量控制系统。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 微处理器的发展 开始采用微处理器控制交流调速时，般选用单片机来控制。单片机具有 丰富的硬件和软件资源，但单片机的处理能力有限，特别是采用矢量变换控制 的系统，由于需要处理的数据量大，浮点运算多，实时性和精度要求高，单片 机往往不再能满足要求。为了提高运算速度，在2 0 世纪8 0 年代初期出现了数 字处理器( d s p ) ，d s p 提高了时钟频率，支持浮点运算，集成了硬件乘法器，它 既增强了微处理器的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在 控制系统中得到广泛应用1 5 】。d s p 采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空 间分开，并且各自拥有自己的数据总线和地址总线。采用流水线技术，使得指 令处理的平均速度大大提高。内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与 累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。d s p 在提高 速度的同时，片内集成了越来越多的外围接口，从而大大提高了其功能，目前 己发展成为一类高速单片机。d s p 的出现使研制高性能变频调速装置成为现实。 如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列定点d s p 是t i 公司专门针对电动机、逆变器等控制而设 计的，它的事件管理器模块为三相p 删逆变器功率元件的驱动信号提供了便于 实现的条件和特殊的电压空间矢量状态机，并提供了1 6 路专用的p 硼波输出引 脚。 能完成选定功能的初级专用集成电路早已商品化，如s p 咖波形产生器，它 可与其它控制芯片配合实现交流电机所需的控制。随着微电子技术的发展，将 整个交流电机系统的控制集成为一个高级专用集成电路( a s i c ) 成为可能。开发 新代的a s i c 成为各电气公司竞争的热点。 在本系统中采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为本控制系统的核心处理 芯片。 1 3 研究的目标和内容 1 3 1 研究目标 本论文的题目是基于d s p 的交流异步电机调速控制器的研究。本系统以 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心，并在此基础上进行数字化p w m 交流变频 调速系统的研究。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 研究内容 本文运用现代电机调速的控制方式( 矢量控制技术) 并结合空间电压矢量技 术，设计和开发一套以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 为核心构成通用的、 具有良好人机界面的交流变频调速系统。 本文的主要内容： 系统主电路采用交一直一交电压源型变频器，功率器件( i r f p 4 5 0 ) 和驱动 芯片( i r 2 1 3 2 ) 组成逆变电路，以整流二极管组成不可控的三相全波整 流电路。 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为中央处理器，设计控制电路，它可以分为d s p 模块、 电流检测模块、转速检测模块、通信模块等。 用汇编语言编制程序实现正弦波s v p w m 脉宽调制，生成p 删波实现对异 步电机的变频调速，并检验硬件电路的可靠性。 用汇编语言实现矢量控制和电流、转速的p i 控制，并用电压空间矢量法 生成p w m 波实现对异步电机的变频调速。 用汇编语言编制程序实现a d 转换、数据显示以及故障中断处理等功能。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章交流异步电动机的p w m 技术 交流异步电机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特 点，在生产和生活中得到广泛的应用。与其他种类电动机相比，交流异步电动 机的市场占有量始终居第一位。 直到2 0 世纪7 0 年代。由于计算机的产生，以及近2 0 年来新型快速的电力 电子元件的出现，才使得交流异步电动机的调速成为可能，并得到迅速的普及。 2 1 交流异步电动机变频调速原理 交流异步电动机的转速可由下式表示： 九= 6 0 f ( 1 - s ) p ( 2 1 ) 式中：n 一电动机转速：p 一电动机磁极对数：f 一电源频率；s 一转差率。 由式( 2 一1 ) 可见，影响电动机转速的因数有：电动机的磁极对数p ，转差 率s 和电源频率f 。其中，改变电源频率来实现交流电动机调速的方法效果最理 想，这就是所谓的变频调速f 6 】。 根据电机学理论，交流异步电动机的定予绕组的感应电动势是定子绕组切割 旋转磁场磁力线的结果，其有效值计算如下： u e = 4 4 4 r f 吐, ( 2 2 ) 式中：k 一与电动机结构有关的常数：中一磁通；f 一电源频率。若定予u 电压 不变，则随着频率f 的提高，气隙磁通由减小，从而电动机出力不足，过载能 力下降。如果维持定子电压u 不变。而减小频率f ，将使磁通中增加，磁路饱 和，励磁电流上升，从而铁损增加，电动机效率降低。因此，要使电动机具有 较好的性能必须在改变频率f 的同时协调的改变定子电压u 。使气隙磁通m 为 一常量。 为了保证o = c ，当频率f 从额定值( 基频蛐向下调节时，必须同时降低e j 即 使： 别f = f i = c ( 2 - - 3 ) 式( 2 - - 3 ) 表明了f 由基频降至低频的变速过程中都能保持o = c ，可以获 得转矩t c ：t e m 。= c 的控制效果。 武汉理工大学硕士学位论文 在基频以上调速时，频率可以从 额定值f s 往上提高，但是端电压u 不 能继续上升，只能维持在额定值u 。， 这将迫使磁通与频率成反比的下降， 相当于直流电机的弱磁升速的情况。 在整个电机调速范围内，异步电 机的控制特性如图2 1 所示。如果电 机在不同转速下都具有额定电流，则 电机都能在温升允许的条件下长期运 行。这时电机转矩基本上随磁通变化， 以上为恒功率调速。 2 2 脉宽调制( p w m ) 技术 固2 一i 彝步雠纛缎调蘧控制螓挫 因此在基频以下为恒转矩调速，在基频 p l l f l d 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三 角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p 删信号以控制功率器件的开 关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的p w m 信号输出，可 以说直到目前为止，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，井一直是人们研究的热 点【 。由于p w m 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至 其它能量变换系统中得到广泛应用。 随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，p w m 变频技 术也获得了飞速发展，目前常用的主要有两种形式：基于正弦波对三角波脉宽 调制的s p w , i 控制和电压空间矢量s v p 删控制。 一、s p 咖技术 如图2 2 所示，通常采用等腰三角波作为载波，当它与任何一个平缓变化 的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中功率开关器件的通断，就可 以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，当调制信号波为正弦波时称其为s p w m 调 制。 s p 州法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相正 弦波电源。s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则 采样法等等。自然采样s p 踟法采用正弦波作为调制波以等腰三角波作为载波， 武汉理工大学硕士学位论文 利用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时 刻，获得经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。中值规则 采样法的基本思想是，将三角载波周期的中点( 三角波的负峰值或正峰值) 时刻 ( b ) ud 喇影泓 粼” t 图2 2 s p y m 法波形的产生 对正弦采样形成阶梯波来代替正弦波。自然采样s p w m 法虽能确切反映正弦脉宽 调制的原始方法，但其开关时刻求取困难，不适合微机实时控制，面中值规则 采样法偏离自然采样法较小，脉宽的计算方法简单，用计算机实现比较方便， 运算量小，实时性好，是人们常用的一种s p 州方法。 二、电压空间矢量s v p 硼v l 电压空间矢量s v p w m 控制是一种与s p w m 控制不同的新颖的脉宽调制方法【8 】。 它不是局限于如何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机 看成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的 电压空间矢量，建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定 子磁链矢量与定予电压之间的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似 恒定、顶点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似 恒磁通变压变频调速。与s 刚调制技术相比，运用电压空间矢量控制技术的逆 变器功率开关的开关频率相对减少，同时电压利用率也很高。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 电压空间矢量s v p w m 技术 2 3 1 电压矢量与磁链矢量 当用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时，电动机的定子磁链空间矢量 幅值恒定，并以恒速旋转1 9 。磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空阍旋转磁场( 磁 链圆) 。通过逆变电路向交流电机提供可变频电源，以使电动机形成磁链圆，就 可以实现交流电动机的变频调速。 电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动机的三相 定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图2 3 所示。 这个坐标系有三个轴，互相间隔 1 2 0 。，分别代表三相。三相定子电压 u 。，u b ，u c 分别施加在三相绕组上，形成 三个相电压空间矢量u 。、u b 、g 。它们 的方向始终在各相的轴线上，大d , n 随 时间按正弦规律变化。因此，三个相电 压空间矢量相加所形成的一个合成电压 空间矢量u 是一个以电源角频率速度旋 转的空间矢量。 图2 3 电压空间矢量 t i = u - + h b + u 。 ( 2 4 ) 同样也可以定义电流和磁链的空间矢量i 和1 l r 。因此有： u = r i + d v d t 当转速不是很低时，定子电阻r 的压降相对较小，所以有： u d 1 i ，d r或| l r f u d t 因为1 i r = 1 l r m e i 砒，所以u = d ( 1 i r m e j w ) d t = j 1 i r m e j m = 1 l r m e i 。什耐2 ) 。 该式说明，当磁链幅值1 l r 。一定时。u 的大小与成正比，或者说供电电压 与频率f 成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一 周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 靠弧度其运动轨迹与磁 链圆重合。如此，便将电动机旋转磁场的形状转化为电压空间运动轨迹的形状。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 基本电压空间矢量 利用逆变功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整。以保 证电压空间矢量圆形运行轨迹为目标，可以产生谐波较少的、且赢流电源电压 利用率较高的输出【l o l 。如图2 - - 4 所示的电压型p 哪逆变器。 卧u 雕珊 s ， 珊 沪6 ) 2 o o 。l 如 u 1 3 = 1j 以帆讥 。l 武汉理工大学硕士学位论文 式中，1 3 p c 是直流电压源。 由式( 2 6 ) 得出的八组相电压值代入式( 2 4 ) ，就可以求出这些相电压 的矢量和与相位角。这八个矢量和就称为基本电压空间矢量，根据其相位角的 特点分别命名为0 0 0 0 、u o 、u 6 0 、u 1 2 0 、u i s o 、u 2 4 0 、u 3 蚧0 1 1 1 。其中0 0 0 0 、0 l l l 称为 零矢量。图2 5 给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。其中非零矢量的 值相同，相邻矢量间隔6 0 。，而两个零矢量幅值为零，位于中心。 u 、 1 8 0 ( 0 1 1 ) u o ( 1 0 0 ) 图2 - 5 基本电压空间矢量 由于相电压和线电压值是在图2 - 3 所示的三相 b c 平面坐标系中。在d s p 程序计算中，为了计算方便，需要将其转换到0 邙平面直角坐标系中。o 叩平面直 角坐标系选择了a 轴与a 轴重合，b 轴超前n 轴9 0 4 。一般选择在每个坐标 系中电动机的总功率不变作为两个坐标系的转换原则。 2 3 3 磁链轨迹的控制 当逆变器单独输出基本电压空间矢量 u 。时，电动机的定子磁链矢量u 的矢端从 a 到b 沿平行于u o 方向移动，如图2 - 6 所f 示。当移动到b 点时，改变基本电压空间 矢量为u 输出，则定予磁链矢量1 l ，的矢 端也相应改为从b 到c 的移动，这样下去， 当全部六个非零基本电压空间矢量分别依 次单独输出后，定子磁链矢量v 矢端的运 图2 6 正六边形磁链矢量轨迹 c 武汉理工大学硕士学位论文 动轨迹就是一个正六边形。 非零的基本电压空间矢量只有六个，为了获得尽可能多的多边形旋转磁场， 就需要更多的逆变器状态，因此用六个非零的六个基本电压空间矢量的线性时 间的组合来得到更多的开关状态。 ux + 6 0 如图2 7 所示，u 。和u 。6 0 代表相 邻的两个基本电压空间矢量；u 。是输 出的参考相电压矢量，其幅值代表相电 叭“ 压的幅值，其旋转角速度就是输出正弦 电压的角频率。u 。可由u x 和u 枷。线 n 性时间组合成，它等于t i t p w m 倍的 o t9 少刁m ” 么鉴z ：如 u 。与t 2 t p 、w 倍的u 枷的矢量和，其中 图2 7 电压空间矢量的线性组台 t i 、t 2 分别是u 。和u 脚。作用的时间；t p w m 是u o u t 作用的时间。 按这种方式，在下一个t p w m 期间，仍然用u x 和u “o 的线性时间组合，但 作用的时间t l 。和t 2 。与上一次的不同，它们必须保证所合成的新的电压空间矢量 u 。与原来的电压空间矢量u 。的幅值相等。 如此下去，在每一个t p w m 期间，都改变相邻基本矢量作用的时间，并保证 所合成的电压空间矢量的幅值都相等，因此，当t p w m 取足够小时，电压空间矢 量的轨迹是一个近似圆形的正多边形。 线性组合的电压空间矢量u 是i t p w m 倍的u x 与t 2 t p w m 倍的u “6 0 的矢量 和棚： u 。：士u 。+ # u 。 1 p w m1 p w m ( 2 - 7 ) 当u 。t 、u 。和u 脚投影到平面直角坐标系o 雌中时，式( 2 - - 7 ) 可以写成： ： = 耳。阮u x + 圳6 0 4 l - 吲 。删 影 当已知逆阵 爱：玎和u 舢t 在平面直角坐标系的投 后，就可以确定t l 、t 2 。 在图2 6 中，当逆变器单独输出零矢量0 0 0 0 和o m 时，电动机的定子磁链 矢量v 是不动的。因此，在t p 刚期间插入零矢量作用的时间t o ，使： l p w m 2 t j + t 2 + t o( 2 9 ) 通过这样的方法，可以调整角频率。，从而达到变频的目的。 添加零矢量是遵循使功率开关管的开关次数最少的原则来选择0 0 0 0 和o l l l 。 为了使磁链的运动速度平滑，零矢量一般都不是集中的加入】，而是将零 矢量平均分成几份，多点地插入到磁链轨迹中，但作用的时间和仍为t o ，这样可 以减少电动机转矩的脉动。 2 3 。4 扇区号的确定 将图2 6 划分成6 个分区，称为扇区。每个区域都有一个扇区号( 如图0 、 1 、2 、3 、4 、5 ) 。为了得到需要的u 。u t 就必须知道其位于哪个扇区。只有知道了 位于哪个扇区，才能够用哪一对相邻的基本电压空间矢量去合成u 。 本系统采用u 。t 在坐标系0 邮上的分量u 0 咖、u 。堆来确定u 伽t 所在的扇区号， 先用下式计算b o 、b 1 、b 2 。 氏= u 。， o l = s i n 6 0 。u 。一s i n 3 0 。u 口 岛= 一s i n 6 0 。u 0 。一s i n 3 0 。u o 再用下式计算p 值： ( 2 一1 0 ) p = 4 s i g n ( b 2 ) + 2 s i g n ( b 0 + s i g n ( b o ) ( 2 1 1 ) 式中s i g n ( x ) 是符号函数。如果x 0 ，s i g n ( x ) = 1 ；如果x ( 0 ，s i g n ( x ) = o 。 然后，根据p 值查表2 1 ，即可确定扇区号。 pl23456 l 扇区号 15o324 2 4 电压空间矢量s v p w m 的d s p 实现 对每一个电压空间矢量p 硼波的零矢量分割方法不同，以及对非零矢量u x 的选择不同，会产生多种多样的电压空间矢量p 喇波。选择的原则： 尽可能使功率开关管的开关次数最少； 任意一次电压空间矢量的变化只能有一个桥臂的开关管动作； 编程容易； 垫坚里三查兰堡主堂垡笙奎 目前最流行的是七段电压空间矢量p w m 波形，它由三段零矢量和四段相邻的 两个零矢量组成，三段零矢量分别位于p w m 波的开始、中间和结尾。其中每个 扇区u x 、u x 士6 0 的选择顺序见图2 - - 8 ，即在第0 扇区，u x = u o ，u n 6 0 = u 6 0 在第1 扇区，u x = u 1 2 0 ，u 脚o = u 6 0 ；在第2 扇区，u x = u 1 2 0 ，u 蹦o = u 1 舳；在第3 扇 u 1 2 0 ( 0 1 0 ) 2 ， ( 0 1 1 ) u o o o ( 3 bu s o ( 1 1 0 ) 1 、0 u o ( 1 0 0 ) 面歹气而百可一 5 u 2 4 0 而( 0 0 14 u 3 0 0 ( 1 0 1 ) o l o ) 、 ( 1) 图2 - - 8 电压空间矢量的选择顺序 区，u x = u 2 4 0 ，u 。枷= u l 蛐：在第4 扇区，u x = u 2 4 0 ，u x “o = u 3 ；在第5 扇区，u = u o ，u 枷o = u 3 。这样选择所产生的七段电压空间矢量p w m 波形如图2 9 所示， 每个p w m 波的零矢量和非零矢量施加给m o s f e t 管的顺序，以及所对应的时间。 p w m l p w m 3 p w m 5 p w m l p w m 3 p w m 5 ( 0 0 0 ) ( t o o ) ( 1 l o ) ( 1 i de l t o ) ( i o o ) ( o o o ) 第0 扇区 t o ，4t h 2t “2t o 2t u 2i 2t a 4 ( o o o ) ( o l o ) ( 0 1 1 ) t “1 1 ( 0 1 1 ) ( o t o ) ( o o o ) 第2 扇区 p w m l p w m 3 p w m 5 p w m l p w m 3 p w m 5 ( o o o ) ( o l o ) ( 1 l o ) ( 1 1 1 ) l h 0 ) ( 0 l o ) ( o o o ) 第1 扇区 t o 4t i 2 t z ，2 t o ，2t 2 2i 2 t 0 1 4 ( o o o ) ( o o t ) ( 0 1 1 ) ( 1 1 1 ) c ox 1 ) ( c o t ) ( o o o ) 第3 扇区 武汉理工大学硕士学位论文 p w m l p w m 3 p w m 5 t 0 4t l ，2t 7 2t a t 2乜，2i 2乜佴 p w m l p w m 3 p w m 5 ( 0 0 0 ) ( 0 0 1 ) ( 1 0 1 ) ( 1 1 1 ) ( 1 0 1 ) ( 0 0 1 ) ( 0 0 0 ) ( 0 0 0 ) ( 1 0 0 ) ( 1 0 1 ) ( 1 1 1 ) ( 1 0 1 ) ( 1 0 0 ) ( 0 0 0 ) 第4 扇区 第5 扇区 图2 - - 9 七段式电压空间矢量p w m 波形 由图可见，其特点： 每相每个p w m 波输出只使功率开关管开关一次； 电动机正反转时，每个扇区的两个相邻基本矢量u x 、o 的选择顺序 不便。也就是说，电动的正反转只与扇区顺序有关。正转时( 磁链逆 时针旋转) 。扇区的顺序时0 1 2 3 4 5 一o ；反转时( 磁链顺时 针旋转) ，扇区的顺序5 4 3 2 一i - - 5 。 每个p w m 波都是以0 0 0 0 零矢量开始和结束，0 m 零矢量插在中间。 插入的0 0 0 0 零矢量和0 零矢量的时间相同a 武汉理工大学硕士学位论文 第三章交流异步电动机矢量控制技术 矢量控制理论( t r a m v e c t o r c o n t r 0 1 ) 是由德国的f , b l a s c h k e 在1 9 7 1 年提出 的。矢量控制方法成功地实施后，使交流异步电动机变频调速后的机械性能以 及动态性能都能达到了与直流电动机调压对的调速性能不相上下的程度。从而 使交流异步电动机变频调速在电动机的调速领域里占有越来越重要的地位。 3 1 异步电动机的数学模型 一般来说，异步电机矢量控制调速系统的控制方式是比较复杂的，要确定 最佳的控制方式，必须对系统静态特性进行充分的研究。作为系统中的一个主 要环节，异步电机的特性显得尤为重要，建立一个适当的数学模型是研究其动 静态特性及其控制技术的理论基础。 为了分析方便，一般对三相异步电机做以下理想化假设： ( 1 ) 三相绕组对称，忽略空间谐波； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁芯损耗； 在恒定转矩负载条件下，三相异步电动枫的多变量数学模型可用如下矢量 方程表示【1 t 9 1 1 1 2 】： = 矗f + 三旦三+ 竺j ( 3 - - 1 ) 其中：u 一定、转子相电压，l 一定、转子漏感，d 一转子角速度，i 一定、 转子电流，e 一转予和定子间的夹角。 用等效电路图表示则有下面的通用等效图，如图3 1 所示： 墨厶一心口2 厶一kr ： 图3 - 1异步电动机通用等效图 武汉理工大学硕士学位论文 交流异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，其详细 的数学推导过程和物理分析比较复杂，要分析和求解非线性方程组( 式3 1 ) 非 常困难的，所以通常需要采用坐标变换的方法加以改造，使数学模型简化为比 较简单的等效直流电动机数学模型。 3 2 矢量控制坐标变换 根据电动机旋转磁场理论可知，向对称的三相绕组中通以对称的三相正弦 电流时，就会产生合成磁势，它是一个空间以。速度旋转的空间矢量。用磁势 或电流空间矢量来描述三相磁场，两相磁场和旋转直流磁场，并对他们进行坐 标变换，就称为矢量坐标变换【i 引。矢量坐标变换必须遵循以下原则： 应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效； 应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。 为保持总磁动势、功率保持不变，这里采用正交变换方式进行。 3 2 1c i a r k e 变换 在研究矢量控制时定义了三种坐标系统，即三相静止坐标系( 3 s ) 、两相静 图3 2 坐标变换 止坐标系( 2 s ) 和两相旋转坐标系 ( 2 r ) 。为仿照直流电动机模型，我们 先将异步电动机模型从三相静止坐 标系 b c 变换至两相静止坐标系岱b ， 即3 s 2 s 变换，如图3 - 2 所示。根据 总磁动势不变的原则，保持变换前后 功率不变，即采用正交变换矩阵，则 可以得到变换公式为： 1一三一1 22 o 巫一巫 22 l11 压压压 ( 3 2 ) 巨怕 = 、，0，0b，。l 其变换矩阵为： ：。= 唇 1 1 1 22 o 鱼一鱼 22 1l1 压压扼 ( 3 3 ) 对于三相平衡系统而言，有i a + i a + i c = o 。因此i c = - - i a - - i b ，代入式 ( 3 2 ) ，得： ( 乏) = 压。 延2 压 ( 3 4 ) 3 2 2p a r k 变换 p a r k 变换是将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系得转换。由两相 弋8 。 。 一 图3 32 s 2 r 坐标变换 式，其公式如下： 即变换矩阵为： 静止坐标系a b 到两相旋转坐标系 ( m d 即2 s 2 r ，坐标变换原理见图 3 3 。m 、t 绕组在空间垂直放置， 且分别加上直流u 。和u 。并让m 、 t 坐标以同步转速旋转，则产生的 磁动势与伍一b 坐标系等效。m 、t 和仪，b 轴的夹角0 是一个变量，随 负载、转速丽变，在不同的时刻有不 同的值。2 s 2 r 的变换，写成矩阵形 ( ) = 。一c 。o ；