（模式识别与智能系统专业论文）基于mcu+spmc75f2313a的变频系统设计.pdf

摘要 矢量变换控制是以交流电动机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标系中把定子 电流矢量分解为两个分量：一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一 个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐 标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现像直流电 动机那样对磁场和转矩的解耦控制。本文研究的是以m c us p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 为控制 核心的电压源型矢量控制变频调速系统。分析了脉宽调制和矢量控制的原理与实现 方法。对于脉宽调制，重点分析了电压空间矢量脉宽调制的基本原理、控制算法以 及其死区补偿；对于矢量控制，分析了矢量控制用电机等效电路，三相坐标系、两相 静止与旋转坐标系下的电机基本方程和矢量控制基本公式，在进行相应的坐标变换 以后，得到了变频调速系统的矢量控制图，结合矢量控制的基本原理，利用 m a t l a b s i m u l i n k 建立了变频调速矢量控制仿真模型，并进行了仿真实验。在硬件 方面，以m c us p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 为控制器。文中对变频调速系统的m c u 的最小系 统、滤波整流电路、智能功率模块p s 2 1 8 6 5 a 及配套电路、显示电路、键盘电路、 保护电路、电流和转速检测电路及通讯电路的设计作了介绍。在软件方面，结合芯 片m c us p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 编制了矢量控制变频调速系统程序，包括系统运行控制模 块，完成系统的p w m 输出的控制。程序还包括输入输出模块，完成数据采集，键 盘扫描，显示驱动和刷新，以及和上位机通讯等功能。 仿真表明本文研究的变频调速系统的矢量控制算法是成功的。利用矢量控制算 法的变频调速系统具有优良的动态特性和抗干扰特性，基于产生异步电机圆形磁场 的s v p w m 控制，减少了电机的转矩脉动，改善了p w m 输出的波形，利用高性能 的电机控制专用m c u 芯片s p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 的运算能力和集成的电机控制专用模 块，可使变频器中复杂的控制算法更加容易编程实现，完全可以实现异步电动机高 性能控制。该矢量控制变频调速系统的研制为今后开发更高性能的变频调速系统奠 定了良好的基础。 关键诃：变频调速；矢量控制；微处理器( m c l d ；电压空间矢量( s v p w m ) ； a b s t r a c t a c c o r d i n gt oa ci n d u c t i o nm o t o rt w o a x i st h e o r y , s p a c ev e c t o rc o n t r o ls p e e d s e p a r a t e st h es t a t o rc u r r e n ti n t ot w oc o m p o n e n t s ：o n ei st h et o r q u ec o m p o n e n t , t h eo t h e r j st h ef l u xc o m p o n e n t as t r u c t u r es i m i l a rt oad cm a c h i n es t r u c t u r ew h e r et o r q u ea n d f i e i dc a nb ec o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l yi sg i v e n i nt h i st h e s i s , av o l t a g es p a c ev e c t o r c e n t r e l i n v e r t e rb a s e do nm c ui ss t u d i e d t h eo b j e c to f t h er e s e a r c hi nt h i sa r t i c l ei sav a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e dw i t hv e c t o r c e n t r e ls y s t e mh a s e do nm c us p m c 7 5 f 2 3l3 au s i n gv o l t a g ec o n t r 0 1 t h ep r i n c i p l eo f v a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e dw i t hv e c t o rc e n t r e ls y s t e ma n dt h em e t h o dt ot h er e a l i z a t i o n o ft h es y s t e m a r ei n t r o d u e e d d e t a i l e da n a l y z e dt h es v p w m ( s p a c ev e c t o rp u i s * w i d t i l m o d u l a t i o n ) i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e ，c o n t r o la l g o r i t h m ，a n dt h ec o m p e n s a t i o nf o r d e a dz o n e a n a l y z e dt l l ev e c t o rc e n t r e ie q u i v a l e n tc i r c u i ta n df u n d a m e n t a le q u a t i o no f t h r e e p h a s ec o o r d i n a t es y s t e m s ，t w os t a t i ca n dr e v o l u t i o nc o o r d i n a t es y s t e m s , t h e f u n d a m e n t a lf o r m u l aa n dc h a r t i n gf o rv e c t o rc e n t r e li so b t a i n e d a ti a s tu n i o nb a s i c p r i n c i p l eo f v e c t o rc o n t r o l ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt h ev e c t o rc e n t r e is i m u l a t i o nm o d e l h a sb e e na c h i e v e d i nh a r d w a r e , t h es y s t e mu s e sm c us p m c 7 5 f 2 31 3 a 勰c e n t r e iu n i t t h ef o l l o w i n gb l o c k si nt h es y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ：t h em i n s y s t e mb o a r d o ft h em c u ，t h ec i r c u i to fr e c t i f i e ra n df i l t e r , c i r c u i to fi p mp s 2 1 8 6 5 a 。t h ec i r c u i to f d i s p l a yb l o c l t h ec i r c u i to fk e y b o a r d ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t , t h ec i r c u i to fm e a s u r es p e e d a n dc u r r e n tb l o c k s , a n dt h ec i r c u i to ft h eb l o c ko fc o m m u n i c a t i o nw i t hp c 。i ns o f t w a r e , m a i np r o g r a m ，o r d e rd o c u m e n ta n ds u b p r o g r a m sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o ni n d i c a t c st h i sa r t i c l eo nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o n s y r s t e m so fv e c t o rc e n t r e ia l g o r i t h mi ss u c c e s s f u l ，t h ev e c t o rc e n t r e is y s t e m sh a st h ef i n e d v n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea n t i j a mc h a r a c t e r i s t i c t h es v p w mc o n w o lb a s e do nt h e a s y n c h r o n o u sm a c h i n ec i r c u l a rm a g n e t i cf i e l dr e d u c e dt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yt o r q u e p u l s a t i o n u s i n gt h eh i g hs p e e do f c a l c u l a t i n ga n dt h es p e c i f i cb l o c k si nc o n t r o lm o t o ro f t h em c us p m c 7 5 f 2 31 3 a t h ec o m p l e xc e n t r e l a l g o r i t h mo fm o t o ra n dg o o d p e r f o r m a n c eo ft h ec e n t r e lc a nb ee a s i l ya c h i e v e d t h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h en e x t d e v e l o p m e n tf o rh e t t e rp e r f o r m a n c ev e c t o rc e n t r e ls y s t e mh a sb e e ns e t 。 k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t a b l e s p e e d ；f i e l dc o n t r o l ；v e c t o r c o n t r o l ；m i c r o - c o n t t o iu n i t ；s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm e d u l 砒i o n ) ： 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 洲f ： 名：牡 年f 月3 1日 i 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和选题意义 当前随着中国的经济的快速发展，能源问题都越来越成为社会经济生活中的 主要问题和核心问题。能源的紧张已经逐渐成为作为发展中国家的中国经济增长 的一个瓶颈，面且放眼全球，能源问题也给很多发达国家带来了相当大的问题。 能源集中的地方也往往是成为全世界所关注的热点地区。 经济要想快速发展必须解决能源问题，解决能源问题必须考虑开源和节流。 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都 极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的 双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比 发达国家低很多。9 0 年代中国高耗能产品的耗能量般比发达国家高1 2 - 5 5 左右，9 0 以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。 如果进行单位g n p 能耗( 吨标准煤千美元) 的国家比较( 9 0 年代中期) ，中国 分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的1 4 4 倍、1 1 3 倍、1 0 6 倍，8 8 倍、8 3 倍、7 2 倍、4 6 倍、和4 2 倍。1 9 9 5 年，中国火电 厂煤耗为4 1 2 克标准煤k w h ，是国际先进水平的1 2 7 倍。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一 的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4 亿千瓦，年 耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时，约占工业耗电量的8 0 。我国各类在用电机中，8 0 以 上为0 5 5 2 2 0 k w 以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备 水平仅相当于发达国家5 0 年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能 方面的投入将高达5 0 0 亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场 需求。 目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想， 市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展， 就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。 1 2 变频调速及其控制技术的发展 近些年来。以变频调速为核心的交流调速技术在电力电子技术、自动控制技 术的推动下有了飞速的发展。交流变频调速技术发挥了交流电机本身固有的优点 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 ( 结构简单、动态响应好等) ，并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问 题。交流变频调速技术，其显著的节能效果以及在国民经济各领域的广泛适用性， 而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。 目前。变频调速理论己经形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。 交流变频调速理论最初诞生于2 0 世纪2 0 年代，到8 0 年代，变频器己经产 品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。变频技术的主要的发展是 建立在电力电子技术发展基础之上的。在交流电动机的传动控制中，应用最多的 功率器件有g t o ，g t r ，i g b t 以及i p m ( i n t e l li g e n tp o w e rm o d u l e ) ，i g b t 和i p m 集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体，是目前电机变频控 制中应用最为广泛的功率器件。i g b t 集射电压v a 小于3 v ，开关频率可达到2 0 k h z ， 内含的集射间超高速二极管几可达1 5 0 n s 。第四代i g b t 的应用使变频器的性能 有了更大的提高。其一是i g b t 开关器件的发热减少，将占主回路发热的5 0 9 6 7 0 的器件发热降低到了3 0 ；其二是高频波控制，使输出电流波形有了明显的改 善：其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静音 化：其四是驱动功率减少，体积趋于更小。i p m 的投入使用比i g b t 约晚二年，由 于i p m 包含了i g b t 芯片及外围的驱动和保护电路，有些甚至把光耦也集成于一 体，因此是一种更为经济实用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流1 0 6 0 0 a 范围内，使用i p m 具有以下优点：开关速度快，驱动电流小，功耗低，抗千扰能 力强，控制驱动更为简单：内含电流传感器，可以高效迅速的检验出过电流和短 路电流，当发生严重过载或直接短路时，i g b t 将被软关断，同时送出一个故障 信号，从而对功率器件给予足够的保护，大大降低故障率：由于在器件内部电源 电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的 干扰等问题能得到有效控制：保护功能较为丰富，如电流保护，电压保护，温度 保护等一应俱全：由于集成度的提高使变频器的体积有条件向小型化发展：简易 化的功率驱动电路使得设计者们可以有更多的时间专注于控制算法研究。 i p m 以其可靠性高、用户使用方便等优点赢得越来越大的市场，尤其适合制 作驱动电机的变频器，是一种较为理想的电力电子器件。目前，i p m 的售价已经 逐渐接近i g b t ，而设计人员采用i p b l 后的开关电源容盘、驱动功率容盘的减小和 器件的节省以及综合性能的提高等，在许多场合其性价比已商过i g b t ，有着很 好的经济性。本文的设计中选用智能功率模块i 蹦作为功率开关器件，简化了控 制电路，提高了控制系统的可靠性。进入9 0 年代，由于新型电力电子器件如i g b t 、 i g c t 等的发展及性能的提高，微型计算机技术( 如m c u 和d s p ) 的发展，以及先进 控制理论的发展和完善等原因，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动 态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用方便性等方面大大超过了其它常 2 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 规交流调速方式，变频调速技术取得了显著的成就并日趋成熟，目前，变频调速 技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并己取得了显著的社会效益。变 频调速技术在电力、轧钢、造纸、化工、煤炭、纺织、船舶、机床等传统工业的 改造中和航天航空等高新技术中得到发展应用。 在我国，早在国家“八五”科技攻关计划中，交流调速技术就被列为重点科 技攻关项目，但是由于电力电子器件总体水平很低，i g b t ，g t o 器件的生产虽引 进了国外技术，但一直未形成规模经济效益，几乎不具备变频器新产品的独立开 发能力，这在一定程度上影响了国内变频调速技术的发展。在大功率交一交变频 技术、无换向器电机方面，国内产品在数字化及系统可靠性方面与国外水平相比， 还有相当差距：在中小功率变频技术方面，几乎所有的产品都采用普通v f 控制， 仅有少量样机采用矢量控制，品种与质量不能满足市场需要。而在国外，变频调 速技术得到了充分发展，并在各个方面取得了显著成就。在功率器件方面，高电 压、大电流容量的s c r ，g t o ，i g b t ，i g c t 器件的出现和并联、串联技术的应用， 高压大功率变频器得到生产和推广应用。在微电子技术方面，1 6 位、3 2 位高速 微处理器以及v s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i c ) 技术的决速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段，在控制 理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论都为高性 能变频器的研制提供了相关理论基础。可以看出，总体上我国交流变频调速技术 水平较国际先进水平有着很大差距。 1 3 矢量控制技术发展的现状 矢量变换控制技术是西门子公司于1 9 7 1 年提出的一种新的控制思想和控制 理论，它的出现是七十年代交流传动系统重大突破f b l a s h k e 提出“异步电 机磁场定向的控制原理”即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律，在 定向于转子磁通的基础上，实现了交流电机磁通和转矩的解藕控制，使交流传动 系统的动态性能有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。 然而，在实际上由于转子磁链难于准确观测，由于系统特性受电机参数影响 较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变化的复杂性，使得实际 的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。 随着集成电路技术的发展，从八十年代起，微处理器尤其是单片微型计算机技术 得到了飞速发展，微机的运行速度越来越快，精度越来越高，处理能力越来越强， 功能越来越多，结构越来越简单，可靠性越来越高，微型计算机已能完成交流调 速系统复杂的控制任务，各电气公司开始在交流调速系统中采用微型计算机控 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 制，到九十年代，微型计算机进一步发展，3 2 位微型计算机和数字信号处理器 d s p 和a s i c 技术在交流调速中得到应用，这使得交流控制性能可以和直流调速 相媲美，使得矢量控制技术逐渐成为一门成熟的工业新型控制理论。 近十多年来，各国学者对矢量控制的研究十分活跃。提出了许多先进的控制 理论，建立了各种各样的矢量控制的结构和方式。根据转子磁链1 l r 。位置角。推 算法，异步电机矢量控制可分为直接型( 磁通检测型、磁通反馈型) 和间接型( 转 差频率控制型、磁通前馈型) 。根据电源驱动方式，又可分为控制电流源驱动方 式和电压源驱动方式。根据有无速度传感器。又可分为带速度传感器矢量控制和 无速度传感器矢量控制。 无速度传感器控制系统的研究是当前交流传动的热点，自从1 9 8 3 年 r j o e t t e n 提出无速度传感器矢量控制策略以来，一直受到学术界和产业界的高 度重视。无速度传感器控制技术免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等问 题，降低了成本、提高了系统的可靠性，同时结合矢量控制，具有矢量控制的优 良性能。无速度传感器技术中速度估算的方法，除了根据数学模型计算电动机转 速外，目前应用较多的有：滑差频率估计法动态速度估计器转子齿谐波法 模型参考自适应( m r a s ) m 1 基于p i 控制器法自适应速度观测器基于人工 神经元网络的方法等， 纵观交流调速技术的发展，可以看出现代交流调速技术未来的发展趋势和动 向：智能化控制方法对交流调速系统的影响研究：改善交流调速系统效率的方法 研究叫：中压变频装置的研究；系统可靠性的研究。 a 智能控制理论与技术方面的应用研究 矢量控制系统虽然实现了异步电机磁通电流和转矩电流的完全解耦，但由于 电机参数的不确定性、纯滞后或非线性祸合等特性，以及电机转子参数估计的不 准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移，这些问题至今国内外并未真正 解决，因此，转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究的 攻坚课题。 近几年来，在许多工业过程控制系统中，被控对象往往存在着结构和参数的 不确定性、纯滞后或非线性耦合等特性，难以用准确的数学模型描述，因此，用 常规线性控制算法难以满足电动机调速性能的要求。模糊控制、人工神经网络等 不依赖于对象的深层次知识，而是通过输入、输出信息进行仿人思维的智能化控 制方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制技术新的研究方向。 b 交流调速系统效率的提高是一个重要的研究方向 提高调速系统的效率是现代交流调速技术解决的重要问题之一。要提高调速 系统的效率就必须提高变频器输出效率和改善电机的使用性能。因此，提高调速 4 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 系统效率的具体解决方法是开发研制新型变频器主电路，主要措施是降低电力电 子器件的开关损耗，如使电力电子器件在零电压或电流下转换，即工作在所谓“软 开关”状态下圳开关损耗降低到零。 目前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展压、电流发生剧变，不但 使器件承受很大的电压、电流应力这使转子内部电而且在输入、输出引线及周围 空间里产生高频电磁噪声，引发电器设备误动作，这种公害称为电磁干扰e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。抑制电磁干扰的有效方法也是采用软开关 技术，具有软开关功能的谐振变流器在国内外都在积极进行研究与开发“”。 c 中压交频装置的研究与开发 近年来，随着中压变频器的兴起，中压、大容量的交流调速系统研究与开 发逐步走上了世纪应用阶段，尤其高压全控型功率器件产生以来，中压变频器的 应用趋势迅速加快了。当今多电平中压变频器以成为交流调速研究的新领域，是 热点课题之一 d 系统可靠性研究 调速系统可靠性是最重要的技术指标，也是国内外研究的热点，提高系统的 可靠性主要通过两个途径：一是提高部件的设计和制造水平：二是利用冗余和容 错技术。利用马尔柯夫过程理论对容错控制系统进行可靠性建模，研究冗余和容 错系统的硬件结构和软件设计也是交流调速研究的新领域。 1 4 论文主要内容 论文主要由五章组成：第一章为绪论：第二章介绍了脉宽调制( p 哪) 的基 本原理，其中正弦脉宽调制( s p w m ) 和空问矢量脉宽调制( s v p w m ) 是当前交流变频 中应用最广的两种脉宽调制方法，详细分析t s v p 删的原理和实现方法，并对两种 p 嘶实现方法进行了比较。后一部分分析了p 嘲的死区对输出的影响，并且提出了 一种死区补偿方法。第三章从异步电机基本控制原理开始，分析了矢量控制用电 机等效电路，三相坐标系、两相静止与旋转坐标系下的基本方程，得到了矢量控 制用的基本公式，在进行相应的坐标变换以后，得出了变频调速系统的矢量控制 图，最后结合矢量控制的基本原理，利用软件m a t l a b 7 o s i m u l i n k 建立了矢量控 制用仿真模型，并进行了仿真实验：第四章进行了变频调速装置的硬件设计，主 要由m c u 主控模块和功率逆变模块两个部分组成，其中，功率逆变模块采用交一 直一交电压源型变频器，功率器件采用智能功率模块p s 2 1 8 6 5 a ；m c u 主控模块以 s p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 芯片为核心分别扩展数字信号处理模块和模拟信号处理模块，数字 信号处理模块完成频率给定、数据显示。速度监测等功能：模拟接口完成电流、 5 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 检_ 坝9 及保护功能。文中对交频调速系统的m c u 主控模块、智能功率模块p s 2 1 8 6 5 a 、 显示电路、键盘电路、保护电路、电流和转速检测电路作了简单的介绍，同时充 分利用s p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 专有的p w m 输出模块实现了p 嘲输出：第五章是介绍系统的软 件。结合s p m c 7 5 f 2 3 1 3 a 芯片，将交流异步电机的矢量控制系统分模块来实现，给 出了主要控制模块实现的流程图。该套程序由主程序、2 个定时器中断和相关的 中断服务子程序组成，子程序主要由以下模块构成：( 1 ) 、电流磁链转换模块，( 2 ) 、 p a r k 变换，( 3 ) p a r k 逆变换，( 4 ) 、c l a r k 变换模块，( 5 ) 、空间矢量产生模块， ( 6 ) p w m 波发生模块( 7 ) 系统输入输出模块：包括a d 转换滤波模块，键盘扫描和 显示驱动及刷新模块：第六章是全文总结。 6 中国科学技术大学硬士论文第二章空间矢量调制及其死区补偿 第二章空间矢量调制及其死区补偿 2 1 脉宽调制( p w m ) 2 1 1 脉宽调制原理简介 所谓p w m 技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的 电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波的一门技术，是目前 逆变器主要采用的控制技术剀p 哪有：正弦脉宽调制s p w m 控制，基于消除指定次 谐波的h e p w m 控制，基于电流环跟踪的c h p w m 控制和电压空问矢量控制( 磁链轨 迹跟踪控制) 一s v p 硼v l 控制。这四种p w m 技术中，前两种是以输出电压接近正弦波 为控制目标，第三种是以输出电流正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋 转磁场接近圆形为控制目标m 。p 嘲控制的主电路如图2 2 所示，图中t l t 6 是逆变器的六个全控式功率开关器件，它们各有一个续流二极管反并联接。六路 p 嘲控制信号接到t i t 6 的源极输入端，通过有规律的控制t i - t 6 的开通和关断。 就可以实现p 嘲输出控制。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流 恒压为。 酷 “ 【j 固：c 一目】c ql j 十 隧 肆 l x 1 删- j 口】c【 图2 1p w m 控制逆变器主电路原理图 2 1 2 正弦脉宽调制( s p w m ) s p 嗍控制技术是从电机供电电源的角度出发，着眼于如何生成可调频调压的 7 中国科学技术大学硕士论文 第二章空间矢量调制及其死区补偿 三相对称正弦波电源。其原理就是将一可调幅调频的正弦波调制成一串与其等效 的等幅不等宽的脉冲信号，等效的原则是面积相等。当用s p w m 波形来作为逆变 器的触发脉冲时，则逆变器在理想状态下也应输出s p m , t 波形，这样的脉冲信号 可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。通过改变矩形脉冲的宽度可以控制 逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而 在逆变器上可以同时实现输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频 率协调控制的要求。s p w m 各脉冲幅值相等所以逆变器可由恒定的直流电源供 电。另外，s p 删波形与正弦波等效，这样使负载电机可在近似正弦波的交变电 压下运行，转矩脉动小。s p w m 变频调速控制实现的方法就是正弦波作为基准波 ( 调制波) ，用一系列等腰三角波( 载波) 与其相交，由交点来确定逆变器的开关 模式 生成s p t 舯t , t 波的方法有很多种，如自然采样法和规则采样法等“”。自然采样 法通过计算正弦调制波与三角载波的交点确定脉宽，因其求解是一个超越方程， 不适于微机实时控制。规则采样法，是对自然采样法的一种近似，这种方法实质 是由经过采样的正弦波( 实际上是阶梯波) 与三角波相交，由交点得出脉冲宽度， 从而简化了计算。只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的 误差在工程上可以忽略不计。 如图2 2 所示，左图为自然采样法，右图为规则采样法，如图所示，在三 角波的谷底采样正弦波，由于电压采样水平线与三角载波的交点分布在正弦的两 侧，因此，减少了脉宽生成的误差，目前，正弦脉宽调制基本上都采用这种生成 方法。 图2 2s p w m 调制原理图 2 1 3 电压空间矢最脉宽调n ( s v p w m ) s v p i 他i 与s p w m 不同，它是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒 中国科学技术大学硕士论文 第二章空间矢量调制及其死区补偿 定的圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，这种调制方法把逆变器和电机作 为一个整体考虑，是一种无反馈型工作模式，以三相对称正弦波电压供电时交流 电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来 追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波。 ( 1 ) s v p 刚的基本原理 在理想电源供电时，某时刻加到电机三相绕组上的三相对称正弦电压为： 融 s i n ( o 甜) s i n ( w r 一：2 万) j s 酞耐一：4 厅) j 式中乩为相电压的最大值； 绕组的相电压。 ( 式2 1 ) 为电源角频率，虬，u b 和虬分别为三相定子 设虬，为电压空间矢量认在口，卢轴上的投影r 则定子电压空间矢量可 以表示为： = 吮+ ；詈( 以+ 口+ 口2 虬= e 孛) ( 式2 2 ) 其中口：p t 2 ，是p a r k 算子。 m 叩圈 有下式成立 式中7 _ ，。为c l a r k 变换，三相坐标到禁止的两相坐标的变换： ，厘 1 m 卅2 v j i 11 1 一ii o 巫一巫 22 由上式( 2 1 ) ( 2 4 ) 可得 阱廖 s 矾耐) - c o s ( a ) ，( “丢) e 9 ( 式2 3 ) ( 式2 4 ) ( 式2 。5 ) 中国科学技术大学硕士论文 第二章空间矢量调制及其死区补偿 由式( 2 5 ) 可知，当理想电源供电时，加到电机绕组上的瞬时空间电压矢 量会以一定大小的角速度旋转，其轨迹在复平面上是一个圆心在原点、半径为 融的吼 已知电机定子电压矢量方程为： 叱= r i + d o d t( 式2 6 ) 忽略定子阻抗压降，则定子磁通矢量为： 叫咐= 如e 脚专出= ，；照删 。栅， 2 石l 一 式中以为电源频率。由式( 2 7 ) 可见，磁通矢量是一个比电压矢量滞后州2 的 旋转矢量，磁通矢量的轨迹为圆，其半径为： r = , 1 3 2 u 2 x f ( 式2 8 ) 由式( 2 1 i ) 可以看出当压频比乩以为常数时，磁通轨迹半径r 也为常数， 随着1 0 的变化，磁通矢量。的定点运动轨迹就形成了一个以r 为半径的圆，即得 到了一个理想的磁通圆， s v p w m 法以此理想磁通圆为基准图。 在图2 1 中，每个桥臂上的晶体管可以看作是一个开关，文中采用1 8 0 度 导通型逆变器，所以t l 与t 4 ，t 3 与t 6 ，t 5 与t 2 之间互为反相，即一个导通， 另一个必须断开，所以实际上只有三个独立开关，三组开关共有2 3 = 8 种开关组 合，所以有八种工作状态。 规定：三相负载的某一相与直流电源正极接通时，该相的开关状态为“l ”， 与负极接通时，该相的状态为“0 ”，这八种工作状态用空间矢量的概念可以表示 为：u o ( o o o ) 、u - ( i o o ) 、u 。( 1 1 0 ) 、u 。( 0 1 0 ) 、u 。( 0 1 1 ) 、u 。( 0 0 1 ) 、u 。( 1 0 1 ) 、u 7 ( 1 1 1 ) 其中u u e 是非零矢量，为工作状态，6 个非零矢量幅值相等相位互差州3 电角度， 状态矢量u o ，u ，为零矢量。 ( 2 ) s v p 删的常规实现方法 实现s v p w m 的方法很多，有磁链圆轨迹法、电压矢量合成法等。这里介绍电 压矢量合成法，在图2 5 中，假设一个p 踟调制周期足够小，在这个周期的平均 电压空间矢量可以认为近似不变，所以在六个非零矢量所组成的六边形内的任意 一个矢量都可以用与它相邻的两个满足逆变器工作状态的矢量和两个零矢量合 成。这也是连续空间矢量调制的基础。为了得到优化的谐波性能和最少的开关次 数，在一个调制周期内，应适当安排状态的转换顺序，并且在做每一次转换时， 只有一个桥臂的开关管执行切换，这是因为当有两个或三个桥臂同时动作时，在 1 0 中国科学技术大学硬士论文第二章空筒矢量调制及其死区补偿 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 磁噪声基于上述原则，在奇数区间内，状态序列为u o u 。u 。u ，u 。u k u o ，在偶数区 间内，状态序列为u o 仇。u “u 。沁。u o 。 l j l 轴 图2 3 三相逆变空间矢量图 空间矢量脉宽调制的核心问题就是计算每一个调制周期内的非零矢量和零 矢量的作用时间协，以下分析参考矢量心位于第1 区间内的合成方法及如何产生 空间矢量p w m 调制，参见图2 4 ，有( 2 9 ) 式成立，式中，1 o + t - + k l _ t 2 ，t s 为载波周期，t o 为零矢量作用时间。 ：i ：n 0 m ；s：l： ：嗍l ：i!： ：p 硎c ： ： i i li ：0 0 0 ；1 0 0 ：1 1 0 ： 王：i l 1 1 0 ；1 0 0 ：0 0 0 ： ：丁o ，21 豇 l ! 撇t 0 陀e + l i bi 啦! ：o： ： ： ：!t s ； 图2 4 空间矢量调制波形图 l l 中国科学技术大学硕士论文第二章空间矢量调制及其死区补偿 v r 2 = 以疋+ u l + l 正“ ( 式2 1 0 ) 将( 2 1 0 ) 式分解为实部和虚部分量，则电压合成矢量的口、p 分量虬、 满足 眺2 u c o s 业3c 。s 丝3 s 协学咖等 ( 式2 “) 式中k 由下式决定，其中口为口、分量的夹角： 堡当口s 婴 ( 式2 1 2 ) 33 解方程( 2 1 1 ) 得： 酬争孚舌 k z s l n 3 一s i n ( k - 1 ) z 3 k z c o s 一 3 c o s ( k - 1 ) z 3 ( 式2 1 3 ) 为了产生对称的三相正弦电压，要求所产生的空间矢量的轨迹是一个圆。所 以u 。，满足： u i ，= l 卜脚= l i ( c o s d o t + j s i n t o t ) ( 式2 1 4 ) 其中耐为与以的夹角a 则由式( 2 1 4 ) 可得 盼孚警 k z m n 一 3 “n ! 半 j k l r c o s 一 3 c o s ( k - 1 ) z 3 ( 式2 1 5 ) 由上式可知，调制时，通过控制电压矢量的作用时间，即可用尽可能多的多 边形磁通轨迹逼近理想的圆形磁通。 ( 3 ) s v p 嘲实现方法的改进“” 常规的s v p v 哪实现方法虽然比较直观，但存在大量的非线性运算，算法复杂， 影响s v p w m 的执行速度。如果可以像s p w m 调制那样直接查表计算的话，执行起 来就方便多了，为此，从s v p w m 的生成方式出发，推导其调制函数。当u 。，位于 1j 耐科爸5 | -l 中国科学技术大学硕士论文第二章空间矢量调制及其死区补偿 五= 孚学睁卅 c ， 正= 孚警s 从上图2 3 可求得在区间i 中逆变器的各输出端相对于其直流侧中点0 的电 压为： u。o(ojt)=丝2t(一i毋正哪州一争警阱os(耐一争,to ( 耐) 2 等卜詈一互+ 五+ 矗+ 瓦一五一争2 譬h 陋耐一争。式2 。， o ( 耐) 2 【，( 耐) 同理，可以求得u 。，位于其他区间的相电压结果。6 个区域的相电压表达式 以o ( 耐) = 孚m c o s ( 研一和s 耐s 詈 - ；1 4 c 。s ( 坝詈5 耐茎孚 譬m c o s c 耐+ 争，等耐s 石 孚1 l c o s ( 甜一争，万s 耐s 等 吾l c o s ，了4 t es 耐s 了5 t e 孚阱吸耐+ 等s 一万 。舰m o ( 耐) = u a o ( 耐一石) j d o ( 耐) = u 舯( 耐一厅) j 下图2 5 所示为u 。的波形曲线 我们以( 式2 1 8 ) 所确定的函数作为s v p w m 的调制函数，这样可以不用单 独计算每个矢量的作用时间也不用考虑矢量的作用次序，使得控制算法大大简 化，在数字化控制系统中，可以用与s p w m 调制相同的方法实现，即将调制函数 中国科学技术大学硕士论文第二章空问矢量调制及其死区补偿 的值在一个周期内离散后作为数据表，调制时。通过查表法实现。 o 、八 | | 们u 图2 5 空间矢量脉宽调制逆变器相电压波形 2 1 4s p w m 与s v p w m 的比较分析1 6 1 s p w 8 和s v p w m 作为不同的调制方式。最主要指标是其逆变能力，即直流侧电 压利用率。 由式( 2 1 8 ) 可以得出s v p v 6 t 的线电压： u a 。( 鲥) 。( c o t ) 一。( 甜) = 石m s i n ( w t + 7 y ( 耐) = u a 。( 耐一；石) ，o s 耐2 万 ( 耐) = u ”( 耐一号力，。s 鲫s 2 万 ( 式2 1 9 ) 1 4 中国科学技术大学硕士论文第二章空问矢量调制及其死区补偿 u d 2 v d 3 v d 3 0 - v d 3 2 u d 3 ：厂 屯 r 3 2 7 t 3 尢 哇n 35 ，3 2 靠 7 厂 iu “( 耐) 2 u c o s ( 耐) i1 ( 耐) 2 c o s 一亏疗) 式2 1 ( 耐) ；c o s ( 耐一j 4 刀) 对于空间矢量调制，由于参考空间矢量在复平面上是一个以为角速度，半 径为v d 的圆轨迹，最大的圆是图2 3 中六边形的内切圆，所以相电压基波最大 1 5 中国科学技术大学硕士论文 第二章空问矢量调制及其死区补偿 值： 陆i 一= ；叱孚= 万i ( 式2 z ， 所以。空间矢量控制的逆变能力为： 陆：辫：三- o 9 0 6 9 ( 舭2 5 ) u 一。2 u d 细2 , 3 一一 因此，空间矢量控制的逆变器的逆变能力比用一般的s p 州控制提高了 1 5 4 7 ，再加上它的低的开关次数，空间矢量控制的逆变器优于一般的s p w m 控 制的逆变器。 2 2 死区效应分析和补偿 2 2 1 死区时间的设置方式 在p w m 三相逆变器中，由于开关器件本身并非理想元件，存在一定的开通 和关断时间，为防止同一桥臂上下两个开关器件的直通现象，控制信号中必须设 定几个微秒的死区时间。而所设置的死区时间t d 总是比实际的功率管关断时间 t o f r 大得多，因此可以认为在这段死区时间内，上、下管均为关断状态，从而避 免了直通故障。 死区时间的设置方式有两种：( 1 ) 单边不对称设置：让欲关断的功率管与理想 波形同时关断，让欲开通的功率管延迟t d 后开通。(