（电力电子与电力传动专业论文）基于svpwm技术的感应电机变频调速系统研究.pdf

基于s v p w m 技术的感应电机变频调速系统研究 a b s t r a c t t h ei n v e r t e r sb a s e do ns p a c e v e c t o rp w m t e c h n i q u eh a v em a n yg o o dq u a l i t i e s s u c h a sl e s s p u l s a t i n gt o r q u e ，h i g h e ru s a g eo fd cb u sv o l t a g e ，l e s ss w i t c h i n gl o s s ，b e t t e r h i g h s p e e dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c e ，s oi t i s a p p l i c a b l ef o rt h eh i g h p e r f o r m a n c em o t o r c o n t r o ls y s t e m ，t h ec o m p r e h e n s i v ea n d s y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni n d u c t i o nm a c h i n e ss p e e d r e g u l a t i o ns y s t e mu s i n gs p a c e v e c t o rp w m i n v e r t e ri si n t r o d u c e di n t h i st h e s i s w h i c h i n c l u d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l l i n g ，c o n t r o lt h e o r ya n a l y z i n g ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n ， s i m u l a t i o na n dr e a l i z a t i o n 。 i no r d e rt o o p t i m i z e t h em o d u l a t i o np e r f o r m a n c e ，t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e m o d u l a t i o ns i g n a l s ( i n c l u d ef u n d a m e n t a l s i g n a l sa n dz e r o s e q u e n c es i g n a l ) a n ds p a c e v e c t o r s ，b e t w e e nt h em o d u l a t i o ns i g n a l sa n ds p a c e v e c t o rs e c t o r sw e r ed i s c u s s e d ，t h e n t h r e ek i n d so fo p t i m a ls w i t c h i n gp a t t e r no f s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o na r ee s t a b l i s h e d t h e v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo ft h es p a c e - v e c t o rp w m v o l t a g es 0 1 1 r c e i n v e r t e r f e di n d u c t i o n m a c h i n ew a ss t u d i e dl a t e r ar o t o r - o r i e n t e dc o n t r o l s y s t e mo fi n d u c t i o nm a c h i n ew a s a d v a n c e d ，w h o s ea r i t h m e t i ci ss i m p l ea n di sc o n v e n i e n tt o o p e r a t ee c o n o m i c a l l v l o t so f e x p e r i m e n tw a sd o n eo nas e l f - m a d ed i g i t a lm o t o rc o n t r o lp l a t f o r m ，w h i c hw a s d e v e l o p e d b yu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i ti sv a l i d a t e dt h a tt h ed e s i g no fi n d u c t i o nm a c h i n ev v v f c o n t r o ls y s t e mh a si t sr a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t y t h ed i s t i n c tr e d u c t i o no f s w i t c b i n 2l o s s s h o w st h ee f f i c i e n c yo ft h et h r e eo p t i m a ls w i t c h i n g p a t t e r n si n i t i a t e d t h er e s e a r c ho ft h i s p a p e rl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt 1 er e s e a r c ho ft h eh i g h s p e e dm o t o rc o n t r o ls y s t e mt ob e c o n t i n u e d k e y w o r d s ：s p a c e 。v e c t o rp w m ，i n d u c t i o nm a c h i n e ，s w i t c h i n g l o s s ，v e c t o rc o n 仃0 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i j 塑室堕窒堕丕奎堂堡主堂些堕兰 第一章绪论 1 1 交流电气传动技术的发展概况 直流电气传动和交流电气传动在十九世纪先后诞生。在2 0 世纪大部分年代里， 鉴于直流传动具有优越的可控制性能，高性能可调速系统一般都用直流电机，而约 占电气传动总容量8 0 的不变速传动或简单调速传动则采用交流电机，这种分工在 当时已成为举世公认的格局。其原因是：异步电动机和直流电动机不同，它只有一 个供电回路即定子绕组，这就使得它的速度控制眈较困难，不像直流电动机那样通 过控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地控制电动机的转速。直到2 0 世纪7 0 年 代，由于采用电力电子变换器的高效交流变频器的开发成功，使得结构简单、成本 低廉、工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领 域，一直被认为天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。 交流异步电机的调速种类繁多，从能量转换的角度上看，可把从定子传入转子 的电磁功率只分成两部分：一部分只。= ( 1 一s ) 只是拖动负载的有效功率，称作机 械功率；另一部分只= 置p 卅是传输给转子电路的转差功率，与转差率j 成正比。3 。调 速时，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的重 要标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类：( 1 ) 转差功率消耗型 调速如降电压调速、绕线电机转予串电阻调速；( 2 ) 转差功率回馈型调速 如绕线电机串级调速、取馈调速、内馈斩波调速；( 3 ) 转差功率不变型调速如 变压变频调速、变极对数调速。各种调速方法各有其用途，目前工程应用最普遍的 应是感应电机的变压变频调速。 在开始研究和应用交流调速时，人们对交流电机的动态模型还不十分清楚，只 能从其稳态模型出发来探讨调速方法。为了充分利用电机铁心，希望在调速时保持 磁通不变，应使定子感应电动势与频率成正比，如果忽略定子电阻，可近似为定子 电压与频率成正比，于是出现了恒压频比的控制方法。至今这种方法仍普遍应用于 没有高动态性能要求的节能调速和一般工艺调速中，例如风机、水泵调速。在对调 速性能有一定要求的场合下，工程研究人员则采用转速闭环控制。从异步电机稳态 模型可以证明，当磁通恒定时，电磁转矩近似与转差频率成正比，因此控制转差频 率就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，可得到平滑而稳定的调速， 从而获得较高的调速范围。 1 9 7 1 年德国学者f b l a s c h k e 发表论文，提出了交流电机的磁场定向控制( 即 矢量控制) 的原理，为高性能的交流传动控制奠定了理论基础。异步电机的矢量 控制系统是采用坐标变换和磁场定向把异步电机等效成类似直流电机的模型，从而 可以仿照直流电机进行控制。 苎要! ! ! 型垫查塑些壁皇塑錾塑塑望墨垄婴塞 一 矢量控制理论的提出和成功应用，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣 和热情。8 0 年代掀起了交流调速热，矢量控制理论迸一步完善和发展，矢量控制系 统进一步简化与合理，一些新的控制策略和方法相继提出并被采用。1 9 8 5 年德国学 者d e p e n b r o c k 提出了一利，异步电动机的直接自控制理论( d i r e c t s e l f - c o n t r o l - - d s c ) ，通常称为直接转矩控制。直接转矩控制系统的结构简单，转矩响应快，定 子磁链模型不受转子参数变化的影响，因此，引起人们极大的兴趣；但其输出转矩 有脉动，磁链模型在低速时误差大，又使系统的调速范围受到限制。 此外，不少学者还把现代控制理论些成果，例如状态观测器、滑模变结构控 制、模型参考自适应控制等应用于交流传动系统的控制。以获得交流传动系统的高 性能。 l 。2 变频调速技术的发展现状与课题研究的背景 随着交流调速技术、电力电子技术和微机控制技术的发展，目前，变频调速技 术主要将沿着三个方向发展和应用：( 1 ) 一般性能的节能调速和工艺调速；( 2 ) 高性能交流变频调速系统；( 3 ) 特大容量、极高转速的交流变频调速。特别是各种 轴承技术的突破进展，使得现代化工业生产中高速电机和超高速电机被广泛运用于 诸如高速机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮贮能以及小型发电设备等工业 领域，此时研究些高性能的变频调速系统，并最终应用到高速和超高速电机的传 动控制中就显得尤其重要。 1 2 1 电力电子变换器的发展现状 自2 0 世纪5 0 年代末晶闸管的问世以来，电力电子器件至今已经经历了三个平 台”：( 1 ) 晶闸管( s c r ) ，( 2 ) g t r 和g t o ， ( 3 ) m o s f e t 和i g b t 。而且，电力 电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、集成化、智能化等方向发展。 目前，用于交频传动的电力电子变换器从结构上可分为两种：即交交变频器和 交直交变频器”1 。交交变频器是将电网的交流电直接变换成电压、频率均可控制的 交流电的变频器。其突出的优点是变换中间环节少，变换效率高，缺点是输出频率 最高一般只能达到电网频率的1 2 或l 3 ，因此调速范围受到限制，应用也局限于一 些低速的大功率传动场合。 交直交变频器是把工频电源先经过整流变为直流电源，再通过逆变器把直流变 为频率、幅值均可调的交流电的变频器。和交交变频相比，它多了一个能量贮存环 节。能量转换效率有所降低，但由于调速范围广，控制性能好，因此获得了更为广 泛的应用。根据中间直流电源性质的不同，交直交变频器又可分为电流型和电压型 两种。 电流型交直交变频器采用大电感作为直流环节的储能元件，其输出的电流波形 为方波或阶梯波。电流型变频器的优点是通过直流环节电压反向可以很方便地把电 南京航空航天大学硕士学位论文 机处于再生发电状态时的能量反馈给电网，使电机很方便地实现四象限工作而不需 要其它附加环节。但是它的缺点是电压谐波比较大，会引起电机转矩有脉动，影响 控制精度，而且由于直流环节大电感的存在，电流变化速度受到限制，影响了系统 的动态响应速度。另外，电流型变频器需要具有对称电压阻断能力的器件，因此， 当使用i g b t 或逆导型g t o 时需要串联上一个二极管。目前电流型交直交变频器一般 只用于要求频繁加减速的大容量电机传动，而且在最近几年的发展中，电流控制的 电压源变频器在工业应用中已逐渐替代了电流型交直交变频器。 电压型交直交变频器采用大电容作为直流环节的储能元件，其输出端电压波形 为方波或阶梯波。根据输出端电压和频率控制实现方式的不同，电压型变频器又可 分为电压型p a m 变频器和电压型p w m 变频器。电压型p a m 变频器的变频和变压由两 个独立环节构成；逆变器只负责频率控制，整流环节则通过控制中间直流环节的电 压i 嚆值来实现对变频器交流输出电压的控制。这种变频器的缺点是输出电压波形一 般为方波，谐波含量大，同时电压控制般采用晶闸管相控整流，不仅使整个控制 电路变得复杂，系统的可靠性相应降低，而且导致低压输出时整流侧的功率因数低 下而影响系统总的功率因数。此外，输出的电压和频率需要分别控制，特别是可控 整流响应时间的存在，影响了系统的动态响应速度。p a m 型变频器是高性能电力电 子开关器件成熟以前采用的变频实现方案。除了一些要求高压大容量的特定场合， 现在已经很少使用。 而采用p w m 技术，使能够同时完成变频变压的电压型p w m 变频器具有以下突出 优点： ( 1 ) 由于变频变压都由逆变器来完成，因此p w m 变频器整流环节一般采用二极 管不控全波整流，这样就克服了p a m 变频器网侧功率因数低的缺点，同时变频器整 体结构也变得更为简洁，可靠性更高： ( 2 ) 由于采用了p w m 高频开关控制，变频器输出电压电流谐波含量大幅减少， 转矩脉动相应减少，性能得到了提高： ( 3 ) 由于不存在电压反向，电压源p w m 变频器不需要用反向阻断器件，非常适 合使用于m o s f e t 和i g b t 这些最新的电力电子器件； ( 4 ) 采用p w m 技术的变频器具有很高的器件开关频率，因此输出电流响应速度 大大提高，为矢量控制等高性能控制方式提供了必要的条件。 由于上述显著的优点电压型p w m 变频器已经获得了非常广泛的应用，所以本 文设计的变频器也将采用采用电压型p w m 交直交变频器。 目前，采用高速功率器件的电压型p 州变频器的主导控制技术有m ： ( 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 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。 基于s v p w m 技术的感应电机变频调速系统研究 一一 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”，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，适台数字化方案，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。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速 系统在静、动态性能上无法与直流传动相比拟的问题。由于矢量控制对转速和转矩 有良好的控制特性，速度调节精度好，因而成为交流调速领域中的高性能技术而得 以应用。传统的矢量控制技术多采用s p w m 的电压源逆变器，而如果能将其中的逆变 器部分采用电压空间矢量控制技术，通过对电压源逆变器的输出状态即电压矢量的 控制，可以得到逼近圆形的磁量轨迹，这样就可以大大减小电机的转矩脉动和谐波 电流。近年来，国内外学者对此表现了浓厚的兴趣。 当今世界高速和超高速电机已被广泛运用于诸如高速磨头、涡轮分子泵、离心 机、压缩机、飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域。传统的，为高频电动机提供 高频率电源的是高频发电机组，随着电力电子技术，和微电子技术的发展，高频逆 塑塞塾至塾丕茎堂婴主堂垡堡三 一一 变器无论是在高频化方面，还是在性能上都有了长足的进步一然而，目前国内市场 上输出在5 0 0 h z 以上的高性能、高频变频器基本上都是进口的。因此，在国内研制 性能好、成本低的高频专用变频器一定是大有可为的a 1 2 2 数字控制技术的发展现状 当今微电子技术的惊人发展以微处理器为核心的数字控制已成为现代电气传 动控制的主要形式。相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统的优点有： ( 1 ) 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本； ( 2 ) 改善系统可靠性，经验表明，正确设计微机控制系统的可靠性大大优于电 机控制系统中的其他原器件； ( 3 ) 数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响； ( 4 ) 可以设计统一的硬件电路，以适合不同的电机控制系统。软件设计具有很 大的灵活性，可以有不同的版本，还可以加快产品的更新换代： ( 5 ) 可以完成复杂的功能，指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数 据处理、故障自诊断、状态估计、触发控制、p w m 脉冲产生、坐标变换等。 对于单台生产设备的电气传动，一般只要构成微处理器一电力电子变换器一电机 系统就可以了。如果控制和管理的任务比较复杂，可采用多微机系统，这时，在各 台微机之间必须建立数据通信通道。目前，电气传动控制中常用的微处理器有：单 片机( s c p ) 、数字信号处理器( d s p ) 、精简指令集计算机( r i s c ) 和包含微处理器的 高级专用集成电路( a s i c ) 等，其中又以电机控制专用型d s p 最受交流调速学术界和 工程界的喜爱。 d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时 快速地实现各种数字信号处理算法。1 。与一般的c i s c 微处理器相比，d s p 器件具有 较高的集成度，专用的d s p 具有更快的c p u ，更大容量的存储器，内鼹波特率发生 器，和f i f o 缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a o 和 采样保持电路，可提供p w m 输出。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序 和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水 线，使d s p 器件具有高速的数据运算能力。一般情况下，d s p 器件比1 6 位单片机单 指令执行时间要快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度 专业化的指令集，提高了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。 在众多的d s p 芯片中，最成功的应为美国德洲仪器公司的t m s 3 2 0 系列产品。t i 公司自从1 9 8 2 年推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 后，推出了从t m s 3 2 0 c 1 x 到 t m s 3 2 0 c 8 x 多代d s p 芯片。t i 公司在几年前还提出了“d s p 解决方案”( d s p s ) 的理念，并将公司的战略重心转向了d s p 。t i 的系列d s p 产品是世界上最有影响的 d s p 芯片，t i 公司的d s p 市场份额占5 0 左右。 茎王型! 型垫查塑壁查皇垫窭塑塑堡墨竺婴耋一 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系列的d s p 芯片是t i 公司最近推出的c 2 0 0 0 系列d s p 中的一个 子系列，是t i 公司针对数字电机控制而设计的。它将高性能的d s p 内核和丰富的微 控制器外设功能集于单片i c 中。从而成为传统的多微处理器单元( m c u ) 和昂贵的 多片设计的理想替代产品。l f 2 4 0 7 a 执行速度可达4 0 m i p s ，几乎所有的指令都可在 2 5 n s 的单周期内完成，这使得l f 2 4 0 7 a 可实现更强大的控制功能，其具体内部结构 和功能将在硬件设计一章中介绍。 总之，正是有了高性能的d s p ，才有可能突破传统微处理器计算速度慢、外围 电路设计复杂等缺点，将空间矢量p w m 技术融合于先进的电机矢量控制算法中去， 并为将来高速、超高速电机全数字化、高性能控制的实现，提供有利的保障e 1 3 本文研究的主要内容 如前所述，由于s v p w m 技术的各种优点，使其应用范围逐渐变大，且已有取代 s p w m 控制的趋势。本文的研究先从电力电子变换器入手，探讨了电压空间矢量p i v m 逆变器的工作原理及其优化开关模式；接着采用t i 公司为电机控制而专门设计的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为数字控制芯片，设计了高性能的电机数字控制平台；最后对基 于s v p w m 技术的感应电机开环、闭环控制方案进行了研究，包括系统建模、仿真、 实验和分析等。具体研究工作如下。 ( 1 ) 本文第二章从研究s v p w m 调制中零序信号与零电压矢量和非零电压矢量之 间的关系入手，探讨了s v p w m 的优化调制方法，以开关损耗最小为目的，找出了三 种开关损耗小、适用于高频化逆变器的优化开关模式。对传统s v p w m 算法实现复杂 的缺点，文中还改进了s v p w m 的数字化算法。 ( 2 ) 在第三章中对s v p w m 技术的各种优化开关模式进行对比仿真研究。接着， 对s v p w m 技术应用于感应电机的矢量控制方案进行了探讨，提出了一种s v p w m 电压 源供电、感应电机转子磁场定向控制方案，并对该算法的可行性进行了仿真研究。 ( 3 ) 在第四章中，设计了一套较为完善的变频器样机，其中采用m o s f e t 和 i r 2 1 3 0 组成功率、驱动电路，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制电路的数字处理芯片。 ( 4 ) 在第五章中，利用d s p 汇编语言对基于s v p _ i 】p r i 技术( 三种优化开关模式) 的感应电机恒压频比控制、矢量控制等软件系统进行了设计。 ( 5 ) 在第六章中以一台普通感应电机作为控制对象，对基于s v p w m 技术的感应 电机恒压频比控制和矢量控制调速系统进行空载和负载实验研究。通过实验证明三 种优化s v p w m 调制模式的有效性，以及所提出的基于s v p w m 技术的调速控制原理的 实用性。在此基础上，文中还对台输出1 0 0 0 b z 的高频逆变器进行实验研究，为后 续的高速、超高速电机控制打下了理论和实验基础。 ( 6 ) 总结了全文内容，并指出了需要进一步研究的工作方向。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章电压空间矢量p w m 技术及其优化开关模式 p w m 技术已经广泛应用于各种领域。最早p w m 技术中使用的调制波是正弦波， 而在正弦波中注入零序信号方法的采用，引起了对非正弦p w m 调制技术的大量研 究。不同类型零序信号的注入，将产生不同类型的非正弦p w m 调制技术。与三相正 弦p w m 调制技术相比，三相非正弦p w m 调制技术可以提高输出线电压的线性调制 度。随着微处理器的发展，电压空间矢量调制法( s v p w m ) 已经成为一种被广泛研究 应用的三相非正弦p w m 调制技术，它具有易数字化，直流电压利用率高，谐波含量 低等显著优点”2 。本章从一些基本概念出发，介绍电压空间矢量调带4 法的工作原 理，探讨s v p w m 技术的数字化实现及其算法改进。通过研究各种零序信号与基本电 压矢量和零电压矢量的关系，文中总结出三种优化s v p 嗍开关模式。 2 1 p w m 技术的一些基本概念 基于载波的p _ l v m 技术是由调制波信号和载波信号调制而成，按这两个调制信号 的相对位置，可以将p w m 技术划分为两类”3 ： ( 1 ) 线性调制指调制波信号峰值小于等于载波信号峰值的调制。 ( 2 ) 非线性调制指调制波信号峰值大于载波信号峰值的调制，其对应输出 波形的t h d 较大。 c “d 图2 1 基于载波的p w m 调制 图2 - 2 三相p w m 逆变器 图2 l 为基于载波的p w m 调制图，在线性调制下，由图中可以得到 屯+ ， 一= ”( 后) t 1 “+ = + 1 + “( 七) 】t 。( 2 - 1 ) 1 t 一= 1 一“( 尼) t 其中+ 和一是第露个p w m 周期中脉冲的起止时刻，”( 七) 为占空比。 基于s v p 删技术的感应电机变频调速系统研究 例2 - 2 为三相p w m 逆变器不意图，在线性调制范围内，若忽略高次谐波，可得 输出电压u w u 。= e 2 + 虬，( f = a , b ，c ) 。( 2 2 ) 其中n 为直流母线中点，e 为直流母线电压，q 为调制波。 设调制波表达式如下 蚱) = j ( f ) + 。，0 ) 。( 2 3 ) 其中e i ( f ) 为注入的谐波，“撕) 为基波信号即三相正弦波 “：= m c o s o a f o s ( 耐一等) 。 4 ) o s ( 删+ 争 脚为调制系数，且“：+ “：+ “：= 0 ，由( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可推出输出电压如下 u o n = 詈脚c d s r o t + q ( ，) 】 u 。= 争脚c 。s 一孥) 托m ( 2 _ 5 ) = 导沏( c o s r o t + 竽) 屺( ，) 】= 詈沏( c+ 等) + q ( ，) 】 则线电压，。，计算如下 吣u o a o 一o ) = 詈而c o s h 刳 u b c ：u b n o ) 饥( r ) = 鲁c o s 卜孙 ( 2 - 6 ) 吣u “( t ) - u o a o = 鲁矗c o s h 詈 根据( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 及降 l 1 可知，线电压的峰值将小于等于e ，可见线性调制 的p w m 技术调制系数m 最大值可达2 j 并且有m 1 1 - “：。( f ) sp ( r ) i 一“：。( f ) 。 ( 2 7 ) 其中“：i 。( r ) 2 m i n o l “：( f l “：( ，) ) ，“纛( f ) = m a x 0 ：似“：( f l 。：( f ) ) 。 由( 2 - 6 ) 可知，线电压中已没有谐波成分8 ，o ) ( 或称零序信号川) 了。 由以上的分析可以看出，注入的谐波成分q ( f ) 是影向p w m 调制输出特性的主要 原因，由式( 2 - 3 ) 可得 e i ( ，) = 0 。( ) + o ) + 坼( f ) ) 。( 2 8 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 当p “) ：0 时，由式( 2 3 ) 可以看出调制波是三相正弦波，所得的p w m 调制即 是常见的s p f f mi n , s q 法。根据( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 及 “酝j l 可知在s p w m 线性调制下， 其调制度川。= 1 ，对应的最大输出线电压幅值为3 2 e 。 而当t 0 时，则调制波将为非标准正弦信号，对应的p w m 调制为非正弦p w m 调制“，且不同的g ( ，) 信号将会导致不同的调制结果( 如s v p w i 调制技术，具体见 下= 审介绍) 。取适当的e 0 ) 信号时，可以提高p w m 线性调制范围”3 ，比如 1 巳( f ) = m 6 e o s ( 3 c o t ) ! a , 寸，可由以上表达式得出m 。= ，对应的最大输出线电压幅 吖j 值为e 。 2 2 电压空间矢量p 嘲技术及其算法改进 2 2 1 电压空间矢量与磁链空间矢量 电压空间矢量p w m 技术是s p w m 技术与电机磁链圆形轨迹直接结合的一种方法。 它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，实现起来也很方便。通过在每相调制 电压中，注入相同的3 次谐波e ，( f ) ( 即零序信号) ，使得合成相电压对直流电源中 点n 的峰值降低，这样较s p w m 方法可以提高直流母线电压利用率。 对图2 2 中所示三相逆变器作如下开关定义，用“1 ”代表逆变器上桥臂的开状 态，对应桥臂输出。= e 1 2 ，o代表逆变器上桥臂的关状态，对应桥臂输出 u , n e 2 ，n 为直流母线中点。这样三个桥臂可以得出8 种开关状态组合，即8 个 电压矢量u o = 0 0 0 】，u 7 = 1 1 1 】，如图2 - 3 所示。 g 障c ev e e t 时聃t 肖，从 。，眦扣 蕊蕊川孑 艇 躞“一 1 5 ( 0 0 j j z 二ys e 蠼- 始 u 6 ( 1 0 1 ) 图2 - 3 电压空间矢量分布图 如果以a 相电压作为参考轴( 图2 3 中a 轴) ，则根据式( 2 3 ) ，采用复数坐 基于s v ! 型垫查塑堕查皇垫銮堕塑望墨堕婴塞一 _ 一 标可表达电压空间矢量如下4 1 孑= ( o + 盘u 州+ a2 州) = 0 ：十倒：+ 口2 “：+ t + 船，+ 口2 。，) = 0 ：+ 础：+ 口2 掰：) 。 ( 2 9 ) 墅， 式中口为向量算子，a = p j 3 = 一 + j 孚。 由( 2 - 9 ) ，可得l 1 1 ( 1 0 0 ) 的矢量表达式为 两：f 2 - e l z 。，孚一e 2 。，等 ：和。 l 同理有瓦：e e 一，瓯= e g j 竿，瓦；e e l t ，瓦：e e ”，瓦：e e ”，瓦：0 e e e ee e e ee e0 ， 同理有以=”，u ，3 ，u =，=一，乩=，砜= ， 西；0 。其中，六个非零电压矢量的顶点组成了个正六边形，如图2 - 3 所示。 电压空间矢量对时问的积分即为磁链空间矢量的轨迹，即= ju d t ，磁链增 量孑：西a t ，则瓦：e e 7 垮r ，女：1 , 2 ，3 6 。六个磁链矢量也组成了一个正六边 形，如图2 4 ( a ) 所示。 假定- - 十1 1 逆变器的负载是感应电机，则存在如下关系 y = j ( u 。一i , r 。) d t 。 ( 2 1 0 ) 式中r 为电动机原边绕组电阻。当忽略r 时， 孑= j 西出。 ( 2 1 1 ) 设理想磁链的轨迹方程 y l o = r e x p ( j c o t ) 。 ( 2 - 1 2 ) r 为圆轨迹半径，其对应的理想电压矢量运动方程为 西= j r c o e x p ( ，耐) = r e x p f 耐+ 等l 。 ( 2 1 3 ) r s ( 0 0 i ) = c ，5 i u 10 l d r 6 ( 1 0 1 i s u 6 ( l o i ) 图2 - 4 磁通轨迹图 可见电压矢量的相位超前磁链矢量9 0 度，在空间上其理想轨迹也是一个圆。磁 链空间矢量的扇区划分是以电压矢量正六边形各边中点为界，空间上滞后电压矢量 1 0 壹塞堕至堕丕查主婴主兰垡迨墨一 扇区9 0 度来确定的，如图2 - 4 ( a ) 所示。图2 4 ( b ) 表示了扇区1 中两个磁链矢量 和矿。合成磁通轨迹使之趋于圆形的过程，图中小圆点为零磁链矢量( 对应于 零电压矢量) 的作用点，其目的在于调整p w m 调制周期。因此，通过控制逆变器的 开关状态改变电压空间矢量的作用方向和作用时间，就可以达到感应电机定子磁链 空间矢量沿圆形轨迹匀速运动的目的，这就是电压空间矢量的基本作用原理。 2 2 。2 电压空间矢量算法中时间参数的计算 假设参考电压矢量孑以角速度曲匀速旋转，当西处于第1 个扇区时，其将由 西，一u 2 两矢量合成，由平均值等效原理，可得 e t 1 + e c o s - ；t 2 = 如吲c o s 酬 e s i n 冬- t 2 = 乃吼s i n 耐 。( 2 - 1 4 ) ii 3 0 丘对6 0 0 其中，t s 为开关周期；t 1 ，t 2 为开关矢量u ，【，；的作用时间； 若令f 西i ：m e ，m ：4 3 + m ，则可求出t 1 ，他如下剐 t 1 = 所+ 五c o s ( 耐十3 0 。) 3 “ t 2 = m 巧s i n ( 耐) 丁o + 7 = 办一t i t 2 0 c o t 6 0 。 同理，可以推出其他五个扇区内各基本电压空间矢量的作用时间。 以看出电压空间矢量调制中，线性调制和非线性调制的临界条件是 ( 2 - 1 5 ) 从上式还可 乃= t 1 + t 2 ，o1 ol 1 u ， t 7 = t o = 0 在空间矢量图上，线性调制的临界点为六个非零矢量构成六边形的内切圆，此 ： 时参考电压矢量l 冽= m e ：半e 对应的最大输出线电压幅值为e 。当t i + t 2 t s f z 时，为非线性s v p w 4 调制，上述线性调制的算法将不再适用。 2 2 3 电压空问矢量算法中时间参数的算法改进 式( 2 - 1 5 ) 已经给出s v p w m 中基本电压矢量时间参数的求解方法，这种解法在 参考电压矢量u 的幅值和相位已知的条件下，可以大大精简控制算法。然而，在电 机调速控制算法中，如常见的矢量控制中，电压的给定量通常是由电流内环i d 、i q 的双闭环p i 调节得出，或是文献 3 中所述对i d 、i q 进行定子电压解耦得 墨王翌! 型垫查盟壁壁堕型! 銮塑塑婆墨堑型塑一 ，u 。n 再经过p a r k 反变换得来的，即最终的电压给定量为静止坐标系下的 u 。，u 。 ，而此时再采用以上关于时间的求解算法则需先把电压给定量转换为参考 电压的矢量表达式，即西，这必然会加大指令开销，不利于快速实时控制，所以有 必要对( 2 - 1 5 ) 的求解方法进行改进。 设口，口为固定于定子的坐标轴系，且a 轴与电机a 轴重合，轴超前d 轴9 0 度。通过公式( 2 - 1 7 ) 可以进行磁势不变的坐标变换，得到对应于u i u 6 六个非零 电压矢量在口，口坐标轴系上的表示，如图2 - 3 所示，u 1 对应s 1 ( 2 3 ，0 ) ，u 2 对 应s 2 ( 必，y 斤) 等。 盼匿蛩翻斟 一 。l ”m j 设t l 、t 2 分别为同一扇区两相邻非零矢量【，j ，u 。在同一个p w m 周期中的作用 时间，t o 为零矢量作用时间，由s v p 州的原理可得 耳+ u 0 = n + 叱+ 7 2 + + t o + ( v o o r v o 。 ( 2 1 8 ) 由( 2 - 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 可以推导出一个求t l ，t 2 和t 0 的新方程组( 2 1 9 ) 扩l ，y 2 1 。= 瓦【s x ，s 】u ，d t o = 瓦一t 1 一t 2 。( 2 - 1 9 ) 昕e f = 。，u 口j 。 对于式( 2 - 1 9 ) ，在软件中的求解是：首先根据参考电压矢量所在的扇区s ( s = o ， i ，2 ，3 ，4 ，5 ) ，作一个由【最，品+ - l 组成的长为2 4 的表格，存入d s p 的数据存 储器，在程序运行中进行查表计算，快速完成矩阵运算，该算法所需指令少，占用 d s p 资源少，适合于实时控制要求较高的场合。此外，无论电机采用v f 控制还是 矢量控制，都可以采用这种改进的算法。 2 3 电压空间矢量p w m 技术优化开关模式的研究 由上节中s v p w m 算法的推导可以看出只要两个零电压空间矢量作用时间满足 丁o + t 7 t st 1 t 2 ，即可实现s v p w m 算法，与两个零矢量如何组合使用无关。两 个零电压矢量作用时间的不同组合，可以产生不同的电压空间矢量调制模式。再由 2 1 节的分析可知，p w m 的调制特性与调制波中注入的零序信号e ，o ) 密切相关，因 此，寻找优化的s v p w m 调制模式可从分析各电压空间矢量与零序信号的关系入手。 2 3 1 s v p w m 调制中零序信号与基本电压矢量的关系 图2 - 5 给出了扇区l 中p w m 调制与电压空间矢量的表示图。根据式( 2 2 ) 和伏 秒积等效定理可得“” 塑壅塑窒堕鲞奎兰堡主堂壁迨壅 一 u 。n = 缸托，班= e ( t 1 + t 2 + t 7 - t o ) 孔= 扣屺b = 罢仃z 们棚划) 。 乃= 弘 ，如= e ( - t 1 - t 2 + t 7 - t o ) = ( r l + r _ z + f r 一7 - r o ) = ( t 2 + t 1 7 f - t 一0 - t 1 ) 。 “。51 t 2 i + t 7 t o ( _ 丁1 一 一 ) 图2 5p w m 调制及其电压空间矢量表示图 表2 - 1 零序信号与空间矢量图 j 。wb 尼 0 ，m 扇区电压空间矢量零序信号 1t s = t 1 + t 2 + ，o + r 7 牡( t 乃o3 t 乃1 i 3 t 乃2i 筹) 2t s = r 2 + r 3 + r o + r 7 p ，t 乃o l 3 t 乃23 t 乃3i 筹) 3t s = t 3 + t 4 + t o + t 7 q 岫t 乃o3 t 乃3 i 3 t 弛4i 筹) 4t s = t 4 + t 5 + t o + t 7 e ，i s ) = 3 l so ，i t s 4i s 豫5 i t n 7 ，a 5t s = t 5 + 丁6 + r o + r 7 e ，i ) s ( t 3 l s3 ，i 5 s ii s 乃6 i t 乃7 ，x 6t s = t 6 + t 1 + t 0 + t 7 q i so 3 i ，t 乃i ，t 乃sl 筹) 由( 2 - 8 ) ( 2 - 2 1 ) 可得零序信号的基本电压空间矢量表达式为 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 1 3 基t - s v p w m 技术的感应电机变频调速系统研究 岛( ，) = o 。( f ) + o ) + “。o ) ) 一罢一；筹+ j 1 万t 2 + 万t 7 。 ( 2 垅) 同理可求其他扇区中零序信号的表达式，表2 - 1 列出了六个扇区的q ( r ) 表达式。 2 3 2s v p w m 调制中零序信号与零电压矢量作用时间的关系 前面已经指出只要满足t o + t 7 t s t 1t 2 ，则两个零电压矢量的任意时i n 分 配，都可以实现电压空间矢量调制，不同的零电压矢量时问分配方式，将导致不同 的s v p w m 调制。以下研究注入不同零序信号后的零电压矢量时间分配情况。 图2 - 6 画出了三相调制波在未注入零序信号前的扇区分配示意图。 1 当q o ) = 0 时，p w m 调制即是正弦脉宽调制( s p w m ) ，其调制波如图2 - 6 ，为 比较方便，在图2 - 7 ( 1 ) 中重画出来，由公式( 2 - 1 9 ) ( 2 2 2 ) 可以求出 7 1 0 = i s 、 1 一m c o s ( 妒) ) 丁，：乃一r ，一，z r 。：萼( 1 - m c o s ( 伊一号 ，。 2 2 3 2 当e ，( f ) = _ mc o s 0 妒) 时，p i n 调制是三次谐波