（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的矢量控制变频调速系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t n a m e l ya l o n gw i t h t h er a p i d 、d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h e e l e c t r i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi s b e i n g f a c e dw i t hah i s t o r y r e v o l u t i o n ，i th a sb e c o m ed e v e l o p m e n tt r e n dt h a tt r a n s f e r r i n gs p e e d r e p l a c e sd i r e c tc u r r e n ta c c e n ts p e e da n dc o m p u t e rd i g it a lc o n t r o l t e c h n o l o g yr e p l a c e st h es i m u l a t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ee l e c t r i c a l f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi so n ek i n do fm a j o rm e a n so fp r o m o t i o n t e c h n o l o g yt os a v ee n e r g ya n di m p r o v ep r o c e s sf l a wi no r d e rt or a is e t h ep r o d u c tq u a l i t ya n di m p r o v ee n v i r o n m e n t f r e q u e n c yc o n v e r s i o ni s g e n e r a ll ya c k n o w l e d g e db yt h eh o m ea n da b r o a dt h a ti th a sag r e a tf u t u r e w i t he x c e l l e n ta c c e n ts p e e d ，ab r a k ec a p a b i l i t y ，e x t e n s i v es c o p eo f a p p l i c a t i o n ，h i g he f f i c i e n c yr a t e ，g r e a tc r e d i tr a t ef a c t o ra n dj o i n t e l e c t r i c i t ye f f e c ta n do t h e rm a n ym e r i t s t h ev cm a k e sp e o p l es e et h a ti ns p i t eo fi n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l i sc o m p li c a t e d ：e q u a l l yt h ei n h e r e n te s s e n c et h a tt o r q u ea n dm a g n e t i c f i e l dw e r ec o n t r o ll e di n d e p e n d e n t l yc a nb er e a liz e d b u to w i n gt ov c s e l fc o m p li c a t e ds t r u c t u r ea sw e l1a sc a l c u l a t i o nc a p a c i t yi sb i ga n d o t h e rs h o r t c o m i n g ，itw a sr e s t r i c t e do nh is d e v e l o p m e n ta n d t h e a p p l i c a t i o ng r e a t l y a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o p r o c e s s o r t h i sk i n d o fc o n t r a d i c t i o nw a s s u r m o u n t e di nt h e e s p e c i a l l ye m e r g e n c eo fd i g i ts i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) g r a d u a l l yi n r e c e n ty e a r s v e c t o rc o n t r o li sb a s e do nm 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 y c o n v e r s i o na n dv e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c hc u r r e n ti sd e c o m p o s i n gt w od cp a r t sw h i c ho r i e n t a t e d a st h er o t a t o rm a g n e t i cf i e l da n dc o n t r o ll e dr e s p e c t i v e l y s om a g n e t i c f l u xa n dt o r q u ea r ed e c o u p l e d 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 ra s aa s y n c h r o n o u sw a y a c c o r d i n gt ot h eh i g h l yd e v e l o p m e n to fd s pt e c h n o l o g y ，t h ea r t i c l e s e l e c t st m s 3 2 0 f 2 4 0o ft e x a si n s t r u m e n ta sm a i np r o c e s s o r ，w ed e v e l o p o n ef 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 ds y s t e mw h i c hb a s e do nv e c t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1li 页 c o n t r o lp r i n c i p l e 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 mt e c h n i q u eh a v em a n yg o o d q u a li t i e s ，s u c ha sl e s sp u l s a t i n g t o r q u e ，h i g h e ru s eo fd cb u s v 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 n p e r f o r m a n c e s oi ti sa p p li 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 rc o n t r o l s 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 n m a c h i n e 7 ss p e e dr 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 mi n v e r t e ri s i n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s ，w h i c hi n c l u d i n gm a t h e m a t i cm o d e li 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 n a n de x p e r i e n c e a tl a s t ，r e a l i z i n gr o t o rm a g n e t i cf o cb a s e do nd s p e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h es y s t e mi sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e s k e y w o r d s ：v v v f ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) ：s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p 删i ) 西南交通大学凹南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密畎使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名： 日期： 吁办1 7 觑 孔_ 曲 名 i 戳 w 储7 文 工 | | 呷 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 够於职 ，、i ) 翻， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展和现状 电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、 日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的6 0 一7 0 ，成为用电量最多的电 气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两 大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分 为同步电动机和异步( 感应) 电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占 电机总用电量的8 5 左右h 羽，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中 的重要地位。 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使 电动机具有较高的机电能量转换效率：二是根据生产机械的工艺要求控制和 调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动 生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力 传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称 之为直流调速系统：以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称 之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异 步电动机调速系统。 众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环 直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性啪1 。因此，长期以来在变速传 动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机的机械式换 向器和电刷存在以下弱点，这给直流调速系统带来了不足。 1 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有极限容许值，这就限制 了电机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度 和成本，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产中，对转速要求高、大 功率的场合采用直流调速方案时都是采用低压大电流直流电机，因而导致高 损耗。 2 为了使机械式换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，导 致电机转动惯量很大。对于要求快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难 以实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换，使得直流调 速系统维修工作量大，维修费用高，也直接影响正常的生产。 4 在易燃、易爆、多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合更不宜使用直流电 动机。 由此可见，这将使得直流调速系统的应用也相应受到了限制。然而，采 用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这 些限制呤9 | ，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚 固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制 等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机 所存在的问题未能得到较好的解决，只有一些调速性能差、低效耗能的调速 方法啪1 ，如： 1 绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。 2 鼠笼式异步电动机定子调压调速方法( 自耦变压器、饱和电抗器) 及后 来的电磁( 滑差离合器) 调速方法。 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界 各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学 技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。 从此，交流调速理论及应用技术得到了较快的发展，大致体现在以下几个方 面。 1 电力电子器件的蓬勃发展促进了交流技术的迅速发展和交流调速装置 的现代化 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流 调速的发展。2 0 世纪8 0 年代以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。 装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。8 0 年代中期以后用第二代电力电子器件g t r ，g t o ，v d m o s i g b t 等制造的变频装 置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美h3 | 。随着电力电子器件向大 电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向的继续发展，第三代电力电子 器件是2 0 世纪9 0 年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置 ( 1 - 1 0 0 0 k w ) 主要是采用i g b t ，中、大功率的变频调速装置( 1 0 0 0 一1 0 0 0 0 k w ) 采 用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代。如： 高压i g b t 耐压水平由1 2 0 0 v 提高至l j 3 3 0 0 v 。构成变频器容量达至i j 6 0 0 0 k v a 输出电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 等级达至, j 4 1 6 0 v i g c t 其耐压及容量保持了g t o 的水平。目前实用化的i g c t 变频器容量6 0 0 0 1 0 0 0 0 k v a ，输出电压等级达至u 3 3 0 0 一- 6 0 0 0 v 。 i e g t 把i g b t 器件和g t o 器件二者优点结合起来的注入增强栅晶闸管。 s g c t 等 第四代电力电子器件模块化更为成熟。如：智能化模块i p m 、专用功率器 件模块a s p m 等。 2 脉宽调制( p w m ) 技术 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，为交流调速技 术的普及发挥了重大作用。 脉宽调制技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本可分四类，即等 宽p w m 法、正弦p 1 ：l m 法、磁链追踪型p w m 法及电流跟踪型p w m 法旧。p w m 技术的应 用克服了相控原理的很多弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电 压和电流，提高了整个调速装置的功率因数和输出效率。目前p w m 生成电路大 多采用具有高速输出口h s o 的单片机( 如8 0 1 9 6 ) 及数字信号处理器d s p ，通过软 件编程生成p w m 信号。近年来，新型全数字化专用p w m 生成芯片h e f 4 7 5 2 ， s l e 4 5 2 0 ，m a 8 1 8 等达到实用化，并己经实际应用。 3 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的 基础 交流电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状 态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩 分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制 过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调 速最终取代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多 的采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速 系统的优越性高于直流调速系统。 受矢量控制启迪，近年来又涌现出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控 制以及直接转矩控制等方法h 钊。针对电机参数时变特点，在矢量控制系统中 增加了自适应控制技术。毫无疑问，矢量控制技术在实践应用中将会更加完 善，更具有实际应用价值。 继矢量控制技术之后，2 0 世纪8 0 年代中期德国d e p e n b r o c k 教授首先取得 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了直接转矩控制技术实际应用的成功。近十几年的实际应用表明，与矢量控 制法相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电动机直接 转矩控制也是一种很有前途的控制技术。目前，采用i g b t ，i g c t 的直接转矩 控制方式引的变频调速装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。 4 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代 交流调速系统提供了重要的技术手段和保证 早期的交流调速系统的控制器( 或系统的控制回路) 多为由模拟电子电路 组成。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器 d s p 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用以及大规模集成电路 的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。当今模拟 控制器己被淘汰，全数字化的交流调速系统已经得到普遍应用。 数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控 制1 ，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参 数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制 系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交 流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。 微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和 操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。 以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之 一。用于交流调速系统的微处理器发展情况如下： 1 单片机 就组成而言，一片单片机芯片就是一台计算机，大大缩小了控制器的体 积，降低了成本，增强了功能。随着单片机性能的不断提高，单片机具有了 丰富的硬件资源和软件资源。然而，单片机对大量数据处理或浮点运算能力 有限，因此有待于进一步提高运算速度。 2 数字信号处理器( d s p ) 为了提高运算速度，在2 0 世纪8 0 年代初期出现了数字信号处理器，其中 采取了一系列措施h 引，包括集成硬件乘法器、提高时钟频率、支持浮点运算 等，以提高运算速度。近几年来，将d s p 做成磁芯，把p 删生成、a d 变换器等 集成于一个芯片上，成为一种高速的单片机。 3 精简指令集计算机 r i s c 在1 9 8 6 年前后问世，它是将控制器、p w m 、a d 等归纳一体作成芯片， 是计算机体系结构上的一次突破，使微处理器在性能上获得了质的飞跃。在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 r i s c 以前，微处理器的进步往往只靠改进v l s i 硬件的工艺，来提高时钟频率 和微处理器速度。r i s c 则把着眼点放在经常使用的基本指令的执行效率上， 依靠硬件与软件的优化组合来提高速度。在r i s c 中，扬弃了运算复杂而用处 不大的指令，省出这些指令所占用的硬件资源，以提高简单指令的运行速度。 自r i s c 诞生以来，经过十多年，其工作速度己从2 - 3 m i p s ( m i p s 表示每秒百万 条指令) 提高到1 0 0 0 m i p s 。 4 高级专用集成电路 a s i c 也称为适合特定用途的i c ，是专用芯片的标准单元、门阵列合在一 起的内部门阵列和作为程序使用的可编程逻辑阵列、可编程序阵列的结构。 能完成特定功能的初级专用集成电路早已商品化，现代高级专用集成电路的 功能远远超过一个发生器，往往能够包括一种特定的控制系统。 交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了 交流调速的飞速发展：现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应 用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创 造了技术和物质条件。 实践证明，交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨 大的经济和社会效益。现在，交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。交 流调速在电气传动领域中占据了统治地位己是公认的事实。 1 2 交流调速系统的类型 根据被控对象交流电动机的种类不同，交流调速系统可分为异步电 动机调速系统和同步电动机调速系统。 1 2 1 同步电动机调速系统的基本类型 由同步电动机转速公式，l = 6 0f n 。( 疋为定子供电频率，珂。为电动机极 对数) 可知，同步电动机唯一依靠变频调速。根据频率控制方式的不同，同步 电动机调速系统可分为两类，即他控式和自控式同步电动机调速系统。 1 他控式同步电动机调速系统 用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源叫做他控式同步电动机调 速系统。他控式恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例 如永磁同步电动机、磁阻同步电动机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 自控式同步电动机调速系统 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系 统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电 动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统可分为两种类型：负载换 向自控式同步电动机调速系统( 无换向器电机) 、交一交变频供电的同步电动 机调速系统。 1 2 2 异步电动机调速系统的基本类型 由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率己，可分为两 部分：一部分= ( 1 5 ) 巴是拖动负载的有效功率：另一部分是转差功率 只= s 尸卅，与转差率s 成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网， 可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可 以把异步电动机调速系统分为三类。 1 转差功率消耗型调速系统 将转差功率全部转换成热能的形式而消耗掉。晶闸管调压调速属于这一 类。这类系统的效率最低，是以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降 低。但是由于这类系统结构最简单，所以对于要求不高的小容量场合还有一 定的用途。 2 转差功率回馈型调速系统 将转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网。转速 越低，回馈的功率越多。绕线式异步电动机串级调速和双馈调速属于这一类。 显然这类调速系统效率最高，但系统的功率因数低。 3 转差功率不变型调速系统 转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论 转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高。变频调速属于此类。 目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能 的交流调速系统。变频调速技术及其装置仍是2 1 世纪的主流技术和主流产品。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要完成以下几项任务： 1 详细分析空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术的基本原理，重点阐述 磁链追踪型p w m 法的思想。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 对s v p w m 法的基本调制方式进行详细地分析，在此基础上列出s v p w m 的两种主要的调制模式并进行比较；同时将s v p w m 的隐含调制波显化，揭示出 s v p i 加v l 法与常规s p w m 法的内在联系。 3 对s v p w m 的控制算法进行详细地分析和推导，在前人研究的基础上对 现有的s v p w m 的控制算法进行了一些改善，对过调制和扇区过渡两种特殊情况 下的控制算法进行了详细地分析和推导。 4 利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 动态仿真工具实现s v p w m 控制算法的动态仿 真，验证改进之后的s v p w m 控制算法的正确性；同时在此基础上建立s v p w m 逆 变器供电下异步电机变频调速系统仿真模型，详细分析了系统的动态性能仿 真，并将之与常规s p w m 逆变器供电下的异步电机变频调速系统的动态性能进 行比较分析。 5 详细说明了交流电机数字控制系统中s v p w m 控制算法在d s p 中的实现方 法和步骤。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章异步电机变频调速的基本原理 传统的s p w m 控制技术主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，对 电流波形一般只能采取间接控制。而在实际应用中，异步电机需要输入电流 尽量接近正弦波，从而在空间上形成圆形旋转磁场，产生稳定的电磁转矩。 如果对准这一目标，按照跟踪圆形磁场来控制p 1 j i m 电压，那么控制效果就会更 直接；这就是“磁链跟踪控制”的基本思想h 副。磁链的轨迹是靠电压空间矢 量相加得到的，所以这种方法又叫做“电压空间矢量调制 ，即s v p w m 。s v p w m 技术最初是应用在电机调速领域的，后来扩展成为一种在整流逆变领域应用 广泛的p w m 方法。本节将从传统的磁链跟踪角度来介绍s v p w m 技术的基本原理。 2 1 电压空间矢量的概念 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n 1 ，如图2 1 。 c 图2 1 电压空间矢量 这是一个特殊的坐标系，a 、b 、c 分别表示在空间静止不动的电机定子三 相绕组的轴线，它们在空间互差1 2 0 。，三相定子相电压、u b 、u c 分别 加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量云爿。、云b 。、五f 。，它们的方向始 终在各相的轴线上，而大d , n 随时间按正弦规律做变化，时间相位互差1 2 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 假设虬为相电压有效值，厂为电源频率，则有： u 。( f ) = 面。c o s ( 2 n f f ) u b ( t ) = u 2 u 。c o s ( 2 n f t 一2 n 3 ) ( 2 一1 ) u 。( f ) = 扣。c o s ( 2 z f t + 2 n 3 ) 假设单位方向矢量万：一丢+ 粤，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 方( f ) 就可以表示为： 可o ) = 2 3 u 。( t ) + - p ( f ) + 万2 虬o ) 】= 丑l e j 2 矽( 2 2 ) 可见u ( t ) 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值；当频率不 变时，以电源角频率缈= 2 n f 为电气角速度做恒速同步旋转，哪一相电压为最 大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线e 。 2 2 电压矢量与磁链矢量的关系 当用三相对称正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢 量幅值恒定，并以恒转速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁 场( 磁链圆) 。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电动机提供可变电 源，并能保证电动机形成定子磁链圆心6 i ，就可以实现交流电动机的变频思想。 我们可以按照前面定义电压空间矢量的方法定义电流和磁链的空间矢量 ，( f ) 和、壬，( ，) 。因此有 - o ( f ) ：尺劢+ 掣( 2 3 ) a l 当转速不是很低时，定子电阻厅的压降相对很小，式( 2 3 ) 可以简化为 万( ，) d w - ( t ) ( 2 4 ) a l 或 甲( f ) v u ( t ) d t ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 因为 甲( f ) u t i m e 埘 ( 2 6 ) 所以 鳓：掣：峨：叱删( 2 - 7 ) 口l 式( 2 7 ) 说明，当磁链幅值匕一定时，u ( t ) 的大小与国成正比，或者说 供电电压与频率厂成正比，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 万弧度，其运 动轨迹和磁链圆重合。这样电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间 矢量运动轨迹的形状问题来讨论。 2 3 三相逆变器的基本电压矢量 图2 2 所示为三相p w m 逆变器供电给异步电机的原理图。利用这种逆变器 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 矢量圆形轨迹为目标，就可以产生谐波少的、且直流电源电压利用率较高的 输出心7 1 。图2 2 中的k k 是6 个功率开关管，引入开关函数s ，品和品，分别代 表三个桥臂的开关状态。 图2 2 三相p 聊逆变器一异步电动机原理图 规定：当上桥臂开关管“开 状态时( 此时下桥臂开关管必然是“关状 态) ，开关状态为1 ：当下桥臂开关管“开 状态时( 此时上桥臂开关管必然是 “关 状态) ，开关状态为0 。三个桥臂只有“l ”和“0 两种状态，因此开 关函数 5 ：r ( 胙以忍d 是一个二值变量，上桥臂器件导通时铲1 ，下桥臂器件 导通时串o 。( 鼠品鼢组合在一起，一共有8 种( 2 3 = 8 ) 基本工作状态， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 即：1 0 0 ，1 1 0 ，0 1 0 ，0 1 1 ，0 0 1 ，1 0 1 ，1 1 l ，0 0 0 。其中前六个工作状态是有效 的，称做非零矢量：后两个工作状态称作零矢量。 可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量i v 占u 必u 翻】与开关函数 i s 爿s 占s c 7 的关系为 褂怔 ( 2 8 ) 三相逆变器输出的相电压矢量眇一u b 】，与开关状态矢量 陋彳s bs o y 的关系为 一l 2 1 ( 2 9 ) 式中，玩是直流电源电压，或称总线电压。式( 2 8 ) 和( 2 - 9 ) 的对应关系可用表 2 一l 来表示。 表2 - 1 开关状态与相电压和线电压的对应关系 s s bs c乩u 仰u 虻u d 00o00o0o0 oo 1 一ud | 3 一u d 32 u d 3 o u du d ol0 一ud | 3 2 3 一ud | 3一u du d o 0ll 2 u d 3 u d | 3 u d | 3 一ud 0 u d 1002 3 一ud | 3一ud | 3 u d 0 一u d 10lud | 3 2 u j 3 ud | 3 u du d o 1lo u d | 3 u d | 32 u d 3 0 u du d 111o00 o o0 将表2 - 1 中的八组相电压值代入式( 2 - 2 ) ，就可以求出这些相电压的矢量 1，j 4 b c s s s ，。lr_j 0 1 4 9 1 所踯醣 ，。l1，j li 一 一 2 2 一 一 12j i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 和相位角，这八个矢量就称为基本电压矢量心圳，分别命名为j o ( 0 0 0 ) 、u 。( 0 0 1 ) 、 ( 0 1 0 ) 、既( 0 1 1 ) 、改( 1 0 0 ) 、玩( 1 0 1 ) 、玩( 1 1 0 ) 、饼( 1 1 1 ) ，其中踢，饼称为 零矢量。图2 3 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 幅值相同( 模长为2 伤3 ) ，相邻的矢量间隔6 0 。，而两个零矢量幅值为零，位 于中心。 表2 - 1 中的线电压和相电压值是在图2 1 所示的三相a _ 萨砰面坐标系中， 利用c l a 砝变换，可将三相a 书乇平面坐标系中的相电压转换到口一夕平面坐标 系中去。其转换式为 阱 r ， 1 剧1 一j 蚓。鱼 l 2 u 门 l ( 2 1 0 ) 己，c j 根据式( 2 - 1 0 ) ，可将表2 1 中与开关函数s 、s 、& 相对应的相电压转换 成q 一0 平面直角坐标系中的分量，转换结果见表2 - 2 和图2 3 。 表2 2 开关函数与相电压在q b 坐标系的分量的对应关系 s as b s cu 口u ， 矢量符号 00000 u o 0 0 l 一黯d一d u 1 0l o 一。鼬。 u 2 压 o1l 一1 弘 0 u 3 万 l0o 1 弘 o u 4 101 d 厅 一、如 氓 llo dd 玑 11l00 u ， kiiiii且 一2压一2一i 吾t 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 一1 、6 ，1 4 2 )( 1 1 0 ) ，( i 、f g ，l v o ( o o o ) y , ( 1 0 0 ) 4 5 ) ( 一1 拓，一1 4 5 ) o 4 9 ，一l 压) 图2 3 在复平面下三相逆变器的基本电压矢量图 2 4 磁链跟踪p w m 的基本思想 如图2 4 所示的三相电压逆变器电路中，如果忽略定子绕组电阻，当定子 绕组施加三相理想对称正弦电压时，由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量， 故气隙磁通以恒定同步角速度旋转，轨迹为圆。s v p w m 法就是以三相对称正弦 电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链为基准，由三相逆变器不同开关 模式所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪过程中，逆变器的开 关模式作适当的切换，从而形成p w m 波。 图2 4 三相对称正弦波电压驱动三相对称电动机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在三相对称正弦电压作用下，对于图2 4 中所示的三相电动机，如果忽略 定子绕组的电阻不计，则电动机各相磁链值可由式( 2 - 1 ) 进行积分得到： 岭等咖c 2 硼 匕= 等血c 2 斫一扣 c 2 一u ， 匕= 等s i 蝴+ 和 将式( 2 一1 1 ) 所示三相轴系的磁链进行坐标变换，由图2 4 中所示的三相 彳叼一渤系变换到图中所示的d q 轴系，其变换式为： 阱 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) 进行变换，得到手口轴系的磁链矢量： 叩，= 阱匕s i n 0 9 式中，匕为磁链圆的半径： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 匕：粤：石u ( 2 - 1 4 ) 2 万2 万 其中，厂为电源频率( h z ) ；u = 3 眈为电动机线电压有效值( d ；口：耐：2 斫 为电角度。 由式( 2 1 3 ) 、式( 2 1 4 ) 可知，当电压频率比u 厂为常数时，磁链圆半径 匕为常数。这样，随着秒( ，) 的变化，磁链矢量屹( 臼) 就形成一个以y 。为半 径的圆形轨迹，即得到一个理想磁链圆，如图2 5 所示。 在磁链追踪型p w m 法中，就是以此理想磁链圆为基准圆。磁链矢量与前述 的电压空间矢量一一对应，其大小与对应电压矢量持续的时间以及直流电压 现的大小有关。若假定8 种电压矢量对应的开关模式持续时间缃等心3 ，将不同 开关模式时作用于电动机三相绕组上的电压对丁进行积分，则可得三相磁链 在丁期间的增量【l k r ，将此三相磁链矢量增量( 以下简称为磁链 月 口 e匕 。一2万一22 笪2 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 秒= 二 ，。 茇一 水i 生万f 噼_ 7 8 ； 图2 5 由轴系中磁链矢量及理想磁链圆 矢量) 用式( 2 1 2 ) 中的变换阵，由彳书七三个轴系变换n d - q 轴系，可得图2 6 中所示如轴系的8 种磁链矢量，其大小可表示为： 州：j 序匕 t o 其中，鹎= r = 警丁。 非零矢量 ( 2 一1 5 ) 零矢量 j a 甲o o o ) 【1 1 0 ) 么一 。 吨甲( 11 1 ) 乙 心( 0 l o ) 甲( 例 王，( o 】1 ) 图2 6 逆变器驱动时电动机的磁链矢量 以上是假定6 种非零矢量开关模式下，玩、，都相等。而实际上，各种开 关模式下，中间直流电压玩不一定是一个定值，积分时间丁也不要求必须是 一个定值。当配或者丁不同时，图2 6 中各磁链矢量的大小自然也不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 将图2 5 n 示理想磁链圆作为基准圆，适当地使用图2 6 中8 种磁链矢量追踪基 准磁链圆。使用不同的磁链矢量，意味着使用不同的开关模式。开关模式的 切换，则形成逆变器输出电压p w m 波旧引。不难理解，如果这8 种磁链矢量能够 很好地追踪基准磁链圆，则逆变器输出三相电压也一定是三相对称的正弦p 1 j l m 波。这就是这种磁链追踪型p w m 法的基本思想。磁链跟踪p w m 技术，也就是s v p w m 技术，直接追踪基准磁链圆，使得逆变器输出三相电流为三相对称的正弦波， 因此这种控制实质上是一种直接电流控制方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第三章s v p w m 技术的调制方式 3 1 s v p w m 的基本调制算法 图3 1 所示为三相逆变器主电路。k k 为六个普通的功率开关器件，设直 流侧中点0 作为参考点，则上管导通时输出电压为u d 2 ，下管导通时输出电压 为一u d 2 。由上章所述可知，由图3 1 所示的三相逆变器共有八种开关状态。 代入由册以变换定义的电压空间矢量： u = 2 3 阢+ p 2 3 万u b4 e j 4 3 x 玑】= i u 一i e 2 斫( 3 - 1 ) ud | 2 ud | 2 z 图3 1 三相逆变电路主电路 则得到图3 2 所示的基本电压空间矢量图，包括六个有效矢量“一线，长度等于 2 玩3 ，以及两个零矢量踢、伤。 q ( o “( 0 1 0 ) 儿一。7 噬( 1 1 0 ) ) t ，久互 瓣。l 订酝蕊 心夥1 “( 0 0 1 )v“( 1 0 i ) 图3 2 电压空间基本矢量图 0 0 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 上一章已经提到，如果式( 3 一1 ) 中的以、玩、以是频率为，相电压峰值等于i u 形 陬= 陆i c 。s ( r o t ) = i l c 。s ( a t 一2 ；, r 3 ) ( 3 - 2 ) 【虬= 1 | c 0 s ( a t + 2 z 3 ) 那么，矢量u 村，就是模长等于相电压峰值，以角速度国( 秒= 研) 按逆时针方 向匀速旋转的空间矢量。利用逆变器的八个基本矢量可以合成任意角度和模 长的参考矢量u 村。但是由于逆变器实际所能产生的矢量( 有效矢量和零矢量) 有限，不可能输出角速度连续变化的空间矢量。为获得旋转的空间矢量，只 能利用各矢量的作用时间不同来等效地合成所需要的矢量。一个正弦周期内 发出的合成矢量越多，意味着开关频率越高h ”。从图3 2 可以看出，6 个非零 矢量将整个平面分成6 个扇区。以扇区i 为例，利用最近的两个相邻有效矢量 以、 玩和零矢量合成参考矢量，等效矢量按伏秒平衡原则合成。于是有： l u 4 + 瓦u 6 + t o u o 或( 乃u 7 ) = 疋u 阿= 瓦i u 一l = b l k 户 ( 3 3 ) 式中五、磊和乃或乃分别为电压矢量改、跖和或拐在一个采样周期内的作用 时间，t 。为采样周期。 式( 3 3 ) 的意义是：矢量u 耐在磊时间内所产生的积分效果( 在电机调速 中，电压的积分就是磁链) 和以、酲及零矢量作用兀、磊、t o 或7 ；时间的积分效 果相同。将式( 3 1 ) 代入式( 3 - 3 ) 得： ，1压， 瓦( 詈u d ) + 瓦( + 半) ( 詈) + t o o ( 或弓o ) = i u 呵k 归瓦 ( 3 4 ) )z上j o 由式( 3 - 4 ) 解得： 五：塑型型u d 塑 瓦：xf3u,1g歹_tq,sino 。9 詈 ( 3 5 ) r o = r s l 一瓦 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 虽然用两个矢量踢、玩，以图3 2 所示可以合成，但是( 兀十磊) 不一定 会和乃相等，若不相等，则磁链追踪的速度