（电力电子与电力传动专业论文）矢量控制变频器的研制.pdf

武汉大学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h ec o n t r o l ，t r a n s f o r m a t i o na n d t r a n s m i s s i o no f e l e c t r i c i t y a r ec o n c e r n e d b yp e o p l e m o r et h a nb e f o r e t h e r e f o r e t h es t u d yo fh i g hq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yt r a n s d u c e r , w h i c hi sb a s e d o nt h ep o w e re l e c t r o n i c sa n df i t st h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g yh a s b e c o m ea na t t e n t i v ep r o b l e m c o m b i n e dw i t ht h el a t e s td e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g yo fp o w e r e l e c t r o n i c sa n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，t h i sp a p e rd e v e l o p e d d i g i t a l t r a n s d u c e rw h i c hw a sb a s e do n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l e ) a n ds t u d i e d t h e o r yo fv e c t o rc o n t r 0 1 w i t ht h e d i g i t a lm e t h o d ，t h e t r a n s d u c e rc a nb e m a n a g e d a n dc o n t r o l l e d b y m i c r o c o m p u t e r ：t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dp a r a m e t e rc a nb em o d i f i e de a s i l y ； t h e t e c h n o l o g y o ff a u l t s u p e r v i s i o n ，s e l f - d i a g n o s i s ，e r r o r c o r r e c t i o na n d c o m m u n i c a t i o na l s oc a nb er e a l i z e dw i t he a s e 。t o o m o r e o v e r , l h en u m b e ro f c o m p o n e n ti sg r e a t l yr e d u c e d ，s ot h es y s t e mf a u l t sc a u s e db yc o m p o n e n t s r e d u c e da c c o r d i n g l ya n ds y s t e mr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d i p mi sa na d v a n c e d i n t e l l i g e n tp o w e rd e v i c et h a tc o m b i n e sh i g hs p e e d 1 0 wl o s s f g b l - sw i t h o p t i m i z e dg a t ed r i v e p o w e r | m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s s y s t e m r e l i a b i l i t yi sf u r t h e re n h a n c e db yi p m si n t e g r a t e dh i g h l ye f f e c t i v eo v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o n ，s h o r t c u r r e n tp r o t e c t i o n ，o v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o na n du n d e r v o l t a g e l o c ko u tp r o t e c t i o n c o m p a c t a u t o m a t i c a l l ya s s e m b l e di p ma l s o r e d u c e st h ee q u i p m e n t ss i z ea n dc o s t a tt h es a m et i m e ，t h ed a d ac a nb e t r a n s m i t t e dm o r er e l i a b l ya n dt i m e l yt h r o u g ht h ec a nb u sw h i c hi so f t e n u s e di ni n d u s t r ya u t o m a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c hi sa ni n s t r u c t i v e a t t e m p ta n de x p l o r a t i o no ft h ev e c t o r c o n t r o it r a n s d u c e rd e v e l o p m e n t b a s e do nr e f e r e n c e st oal o to fi n f o r m a t i o n a n dt h el a t e s t t e c h n o l o g yo nt r a n s d u c e r t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h e p r o j e c t i sa v a i l a b l ea n di tl a y saf o u n d a t i o nf o rd e e pr e s e a r c hi nf u t u r e k e y w o r d s ：t r a n s d u c e rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) v e c t o rc o n t r o ic a nb u s 4 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请似叱学位的论文是本人在 导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：卯p 盹日期刎年厂月矿日 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、使用学位论文大规 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。本人授权武汉大学可以将本学 位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密d 、，。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：抑阢 导师签名： 日期： ，年，月t 日 日期：年月日 武汉大学硕l 学位论文 矢量控制变频器的研制 第一章绪论 l 。1 交流调速技术概述 虽然直流电动机和交流电动机都已诞生了相当长的时间，但由于直流电动 机调速系统较早形成了较为完善的理论和结构，其具有较为优良的静、动态特 性，故在2 0 世纪7 0 年代以前，整个传动系统基本以直流电动机调速系统为主。 但由于结构上的原因，直流电动机存在很多缺点，像要定期更换电刷和换向器， 维护困难；容量、电压、电流和转速等受到制约等。相比之下，交流电动机就 具有很多优势，像造价低：事故率低、容易维护；容量、电压、电流和转速不 容易像直流电动机那样受影响。 目前，交流调速系统装置已经从最初的只用于风机、水泵等地方过渡到各 类高精度、快响应的高性能指标的场合。随着交流电动机调速理论的成熟和完 善交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服，现在交流调速系统正逐步 取代直流调速系统。 1 2 变频调速技术发展概述 通常所说的交流调速传动主要是指利用电力电子器件对交流电动机进行的 变频调速传动。由于其突出的优点，近3 0 年来，国内外大学和公司投入了大量 人力和财力进行研究，变频调速传动装置在性能和品种上出现了巨大的进步。 其主要表现在以下三个主要方面： 1 2 1 电力电子器件的更新 逆变器的功率器件已经从晶闸管半控器件( v s ) 、晶闸管( g t r ) 全控器件 过渡到绝缘栅极双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 和智能功 率模块i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ) 。i g b t 的工作频率可在l o - 2 0 k h z 之间， 与g t r 相比不仅工作频率高出了一个数量级，而且在电压、电流指标( 电流 浪涌耐量、电压阻断峰值、道通电流密度、门极驱动功耗率等各项指标) 均已 超出g t r 。由于逆变器载波频率的提高以及可以构成特定的p w m 波形，异步电 动机变频调速的谐波噪声大为降低。 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 是以i g b t 为开关器件，同时 含有驱动电路和保护电路，是一种功率集成器件。i p m 的保护功能有过流、短 路、过压、欠压和过热等，还可以实现再生制动。由i p m 组成的逆变器只需对 桥臂上各个i g b t 提供隔离的p w m 信号即可。简单的外部电路和控制电路使变 频器的体积大大减小。其次，由于功率器件的故障检测和保护电路接近故障点， 故可以抑制故障扩大。保证装置可靠运行同时减小了系统的噪声和体积。 1 2 2 控制策略的发展 早期，变频器是根据异步电动机的等效电路采用恒压频比( v f ) 或转差频 率( s f ) 控制方式，但是这两种方式是建立在电动机的静态数学模型之上的 武汉大学硕士学位论文矢量控制娈频器的研制 其动态性能不佳。经过不懈的努力。国外学者提出了矢量控制方式( v e c t o r c o n t r 0 1 ) 和直接转矩控制( d t c ) 方式，并将其应用到实际之中，取得了非常 令人振奋的控制效果。前者参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子 电流空间向量解耦为转子励磁分量和转矩分量，其缺点是要根据坐标变换以推 算转速信号，于是在此基础上逐渐又提出了无速度传感器矢量控制方式，它根 据异步电动机实际运行的相电压和相电流以及定转子绕组参数推算出转速观测 值，以实现磁场定向的矢量控制：而后者则不采用解耦的思想，借助瞬时空间 矢量计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值进行比较的差值，直接实现转矩 和磁链控制。除此以外，采用正弦脉宽调制s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 或空问向量脉宽调制s v p w m ( s p a c e v e c t o r p u l s e w i d t hm o d u l a i o n ) 技术，在输出端用很简单的滤波器就可以得到很纯正的正弦波。 1 2 3 功能综合化 随着微电子技术的发展，新型变频器都由功能强大的微处理器支持，采用 3 2 位数字信号处理器( d s p ，如t m s 3 2 0 、n e c 7 7 2 0 等) 或“精简指令计算机”( r i s c ) 取代传统的8 位或1 6 位微处理器，简化了外围电路结构，同时提高了系统的运 算速度和实时性等。同时，国外众多学者还将状态观测器、模糊控制、神经网 络控制、模型参考自适应法( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) 和滑模( s 1 i d i n g m o d e ) 变结构控制等现代控制理论用于变频器的自适应控制、参数识别等，以 改善其性能，拓宽其应用范围。除此以外，新型变频器采用r s 2 3 2 r s 4 8 5 、c a n 现场总线等通讯标准，可以实现上级计算机和变频器之间的数据通讯功能，故 可将上级计算机的运行指令下达给变频器，也可以将变频器的运行状态上传 让上级计算机来监控变频器的运行状态。 1 2 4 变频器的分类 变频器的分类方法有很多，下面是几种常见的分类： 1 按变换环节分为交一交变频器和交一直一交变频器，前种主要优点是没有 中间环节，变换效率高，但连续可调的频率范围窄，故主要用于低速传 动系统中；后者调节范围比较宽，而且在改善电机的特性等方面都有优 势是目前变频器中最主要的变换方式。 2 按主电路工作方式分为电压型变频器和电流型变频器，前者直流环节的 储能元件是电容，后者的储能元件是电感。 3 变频器调压方分为p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 和p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，前者变频器的输出电压的大小是通过改变直流电 2 武汉大学硕士学位论文 矢量控制变频器的研制 压的大小进行调制，主要用于中小变频器；后者主要通过改变输出脉冲 的占空比来进行调制。 4 按工作原理分为恒压频比( v f ) 控制、转差频率( s f ) 控制、直接转 矩控制( d t c ) 和矢量( v c ) 控制变频器，这四种控制方式的原理及区 别将在第一章做简要说明。 1 3 课题研究主要内容 国外对变频技术的研究起步较早，在研发和产品化方面国外公司都走在前 列，像三菱、安川、富士、a b b 、西门子等国际知名公司都推出了自己的产品， 在相互竞争中产品不断更新换代，其性能不断完善。我国对交流传动技术的研 究起步较晚，虽然在控制理论和基本算法方面，国内众多科研机构做了大量的 研究，但是在产品化方面由于投入资金不足等原因还远远落后于国外。随着我 国工业的发展，国内对变频器的需求份额也日益增大，其中尤以无速度传感器 的矢量控制变频器更备受关注。国内变频器的研究也初具规模，其中安圣电气、 成都佳灵、四川希望等都是研究变频器的高新企业，拥有相当雄厚的技术实力， 但是与国外知名公司相比在产品技术和市场份额等方面还存在相当的差距。因 此追踪国外传动技术发展动态，开发高性能的传动产品并使之产品化已成为振 兴我国变频器产业的重要课题，在发展我国工业经济当中也有举足轻重的地位。 变频器技术涉及到数字与模拟电子技术、通讯技术、电力电子技术、微处 理器及软件编程技术等。传统的变频器多采用8 位或1 6 位微处理器的控制系统， 其控制精度和实时性都不是很强，同时是采用g t o 或b j t 等功率开关器件其结 构复杂、体积庞大、容量低且价格昂贵，这些都制约了变频器性能。 正是基于国内外变频器目前的研究发展现状和良好的应用前景，本文提出 了一种基于d s p 的设计方案，该方案以t i 公司电机控制专用数字信号处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和三菱公司智能功率模块p m 2 5 r s b l 2 0 为核心，从而减少了变 频器的外围电路，结构简单，体现了小型化的趋势；同时提高了系统的稳定性、 可靠性和实时性，节约了成本和开发周期。 本文研究的主要内容包括： 1 设计基于d s p 的主控制电路和计算选择主要功率器件( 如i p m 模块等) ： 2 研究无速度传感器的自适应矢量控制模型，在此基础上利用计算机辅助 语言m a t l a b 的软件包s i m u l i n k 进行系统仿真： 3 结合数字信号处理器( d s p ) 设计控制板软件，包括信号采集处理、p w m 波形等： 4 运用c a n 现场总线取代r s 2 3 2 r s 4 8 5 通讯标准组成控制局域网。 武汉大学硕士学位论文 矢量控制变频器的研制 1 4 本章小结 本章主要介绍了国内外交流变频技术的发展概况，指出了国内在变频器的 研究和产品化方面与国外的差距，在此基础上提出种基于d s p 和i p m 的变频器 矢量控制方案，以及本文研究的主要内容。 武汉大学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 第二章矢量控制原理 2 1 异步电机控制原理发展概述 异步电动机通过定子的旋转磁场和转子感应电流的相互作用使转子转动， 从而将交流电能转化为机械能，异步电动机交流调速理论的发展和完善经过了 相当长的时间。对异步电动机进行调速控制，希望电动机的主磁通保持不变。 磁通太弱，铁心利用不够，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能 力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电 流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。 三相异步电动机每相的气隙磁通。取决于定子每相由气隙磁通感应电动 势e ，和定子频率一之比对e 。和i 进行适当的控制就可以使气隙磁通丸保持 额定值不变。最早国外学者提出的针对转速开环控制的恒压频比控制方式正是 从这点出发但是e 难于直接检测和直接控制，当e 。和z 的值都比较高时，定 子的漏阻抗压降相对较低，如忽略不计，则可以近似地保持定子相电压玑和频 rr 率：的值为常数，即认为u 。= e l ，保持“蟛= 常数即可，这就是恒压频比控制 j 1 方式( 近似的恒磁通控制方式) 。 恒压频比控制方式存在缺点，如：低频特性不好，这是因为当电机转速比 较高时，定子漏抗上的压降相对于定子电压可忽略不计，但低速运行时，定子 漏抗上的压降不能忽略( 这种情况下般采取提高定子电压以补偿定子电阻压 降的影响) 等。为克服上述缺点，在此基础上又提出了转差频率控制。 从恒磁通，即恒。形、出发，可做到异步电动机的转矩可控，异步电动 w i 机稳态运行时转矩为： t = 吒以赫 ( 2 _ - ) 式中，转差，= s q ；k 。是电机的结构参数。 电机在稳态运行时，s 很小，因而国，也很小，只有的5 左右，可以忽略 公式中的砒：币，贝u 转矩可以近似为吨以詈，从而在s 值很，j 、的范围内， 只要保持丸不变，转矩瓦便与转差珊；成正比。异步电动机也可以通过控制，达 5 武汉大学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 到间接控制转矩的目的。 转差频率控制的突出优点就在于频率控制环节的输入是转差信号而给定 的角频率信号是由转差信号与电机的实际转速信号相加得到的，因而逆变器的 输出的实际频率随着转子的实际角速度同步上升或下降，加减速更为平滑。虽 说转速闭环控制的转差频率控制性能比转速开环的恒压频比控制方式有了很大 的提高，但是在分析转差频率控制时，我们是从异步电动机的稳态等效电路和 稳态转矩出发，因此会影响系统的实际动态性能，不能适应数控机床、工业机 器人、电梯等高精度快速反应的技术要求。 2 0 世纪7 0 年代德国学者f b la s c h k e 和美国学者c ia r k 分别提出了交流电 动机的磁场定向控制( 矢量控制) 理论，为高性能的交流传动装置的控制奠定 了良好的理论基础。磁场定向控制是以异步电动机的双轴理论为依据，仿照直 流电动机的控制方式，把定子电流的励磁电流分量和转矩电流分量解耦开来。 这种解耦实际是把异步电动机的物理模型设法等效地变换成直流电动机的模 式，从而可以像直流电动机进行快速的转矩和磁通控制，经过许多学者和工程 技术人员不断的实践和改善，终于形成了比较完善的矢量控制理论。矢量控制 分为有速度传感器和无速度传感器两种，前者具有转速精度高、动态性能好等 特点；后者在精度和动态性能等方面有所下降，但系统相对简单、价格便宜。 在致力于研究矢量控制技术的同时，国外学者也在潜心研究其它控制思想。2 0 世纪8 0 年代，德国学者m d e p e n b r o c k 和日本学者i t a k a h a s h i 相继提出了直 接转矩的控制理论，其不同于矢量控制方式，它不采用解耦的思想，只通过检 测定子的电压和电流，借助瞬时空间矢量计算电机的磁链和转矩，并根据与给 定值进行比较的差值，直接实现转矩和磁链控制。本文研究的控制方式为异步 电机的无速度传感器矢量控制。 2 2 无速度传感器的矢量控制原理 2 2 1 异步电动机的数学模型 异步电动机是一个高阶、非线性和强耦合的系统。其矢量控制方式是比较 复杂的，要确定最佳的控制方式，必须对系统的动静态特性进行充分的分析， 其最重要的环节就是建立合适的数学模型，而这主要是借助坐标变换来实现的。 在研究矢量控制时，常用坐标系有三种：三相静止坐标系u 、儿缈，两相 静止坐标系口、卢和两相旋转坐标系j 】l l 三种坐标系之间的变换遵循坐标变 换前后的功率不变的原则，其坐标变换通常由克拉克变换( c l a r kt r a n s f o r m ) 和派克变换( p a r kt r a n s f o r m ) 给出。 派克( 反) 变换( p a r kt r a n s f o r m ) 是两相坐标系到两相坐标系的变换，其 关系式为： 阡i c o s sino。i。sinoc o s o ji p mjlj 克拉克( 反) 变换( c l a r kt r a n s f o r m ) 是三相坐标系到两相坐标系的变换 1j m ， i=一 1j 口 口口 一 c口口? 咖 l = 1，j 00 。l 武汉大学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 其关系式为： 1 1 1 22 。巫一巫 22 三 o 1 33 1l1 3 4 3 3 111 3 3 3 值得说明的是前面所做的变换均假设满足下面条件： 异步电动机的定转子三相绕组对称； 定转子每相气隙在空间为正弦分布； - 定转子表面光滑，无齿槽效应： 铁心的涡流饱和及磁滞损耗可忽略不计。 为便于分析，将研究异步电动机三种坐标系放在起，转予以角，旋转， 定子相转轴和转子u 相转轴的夹角0 ，= b ，d t ，如图2 1 所示。根据电机的 坐标变换理论，参考资料“”，可得异步电动机的定子和转子在m 一丁坐标系下 的电压方程式 “m i u f l 豁m 2 wv 图2 一l 异步电动机的坐标设定 r i + l l p一i l il 。p 国l l ir i + 厶p 国l l 。 三。p一( o j l 一，) 。r 2 + 2 p 2 li ( 0 9 l - - 0 ) ，) 上。l 。p ( c o l c o ，) l 2 ( 2 - 2 ) 上式中参数的意义如下： “( f ) 。、“( f ) j 。一表示定子在m r 坐标系下两轴的电压( 电流) 的大小 她咖一 武汉大学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 “( f ) 。：、u c i ) ，2 一表示转子在m t 坐标系下两轴的电压( 电流) 的大小 蜀、r ：一定、转子电阻； l 、：一定、转子等效电感 三。一等效互感： p 一微分算子； 。一同步转速： ，一转子转速。 在对称负载的情况下，异步电动机的定子和转子的三相电压和电流之和均 为0 ，根据资料“”，可得到在肛厂坐标系下的磁链公式为： 妒m l 妒f i 。2 y ，2 ( 2 - 3 ) 将上式代入式( 2 2 ) 中得到转子磁链表示的异步电动机定子电压在m 一丁 坐标系下的方程式为： 甜 u i i o 0 r i + 口r 厶p 出l o l 1 一盯二。 0 上式中参数意义如下： q _ 转子系数一= 仃一漏感系数 删一 在上式中我们令功= 0 ，则可以由旋转坐标系得到异步电动枕在a 、口静止 坐标系下的电压方程式： kkk kjiijujjijii卜 o l k o 工o o 厶o k 厶0 k 0 一：|小 愠乞 饬并 如膨 _z 翟篇。“ 武汉大学硕十学位论文 矢量控制变频器的研制 “口 “口 0 o 尼+ 。c r l r p m0l。,pl。0rp lp l ：eo l + a l o 。2 l 一吾7 m 一! ：盯，一( t 脚r - ，bp 盯，( d + r lp j l z ： o 一。盯r一脚，盯，+j y 口2 ( 2 - 5 ) 从( 2 - 5 ) 式定子回路得到转子磁链的数学模型( 电压模型) ： = 争小一马i ) d t - ( t l l i a i ( 2 o ：= 争【( “口一月。) d t - a l 。， ( 2 7 从( 2 5 ) 式转子回路得到转子磁链数学模型( 电流模型) ： p g 。2 = 一盯，矿。2 + l m 盯，l 一国，p 占2 ( 2 - 8 ) p p t ，2 = 一盯，y 芦2 + 吖盯，i 卢l + 脚，驴乞2 ( 2 9 ) 其电压模型和电流模型用结构图可表示为图2 - 2 。异步电动机的矢量控制 是以电动机内部的参数为前提的。但随着电机运行中负载以及温度等的变化， 转子的电阻也要发生变化，这样将会影响转子的转矩，故电机参数必须进行在 线修正，可采用模型参考自适应法，主要是将不含转子电阻的电压模型作为参 考模型，面将含有转子电阻的电流模型作为可调模型，两个模型具有相同的物 理意义的输出量，利用两个模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节 可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。式( 2 6 ) 和( 2 - 7 ) 中刚不带有转子电阻。相反式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 则带有转子电阻。故我们可以 分别将两者作为自适应算法的参考模型和可调模型。由式( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) 变 换可得到 p z ： = = ，一二， z ： + k c r r ；： c z 一，。， 据此可以构造参数可调的转子磁链估计模型为 d 瓷： = ：r 一二， 芳： + 工。盯， 乏： c z 一， 在此我们认为，是需要辩识的量，而认为其它参数不变，如果令 妒一：， ，弘一! ， ，g = l , f f rl 珊r一盯，jl ，一盯，j ( 2 - 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 两式可简化为 里丛丕兰堡主兰垡堡墨 叁里塑型奎塑墅塑婴型 p 孑： = 一， z ： + b 乏： c z 一z ， p 警：i = j ， 菩菱 + b 乏： c z t 。， 定义磁链状态误差，p ，= 矿。一y = 痧啊一y 啊，则有： p 。= 西，一珊， 则( 2 - 1 3 ) 和( 2 - 1 2 ) 两式相减可得到： p 阱也h 纠 根据p o p o v 定理，取比例积分自适应定律k 。+ k l s ，可推出速度辩识公式： 函r 邓，+ 争妇痧a 2 - - p a 2 h 一九：嘶z ) 】 ( 2 _ 1 5 ) = 岸p ( 卢2 矿。2 一p 。2 痧卢2 ) + k ，r 矿卢2 沈2 一妒。2 矿卢2 ) d r 式中矿f z 、矿。：可由不含转子电阻的式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 算出，矿口2 、矿。：则可 由含有转子电阻的式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 算出。转子磁链为眵：j = 磊j 孑i ，其 位置触可由s i n 拈胬一坩2 静两式得到。 图2 - 3 给出了无速度传感器的矢量控制原理图，为实现矢量控制需要计算 部分控制量和中间量，下面给出各量的计算公式。 转矩电流f ：采用速度控制器p i 算法，得 l t l ：( k p + 粤) ( ：一，) ( 2 - 1 6 ) o 其中：k ，、k ，为速度调节器的比例，积分系数。 由( 2 - 5 ) 式可得到转子在m - t 坐标系下的方程 p 阱q ：搬2 卜 嘲 在理想情况下，2 = 0 、帆2 = y 2 ，此时由上式可得到式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 武汉人学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 转差频利。m ：= 一 ( 2 一1 7 ) 图2 2 基于电压、电流模型的转子磁链观测器 励磁电流可由式计算得到， p y ：= 一盯：y ：+ d ：t f ： 武汉大学硕士学位论文 矢量控制变频器的研制 整理可得到 厶( 一渺形：瓦 ( 2 1 8 ) 图2 3 无速度传感器向量控制原理图 由( 2 4 ) 式可得， “。i = ( r + d l p ) l c o t o l l + l 。p y 。2 l 2 一脚1 k f 2 2 “f i = ( 尺l + ，l p ) l + 扫，l a i f 1 + 。p g , 2 l 2 + 珊i l 。y 。2 l 2 当系统为理想状态时( 此时磁链y ：在m 轴上) ，2 = 0 ，且。2 = l m i 故上 式可表达为 。l = 月l l c o i a l l 1 + 三1 p f ，l ( 2 1 9 ) “= ( 置+ a l i p ) i f l + i o l l i ( 2 - 2 0 ) 故定子电压指令值可以由定子电流指令值按上式计算得到。 2 2 2 矢量控制参数算法 在矢量控制中，涉及到微分方程的离散化，为简化运算。这里介绍的是常 被采用的后退欧拉法“。 设微分方程式为p ( x ) = f ( x 】，则用后退欧拉法 1 2 武汉大学硕十学位论文矢量控制变频器的研制 x k f _ x k - i = ( 屯) ， 式中疋，一采样周期 从上式中即可求出x 。下面就p i 控制数学模型说明后退欧拉法是如何应 用的，对于图2 4 所示的p i 控制模型。 州即每( 2 - 2 1 ) 8 上式可表示为 7 p ( y - k p 8 ) ：k ，p 图2 4p 1 控制模型 用后退欧拉法表示为 0 一k p e k ) 一p “一k e 矿1 ) = k , l e 。 整理得y = y “+ ( 髟+ k ，t c ) e 一k p e “( 2 - 2 2 ) 对于图2 - 4 矢量控制模型中速度调节环节的控制参数则可表示为 群一= 群- 2 + ( k p + k ，i ) ( 珊：扣1 一曲，k 一) 一k ，( 吐扣2 一珊：_ 2 ) 而其它涉及到微分方程离散化的地方也可采取类似的算法。 2 2 3 优化的矢量控制原理 2 2 3 1 空间矢量p w m 简化算法 正弦脉宽调制技术s p w m 已被广泛应用于逆变器中，可以得到相当接近正 弦波的输出电压，其缺点是直流电压利用率低，输出最大相电压只有输入直流 电压的一半，并且其功率器件的开关损耗较大。随着国外学者在交流电机调速 中提出了磁通轨迹控制的思想，提出电压空间向量( s p a c ev e c t o r ) 的概念，空 间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术也得到了快速的发展，其直流电压利用率比 s p w m 高。 图2 5 是典型的三相逆变器电路与其八种开关状态组成的空间向量图。开关 状态“i ”表示上桥臂功率管开通下桥臂关断( 上下桥臂互锁) ，状态“0 ”则相 反。如“1 0 0 ”表示上桥臂a 相开通b 相关断c 相关断。其中v o ( o o o ) 和r t ( 1 1 1 1 是零开关向量。 对称正弦三相交流电压可以合成一个旋转的空间电压向量，空间向量p w m 的思想主要就是用与合成电压向量相邻的两个开关向量和零开关向量去逼近这 武汉太学硕士学避文 矢量控制变频器的研制 个合成电压向量，如图2 。5 ( b ) 所示。 通常的空间向量算法步骤是： ( 1 ) 计算合成电压向量胪； ( 2 ) 根据胪的相角判断所在的区域 g q i l 椭 图2 5 ( a ) 三相逆变电路( b ) 空间向量图 ( 3 ) 分解p 计算相邻开关电压向量作用的时间： ( 4 ) 根据开关电压向量作用时间合成为三相p w m 信号。 但是在实时的数字化空间向量p w m 调制应用中，以上演算法十分复杂，占 用了大量c p u 资源。下面简单地分析几种常用p w m 算法的关系并介绍一种 s v p w m 的快速算法。 图2 - 6 ( a ) 是将自然采样法数字化后 得到的规则采样法，它将采样数值与数字 载波信号相比较而得到脉冲的前沿和后沿。 疋为采样时间。瓦f r 为开关有效时间，k 为各相比例开关时刻，k 。为各相电压。 由比例关系可得： ( 2 2 9 ) 从上述关系式很容易得到： 兀。+ n 。+ 7 k = o ( 2 - 3 0 ) v 1 0 万 - v c i 稍 n b _ 一 c 一- - i 吨表。1 f 眦 i 一1_f i 置 i )l i2 - n 1 k t m 心 、 i 。 iii il 叫广0 l 一 0- 卜 j 把 1 ll厂卜 卜 ( b ) 2 - 6 ( a ) 有效时阃和输出电压关系 ( b ) 实际开关时刻 + 一比瓦一t一 = = = 武汉大学碳上学位论文矢量控制变频嚣的研制 c f 靠。一孺。 ( 2 - 3 1 ) 其中， t m a x = m i t x ( 7 k ，t b s ，瓦s ) 一= r a i n ( ，瓦。) 如图2 - 6 ( b ) 所示。在不同p w m 算法中，实际的功率器件开关时刻丁去是 由其比例开关时刻加上不周的偏移量而得到的【2 7 j ： 疋a - 7 k + t o f f s e t 瓦b = z b s + t o f f s e t ( 2 - 3 3 ) 咒c = 兀s + 瓦侬c t 显然，兀。必须被限制在( 0 ，兀) 范围内，所以有： o t m i 。+ 瓦侬c l ，7 k “+ t o f f s d 瓦，即一t m i n t o a s c t 冗一靠“ ( 2 3 4 ) 瓦融r 选取不同，其将形成不同的算法。当7 蕊n = 墨2 时，即为规则采样法，各功 率器件在一个周期内的开关时间等于其比例时间加上。为了实现空间矢量控 z 制，对规则采样法进行改进，从图2 - 6 中可推出两个零矢量的作用时间： t 7 = t = i n + t o m e t t o = 瓦- ( 7 k a x + 瓦佑n ) 通常合成p w m 波形时采用0 矢量( 0 0 0 ) 均匀她分布在非0 矢量的起始终 点，中间为0 矢量( 1 1 1 ) ，非0 矢量保证每次只有一个开关打开，这样有助于减 小谐波失真提高直流电利用效率，详见。故在此令t ，= t o ，则可得到 兀雌c l = ( 瓦- 。+ t m i 。) 2 ( 2 - 3 5 ) 即此时零向量阳和胛将均分采样周期疋中去除有效开关时间瓦目后所剩 的时间，这也是空间矢量调制性能优于规则采样法的原因所在。 下面证明由( 2 3 5 ) 式计算的规则采样法和空间矢量法等效。图2 5 中我们 假设合成矢量落在第1 区间，根据矢量合成四边形原理，可得到： 旦：蔓：生 l2 丌，疗 、 s i n 口 s l n _s l n 【：一口j jj 再根据合成矢量与相邻矢量之间关系式： e y = 正h + e 武汉太学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 瓦= e 一五一正 可得到相邻空间矢量和零矢量的作用时间为 z ：型竺三：竺 l ：业塑竺( 2 - 3 6 ) 一，一t一互一疋t o 2 写2 半 我们设三相电压满足关系式： 根据矢量合成，空间矢量v + 的幅值为v 。，相角为臼。假设o 口罢，则 j v + 位于第l 空间，此时吃呓眨，故t m i = 瓦；，孺d _ ，庐珞，由于在 正常调制情况下，每个桥臂在一个p w m 周期中开通和关断一次，零矢量加和 衍作用时间相等，结合图2 - 6 可知矢量v 1 和v 2 的作用时间为： t i = f 孺“+ t o r r s e t ) ( t m i d + 瓦m e t ) 垌引is i n ( 詈一口) t 2 = 仃| m i d + 瓦胁) ( t m i n + t o r t , n ) 一铜矿眩s i n a 从而证明了由式( 2 3 5 ) 得到的矢景作用时间与空间矢量p w m 算法等效， 其它区间也可以采用类似方法进行证明是等效的，而这种算法的运算量明显比 传统的空间向量p w m 算法小f 2 7 】。 1 6 73二 断一，打一， 一 + 坩 咿 妒 匕 = = = 矿” q 武汉大学硕士学位论文矢量控制变频器的研制 2 2 3 2 死区补偿 为防止逆变器的上下开关器件直通，必须设置死区时间，对于以l f 2 4 0 7 为 微控制器的系统，可以通过片内d b t c o n 控制寄存器来设置死区时问，故不需要 外接的硬件延时电路来产生死区。 1 死区效应分析 死区时间的设置会导致变频调速装置的波形畸变，这即是通常所说的死区 效应。为不失一般性，以逆变器的u 相为例来说明死区效应是如何产生的。在 死区时间，只有一个二极管道通若电流流向负载，则d 2 导通：若电流流出负 载，则d 1 导通，我们规定电流流向负载的方向为电流的正方向( 如图2 7 所示) ， 而驱动信号与输出电压波形如图2 8 所示。 图2 7p w m 逆变器的单相桥臂 图中t d 为所设置的死区时间，t 0 f f 为开关器件的关断时间，t 。为开关器 件的导通时间。从图中可以看出，由于死区误差的存在，使得逆变器的输出电 压与理想的输出电压之间存在偏差。 ( 1 ) 当电流为正向时 当下开关( t 2 ) 关断，上开关( t j ) 导通，在死区时间t d 内，电流继续流 过二极管( d 1 ) ，经过导通时间t 0 。的延迟，电流开始流过上开关( t 1 ) ，结果 导致在时间t a + t o 内电压输出波形畸变；当上开关( t 1 ) 关断，下开关( t 2 ) 导通时，经过的关断时间t 。f f 的延时，流过上开关( t 1 ) 的电流流过下方的二 极管( d 2 ) ，结果导致在时间t 0 f f 内逆变器的输出电压波形出现畸变。如果我们 设开关器件的标准开通时间为t 2 一t l ，则由于死区时间和开关器件导通和关断所 引取的导通误差时间为 t c 盯_ t o f r t d - t o 。( 2 3 8 ) ( 2 ) 当电流为负向时 当下开关( t 2 ) 关断，上开关( t 1 ) 导通，经过关段时间t 0 f f 的延时，流 过下开关( t 2 ) 的电流开始流向二极管( d i ) ，结果在时间t 0 f r 内，逆变器的输 出电压波形出现畸变；当上开关( t 1 ) 关断，下开关( t 2 ) 导通，在死区时间 t d 内，电流继续流过二极管( d i ) ，经过导通时间t o 。延时，电流开始流过下开 关( t 2 ) ，其结果是逆变器在时间t d + t 0 。出现输出电压波形出现畸变。如果我 们设开关器件的标准开通时间为t 2 t i ，则由于死区时间和开关器件导通和关断 所引取的导通误差时间为 武汉大学硕士学壁造支 矢量控制变频器的研制 l ，t d + t 0 。t 叮 ( 2 - 3 9 ) 从式中我们可以看出，当电流为正向时，将使输出电压下降：当电流为负向时 将使输出电压上升。利用平均值的含义，在一个调制周期内由于误差时间所g t d ( a ) 驱动信号：( b ) 带有死区的驱动信号；( c ) 为逆变器的理想输出 ( d ) ( e ) 分别为逆变器电流正向和电流负向时的输出的波形 图2 - 8 逆变器输出驱动信号和输出电压 取的电压误差为： v 滞引；，等( 2 - 4 0 ) 一 l l ，电流为正向 上瓦甲s 1 8 n 2 1 l ，电流为负向 v 赴为直流母线电压。 2 死区效应的补偿 从上面的分析可知，如果忽略开关器件的导通和关断时间，用t “( t 。一t ) 来衡量波形畸变程度，我们可知在每个载波周期中当死区时间设置愈长则波形 畸变愈严重，同时在固定的死区时间下，如果载波周期愈短，即载波频率愈高 时，相当于在一个周期中死区设置的时间愈长，波形同样畸变愈严重。 随着高速开关器件i g b t 和i p m 的使用，死区时间对调速装置输出电压、电 流波形的影响也愈来愈严重，从而使得提高开关频率和死区时间的矛盾也更为 突出。在高载波频率时最好采取适当的死区补偿措施，以减小波形的畸变。要 进行死区补偿，关键是确定由于误差时间引取的电压误差和相电流的极性。这 里采取直接