基于DSP的交流异步电动机变频调速系统的研究

摘 要随着工农业生产的发展，人们对调速技术的要求也越来越高，而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而，变频技术的出现改善了交流电机的调速性能，同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统，也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛，变频器作为变频技术的产品，在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。本文介绍了三相交流异步电动机基本工作原理、交流调速系统的发展概况、应用领域，阐述了交流电机的各种调速方法，以及交流调速系统的国内外研究现状。在基于 TMS320LF2407A 型 DSP 的基础上，采用恒压频比的控制方式和空间电压矢量调制方法构建了一个开环交流异步电动机变频调速系统，对其中一些主要的问题给予了理论分析并提出了实现的方法。具体来说，本文主要论述了电压空间矢量(SVPWM)控制方法的一般理论。以三相交流异步电动机为控制对象，以 TMS320LF2407A 处理器为控制部件，采用智能功率模块 PM25RSB120，通过 SVPWM 控制方法对交流电机实现恒压频比控制，设计了基于 DSP 的交流电机变频调速系统。试验表明，该系统控制性能和精度良好。关键词: DSP 智能功率模块 恒压频比控制 SVPWMAbstractAlong with the development of agricultural production and technical requirements of speed, and more and more is also high in speed asynchronous motor is the poor performance of the state. However, the frequency conversion technology to improve the performance of ac motor speed, speed sensorless and microprocessor-based digital control system is also gradually began to enter the scope of study and discuss people. As one of the high-tech frequency conversion technology is an important energy saving and environment protection technology, in various industrial production, transportation and widely used in household appliances, inverter frequency conversion technology products, as in all aspects of our agriculture is very important position.This paper described the basic working principle of three-phase AC asynchronous motor and the general situation of AC variable frequency speeds regulating system, the area which applied, the study situation, and expatiated the methods of AC speeds regulating. According to this situation,in this paper a system of the AC motor Variable-Frequncy speed regulating used DSP is designed, the control principle is constant V/F and the control method is technique of space voltage vector PWM .Some major problems are analyzed and the realization methods are also given.Detailed speaking, the main content in this paper is: It discussed the general method of SVPWM technology.Three phase AC asynchronous motor is the controlled object, regard TMS320LF2407A as the processor,based on Intelligent Power Module (IPM) PM25RSB 120, this system use SVPWM technology to realize constant V/F control of AC asynchronous motor, and the variable frequency speeds regulating control system of AC asynchronous motor based on DSP is designed. The result of experiment shows the high performance and the good precision.Keywords : DSP Intelligent power module Constant pressure frequency than control SVPWM中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 58 页目 录1 绪论 .11.1 本课题研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状及趋势 .21.2.1 国外发展现状 .21.2.2 国内发展现状 .31.3 本论文的主要内容及安排 .32 三相交流异步电动机结构与调速原理 .52.1 三相交流电机的结构和基本工作原理 .52.1.1 三相交流电机结构 .52.1.2 三相交流电机的工作原理 .62.2 变频调速系统的方案 .73 异步电机的矢量控制理论 .103.1 SPWM 技术 .103.2 电压空间矢量 SVPWM 技术 .113.3 SPWM 和 SVPWM 的比较 .123.3.1 SPWM 和 SVPWM 的差别 .123.3.2 SPWM 和 SVPWM 的联系 .133.4 异步电机 SVPWM 的控制算法研究 .134 基于 DSP 的 SVPWM 交流调速系统的硬件实现 .184.1 系统硬件结构总体设计 .184.2 主回路的设计 .194.2.1 整流电路 .194.2.2 中间滤波电路 .204.2.3 逆变电路 .204.3 系统保护电路的设计 .214.3.1 过压、欠压保护电路 .224.3.2 过流保护电路 .23中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 58 页4.3.3 泵升控制电路 .234.4 控制回路 .244.4.1 TMS320LF2407A DSP 芯片简介 .244.4.2 TMS320LF2407A 核心电路设计 .254.4.3 外部扩展电路设计 .275 系统控制软件的设计开发 .305.1 系统软件总体设计 .305.1.1 主程序流程图 .305.1.2 中断子程序流程图 .315.1.3 故障中断服务框图 .315.2 软件模块 .325.2.1 初始化模块 .335.2.2 串口通讯模块 .335.2.3 电流采样模块 .335.2.4 电机转速采样模块 .345.2.5 Pl 调节模块 .346 仿真分析 .356.1 MATLAB/SIMULINK 仿真平台 .356.2 仿真系统建模 .356.2.1 SVPWM 算法的 simulink 实现 .356.2.2 坐标变换模块 .386.2.3 磁链观测模块 .396.2.4 调速系统的仿真模型 .406.3 仿真结果及分析 .407 结论与展望 .47附录 三相电机矢量控制变频调速部分程序 .48参考文献 .56致谢 .58中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 58 页1 绪论1.1 本课题研究的目的及意义随着科学技术的飞速发展，人们的能源消耗量越来越大，能源需求的满足与否对世界经济的发展有着非常巨大的影响。中国经济的发展对能源的需求量也很庞大，如何解决这种供需的矛盾是影响到中国经济能否持续发展的关键。在工业生产领域，电机是能源消耗的主要方面，而交流电机变频调速技术是电机节能技术中很有发展需求的一个方面。早期的交流电机控制大多数为开环恒压频比的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而使性能下降，稳定性变差。变频调速是现在工业领域改善运行环境、节约电能、提高产品质量和改善生产工艺流程的一种有效的控制方式。由于变频调速系统拥有较好的调速和启、制动性能和它的高功率因数、高效率等多种优良特性，再加上其完善的调速性能、较好的节电能力和通用的适用性推广性能使得变频调速技术一跃而成电气传动技术发展的核心领域。近年来，随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，新型异步电机控制技术不断被提出，特别是矢量控制技术的提出与实用化，使得交流传动控制系统的性能达到了直流电气传动控制的水平 2。随着矢量控制技术的提出和发展，基于DSP的矢量控制系统的交流调速方案很好的运用到工程实际中来，并且随着电力电子技术、控制理论等学科的发展和各种功率器件、微电子技术、计算机技术的不断推成出新，矢量控制技术越来越成熟，交流调速技术迅猛发展。本文采用TI公司最新推出的DSP控制器TMS320LF2407A，搭建基于 DSP的闭环矢量控制系统对感应电机进行控制，并将这种基于DSP控制的交流调速技术运用到了矢量控制型变频器的研究中。交流电机调速技术的发展，特别是基于DSP的变频调速，因其控制模型简单，便于微处理器实时控制，转矩脉动小，噪声低，电压利用率高，精度高，调速范围、控制性能好等优势得到了广泛的应用，本课题的设计选用的基于DSP变频调速控制方式必将使之应用于社会生产的各个领域，以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。因此，研究基于DSP的变频调速系统这个课题，对于交中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 58 页流变频调速系统理论的应用，有着实际的意义和一定的应用价值。1.2 国内外研究现状及趋势如今，最主要的异步电动机控制系统调速方式就是变频调速方法，同时随着变频调速的相关技术手段的迅速进步，如现代电力电子技术以及智能控制理论的发展高性能的微处理器的应用(比如TMS320LF2407ADSP)和大量先进的交流电机调速控制理论的引用(如矢量控制和直接转矩控制)，这些都促使了异步电动机变频调速方法在各个方面应用的普及和推广，变频调速的方法在电气控制方面发挥越来越重要的作用，同时变频调速控制技术有着智能化、微型化、网络化的发展趋势以及高容量、高性能的优势会更加突出口。(1)电力电子技术的引入；(2)现代控制理论和矢量变换控制技术的引入；(3)微处理器、微机与数字信号处理器等先进控制器的引入；(4)新型电机和无传感器控制技术的引入。目前高性能交流调速系统已经可以应用于大容量的调速对象，解决了装置的功能指标问题和高压变流技术问题，填补了直流调速传动在特大容量调速传动方面的空白；具有高的可靠性及长期连续运行的能力，可连续运行数万小时而不停机检修，满足了某些要求长期不能停机检修或对可靠性有特殊要求的部门的需要；能实现高性能、高精度的转速控制，其调速精度可达0.1%，并实现了矢量变换控制的商品化。1.2.1 国外发展现状目前,很多国家对变频调速技术做了深入的研究,其中比较突出的包括德国、意大利、英国、美国、日本和加拿大等国家。这些国家的很多科研机构和学者在这个研究领域的研究工作非常突出。国际知名公司SIEMENS. Aachen大学研究院等科研机构和研究学者做出了杰出的贡献,使矢量控制逐渐应用到实际的工程领域中。值得一提的是日本在变频调速的研究领域也做了很多的工作和贡献,日本自1974刊登了后,日本的一些大学和研究机构就开始了研究工作并且在1978后申请了很多的专利和公开发表了很多高质量的学术论文 1。近些年来的变频调速的研究重点在以下几点展开：(1)矢量控制在无速度传感器下的应用;中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 58 页(2)矢量控制在大功率场合中应用;(3)电机参数识别和跟踪 ;在以上3个研究方向上,美国、德国和日本都有-定的研究并且各有优势领域。日本的优势在于已经将无速度传感器的矢量控制技术应用到通用变频器上;美国则将神经网络等新的技术应用到参数识别领域,IEEE 上有很多相关的学术论文;德国在大功率应用领域有-定优势,著名公司已将其应用到兆瓦级的场合 6。1.2.2 国内发展现状目前，国内变频调速系统的研究己非常活跃，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。我国至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。近十年，变颏器作为商品开始在国内上市，销售额逐年增加，其中，各种进口品牌居多，功率小至百瓦大至数千千瓦；功能简易或复杂；精度低或高；响应慢或快；有PG(测速机)或无PG；有噪音或无噪音等等 10。对于许多用户来说，这十年中经历了多次更新，现所使用的变频器大都属于目前最为先进的机型，如果从应用的角度来说，我国的水准与发达国家没有什么两样。作为国内制造商，通过这十年来对国外的先进技术进行消化，也正在积极地进行国产变频器的自主开发，但由于国内自行开发、生产产品的能力相对较弱，对国外公司的依赖性依然比较严重 21。1.3 本论文的主要内容及安排针对上述背景与条件，本课题综合国内外电机变频调速技术的发展状况，设计用功能强大的信号处理器DSP、智能化的IPM模块和新兴的SVPWM技术去实现变频调速系统。通过SIMULINK仿真软件，根据矢量控制原理，构建各个功能实现的子模块，并设计各个子模块的参数，结合SVPWM算法，得到基于SVPWM的转速-电流开环矢量控制系统仿真模型，进行仿真实验，得出实验结果并对结果进行分析。并从实际应用角度考虑，从安全性、实用性、降低成本方面进行相关的研究1014。论文安排由以下六章组成：第一章：绪论；第二章：三相交流异步电动机结构与调速原理；介绍三相交流异步电动机基本工作原理、交流调速系统，并对比交流电机的中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 58 页各种调速方法；第三章：异步电机的矢量控制理论；第四章：基于DSP的SVPWM交流调速系统的硬件实现；给出矢量控制变频调速系统的硬件设计。在硬件部分，设计矢量控制变频调速系统的主电路和控制电路，为研究更高性能的交流调速系统奠定基础。第五章：基于DSP的SVPWM交流调速系统的软件实现；第六章：仿真分析；对矢量控制SVPWM 仿真的基本原理和异步电机变频调速的机理进行简要的介绍，对SVPWM 的SIMULINK 具体实现方法讨论，最终构建开环交流异步电动机变频调速系统。第七章：结论与展望。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 58 页2 三相交流异步电动机结构与调速原理2.1 三相交流电机的结构和基本工作原理2.1.1 三相交流电机结构三相交流电机的主要部件由静止的定子(包括机座)和转动的转子两大部分组成,定子与转子之间有一个很小的气隙。其中定子和转子是传递能量的枢纽。现分别介绍如下。(1)定子定子主要由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。是电动机的不转动部分。定子铁心是异步电机主磁通磁路的一部分,为了降低定子铁心的铁损耗(磁滞和涡流损耗),定子铁心由0.5毫米厚的硅钢片叠压而成,在硅钢片表面涂绝缘漆。定子绕组是定子中的电路部分,高压大中容量电动机常用Y接法,只有三个引出线。中、小型低压电动机一般三相绕组的六根出线都引出来,每相绕组的首端和末端分别用D 1、D 2、D 3和D 4、D 5、D 6标记,可以根据电源电压和电动机的额定电压把三相绕组接成Y型或连接 5。图2.1 三相交流异步电动机接线柱的联接图(2)转子中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 58 页转子是电动机的旋转部分,由转子铁心、转轴、转子绕组等组成。转子铁心也是电机主磁通磁路的一部分,由硅钢片叠压而成,其外圆周表面冲有槽孔,以便嵌置转子绕组。整个转子铁芯的外表面成圆柱形。转子绕组根据其构造分为两种形式：鼠笼式和绕线式。(a)鼠笼式鼠笼式转子与定子绕组大不相同,它是一个自己短路的绕组。在转子铁心的每个槽内放上一根导体,用两个端环把所有导体都短路起来。如果去掉铁芯,整个绕组的形状如同一个关松鼠的笼子,故得名。为了节省铜材,简化了制造工艺,降低了电机的成本。现在中、小型电动机更多地采用铸铝转子,即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内,两端的圆环及风扇也并铸成。对于容量大于100千瓦的电机,由于铸铝质量不保证,常用铜条插入转子内 17。(b)绕线式绕线式转子绕组是三相绕组。三相绕组可以接成Y形或v形。转子绕组三条引线分别接到三个滑环上,用一套电刷装置引出。这样可以把外接电阻串到转子绕组回路中去。目的是用来改善电动机特性或调速性能。线绕式电动机制造工艺复杂,价格比鼠笼式绕组电动机高,但它有较好的性能。2.1.2 三相交流电机的工作原理直流电动机是通过一种静止的磁场与通入电枢绕组中的电流相互作用而产生电磁转矩,从而实现拖动作用。与之对应,三相异步电动机的工作原理,也是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借电磁感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用,以产生电磁转矩的,从而实现拖动。因此,首先讨论交流电动机的旋转磁场是怎样产生的 5。如果把定子绕组联接成Y形,并接通三相电源,绕组中便流入三相对称电流:（2-1）（2-2）（2-3）每相正弦交流电会在定转子的气隙间产生一个大小按正弦规律变化的脉振磁势,对其进行傅立叶展开,得其基波分量在空间按正弦分布。每相正弦交流电产生中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 58 页的基波脉振磁势可以分解为两个向相反方向旋转的旋转磁势。三相电流共同作用产生的合成磁势相互合成,将产生在空间不断地旋转的旋转磁场,如图2.2所示。图2.2 三相交流电产生的旋转磁场旋转磁场切割转子导体,便在其中感应出电动势,又转子上导条结构上已经构成闭合回路,所以转子导体中就有电流流过。电动势的方向由法拉第电磁感应定律的右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场之间有了相对运动,转子导体便受到电磁力F的作用,电磁力F的方向由左则确定。由电磁力作用在电动机转子这个特定的旋转体上,便产生电磁转矩,从而使电动机转动起来。如果转子与生产机械相连,则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而做功,从而将电能转换为机械能。转子旋转的方向与磁场旋转的方向同向,又旋转磁场的方向与流入绕组的三相电流的相序有关。如果工作中要改变转子的旋转方向,把电源的三相绕组接线柱中的任意两相对调,就可以改变了旋转磁场的方向,从而改变生产机械的运动方向。由以上分析可见,旋转磁场的产生是电动机工作的必要条件。旋转磁场的转速n0称为同步转速,其大小和电源频率f 1及磁场的极对数p有关。且有:n 0=60f1/p式中: n 0的单位为r/min。f 1为三相电源的频率,在我国,工频f 1=50Hz,电机常见极对数p=1 4。电动机本质上是法拉第电磁感应定律的具体实践应用。如果转子和旋转磁场没有相对运动，那么由电磁感应定律在转子绕组中就没有感应电动势，从而也就没有感应电流，于是没有电磁力作用于转子，电动机就转不起来。所以，转子转速n必然小于旋转磁场的转速n 0，这也就是异步电机中“异步”的含义。转差的存在是异步电机运行的必要条件。对两者相差的程度用转差率来s来表示：（2-4）转差率是异步电机的一个基本参数。异步电动机的转差率变化一般不大，空中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 58 页载转差率在0.5%以下，满载转差率在5%以下。2.2 变频调速系统的方案目前典型的变频调速控制类型主要有四种:（1）恒压频比U/F 控制传统的变频系统都是采用开环恒压频比(U/F=常数 )的控制方式，U/F 控制是转速开环控制，无需在电机转轴上加装速度传感器构成反馈，控制方法简单，可以使电机的理想机械特性近似于他励直流电机的调速性能。负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，但是调速精度不高 7。电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。而电磁转矩是拖动负载的动力。它们的表达式是:(2-5)(2-6)式中:E:定子每相感应反电动势有效值 T:电磁转矩Nl:定子每相绕组串联匝数 C m:转矩常数K:基波绕组系数 转子电流折算到定子侧的有效值每极气隙主磁通量如果忽略定子上的电抗压降，则有:若定子相电压不变，则定子电源频率上升时，将下降，于是电磁转矩T下降，这样电动机拖动能力会降低;若降低，则将上升，由于在设计电动机时，主磁通的额定值一般选择在定子铁心的临界饱和点，所以当在额定频率以下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高，使定子铁心损耗急剧增加，甚至烧毁电动机。因此，要实现变频调速，降低电源频率时必须降低电源电压，应保证每极磁通量为额定值不变。（2）转差频率控制为提高变频调速系统的静、动态性能，可以采用转差频率控制。它是一种转速闭环控制。为达到与直流调速系统相似的性能，即控制电枢电流从而控制转矩，利用异步电动机的转矩与转差频率成正比的关系来控制电机的转矩，控制转差频率，就代表控制转矩。频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 58 页号相加后得到的，这个关系是转差频率控制系统的突出特点和优点。（3）矢量控制矢量控制也称为磁场定向控制，它的基本出发点是以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的转换，把定子电流中的励磁电流分量与转矩分量变成标量分开，进行分别控制。其主要思想是将异步电动机当成直流电动机来控制，而直流电机的励磁和转子电流是分开单独控制的，所以调速性能优良。通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为磁场方向分量和与之正交方向的分量，磁场分量相当于励磁电流，与之正交分量相当于电枢电流，就使得三相交流异步电动机获得与直流电动机相类似的控制特性。因为这种方法采用了数学上的坐标变换，运算量大，所以对控制器的运算速度、处理能力要求很高。但在实际上矢量控制要用到电动机的各种参数，其控制的精确性受参数值变化的影响较大，而定、转子绕组的参数难以准确掌握，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数进行测定。这种控制方式还需要解耦计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。（4）直接转矩控制1985年德国鲁尔大学DePenbrock教授首先提出直接转矩控制理(DTC)。它根据交流电机转矩的需要，直接选择合适的定子电压空间矢量，实现交流电机电磁转矩的快速响应。把交流电机与驱动的电压源逆变器看成一个整体，在定子静止两项坐标系统中，选择合适的定子电压空间矢量，再利用选定的定子电压空间矢量分析计算定子磁链与电磁转矩的变化，通过定子磁链跟踪控制逆变器的开关状态直接控制交流电机的电磁转矩。由于直接转矩控制无需对定子磁和电流进行解祸，避免了矢量变换的复杂计算，因此，直接转矩控制不受电动机转子参数的影响，控制结构简单，易于实现数字化控制。目前这种控制思想受到各国学者的高度重视 5。本文介绍的SVPWM 波形实现方案，调速的原理都是保持磁通恒定的恒压频比U/F控制，因为这种控制方式和电机学的基本概念联系紧密，物理意义清晰，而且目前市场上正在使用的变频器也以这种方式为主。对它的深入研究也能为更先进调速方案的学习打下坚实的基础。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 58 页3 异步电机的矢量控制理论交流调速系统中的功率变换目前应用最广的是电压型逆变器。变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压。变频是由逆变器完成的，而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、PWM和SPWM 等多种方式。PAM方式整流部分采用晶闸管的逆变器可以采用变幅调制方式。而PWM脉宽调制型逆变器更多的是采用恒幅脉宽调制方式，由二极管整流桥输出恒定不变的直流电压，经中间环节送到逆变桥，通过调节逆变桥输出电压脉冲的宽度和脉冲列的周期，实现既调压又调频的目的。这种脉宽调制型逆变器主回路简单，而且由于逆变器输出电压的大小和频率直接由逆变器决定，所以调节速度快，系统的动态性能好，而且电源侧输入功率因数高。由于它具有这些优点，所以目前应用相当广泛。正弦PWM(SPWM)和电压空间矢量PWM(SVPWM) 是应用最多的两种控制技术。本文采用空间电压矢量技术(SVPWM)实现，为突出它的优越性，先介绍下SPWM控制技术。3.1 SPWM技术SPWM是把脉宽调制技术应用于交流调速系统的产物。这里引用通信中的“调制”的概念，以所期望的正弦波为调制波，而受它调制的信号称为载波。SPWM中常用等腰三角波作为载波。定义载波频率与调制波频率的比值为载波频率比( 载波比 N)。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，根据载频比是否变化有同步调制和异步调制 10。（1）同步调制在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，即载频比N 保持为常数，变频时正弦调制波频率与三角载波频率同步变化。如果取载波频率N 为3的倍数，则同步调制能保证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称，能保证相波形间中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 58 页具有互差的对称关系。但是这种调制，在输出频率很低时，由于相邻两脉冲间距过大，谐波分量会显著增加，使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。这是同步调制的主要缺点，所以在低频时要设法提高载波比。（2）异步调制顾名思义，异步调制方式是指载波信号和调制信号不保持同步的调制方式。通常保持载波频率固定不变，当信号波频率变化时，载波比N 是变化的。在工作低频段时，输出频率降低时逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数增加，相应的减小了电动机的转矩与噪声，改善了低频时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4 周期的脉冲也不对称。当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小， PWM波形接近正弦波。当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期内的脉冲减少， PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相 PWM型逆变路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号频率较高时仍能保持较大的载波比N。（3）分段同步调制在一定的频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点。当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，又采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体的说，把逆变电路的输出频率区间划分为若千个频率区间，在每个区间内都保持载波比N为常数，对于不同区间取不同的载波比，低频时载波比选取大一些，一般按等比级数安排。3.2 电压空间矢量 SVPWM 技术电流跟踪控制直接控制输出电流，使之随着正弦波形变化，交流电动机输入三相正弦波使得电机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电机看作是为一体，以圆形磁场为目标来控制逆变器的工作。磁链轨迹的控制通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，又称为“电压空间矢量中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 58 页SVPWM”。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 3.1 所示。这个坐标系有三个轴，互相间隔 120o，三相定子电压 Ua，Ub，Uc 分别施加在三相绕组上，形成三个相电压空间矢量 Ua、Ub、Uc 它们的方向始终在各相的轴线上，大小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 15。ABCUaUbUcU图 3.1 空间矢量坐标(3-1)因此有：当转速不是很低时，定子电阻 R 的压降相对较小 所以有: （3-2）该式说明，当磁链幅值定时，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。如此，便将电动机旋转磁场转化为电压空间轨迹。3.3 SPWM 和 SVPWM 的比较3.3.1 SPWM和SVPWM的差别(1)目的不一样SPWM直接的出发点是利用通信技术中的“调制”方法来解决变频调速中的问题，着眼于如何生成与三相对称正弦波相近的正弦电压供给电机，即用PWM波形去逼近正弦波形，着重于产生一个三相正弦交流电源，而不考虑负载。这是最中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 58 页初的控制方法。而SVPWM是把逆变器和电动机看做一个整体来考虑，出发点是控制电动机磁通的轨迹，所以，物理概念上更直接一些。(2)产生方法不一样SPWM产生需要调制信号和载波信号相配合，而SVPWM只需要根据算法控制全控型功率开关器件的通断即可实现。(3)直流电压利用率SPWM直流电压利用率只有86.6%，利用率很低。SVPWM的直流电压利用率可达100% 。3.3.2 SPWM和SVPWM的联系SPWM和SVPWM 两种调制方式之间有着内在的联系。有的学者经过研究，发现SVPWM是一种 SPWM的变形，差别就是SVPWM 的调制函数中在正弦函数上叠加了一个特殊的零序分量。SPWM易于硬件电路实现，而SVPWM更适合于数字化控制系统 12。3.4 异步电机 SVPWM 的控制算法研究图3.2是一个通用的电压型PWM逆变电路。上下六个开关管均采用全控型的电力电子器件。利用这种逆变器上下桥臂功率开关管的开关状态和顺序组合，以及调节开关状态持续时间，就可以产生谐波较少的、且直流电源电压利用率较高的输出电压，且为使电动机负载获得幅值恒定的圆形旋转磁场，应尽量保证电压空间矢量运行轨迹为圆形。为了让异步电机保持对称工作的状态，需要同时给逆变器的三相加以送电，也就是说必须要让在3个不同桥臂上的功率器件能够同时的被通电导通，同时对应的桥臂上的其它3个器件就应该是关断的状态。这样由逆变器的拓扑式结构可以看出，三相逆变器应该具有八种不同的开关工作方式，假定如果用“0”来表示下桥臂导通的状态，那么可以用“l ”来表示上桥臂的导通状态，统计出的八种不同的导通方式用ABCD的不同相序可以排列成：000、001、010、011、100、101、110、11l这八种不同的状态。可以明显的看出这八种不同的导通方式下的逆变器输出端相对于0点的电压U A0、U BO、U CO可以排列为如表2.1的排列方式(其中的O点是设定的零点) 。如果逆变器处于正常工作的状态时，排在中间的六种状态是有意义的，而两端的111与000状态是无效的。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 58 页V1aV3bV5cV2aV4bV6c+Ud_A 到B 电C 机图3.2 三相逆变器为异步电机供电原理图由三相异步电机的相电压确定方法，能够分别计算出异步电机在以上八种不同的状态时的三相电压U AN、U BN、U CN的值. 在对异步电动机矢量控制系统进行相关的分析时，往往是在旋转或者两相静止坐标系中却不能在三相坐标系中运算和分析不同的控制参数以及相关变量的。异步电动机矢量控制算法应用PARK反变换就能够推出SVPWM 的控制信号，而控制信号同时都在两相静止坐标系下分析得出的，依据电机的定子三相绕组所建立的三相定子A-B-C 坐标系是静止坐标系的形式，同时由于两相定子- 坐标系是由与被固定在A轴上的轴与同它垂直的轴构建出来的，所以两相定子-坐标系也是静止坐标系的形式 22。（1）Clarke变换 Clarke变换为两相定子-坐标系和三相定子A-B-C 坐标系两者的相互的变换形式，它又被称为3/2变换。假定两相(，)和三相绕组(A ，B，C)轴线相互关系可以用图3.3描述，相绕组轴线和A相绕组轴线均为静止坐标，且它们相互重合，它们所对应的交流电流分别表示为：i A ，i B ，i C和 i，i 。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 58 页ABCiAiBiciia图3.3 3S/2S坐标变换那么它所对应的正变换公式在使用正交变换矩阵的形式时可以表述成：（3-3）（2）PARK变换 PARK变换是指从两相静止坐标系(- )转换为两相旋转坐标系(M-T)的变换方式。其中静止的坐标系是用-表示，按角速度 1旋转的旋转坐标系是用M-T表示，如果M-T旋转坐标系静止坐标系的- 而变换来的时候，可以用图3.4来表示对应的坐标轴的设定方式，图中的角是d轴和轴所成的角度，对应的M、T绕组在空间上是成相互垂直的关系，再考虑到直流量U M和 UT，并且使M、T坐标按照同步转速 1来进行旋转，这样就会使- 坐标系和生成的磁动势相互等效。 、 轴与M、T所成的角度是变量，它的值是随着时间的改变而改变的，且同时也随着转速和负载的改变而改变。下面将PARK变换表示为矩阵的形式的公式表述形式如下：（3-4）iM MTiTi i图3.4 2S/2R坐标变换从上面的分析,可得出磁场定向控制的特点：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 58 页(1)基于转子磁链同步旋转坐标系,通过坐标变换,得到定子电流的转矩分量和磁通分量的完全解耦。(2)转子磁链的计算精度、系统特性受电机参数的影响很:k,提高系统的可靠性必须进行电机参数的在线辩识。(3)由于坐标变换的计算量相当复杂，必须采用运算速度快、数字处理能力强的微处理器才能实现实时控制。选择特定的同步旋转坐标系，即确定M-T轴的取向，称之为定向。选择电机某一旋转磁场轴作为特定的同步旋转磁场轴，则称为磁场定向(Field orientation)。顾名思义，常说的矢量控制系统也称为磁场定向控制系统 18。磁场定向控制能够达到对异步电动机的转矩和磁场的快速响应和完全的解耦控制。为了得到这样的完全解耦控制，磁场定向控制算法需要得到一个准确的相对于静止定子坐标系的旋转的转子磁通角。只有准确的得到转子磁通角变量，才可以实现定子电流的转矩分量和励磁分量的完全解耦，从而控制异步电动机的转矩和励磁。为了准确的得到转子磁通角的位置，有两个不同的方法被采用，故磁场定向控制可以分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制：(1)直接磁场定向控制 直接磁场定向控制由于实现了磁链的闭环控制在理论上具有较好的控制特性，然而磁通观测器容易受到电动机参数变化的影响，尤其在低速时需要进行电压模型补偿，所以实现起来的难度较大，一般很少采用。(2)间接磁场定向控制 也称为转差型磁场定向控制，其思想是从异步电动机的数学模型出发，推导出异步电动机的转差频率表达式，利用测速装置测得电动机的转速或用无速度传感器方法估算出的转速得到转子角频率，将获得的转子角频率和转差角频率相加，再进行积分运算，得到转子的磁通位置。其优点是系统实现了磁通和转矩的解耦控制，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，在某种程度上影响了系统的性能 23。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 58 页PI PI d,q,异步电动机d,q,PIcurrentmodelnref_isqref_vsqrefPark 逆变换vsrefvsrefisisisqisdnisdref_vsdrefrPark 变换图3.5 间接磁场定向控制系统框图异步电动机间接磁场定向控制系统的采用电流模块来计算转子磁通角理论基础如下：采样的定子电流经过三相/二相