四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统_图文

1、四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统收稿日期:2009 06 03吴延华,邹存芝(黑龙江科技学院电气与信息工程学院,哈尔滨 150027摘 要:四开关三相逆变器作为传统六开关逆变器故障后重构拓扑得到了研究重视。该文研究了四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统,分析了四开关逆变器空间矢量脉宽调制(S V P WM技术,并在搭建的仿真和实验平台上进行了对比研究。结果表明,四开关逆变器的采用实现了永磁同步电动机驱动系统的容错运行,同时由于使用较少的功率器件也减小了系统体积,降低了成本。关键词:永磁同步电动机;四开关三相;矢量控制;SVP WM中图分类号:TM351;T P276 文献标志码:A 文章编

2、号:1001 6848(201008 0067 04Vector Control Syste m of Four s witch Three phase Perm anentM agnet SynchronousM otorsWU Y an hua,ZOU Cun zhi(Institute of E lectrical and Infor m ation E ng ineering,H eilongjiang College ofS cience and T echnology,H arbin150027,ChinaAbst ract:Four s w itch three phase i

3、n verter is be i n g attached as a post fau lt recon fi g uration topo logy.Per m anent synchronous m agnet m oto r(P M S Mvector contro l syste m fed by four s w itch three phase i n verter w as studied in this paper.Space vector pu lse w i d th m odu lation(SVP WMfor four s w itch i n verters w as

4、 an alyzed and co m pleted co m parison research on the bu ilt si m ulati o n and experi m ental p latf o r m s.The si m u la ti o n and experi m enta l results de m onstrate that fault to lerant operation of P M S M can be ach ieved by m eans o f the adoption o f four s w itch inverter.And a lso,th

5、e syste m ic cost and vo lu m e are reduced because of the lesser e mp l o yed po w er co m ponents.K ey W ords:Per m anent m agnet synchr onous m o tor;Four s w itch t h ree phase i n verter;V ector contro;l SVP WM0 引 言采用三相电压源逆变器供电的永磁同步电动机系统以其良好的控制特性、较高的功率密度和效率等优点在工业、航天航空和军事等领域得到了广泛应用。然而,永磁同步电动机(P

6、M S M驱动系统中的功率半导体器件及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节,其可靠性问题一直没有得到有效解决1。功率变换器一旦发生故障,轻则将造成系统停机影响生产,重则造成灾难性事故。尽管人们为提高电机驱动系统的可靠性而采取降额设计和并联冗余等方法,但这会使系统造价过高,且仅适用于空间条件允许的场合。为改变这种状况,国外已有研究者提出逆变器容错技术2 4。四开关三相逆变器作为一种常用的故障重构与低成本拓扑,得到了研究者的广泛重视5 8。本文将四开关三相逆变器用于永磁同步电动机矢量控制系统,研究了四开关三相逆变器的空间矢量脉宽调制(SVP WM。为验证理论分析的正确性和所提方法的可行性,搭建了仿真

7、模型,并基于DSP TM S320F2812设计了三相四开关永磁同步电动机矢量控制系统,与传统六开关逆变器系统进行了仿真和实验对比研究。结果表明,四开关逆变器可以作为传统逆变器故障后的重构拓扑,实现永磁同步电动机驱动系统容错运行,同时较少功率器件的采用也减小了系统体积,降低了成本。1 系统总体设计四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统组成如图1所示。与传统永磁同步电动机矢量控制系统相比,逆变器采用了四开关拓扑,母线上串联两个电容,并把中点抽出与一相绕组相连。被控电机为67 表面磁钢永磁同步电动机,控制系统采用与传统六开关P M S M 相同的转子磁场定向控制,即,控制。通过采样绕组电流,利用坐标

8、变换理论实现同步旋转坐标系下的电流闭环调节;速度环调节输出作为交轴电流的给定值,以实现对电机转矩的控制;电机转子位置和速度通过与转子同轴连接的位置传感 器获得。图1 四开关三相P M S M 矢量控制系统组成2 四开关三相逆变器及其S VP WM 控制2 1 四开关逆变器拓扑四开关三相逆变器拓扑如图2所示。其中一相绕组端连接在直流母线串联电容的中点上,通过两个电容的充放电来产生该相绕组所需的电流。由于较传统逆变器减少了两个功率开关器件和续流二极管,降低了系统成本,相应的P WM 控制策略也不同 于六开关逆变器。图2 四开关逆变器拓扑2 2 四开关SVP WM 控制SVP WM 控制是以三相对称

9、正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为基准,用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁链圆,从而达到较高的控制性能9。传统的六开关逆变器可提供6个有效电压矢量和2个零矢量,而四开关逆变器只有4个开关状态,对应4个基本电压矢量,且没有零矢量。控制自由度降低,难度加大。如图2所示,用开关函数s b 、s c 分别表示b 、c 两相桥臂功率开关管的通断状态:1代表上管导通,下管关断;0代表上管关断,下管导通;同一相桥臂的上下开关管开关信号互补。电机相电压与开关信号的关系可以表示为:u an =V d3(1-s b -s c u bn =V d 3(2S b -S c -12u cn

10、 =V d3(2s c -s b -12(1其中,u an 、u bn 、u cn 分别为电机相电压;V d 为直流母线电压。定义电压矢量U 为U =23(u an +u bn j 2 /3+u cn e -j2 /3(2利用C larke 变换,得到电压在两相静止 坐标系下的两个分量u =V d3(1-s b -s c u =V d 3(s b -s c (3则有U =U +j U(4四开关逆变器的4个基本电压矢量在轴上的分量,如表1所示。表1 四开关逆变器的基本电压矢量U (s b ,s c u u U 0(00 V d /30U 1(010-V d 3U 2(100V d /3U 3(1

11、1-V d /3将表1中列出的三相四开关逆变器的基本电压矢量描绘于空间坐标图中,如图3所示,4个基本电压矢量将矢量空间划为4个扇区。图3 三相四开关逆变器电压矢量68如图3所示,在任一扇区内,参考电压矢量U 可以由互差90 的相邻两电压矢量主矢量来合成。定义参考电压矢量与其旋转方向上落后电压矢量间的位置角为!。以扇区!为例,U 0、U 2为用于合成参考电压矢量的两个相邻主矢量。U 0、U 2的作用时间可以表示为T s =UT sin !/U 0(5T y =UT cos !/U 2(6T 0=T -T x -T y(7在传统六开关系统中,由于存在零矢量,时间T 0可通过施加零矢量来补足。但四开

12、关系统中不存在零矢量,因此可考虑在相同时间内施加2个相反方向电压矢量来等效零矢量的作用。图3为按照开关次数最小原则确定的各扇区电压矢量合成图,即每一开关周期以U 0开始并结束,且同一桥臂上开关器件的开关状态只改变两次。以扇区I 为例,等效零矢量由T 0U 0/2和T 0U 3/2合成,并且所有矢量采 用分段施加的方式。图4 各扇区电压矢量合成图四开关SVP WM 算法流程可由图5表示。所属扇区根据参考矢量在 和 轴分量的符号判断,作用时间由式(5、(6、(7确定,按照图4所示的电压矢量分配与合成原则确定功率器件的开关模式。通过四开关SVP WM 控制的四开关逆变器输出即可形成如图3所示的圆形磁

13、链。3 仿真与实验结果借助Matlab/Sm i uli n k 软件,同时采用TM S320F2812分别搭建了四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统仿真模型和实验平台,进行仿真和实验对比研究。仿真和实验结果分别如图6和图7 所示。仿真中,在0 05s 时系统中六开关逆变器切换为四开关拓扑。图6(a、(b、(c分别为电机定子三相电流仿真波形、转速波形和转矩波形。图5(d为四开关逆变器输出的圆形电压矢量轨迹。根据故障前后对比可以看出,系统维持了良好的运行状态。图7为四开关三相永磁同步电动机矢量控制系统实验结果。通过实验可知,电机绕组三相电流表现出了良好的正弦性和对称性,电机运行良好。但同时表明,

14、母线串联电容的容量和参数的一致性对电机绕组电流和运行性能有很大影响,当两电容容量较小或参数一致性较差时,三相电流表现出不69 对称,电机运行状态变差。设计时应选用参数一致性好的滤波电容,并尽量增大容量。同时,四开关三相逆变器串联电容表现出的电压均衡问题也值得 进一步研究。4 结 论本文研究了四开关三相逆变器用于永磁同步电动机矢量控制的可行性。分析了四开关逆变器的运行模式和SVP WM 控制原理,利用在相同时间内施加两个相反方向电压矢量来等效零矢量的作用,给出了具体算法。搭建了仿真模型和实验平台,方案的可行性得到了验证。参考文献1 P .W.W i k stron ,S.Reli ab ili

15、ty ,Avail ab ili ty ,and M ai ntai n ab ilit y ofH i gh po w er Vari ab le Speed Dri ve Syste m sJ.I EEE Trans .Ind .App.l 2000,36(1:231 241.2 B young Gun Park ,Tae Sung K i m .Fau lt Tolerant S trategi es f orBLDC M ot or Drives under Sw itch Fau ltsJ .I EEE T ransations onIndus try App li cati on

16、s ,2006:1637 1641.3 R .L .A .R i b ei ro ,C .B.Jacob i na .Co m pen s ati on S trategies i n the P WM VSI Topol ogy for a Fau lt Tolerant Inducti on M otor Dri ve Syste m C.SDEM PED 2003,2003:211 216.4 Ch ia Chou Y eh ,Nabeel A.O .Fau lt Tolerant Op erati on s i n Adj ustab l e Speed D ri ves and So

17、ft S tarters for Induction M otors J .IEEE Tran sati on s on Indu stry App licati ons ,2007:1942 1949.5 Sun Dan,H e Zongyu an ,H e Y i k ang ,et a.l Fou r Sw itch InverterFed P M S M DTC w it h SVM Approach for Fau lt To l eran t OperationJ.IEEE T ran s acti ons on Po w er E lectron ics ,2007:297 299.6 孙丹,何宗元,Ivonne Y z n aga B lanco ,等.四开关逆变器供电永磁同步电机直接转矩控制系统转矩脉动抑制J .中国电机工程学报,2007