【SVPWM空间矢量调制技术概述4200字】

SVPWM空间矢量调制技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u22476SVPWM空间矢量调制技术概述 1277721.1矢量控制技术基本原理 1174281.2空间矢量脉宽调制原理 2199691.3SVPWM各模块分析即MATLAB/Simulink模型搭建 4186971.3.1参考电压矢量扇区判断模块 4278321.3.2扇区矢量作用时间模块 5260561.3.3各扇区作用时间模块 799671.3.4三相电压开关切换点 852271.3.5载波调制产生信号 9223521.4永磁同步电机矢量控制Simulink仿真 10209931.4.1整体模型搭建 10101101.4.2转速环/电流环模块搭建 11264401.4.3坐标变换模块 13297821.4.4仿真条件设置及仿真结果分析 14随着矢量控制技术的日渐发展成熟，现如今越来越多的被用作是永磁同步电机的控制技术里，并且也具有高效，转矩特性好，易于实现的特点。矢量控制的方法有很多：id=0控制，最大转矩电流比控制，cosφ=1控制，弱磁控制等，id=0的控制方法因为应用范围更广，控制性能更优异，所以本文所用的永磁同步电机矢量控制方法是id=0的控制策略。1.1矢量控制技术基本原理因为直流电机的解耦控制技术，直流电机的励磁电流和电枢电流没有耦合，所以可以独立进行控制，而矢量控制技术正是借鉴这一个控制思路，以坐标变换理论为基础的控制方法，用坐标变换对定子电流在d-q同步旋转坐标系中的大小和方向进行控制，并分解为电磁分量和转矩分量，并实现对直轴和交轴分量的解耦目的，使磁场和转矩能解耦控制。让交流电机能和直流电机一样能达到类似的控制性能。下图（3-1）是永磁同步电机基于id=0的矢量控制系统框图：图3-1基于id=0的永磁同步电机矢量控制系统框图对于三相永磁同步电机矢量控制技术，电流控制环，转速控制环和PWM算法是其中的核心控制部分。其中转速控制环，顾名思义，就是控制电机的转速并使其能够达到给定的调速要求和稳定转速的目的。d轴和q轴电流环是为了调节电机的动态响应过程，让定子电流接近给定的电流矢量，达到控制目的。图（3-1）的控制框图主要由电流调节器，d轴电流调节器，q轴电流调节器，SVPWM算法，坐标变换几个部分组成：首先将三相静止坐标系上的电流ia，ib，ic经过Clark变换为两相静止坐标系的分量iα，iβ，再经过Park变换为d-q同步旋转坐标系的分量id和iq，并将得到的id和iq和给定的参考电流idref和iqref分别进行比较，会得到的电流误差通过d轴和q轴电流调节器得到ud和uq，再通过Park反变换最后得到uα和uβ，最后通过SVPWM算法和三相逆变器输出三相电压，当达到对永磁同步电机的控制指标，即说明整个系统的误差趋于0。1.2空间矢量脉宽调制原理SVPWM算法实际上是对应于交流电机中的三相电压逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120°电角度、失真较小的正弦波电流波形。SVPWM原理即由图（3-2）所示电路两电平三相电压源逆变器电路，由3个桥臂6个功率开关器件构成的8种开关电路，在运行过程中同一组桥臂上的上下两个功率开关器件不能同时导通，即sa和sa'，sb和sb图3-2两电平三相电压源逆变器原理图当上桥臂的开关管导通，下桥臂开关管关断时用“1”表示，反之下桥臂管子导通而上桥臂管子关断则用“0”表示如下式（3-1）表示，而对应的这8中开关模式就对应了8种空间电压矢量，在定子绕组上产生三相交流电，并通过开关导通的时间来确定空间电压矢量的大小。Sx其中x代功率开关器件abc。图（3-2）中Udc表示直流母线电压，且交流侧的相电压UaN，UbN，UcN和上式（3-1）中开关函数的关系可有下式（3-2）表示：VAN综合8种开关组合，以及式（3-1）（3-2）可以得到各种开关组合和电压关系表（3-1），对应关系如下：表3-1开关组合和电压的关系ModeSSSuuuuuu矢量0000000000U1001−−20−UU2010−2−−U0U3011−2UU−0UU41002−−U0−U5101U−2UU−0U6110UU−2U0U−U7111000000U从表格可以看出，由三个桥臂的开关管导通状态的8种电压矢量的组合中，在α和β平面，有6个非零矢量U1（001），U2（010）,U3（011），U4（100），U5（101），U6（110）和2个零矢量U0（000），U7（111），如下图（3-3）所示的复平面中，得到电压空间矢量图，在此复平面分成了6个扇区。图3-3电压空间矢量图1.3SVPWM各模块分析即MATLAB/Simulink模型搭建1.3.1参考电压矢量扇区判断模块要实现SVPWM信号实时调制，首先需要知道参考电压矢量Uout。用Uα和Uβ表示参考矢量Uout在α，β轴上的分量，定义Uref1Uref1并定义A,B,C如下式（3-4），令N=4C+2B+A即可求出扇区对应位置如下表（3-2）Uref1表3-2扇区具体位置判断N315462扇区ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ比如,当N=1时，即要使N=1，则需要C=B=0，A=1，所以取Uref1参考矢量的正半轴部分区域，取Uref2和U图3-4simulink扇区判断模块1.3.2扇区矢量作用时间模块由图（3-5），选取扇区Ⅰ作为例子，可以得出Uout在Uα，Uβ式（3-5）以及在α-β轴的作用时间T4和TUα图3-5扇区Ⅰ矢量作用时间合成图求出矢量作用时间T4,T6关于Uα，UT4同理得出其他扇区矢量作用时间，定义X,Y,Z三个方向如下式（3-7）X=3图3-6simulink扇区矢量作用时间1.3.3各扇区作用时间模块当取值N不同时，可以得出各个扇区中T0（T7）和T4,T6分别作用的时间如下表（3-3）所示表3-3扇区作用时间N123456扇区ⅡⅥⅠⅣⅢⅤT1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0TPWM＝（Ts-T4-T6）/2根据不同的扇区，选择响应的作用时长，若T4+T6>Ts，进行过调制处理，即式（3-8），采用比例缩小，若T4T4图3-7各扇区T1T2作用时间1.3.4三相电压开关切换点根据扇区N来确定对应扇区的作用时间，确定MOS切换的时间点，式（3-9）先定义三个时间Ta，Tb和TcTa对应扇区N为Ⅰ~Ⅵ时，对应的开关管切换的时间点如下表（3-4）表3-4各MOS切换时间点N123456扇区ⅡⅥⅠⅣⅢⅤTcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa图3-8MOS开关切换时间1.3.5载波调制产生信号图3-9脉冲输出产生PWM信号图3-10SVPWM模块整体框图1.4永磁同步电机矢量控制Simulink仿真1.4.1整体模型搭建由图3-1的基于id=0的永磁同步电机矢量控制框图搭建整体模型如下图（3-11）和各子模块：(1)仿真模型由直流源，三相逆变桥，永磁同步电机(PMSM)，双闭环PI控制器，Park变换模块，Clark变换模块，测量模块等构成；(2)采用转速、电流双闭环控制；内外环均采用PI控制器；(3)采用SVPWM矢量控制；(4)转速跟踪性能良好，具有较好的抗负载扰动性能。图3-11PMSM矢量控制系统仿真模型1.4.2转速环/电流环模块搭建根据电机实际反馈转速与参考转速的差值，采用PI控制器产生iq命令。积分器是采用梯形法得到的离散时间积分器。实际仿真时一般会进行离散化增加零阶保持器模块来模拟现实控制器离散控制的情况,如下图（3-11）所示：图3-12转速环模块电机参数设置如下：极对数Pn=4，电枢电感Ld=5.25mH，Lq=12mH，定子电阻R=0.96欧，磁链ψ=0.182743wb,转动惯量J=0.003kg·m2，阻尼系数B=0.008N·M·S。电流环带宽和电机时间常数有关系，即时间常数τ=min⁡｛LdR三相PMSM的电机运动方程:JdTe其中:ωm为电机的机械角速度;J为转动惯量;B为阻尼系数;TLiq=iq'-Baωm当采用id=0的控制策略,并假定电机在空载（TL=0）情况下启动时,由式（3-10）-式（3-12）可得到:dωm将（3-13）式的极点配置到期望的闭环带宽β,可以得到转速相对于q轴电流的传递函数为:ωm比较式（3-13）、式（3-14）可得到,有功阻尼的系数Ba若采用传统的PI调节器，则转速环控制器的表达式为:iq因此,转速环PI调节器的参数𝐾𝑝𝑤,𝐾𝑖𝑤可由下式整定：Kpw并且求出参数τ和α如下式（3-18） τ=minLd所以计算可以得到转速环的比例增益和积分增益如下式（3-19）Kpw电流环模块：根据电机实际反馈电流与参考电流的差值,采用PI控制器产生vd、vq命令。积分器是采用梯形法得到的离散时间积分器,实际仿真时一般会进行离散化,增加零阶保持器模块来模拟现实控制器离散控制的情况,如下图（3-12）所示：图3-13电流环模块由上面已知条件可以得到d轴和q轴电流环的比例增益Kp和积分增益KiK1.4.3坐标变换模块1.Clark变换：三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，如下图（3-13）图3-14Clark变换2.Park变换：两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换，如下图（3-14）图3-15Park变换1.Park反变换：两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系的变换，图下图（3-15）图3-16Park反变换1.4.4仿真条件设置及仿真结果分析仿真条件：直流测电压Udc=311V,PWM开关频率f=10KHz,采样周期T=10μs,采用变步长ode23tb算法,相对误差0.001,仿真时间0.4s。为了验证所设计的PI调节器参数的正确性,仿真条件设置为:参考转速N=1000r/min.初始时刻负载转矩T=0N•m.在t=0.2s时负载转矩T=10N•m,仿真结果如下：可以得到电机转速，转矩及电流的波形图如下：可以看出在t=0.2s时负载转矩突然增加，转速波形依然能够很快稳定。图3-17转速波形在t