感應(yīng)電機SVPWM 控制系統(tǒng)的仿真研究

　1 引言

　　隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)和正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)在電機控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用。使用SPWM 來控制電機系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但系統(tǒng)性能不高，電壓利用率不高，諧波成分較大。近年來電機的空間矢量理論被引入電機控制系統(tǒng)中，形成了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM) ，其原理是就是利用逆變器各橋臂開關(guān)控制信號的不同組合，使逆變器的輸出空間電壓矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM 與常規(guī)的SPWM 相比，能明顯減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低脈動轉(zhuǎn)矩，而且有較高的電壓利用率，更易于數(shù)字實現(xiàn)[1] ，因而在交流感應(yīng)電機控制中，應(yīng)用前景十分看好。

　　2 SVPWM 脈寬調(diào)制原理

　　2.1 八個電壓空間矢量與扇區(qū)劃分

　　空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 實際上對應(yīng)于交流感應(yīng)電機中的三相電壓源逆變器的功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合。在采用三相逆變器對異步電機供電時，根據(jù)逆變器的工作原理可以知道，逆變橋共有23 ＝8 種狀態(tài)，若將逆變器的八種狀態(tài)用電壓空間矢量來表示，則形成8 個基本的電壓空間矢量，其中6 個非零矢量，2 個零矢量，每兩個電壓矢量在空間相隔60o，如圖1 所示[2] 。SVPWM 技術(shù)的目的是通過與基本的空間矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的組合得到一個給定的定子參考電壓矢量。

　　2.2 SVPWM 的實現(xiàn)[3,4]

　　SVPWM 信號的實時調(diào)制需要定子參考電壓矢量的二維靜止坐標(biāo)系α軸和β軸的分量uα. s 、uβ. s 以及PWM 周期Tpwm 作為輸入，其產(chǎn)生框圖如圖2 所示。

                                    圖2 SVPWM 產(chǎn)生框圖

　　2.2.1 相鄰兩矢量作用時間的確定

　　定義如下X、Y、Z 三個變量： 。

　　參考電壓矢量位于被基本空間矢量所包含的扇區(qū)中時，矢量作用時間的相對值T1 和T2 可以用X，Y 或Z 表示，它們的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。表1T1、T2 與X、Y、Z 的對應(yīng)關(guān)系表

                         表1 T1、T2 與X、Y、Z 的對應(yīng)關(guān)系表

　　對不同扇區(qū)的T1、T2，按表1 所示取值，還要對其進(jìn)行飽和判斷：如果T1+T2>Tpwm， 則T1= T1*Tpwm/（T1+ T2），T2= T2*Tpwm/（T1+ T2）。

　　2.2.2 判斷定子參考電壓矢量所在扇區(qū)

　　定義三個參考量Vref1 、Vref2 、Vref3 ，令Vref 1 =X；Vref 2 =.Z；Vref 3 =.Y 。

　　如果Vref1>0，則A=1，否則A=0；如果Vref2>0，則B=1，否則B =0；如果Vref3>0，則C=1，否則C =0。設(shè)N =A +2B +4C ，則N 與扇區(qū)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

　　2.2.3 確定比較器的切換點

　　定義：

　　 經(jīng)過上式計算就可得到SVPWM 的參考調(diào)制信號，最后根據(jù)扇區(qū)確定電壓空間矢量切換點Tcm1、Tcm2、Tcm3，如表3 所示。

　　3 電流注入型感應(yīng)電機矢量控制方案

　　3.1 電流注入型感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)

　　電流注入型矢量控制方案適用于中小功率、高開關(guān)頻率的矢量控制系統(tǒng)。此時控制系統(tǒng)的定子參考電壓完全可以由定子電流控制器提供，而無需考慮電機的定子電壓方程。逆變器開關(guān)頻率較高，而且電流控制器魯棒性足夠強，控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速的定子電流控制，其實現(xiàn)方案如圖3 所示。同時，這種控制技術(shù)采用空間矢量PWM 技術(shù)輸出參考電壓，所以它能獲得很好的電流頻譜。

               圖3 間接轉(zhuǎn)子磁場定向電流注入型感應(yīng)電機矢量控制方案

　　由于電機是星形接法，無零序電流分量，所以該控制系統(tǒng)只需要測量電機的兩相電流，第三相電流可以通過方程iCs=-iAs-iBs 求出。此外，控制系統(tǒng)還需要測量電機的轉(zhuǎn)速，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和計算轉(zhuǎn)子磁鏈位置角。控制系統(tǒng)總共包含轉(zhuǎn)速控制器、勵磁電流控制器和轉(zhuǎn)矩電流控制器等三個控制器，通常情況下，這三個控制器可以是PID 控制器[5]。

　　轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系下的磁通模型如下式所示，可以看出，電機的勵磁電流分量imr 只與定子電流d 軸分量ids 有關(guān)，而不受定子電流q 軸分量iqs 的影響，說明在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系下，感應(yīng)電機的勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量是完全解耦的[5]。