基于SVPWM雙閉環異步電機調速系統的設計

公茂法 劉建平 馬立國 王靜靜 田寶進

（山東科技大學信息與電氣工程學院，山東 青島 266590）

直流電機調速方便是因為產生轉矩的電樞電流和產生磁通的定子電流，在空間位置是固定的，可以獨立控制。而異步電機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統[1-2]。如果異步電機采用磁鏈跟隨控制首先將電機方程轉換到一個與轉子磁鏈同步旋轉的坐標系d，q 坐標系，在恒定轉子磁鏈的條件下，該坐標系的控制變量與轉軸之間存在線性關系。把交流電機方程變換到磁場坐標系，相當于建立直流電機模型，產生轉矩的電流分量與產生磁通的電流分量互不影響，對異步電機模型的轉矩和磁鏈進行了解耦[3]。

本文根據空間矢量調制跟隨磁鏈的思想，通過轉速和電流采樣，并通過TMS320F28335 為控制芯片進行變量轉換，以及對系統各模塊進行監測和控制。其中電機供電系統引入Zeta 電路[4]，提高系統的對負載和電網電壓擾動的適應能力。

1 雙閉環控制在異步電機調速的應用

根據電機三相合成空間磁勢，應用電力電子器件開斷調節輸出電壓矢量使其合成向量逼近電機的圓形空間磁勢，從而調節調節電機的轉矩。這種方法稱為磁鏈的軌跡調制法即SVPWM 控制[5-6]。

由于轉速和電流在系統中較容易取得，選擇電流和轉速作為反饋信號，不僅能提高調速精度，硬件設計也能得到簡化。本文以電流轉速作為反饋數據進行異步電機調速。系統整體調速控制電路如1 圖所示。

圖1 雙閉環異步電機調速圖

框圖中各模塊的作用是：

1）SVPWM 模塊。主要作用是由DSP 芯片變換輸入參數，并按照參數依據空間矢量算法調制輸出PWM 觸發逆變器中ΙGBT。

2）AC-AC 模塊。主要作用是基于ΙGBT 設計的變壓變頻電路。

3）ACR 模塊。主要作用是防止電網波動給電機繞組造成影響，利用PΙ 調節算法及時、無靜差的在電網波動的時調整定子電流大小保持轉矩一定。

4）ASR 模塊。主要作用是實現轉速無靜差的調節。模塊中加入PΙ 算法和限幅控制器，有效地使電機在負載變動或電網電能質量波動時準確的恢復給定轉速。

5）極性檢測模塊。判別電機的正反轉實現電機的分區控制。

2 系統設計及其各模塊的說明

系統整體設計如圖2所示，交流電網先經過不可控整流電路變換成直流電，直流電經DC/DC 調壓送至由SVPWM 算法控制的逆變模塊給異步電機供電。

圖2 電機控制整體結構圖

系統主要部分作詳細說明如下：

1）泵升電壓保護電路

（1）在整流電路和DC/DC 模塊之間加延遲開關和電抗器并聯的目的是防止電網斷路器合閘時的過電流將整流二極管燒壞。

（2）在電網上并聯GTO 和水泥電阻串聯組成的電路目的是當電機處于反饋電能狀態時，二極管整流電路無法將電能反饋給電網，而此時電能集中在電容兩端且必須盡快釋放；因此當泵升電壓產生時，及時觸發GTO 導通，使囤積在電容兩端的能量盡快消耗到電阻上。

2）DC/DC 模塊

電壓型逆變器，可等效降壓型的逆變器；當電機的額定電壓很大時，供電電壓達不到額定要求，因此在逆變器的輸入端加上一個DC/DC 調壓電路，使其輸入電壓得到調節。設計中加一個Zeta 電路，使系統具有更強的電網和負載適應能力。

3）ΙGBT 的保護電路

（1）過流保護。通常電力電子器件的過電流保護需要集中保護協調配合，但最為普遍和簡單的是熔斷器保護。此外，過電流主要是由短路現象產生，橋式逆變器中，當上下橋臂ΙGBT 觸發時間不當會造成短路，系統解決此短路的方案是在TMS320F28335觸發的PWM 波中設置死區時間，防止造成的短路問題。

（2）過壓保護。針對系統換相過電壓進行了保護，即當并聯的續流二極管結束后，全控型器件不能立即關斷而要承受較大的反向電流，而當開關器件真正恢復阻斷能力時電流急劇減小，使得電路的雜散電感產生很大的電壓，夾在開關器件兩端會燒壞器件，因此為緩沖這種反向電流，電路設置RC串聯電路防止過電壓燒壞器件。

（3）高溫保護。當ΙGBT 溫度升高時，其通態壓降會呈下降趨勢，并有可能在某一特定的通態電流下，隨溫度的變化其通態壓降保持基本不變的特性。但如果環境溫度過高時，會造成ΙGBT 的柵極失控；因此在逆變的輔助電路中，若電機的溫度超過設置的閾值就啟動上方的散熱風扇對逆變模塊進行散熱、冷卻處理。

3 SVPWM 控制策略及IGBT 分配時間計算

3.1 SVPWM 控制策略

空間矢量調制是根據三相電壓的合成電壓調制的，它區別于采樣調制、正弦脈寬（幅）調制的原理。與PWM、SPWM 調制的優缺點見表1。

表1 3 種調制策略對比表

調速需要進行對電流和頻率的協調控制，又因異步電動機只通過定子供電，因此調速時應保持磁通恒定。總之，異步電機可以看成一個電壓和角頻率的輸入系統與磁鏈和轉子角速度的輸出系統。而轉子的磁鏈和轉子電流又有確定的關系式；頻率又能通過變換成轉速。

調速首先應對異步電機數學模型進行降階和解耦。采用矢量變換控制思想[7]，具體方案如圖3所示。

圖3 矢量變換控制結構圖

圖3中的各種坐標變換的最終目的是使逆變器的輸出電壓空間矢量分布近似逼近磁鏈的空間分布。即通過觸發ΙGBT 的時間和導通順序控制電機定子電壓的大小和相位，因此為方便理論分析引入ΙGBT 的開關函數。

3.2 IGBT 分配時間的計算

對于廣泛使用的三相兩電平PWM 逆變器，采用8 個開關狀態定義相應的空間矢量為有效電壓空間矢量和零空間矢量構 成了逆變器的輸出電壓。在一個采樣周期內，輸出電壓矢量理論上為

式中，t0,t1,… ,t7分別為承擔的時間，有效空間矢量將空間分成6個扇區， 兩個零矢量依據時間分配調節輸出電壓的幅值。假設在第一扇區，參考電壓可寫作：

圖4 空間矢量分布的扇區規劃圖

根據圖4及正弦定理可得：

求得：

根據在第一扇區內時間關系可得零空間矢量承擔的時間是

以同樣的原理可求得個扇區中ΙGBT 分配的時間如表2所示。

表2 空間矢量各扇區分配的時間

在一個開關管周期Tf內調節零矢量的作用時間T0，可以調節輸出電壓的大小和相位。只要保證開關時間滿足所計算的分配時間，就能有較好的輸出。同時考慮開關損耗的問題，優化選擇的導通順序。如果三相逆變器輸出頻率為50Hz，那么每個扇區分配的時間是1/(50×6)s，而每個扇區中開關動作兩次，所以開關頻率為600Hz。DSP 計算ΙGBT 分配時間流程如圖5所示。

圖5 反饋三相電壓與開關函數關系計算流程圖

4 仿真結果及說明

本文借助Matlab 對系統進行仿真[8-9]，在power- siumlink 中建立坐標變換模塊、扇區選擇模塊、ΙGBT時間計算分配模塊、變流電路模塊和離散SVPWM 脈沖發生器模塊、PLL 和PLL 離散模塊、建立PΙ 帶限幅的ASR 和ACR 模塊、濾波環節、異步電機模塊等，搭建仿真電路。圖6為DC/DC 的ΙGBT 觸發寬度為0.5 時輸出的電壓波形和圖7電機穩定運行時電壓和電流仿真曲線。由仿真圖可以得到結論，雙閉環控制系統輸出電流紋波較少，輸出轉矩較為穩定。

圖6 Zeta 輸出電流電壓仿真圖

圖7 電機定子電壓電流仿真圖

5 結論

本文結合直流電機電流轉速雙閉環的控制思想，依據空間矢量調速策略，基于TMS320F28335 對異步電機調速系統進行了設計。文章對電網供電質量有較大波動的影響和不同額定負載的要求，對電機的供電系統進行改進，提出在不可控整流與逆變之間加入Zeta 電路的設計方案，提高系統的整體電壓適應能力。文章還對電壓型逆變器中ΙGBT 分配時間進行了計算并給出了相關模型設計框圖。文章最后應用Matlab 對雙閉環SVPWM 控制的異步電機調速系統進行了仿真，仿真結果表明設計的合理性和可行性。

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