磁懸浮永磁直線電動機驅動系統電壓空間矢量控制的研究*

2012-10-23 07:53:00藍益鵬韓曉明

制造技術與機床 2012年10期

藍益鵬韓曉明

（沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870）

現代制造技術正朝著高速化、精密化和模塊化方向發展［1］。傳統的進給系統主要是“旋轉電動機+滾珠絲杠”作為驅動機構來實現數控機床的直線形式運動。直線驅動技術是采用直線電動機直接驅動工作臺實現進給運動，設備進給傳動鏈長度為零，即所謂的“直接驅動”和“零傳動”［2－3］。因而，直線驅動技術在數控機床領域中得到了廣泛的應用。

磁懸浮永磁直線同步電動機兼有永磁電動機和直線電動機的雙重優點，特別是具有非接觸、無摩擦、無磨損等特點，總體性能上具有較大優勢。然而不同于直流旋轉電動機可以分別控制勵磁控制回路和轉矩控制回路，這是因為勵磁電流分量和推力電流分量的相互影響、相互作用，磁懸浮永磁直線同步電動機控制系統成為一個多變量、強耦合的非線性系統［4－5］。

電壓空間矢量調制（SVPWM）已經成為一種較為完善的控制方法，它是把三相變頻器的指令輸出電壓在復平面上合成為電壓空間矢量，并通過不同的開關矢量組合去逼近指令電壓空間矢量［6］。SVPWM技術相比于SPWM技術的突出優點是:其開關器件的開關次數可以減少，開關損耗減少了1/3［7］，極大地提高了直流電壓的利用率，同時更易于實現數字化。為此，提出了采用SVPWM的方法來控制磁懸浮永磁直線電動機驅動系統，以保證該系統具有良好的動態響應和調速性能。

1 電壓空間矢量控制的原理

三相電壓源型逆變器由6個功率開關器件組成，基本結構如圖1所示。逆變器的上橋臂和下橋臂開關狀態互補，因此可以用3個上橋臂的功率器件的開關狀態來描述逆變器的工作狀態，記功率器件開通狀態為1，關斷狀態為0，A、B、C 三相狀態分別用x，y，z表示，則上橋臂VT1、VT2、VT3的開關狀態有8種組合，稱它們為基本電壓空間矢量［8］。

如圖2所示為根據8個基本電壓空間矢量的相位角特點分別將其命名為O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300和O111的電壓空間矢量圖。其中O000和O111所對應的電壓控制矢量幅值皆為零，故稱它們為零電壓矢量。其余電壓矢量在空間均勻分布，它們幅值相等，皆為2UDC/3，相鄰電壓矢量間隔π/3，稱其為工作電壓矢量。

2 確定給定參考合成矢量Uout所在扇區

通常情況下，給定的是參考合成電壓空間矢量在靜止兩相坐標系中的兩個分量，將其投影到三相繞組軸線的法矢量上可得:

根據判斷扇區編號的3個標量va、vb和vc的正負確定所在扇區的3個二進制編碼A0、A1和A2的值:

如果va＞0，則A0=1，否則A0=0;

如果vb＞0，則A1=1，否則A1=0;

如果vc＞0，則A2=1，否則A2=0。

再根據上述3個二進制編碼A0、A1和A2的值，計算一個十進制扇區編號值P為

然后根據P值查表1，即可確定參考合成矢量Uout所在扇區。

表1 P值與扇區號的對應關系

3 確定相鄰兩工作電壓矢量作用時間

引入3個通用變量X、Y和Z來計算時間T1和T2，具體公式如下:

通過式（3）變換到靜止兩相坐標系后，可求得各扇區相鄰兩工作電壓矢量作用時間如表2所示。

表2 T1和T2賦值表

如果計算時間T1和T2出現飽和，那么有必要對其進行修正，修正公式如下:

4 確定電壓空間矢量的作用順序

由于兩個零電壓矢量的存在，因此需要按照開關切換次數最少的原則確定電壓空間矢量的作用順序，其規律為:自開關狀態函數全為0的零電壓矢量u000開始，首先通過開關狀態函數中只含有一個1的工作電壓矢量（u001、u010或u100），再通過開關函數中含有兩個1的工作電壓矢量（u011、u110或u101），再通過開關狀態函數全為1的零電壓矢量u111，然后沿上述路徑逆向控制開關，最后回到開關狀態函數全為0的零電壓矢量u000，如圖3所示。