基于空間電壓矢量的交流調(diào)速系統(tǒng)研究

韓曉峰

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安710026）

1 引言

矢量控制理論的主要思想是將異步電機模擬成直流電動機，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，在三相坐標系下的定子電流iA，iB，iC通過三相/兩相變換（Clark變換），等效成兩相靜止坐標系下的交流電流iα1，iβ1；再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換（Park變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流it1，im1。由于按轉(zhuǎn)子磁場定向的變換，定子電流的兩個分量通過解耦，使it1只決定轉(zhuǎn)矩，im1只決定磁鏈。與直流電動機的電樞電流和勵磁電流相對應，從而使交流異步電機獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的動、靜態(tài)性能。

2 空間電壓矢量控制

2.1 空間電壓矢量技術(shù)（SVPWM）

SVPWM是近年發(fā)展起來的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的6個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波。與傳統(tǒng)的正弦波脈沖寬度調(diào)制（SPWM）不同，電壓空間矢量法（SVPWM）致力于電機獲得幅值恒定的圓形磁場，以對稱的三相正弦波交流電供給異步電動機產(chǎn)生理想的圓形磁通軌跡為準，用逆變器（如圖1所示）不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準的磁通圓，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

圖1 三相電壓逆變電路

在電壓空間矢量SVPWM控制中將逆變器和電機看成一個整體，用8種基本電壓空間矢量合成預期的電壓空間矢量，形成逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)和空間矢量。根據(jù)電機的定子磁鏈矢量與定子電壓之間的關(guān)系，控制電機定子磁鏈矢量幅值近似恒定、頂點沿圓形軌跡運動，實現(xiàn)對異步電機近似恒磁通變壓變頻調(diào)速。

在圖1中有6個功率開關(guān)管，a、b、c分別代表3個橋臂的狀態(tài)，規(guī)定：當上橋臂開關(guān)為“開”時，下橋臂開關(guān)必須為“關(guān)”的狀態(tài)，此時開關(guān)狀態(tài)為1；當下橋臂開關(guān)為“開”時，上橋臂開關(guān)必須是“關(guān)”的狀態(tài)，此時開關(guān)狀態(tài)為0。三橋臂的開關(guān)狀態(tài)只有“1”或“0”兩種。a、b、c三個橋臂的組合狀態(tài)為000、001、010、011、100、101、110、111八種模式。其中開關(guān)模式000、111此時逆變器輸出電壓為零，開關(guān)模式為零狀態(tài)。可以推導出三相逆變器輸出線電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)矢量的關(guān)系為［UABUBCUCA］T與開關(guān)狀態(tài)矢量［a b c］T的關(guān)系為：

三相逆變器的相電壓矢量［UAUBUC］T與開關(guān)狀態(tài)矢量的關(guān)系為：

其中：UDC是直流電源電壓。

三相對稱交流電的三個相電壓空間矢量相加形成一個合成空間矢量U,是一個以電源角頻率ω速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。

將八組相電壓值代入式（3），可以求出這些相電壓的矢量和與相位角，這八個矢量和稱為基本電壓空間矢量。根據(jù)其相位角的特點分別命名為O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111，其中O000、O111為零矢量，圖2給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置，圖中非零矢量的幅值相同，相鄰矢量間隔60°，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。

圖2 基本電壓空間矢量

2.2 磁鏈軌跡的控制

當逆變器單獨輸出基本電壓空間矢量U0時，電動機的定子磁鏈矢量ψ的矢端從A到B沿平行于U0的方向移動。當移動到B點時，如果改變基本空間矢量為U60輸出，則定子磁鏈ψ的矢端也相應改為從B到C的移動。當全部六個非零基本電壓空間矢量分別依次單獨輸出后，定子磁鏈矢量ψ矢端的運動軌跡是一個正六邊形如圖3所示。

圖3 正六邊形磁鏈軌跡

電壓空間矢量控制的目標是要得到一個圓形磁鏈軌跡。若定子旋轉(zhuǎn)磁場非正六邊形而是正多邊形，可近似的看作圓形旋轉(zhuǎn)磁場，邊數(shù)越多近似圓形的程度就越高。而非零基本電壓空間矢量只有六個，要想獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場，就必須有更多的逆變器開關(guān)狀態(tài)。可以用六個非零的基本電壓空間矢量的線性時間組合來得到更多的開關(guān)狀態(tài)。圖4中，UX和UX+60表示相鄰的兩個基本電壓空間矢量；Uout是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉(zhuǎn)角速度就是輸出正弦電壓的角頻率。

圖4 電壓空間矢量的線性組合

Uout可由UX和UX+60線性時間組合來合成，它等于t1/Tpwm倍的UX和t2/Tpwm倍的UX+60的矢量和。其中t1和t2分別是UX和UX+60作用的時間；Tpwm是Uout作用的時間。按照這種方式，在下一個Tpwm期間，仍然用UX和UX+60的線性組合，但作用時間與上一次不同，必須保證合成的新的電壓空間矢量與原來的電壓空間矢量的幅值相等。每一個Tpwm期間，當Tpwm取足夠小時，電壓空間矢量的軌跡就是一個近似圓形的正多邊形。

2.3 t1、t2和t0的確定

線性時間組合的電壓空間矢量Uout是t1/Tpwm倍的UX與t2/Tpwm倍的UX+60的矢量和。

當Uout、UX和UX+60投影到平面直角坐標系αβ中時，式（4）可以寫成：

通過這樣方法，可以調(diào)整角頻率ω，從而達到變頻的目的。

2.4 扇區(qū)號的確定

將圖4劃分成六個區(qū)域，稱扇區(qū)。每個扇區(qū)都有一個編號，確定Uout位于哪個扇區(qū)是非常重要的，因為知道Uout位于哪個扇區(qū)，才能知道用哪一對相鄰的基本電壓空間矢量去合成Uout。本系統(tǒng)采用Uout在坐標系αβ上的分量Uoutα、Uoutβ來確定Uout所在的扇區(qū)號，先用下式計算B0、B1、B2。

再用下式計算P值：

式中sign（x）是符號函數(shù)，如果X＞0,sign（x）=1；如果X＜0,sign（x）=0。

然后，根據(jù)P值查表1，即可確定扇區(qū)號。

表1 P值與扇區(qū)對應表

3 基于SVPWM的異步電動機矢量控制實現(xiàn)

異步電動機矢量調(diào)速系統(tǒng)是基于 SVPWM的轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)和電流控制子系統(tǒng)，控制框圖如圖5所示。

圖5 基于SVPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)

DSP全數(shù)字控制，其中外環(huán)是速度環(huán)，通過檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，利用PI控制器計算出電磁轉(zhuǎn)矩控制量，進一步得到電動機定子轉(zhuǎn)矩電流參考信號。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，將檢測到的兩路定子相電流根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中，與參考信號比較，利用PI控制算法，實現(xiàn)瞬時轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，最終得到精確結(jié)果。

通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，利用iC=-（iA+iB）計算出iC。通過Clark變換和Park變換將電流iA、iB、iC變換成旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流分量iM、iT作為電流環(huán)的負反饋量。利用光電編碼器測量電動機的機械轉(zhuǎn)角位移，并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速n，作為速度環(huán)的負反饋量。在圖5中定向磁場坐標系統(tǒng)中的指令電流分量iMref和iTref與實際經(jīng)過變換的電流分量iM和iT進行比較，并經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器輸出相應的指令電壓值VMref和VTref，再對兩電壓值進行Park逆變換，獲得與逆變器輸出的電壓空間矢量具有相同坐標系的電壓分量Vαref和Vβref，最后利用空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生逆變器開關(guān)導通狀態(tài)的PWM波形，通過逆變器給電機，實現(xiàn)調(diào)速。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

4.1 硬件的總體設(shè)計

系統(tǒng)的硬件包括主電路和控制電路兩部分，主電路為交-直-交電壓型變頻電路，由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）組成。控制電路以TMS320F2812為核心，包括電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、保護模塊、通信模塊和顯示模塊，構(gòu)成全數(shù)字變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是一個具有轉(zhuǎn)速和相電流反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，參數(shù)由上位機以串口給下位機，再由下位機DSP負責各相電流及轉(zhuǎn)速的采樣、計算出電機轉(zhuǎn)速和位置，最后利用空間電壓矢量法，得到空間電壓矢量的脈寬調(diào)制控制信號，經(jīng)過光耦隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關(guān)器件。

4.2 主電路的設(shè)計

交-直-交電壓型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。主電路由三部分構(gòu)成：將工頻電源變換為直流電源的整流器；吸收由整流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的濾波回路，也是儲能回路（電容）；將直流功率變換為交流功率的逆變器。

圖7 主電源電路圖

三相交流電源經(jīng)過6個二極管（D1-D6）的全波整流變成直流電。電解電容C1和C2為濾波電容，其作用是：一是濾平全波整流后的電壓紋波；二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。由于電解電容器的電容量有很大的離散性，故電容器組C1和C2的電容量不能完全相等，這使它們承受的電壓不相等。為了使它們電壓相同，在C1和C2旁各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻R2和R3，限流電阻R1和開關(guān)J2，當變頻器合上電源的瞬間，濾波電容器的充電電流很大，過大的沖擊電流可能使三相整流橋的二極管損壞;為了減小沖擊電流，串入限流電阻Rl，限定充電電流在允許的范圍內(nèi)。當電容器充電到一定程度后，開關(guān)J2閉合，將R1短路掉。電容C3和電阻R4是吸收緩沖電路。R5和R6的分壓電路，經(jīng)過隔離、調(diào)整電路送給控制芯片，作為主電源電路過壓和欠壓保護信號。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計和實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件由兩部分構(gòu)成：上位機的監(jiān)控顯示程序和下位機的控制程序。上位機負責電機參數(shù)的設(shè)定，包括給定轉(zhuǎn)速及接受下位機上傳的當前速度信息；同時也為電流、電壓波形實時顯示做準備。下位機負責電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、矢量變換、PWM輸出以及串行通信、轉(zhuǎn)速顯示、故障輸出等。

5.1 主程序的設(shè)計

整個控制軟件由主程序和三個中斷服務程序組成。主程序（如圖8所示）進行硬件和變量初始化，對各個控制寄存器置初值;對運算過程使用的各變量分配地址并設(shè)置相應的初值。

圖8 主程序流程圖

初始化模塊僅在DSP上電復位后執(zhí)行一次，然后進入循環(huán)等待周期。

5.2 中斷程序的設(shè)計

中斷程序的設(shè)計是整個系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心，包括：①通信中斷；②PWM中斷；③故障保護中斷3部分中斷服務子程序。

通信中斷服務子程序的任務是接受來自PC機設(shè)定的電機參數(shù)和傳遞轉(zhuǎn)速信息給PC機。

PWM中斷服務子程序的任務是：①負責A、B兩相的電流值的采樣，并且實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換；②根據(jù)脈沖編碼器傳遞的信息計算當前的轉(zhuǎn)速；③根據(jù)測量值進行矢量變化和計算；④SVPWM輸出。系統(tǒng)采用模塊化編程，PWM中斷分為：電流采樣模塊；電機轉(zhuǎn)速模塊；PI調(diào)節(jié)模塊；SVPWM模塊。

圖9 SVPWM生成模塊圖

6 系統(tǒng)的Simulink仿真及實驗結(jié)果

6.1 SVPWM波形生成模塊

系統(tǒng)采用三角波進行調(diào)制，并將三角波的周期Ti定為定時器周期，在本論文中取值 0.0001s，將三角波與切換點Tcm1、Tcm2、Tcm3比較，調(diào)制出SVPWM波，仿真生成模塊如圖9表示。

圖10 SVPWM調(diào)制逆變器輸出線電壓波形

系統(tǒng)模型建構(gòu)完成后，用Simulink提供的仿真功能進行仿真運行。通過軟件提供的示波器在仿真運行時看到仿真的輸出結(jié)果。圖 10所示為SVPWM調(diào)制時逆變器輸出的線電壓波形。

6.2 SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)模型

為了檢驗依據(jù)SVPWM算法所建立模型的正確性，使用Matlab的Simulink來進行了實驗仿真。圖 11所示為Simulink構(gòu)建的 SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)模型。交流電動機：圖11中Simulink提供的Asynchronous MachienSI U-nits模塊也是一臺三相異步電動機，將轉(zhuǎn)子中a、b、c三相短接，就構(gòu)成一臺三相鼠籠式異步電動機，該模塊的參數(shù)設(shè)為默認值，額定電壓為220V，額定功率為50Hz，模塊的輸入端Tm是轉(zhuǎn)矩信號輸入端，設(shè)轉(zhuǎn)矩為常數(shù)11.87。電動機模塊不能單獨使用，必須加上ASM MeasurementDemux模塊，該模塊是運算模塊，與電動機模塊的m-si端相連，通過運算模塊可以觀察電動機運行時轉(zhuǎn)速、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)矩等的變化情況如圖12所示。

圖11 構(gòu)建的SVPWM系統(tǒng)模型

圖12 轉(zhuǎn)子電流、定子電流、電機的轉(zhuǎn)速、機械轉(zhuǎn)矩波形

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用目前較為流行的電壓空間矢量法（SVPWM），通過對逆變器開關(guān)狀態(tài)的合理組合，來獲得實時的參考電壓Uout，加到電機上時產(chǎn)生幅值恒定、以恒速旋轉(zhuǎn)定子磁鏈空間矢量。定子磁鏈矢量頂點的運動軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場。其控制優(yōu)點是可使繞組電流波形的諧波成分變小，降低電機轉(zhuǎn)矩脈動，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，更易于實現(xiàn)數(shù)字化。