基于SVPWM矢量控制的模擬柴油機調速系統仿真研究

馮俊 李志俊 王萌 高磊 王浩

摘 要：將模糊控制器與模型參考自適應控制系統相結合，組成基于模型參考的自適應模糊控制器，通過SVPWM算法，建立以柴油機為參考模型的異步電機SVPWM矢量控制系統仿真模型，并在MATLAB平臺對該模型進行了仿真實驗，驗證了該方法的可行性。

關鍵詞：異步電機;矢量控制;SVPWM技術

0 引言

在實驗室條件下，為了研究柴油發電機在不同負載下的輸出特性，可采用一定的控制算法通過控制交流異步電機帶動發電機工作。本文提出了一種基于SVPWM矢量控制技術的柴油機調速系統，可實現對異步電動機的控制，使其達到與柴油機相同的輸入輸出特性。

1 模糊自適應控制器的設計

1.1? ? 基于模型參考的自適應模糊控制系統

將模糊控制器與模型參考自適應控制系統相結合，組成基于模型參考的自適應模糊控制器，其系統結構如圖1所示。

在每個采樣周期中，整個系統通過計算參考模型的輸出ym與實際輸出yr的差值e以及差值的變化率ec，利用模糊控制算法得到控制器參數調整量，對被控對象控制器參數加以修正，隨著模糊自適應機構內模糊控制算法的調整，不斷減小差值e，最終使得實際輸出無限趨近于參考模型的輸出。

1.2? ? 模糊自適應控制器的設計

如圖1所示，模糊自適應控制器以柴油機調速系統和異步電機調速系統的輸出差值e與差值的變化率ec作為輸入，通過模糊規則實現控制器參數的整定與更新，使系統達到理想狀態。

2 基于SVPWM的矢量控制系統

2.1? ? 系統結構

本文采用帶轉速傳感器的轉速、電流雙閉環的矢量控制系統研究異步電機調速系統，如圖2所示。對檢測得到的異步電機三相交流電流iA、iB、iC（實際只用檢測兩相）進行3/2變換后，轉換成在α-β坐標系上的交流電流isα、isβ，然后通過2s/2r變換，變換成在m-t坐標系上的直流電流ism、ist，實現轉速與磁通的獨立控制。定子電流勵磁分量調節器ACMR和定子電流轉矩分量調節器ACTR均采用PI調節器構成電流閉環控制。電流調節器的輸入為電流的差值，輸出為定子電壓給定值u*sm、u*st，經過2r/2s變換得到α-β坐標系下的定子電壓給定值u*sα、u*sβ，然后利用SVPWM技術控制逆變器的開關導通狀態，控制電機調速。最后將電機的輸出轉速ω與給定的轉速ω*的差值作為轉速調節器ASR的輸入，構成閉環控制;同時將通過計算得到的轉子磁鏈ψr與給定的轉子磁鏈ψ*r的差值作為轉子磁鏈調節器AΨR的輸入來實現轉子磁鏈的閉環控制。

2.2? ? SVPWM算法實現

當定子繞組通入三相正弦對稱電壓時兩軌跡重合，此時磁鏈圓的轉速即為電機的同步轉速，空間電壓矢量Us的模us即為相電壓的幅值，角速度即為正弦波的角頻率。對于SVPWM的調制，是以α-β坐標系的電壓usα、usβ和PWM波的周期為輸入，主要計算過程如下：

2.2.1? ? 判斷空間電壓矢量所在扇區

將空間電壓合成矢量Us分解投影到α-β坐標系下得到電壓Uα、Uβ，通過判斷Uα、Uβ的正負和比值，即可得到Us所處的扇區。計算總結出以下3個變量：

A=UβB=Uα-UβC=-Uα-Uβ（1）

再定義：當A>0時，a=1，否則a=0;當B>0時，b=1，否則b=0;當C>0時，c=1，否則c=0;

令扇區判斷參數：

N=a+2b+4c（2）

則可通過查表得到空間電壓矢量Us所在的扇區。

2.2.2? ? 計算基本電壓矢量作用時間

由伏秒平衡原理可知：

UsTPWM=UMT1+UNT2（3）

式中，TPWM為PWM波的周期;UM、UN分別為目標矢量所在扇區對應的兩個邊界矢量;T1、T2為UM、UN對應的作用時間。

由矢量合成及正弦定理推導出不同扇區對應的作用時間如表1所示。

其中：

X=UβY=Uα+UβZ=Uα+Uβ（4）

為了保證每個周期內的作用時間相等，需配合零矢量使總的作用時間恒定，即在一個完整的TPWM周期中，TPWM=T1+T2+T0;若作用時間T1+T2>TPWM，則取T1′=，T2′=。其中，T0為零電壓矢量的作用時間。

2.2.3? ? PWM波形及空間電壓矢量的分布

在計算了所在的扇區和作用時間后，還需安排其分布與作用順序。

對不同的扇區，3對晶體管的開關時間不同，因此會得到不同的空間矢量。3對晶體管的開關時間可由表2和式（5）計算得到。

其中：

TA=TB=TA+TC=TB+（5）

將計算出的矢量切換時間tcm1、tcm2、tcm3與三角波進行比較后即得各個扇區SVPWM的波形時序。

3 系統仿真與結果分析

為了使異步電機能表現出與柴油機一致的輸出特性，將柴油機調速系統作為參考模型，異步電機調速系統作為被控對象，以柴油機調速系統和異步電機調速系統輸出轉速的差值作為模糊自適應機構的輸入信號，通過控制模糊自適應機構的控制算法，實現異步電機調速系統對柴油機調速系統的模擬跟隨。在MATLAB/Simulink平臺上建立了基于柴油機模型參考的異步電機矢量控制系統的仿真模型。

對不同工況下系統的輸出轉速進行分析，曲線圖中實線表示柴油機參考模型調速系統的輸出曲線，虛線表示異步電機矢量控制系統的輸出曲線，仿真結果如下。

3.1? ? 突增突降給定轉速

設定初始給定轉速為1 500 r/min，待控制系統穩定運行后，在8 s時突降給定轉速為1 000 r/min，15 s時突增給定轉速為2 000 r/min，仿真結果與對比如圖3所示。

當給定轉速突增或突降時，整個控制系統的輸出與柴油機參考系統的輸出差異不大，異步電機控制系統穩定時間也與柴油機參考系統相近，整個控制系統的輸出都能快速響應，緊跟參考系統調節自身轉速，并能在新的給定轉速下保持穩定狀態。

3.2? ? 突加突減對稱給定負載

在額定轉速下，待控制系統穩定運行后，在10 s時先突加100%負載，15 s時再突減100%負載，系統仿真結果與對比如圖4所示。

當突加負載或突減負載時，整個控制系統的輸出都能緊跟柴油機參考系統的輸出，并能在較短的調整時間內重新達到給定轉速值。

仿真結果表明，該系統的輸出轉速與柴油機調速系統輸出轉速基本相同，符合預期結果。

4 結語

本文結合SVPWM矢量控制技術，實現了對異步電動機的控制，并在MATLAB平臺對該模型進行了仿真實驗，驗證了該方法的可行性。該模擬系統不僅能運用于自行火炮輔機電源及電氣管理控制系統中，還為其他需要柴油機參與的研究提供了思路，筆者也將在相關領域繼續研究，以求進一步提出新的研究設想與方法。

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收稿日期：2019-12-03

作者簡介：馮俊（1994—），男，湖北人，研究方向：智能控制理論與應用。