無速度傳感器矢量控制和空間矢量脈寬調(diào)制( SVPWM)的基本原理

1、無速度傳感器矢量控制和空間矢量脈寬調(diào)制( SVPWM)的基本原理2010年8月6日異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)研究劉和平，王強(qiáng)，余銀輝，劉  平（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）  摘要：分析了無速度傳感器矢量控制和空間矢量脈寬調(diào)制( SVPWM)的基本原理，提出了帶補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｐ痛沛溂稗D(zhuǎn)速估算方法。該方法考慮到了積分誤差和定子電阻，并能在全速度范圍內(nèi)得到較好的磁通及轉(zhuǎn)速估計(jì)。利用TMS320F2808實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：SVPWM；異步

2、電機(jī)；無速度傳感器；帶補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｐ?；全速度范圍中圖分類號：TM343    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    文章編號：1001-6848(2010)07-0069-04O引  言    在異步電機(jī)控制系統(tǒng)中，為滿足離性能控制的要求，需采用速度閉環(huán)控制，因此要測量異步電機(jī)轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置多采用測速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，它增加了控制系統(tǒng)成本，存在安裝與維護(hù)上的困難，并使系統(tǒng)易受干擾，降低了系統(tǒng)可靠性，且不適用于惡劣環(huán)境。隨著空間矢量脈寬調(diào)制( SVPWM)技術(shù)和數(shù)字信號處理器( DSP)的

3、出現(xiàn)及發(fā)展，使得復(fù)雜的轉(zhuǎn)速估算及控制算法得以實(shí)現(xiàn)，因此異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研究正逐步深入。本文針對異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制算法中傳統(tǒng)的電壓和電流磁鏈估計(jì)模型的缺點(diǎn)，提出了新的帶補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｐ痛沛溂稗D(zhuǎn)速估算法。并基于DSP TMS320F2808實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。1 SVPWM原理    SVPWM足將逆變器和電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，建立逆變器開關(guān)模式和電機(jī)電壓空間矢量的內(nèi)在聯(lián)系，通過控制逆變器的開關(guān)模式，使電機(jī)的定子電壓空間矢量沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，從而明顯降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，與傳統(tǒng)的SPWM相比，其開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)可以減少,1/3，直流

4、電壓的利用率可提高百分之15，能獲得較好的諧波抑制效果，且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。  常用的三相電壓源逆變主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。    三相逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)（上橋臂導(dǎo)通開關(guān)狀態(tài)為1，下橋臂導(dǎo)通開關(guān)狀態(tài)為0，從而對應(yīng)8種基本空間電壓矢量，其中兩個(gè)是零電壓矢量(O0、O111)，另外6個(gè)基本電壓空間矢量（Uo，U60，U120，U180，U24O，U300）在空間互差60度，對于任意電壓空間矢量可以由相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量（Ux，UX+60）和兩個(gè)零電壓空間矢量(O0、O111)按平行四邊形法則合成得到，如圖2所示。   

5、2無速度傳感器矢量控制策略    無速度傳感器矢量控制策略取消了具有低可靠性等缺點(diǎn)的速度傳感器，而是利用容易測量得到的電機(jī)定子電壓、電流等電信號，通過一定的算法獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。問題的關(guān)鍵在于如何快速估算得到轉(zhuǎn)速的信息，且保持較高的控制精度，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。為此，設(shè)計(jì)了以下控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。2.1轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)    在轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)和控制是影響電機(jī)控制性能的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)子磁鏈估算有電壓模型和電流模型兩種。傳統(tǒng)的電壓模型法算法簡單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，但是低速時(shí)觀測精確度較低，而且

6、純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問題嚴(yán)重；傳統(tǒng)的電流模型法不涉及純積分項(xiàng)，其觀測值是漸近收斂的，低速的觀測性能強(qiáng)于電壓模型法，但是高速時(shí)不如后者，而且受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)影響較大，常需進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識才能保證磁鏈觀測精確度。  本文將電壓模型和電流模型結(jié)合起來估算轉(zhuǎn)子磁鏈，對電流模型計(jì)算的磁鏈進(jìn)行PI運(yùn)算，再用PI運(yùn)算的結(jié)果補(bǔ)償電壓模型的磁鏈，通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)的值，使得在高速時(shí)電壓模型起主要作用，低速時(shí)使電流模型起主要作用，從而克服了電壓模型和電流模型的缺點(diǎn)，提高了估算的準(zhǔn)確性。    轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系中的電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈方程分別如式

7、(2)、式(3)所示：    在兩相靜止坐標(biāo)系下，根據(jù)電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算電流模型定子磁鏈：    然后根據(jù)補(bǔ)償電壓和反電動(dòng)勢的積分得到電壓模型中的定子磁鏈：  補(bǔ)償電壓計(jì)算公式如式(6)所示：    選擇合適的比例增益Kp和復(fù)位時(shí)間T1，使得低速情況下由電流型計(jì)算出來的磁鏈?zhǔn)侵饕模妷盒椭械姆措妱?dòng)勢在轉(zhuǎn)速低的時(shí)候很?。ㄞD(zhuǎn)速為O時(shí)反電動(dòng)勢幾乎為O），而高速時(shí)，電壓型中的反電動(dòng)勢是主要的，電壓模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)子磁鏈為主。  根據(jù)電壓模型定子磁鏈可以計(jì)算得到電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈：2.2轉(zhuǎn)速估

8、計(jì)    無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速根據(jù)磁鏈估計(jì)模型輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行估計(jì)得到。磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系如式(9)所示：同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差角頻率分別如式(10)(11)所示：3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)    基于SVPWM原理和無速庋傳感器矢量控制原理，選用TMS320F2808作為核心控制器設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件和軟件。3.1硬件設(shè)計(jì)    采用低壓大電流功率MOSFET并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的過流能力，并降低了系統(tǒng)成本。    采用IR21363S作為PWM驅(qū)動(dòng)芯片，IR213 63S是功率MOSFET和

9、ICBT專用驅(qū)動(dòng)芯片，有三個(gè)獨(dú)立的高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出信號，可以同時(shí)輸出六路PWM信號，而只需要一個(gè)直流工作電源，PWM工作頻率可達(dá)500 kHz，具有欠壓和過流保護(hù)功能，故障時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉全部PWM輸出，同時(shí)輸出故障信號，DSP檢測到該故障信號，關(guān)閉PWM輸出，從而提供了雙重功率保護(hù)功能。  采用霍爾和磁環(huán)配合檢測異步電機(jī)兩相電流，通過電阻分壓方式檢測直流母線電壓，并通過RC濾波電路濾波，降低了系統(tǒng)成本，提高了AD采樣的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)工作的可靠性。  通過CAN與觸摸屏液晶進(jìn)行相互通信，將要顯示的數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示，通過觸摸屏在線修改相關(guān)參數(shù)并傳送到DSP，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)

10、交互功能。    硬件整體框圖如圖4所示。3.2軟件設(shè)計(jì)    系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，主要包括主程序和定時(shí)器下溢中斷子程序，具體程序流程圖如圖5所示。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果    本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是采用48 V電池組（8節(jié)鉛酸電池串聯(lián)）作為供電電源，實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為一臺4Y接法電機(jī)上進(jìn)行的，該電機(jī)參數(shù)為：額定功率5 kW，額定電壓33 V，額定定子相電流115.3 A，定子空載相電流56.7 A，額定頻率120 Hz，定子電阻0. 00255，轉(zhuǎn)子電阻0.00086，定子漏抗Xl為0. 0068，轉(zhuǎn)子漏抗X2為0.0114，勵(lì)磁電抗Xm為0 2479。    實(shí)驗(yàn)得到定子相電流、線電壓波形如圖6所示，轉(zhuǎn)子磁鏈波形如7所示，帶載起動(dòng)時(shí)的估計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速波形如圖8所示。5結(jié)論  異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制算法中的磁鏈估計(jì)