基于SVPWM的永磁同步電機(jī)控制

1、基于SVPWM的永磁同步電機(jī)控制,Content,01永磁同步電機(jī)及其矢量控制系統(tǒng),永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu),永磁同步電機(jī)的矢量控制,永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,01 永磁同步電機(jī)及其矢量控制系統(tǒng),永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanet Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)稱PMSM）中用永磁體替代普通同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁同步繞組，不需要轉(zhuǎn)子繞組，從而省略掉了勵(lì)磁線圈以及供應(yīng)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流的外部電源，電刷以及安裝在轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)，也免去了對(duì)電刷的定期維護(hù)。同傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)一致，永磁同步電動(dòng)機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，主要由沖有槽孔的硅鋼片，三相繞組，機(jī)殼及端蓋

2、等部分組成。轉(zhuǎn)子用永磁材料制成無明顯磁極的隱極式，采用適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)，使磁勢(shì)波形的空間分布接近正弦波。 按照永磁體在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的安裝位置，永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以分為三類：面貼式，插入式和內(nèi)嵌式。,1.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu),01 永磁同步電機(jī)及其矢量控制系統(tǒng),雖然不同的永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別很大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有如下共同特點(diǎn)： (1)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，過載能力強(qiáng)。 (2)高功率因素，高效率。永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，進(jìn)而得到相對(duì)更小的定子電流和定子銅耗；并且永磁同步電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以

3、因總損耗降低而減小風(fēng)扇容量甚至去掉風(fēng)扇，從而減小相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，使它的效率比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)提高28 個(gè)百分點(diǎn)。 (3)體積小，重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度得到了很大提高，與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比，體積和重量都有較大的減少，使其適合應(yīng)用在很多特殊場(chǎng)合。 (4)結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣化，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許多品種。從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國(guó)防，從日常生活到航天航空，從簡(jiǎn)單的電動(dòng)工具到高科技產(chǎn)品，機(jī)會(huì)無所不在。 (5)可靠性高。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)比，沒有電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可靠性自然得以提高。,1.1 永

4、磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu),01 永磁同步電機(jī)及其矢量控制系統(tǒng),在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了使分析簡(jiǎn)化，做如下假設(shè)： （1）忽略定、轉(zhuǎn)子鐵芯磁阻，不計(jì)渦流和磁滯損耗； （2）永磁材料的電導(dǎo)率為零，永磁體內(nèi)部的磁導(dǎo)率與空氣相同； （3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組； （4）永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)和三相繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在氣隙中均為正弦分布； （5）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波。 （6）定子三相繞組對(duì)稱且為Y型連接。,1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,正弦波永磁同步電機(jī)，其電壓和磁鏈方程是一組帶有周期性變系數(shù)的微分方程，微分方程的系數(shù)是隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而變化的周期函數(shù)，屬于一種非線性、多變量

5、、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。 因此通過坐標(biāo)變換將電機(jī)方程轉(zhuǎn)換為一系列的常系數(shù)微分方程，以簡(jiǎn)化分析便于研究。,01 永磁同步電機(jī)及其矢量控制系統(tǒng),在dq坐標(biāo)系下正弦波永磁同步電機(jī)電壓方程為：,1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,上式 ， 分別為電機(jī)定子磁鏈在dq坐標(biāo)下的直軸磁鏈和交軸磁鏈，表示如下：,在dq轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：,特殊的：對(duì)于表面式PMSM，由于 Ld=Lq，磁阻轉(zhuǎn)矩為零。此時(shí)：,01 永磁同步電機(jī)及其矢量控制系統(tǒng),矢量控制的主要思想是將交流電動(dòng)機(jī)等效模擬為直流電動(dòng)機(jī)，通過坐標(biāo)變換的方法將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁兩個(gè)分量，從而實(shí)現(xiàn)解耦控制，使交流電動(dòng)機(jī)具有象直流電機(jī)一樣好的控制特

6、性。因此，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是對(duì)定子電流矢量幅值和相位的控制。 矢量控制又被稱作磁場(chǎng)定向控制，按照同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系定向方式可以分為定子磁場(chǎng)定向控制、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制和氣隙磁場(chǎng)定向控制。因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制可以得到自認(rèn)的解耦控制，其在實(shí)際的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。,1.3 永磁同步電機(jī)的矢量控制,02 SVPWM控制技術(shù),SVPWM基本理論,SVPWM的算法實(shí)現(xiàn),02 SVPWM控制技術(shù),SVPWM技術(shù),也稱作磁通正弦PWM技術(shù),其調(diào)制波相當(dāng)于在原正弦波的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)三次諧波。其主要思路是從電機(jī)的角度出發(fā),采用整流器空間電壓矢量的切換以獲得幅值恒定的準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而在不高的開關(guān)頻

7、率（1-3kHz）條件下,使交流電動(dòng)機(jī)獲得了較控制更好的性能。,2.1 SVPWM基本理論,基于SVPWM的三相整流器控制具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）三相直流電壓利用率提高了15.47%,由于直流電壓利用率的提高,在相同直流電壓條件下,可以提高三相SWPWM整流器網(wǎng)側(cè)電壓的設(shè)計(jì),相對(duì)減少了三相整流器網(wǎng)側(cè)電流,降低了整流器網(wǎng)側(cè)及功率開關(guān)管導(dǎo)通損耗,提高了整流器的運(yùn)行效率； （2）相同的波形品質(zhì)條件下,SVPWM控制具有較低的開關(guān)頻率,且平均降低約30%,有效降低了功率開關(guān)管的開關(guān)損耗： （3）SVPWM控制具有更好的動(dòng)態(tài)性能、更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。因而,SVPWM控制具有很好的研究?jī)r(jià)值。,02 SVPWM

8、控制技術(shù),2.2 SVPWM的算法實(shí)現(xiàn),第一步：扇區(qū)判斷： 判斷由 U和U所決定的空間電壓矢（Uref）量所處的扇區(qū)。,定義： 若U10 ，則 A=1，否則 A=0； 若U20 ，則 B=1，否則 B=0； 若U30 ，則 C=1，否則 C=0。,通過計(jì)算： N=4*C+2*B+A,02 SVPWM控制技術(shù),2.2 SVPWM的算法實(shí)現(xiàn),第二步：計(jì)算電壓矢量作用時(shí)間Tx，Ty，T0： 根據(jù)扇區(qū)I電壓矢量合成的過程，則每個(gè)矢量的作用 時(shí)間可以通過U和U計(jì)算得到：,引人三個(gè)變量X，Y，Z，計(jì)算方法為：,對(duì)于七段式：T7=T0=（Ts-Tx-Ty）/2；對(duì)于五段式：T0=Ts-Tx-Ty,02 SV

9、PWM控制技術(shù),2.2 SVPWM的算法實(shí)現(xiàn),第三步：計(jì)算矢量切換點(diǎn)：,在不同的扇區(qū)內(nèi)將Ta，Tb，Tc，分別賦給比較寄存器CMPR1，CMPR2，CMPR3。,03 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng),雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)構(gòu)成：,03 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng),其中：速度環(huán)為外環(huán)，由速度給定與反饋速度進(jìn)行比較，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié) 后得到定子交軸分量iq的給定值； 電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，同時(shí)也是雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其給定值分別與經(jīng)過Clark 變換、Park 變換的反饋電流值進(jìn)行比較，并經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，輸出電壓的交、直軸分量(Uq、Ud)，然后在經(jīng)過Clark反變換、Park反變換，進(jìn)行SVPWM調(diào)制計(jì)算出PWM的占空比，