svpwm在矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、<p>　　SVPWM在矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p><b>　　潘高超</b></p><p>　　（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通）</p><p>　　摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及新型電力電子器件和微處理器的推出，交流電機(jī)控制技術(shù)在近年來取得了巨大的進(jìn)步，它以其優(yōu)異的調(diào)速性能和高效節(jié)能效果，已逐步取代直流電機(jī)在國民

2、經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中的應(yīng)用。而基于異步電機(jī)矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)因具有直流電機(jī)無可比擬的調(diào)速精度、調(diào)速范圍和更快的響應(yīng)速度，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)話題。本文在了解交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的基本原理以及算法實(shí)現(xiàn)，并以DSP作為主控芯片，從硬件電路和軟件程序兩方面詳細(xì)分析SVPWM在矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：交流變頻調(diào)速，S

3、VPWM，矢量控制，DSP</p><p>　　中圖分類號 TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的矢量變換技術(shù)是20世紀(jì)70年代開始迅速發(fā)展起來的一種新型控制思想。它通過將定子電流分解成相互獨(dú)立的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流,從而使交流電動(dòng)機(jī)在很大程度上類似于直流電機(jī),大大簡化

4、了控制的難度,并獲得了較好的控制效果。異步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，很難對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，直到20世紀(jì)70年代才有了突破性進(jìn)展，首先是隨著電子電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型電力電子元器件相繼出現(xiàn)，為交流電動(dòng)機(jī)的控制提供了高性能的電力電子功率變換裝置，并且因其價(jià)格低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中被大量采用。其次是交流電動(dòng)機(jī)的控制理論有了新的突破，尤其是磁場定向矢量控制理論與直接轉(zhuǎn)矩控制方法、非線性解耦控制方法等

5、，為交流調(diào)速傳動(dòng)奠定了理論上的基礎(chǔ)。</p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電力、電工以及信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，以變頻調(diào)速技術(shù)為代表的交流調(diào)速技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速克服了直流調(diào)速傳動(dòng)的一些固有缺點(diǎn)，發(fā)揮了交流電動(dòng)機(jī)諸如結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可靠、堅(jiān)固耐用、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)勢，同時(shí)也很好地解決了交流電動(dòng)機(jī)非線性、高耦合等問題。交流變頻調(diào)速技術(shù)擁有優(yōu)異的調(diào)速

6、性能、顯著的節(jié)能效果以及在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛適用性，代表著現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向，它為改善電機(jī)控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、節(jié)能降耗提供了至關(guān)重要的途徑。其中，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速因具高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)，被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)裝置為控制核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在現(xiàn)代自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成交流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，以達(dá)到控制異

7、步電機(jī)位置或轉(zhuǎn)速的目的。異步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，很難對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，直到20世紀(jì)70年代才有了突破性進(jìn)展，首先是隨著電子電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型電力電子元器件相繼出現(xiàn)，為交流電動(dòng)機(jī)的控制提供了高性能的電力電子功率變換裝置，并且因其價(jià)格低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中被大量采用。其次是交流電動(dòng)機(jī)的控制理論有了新的突破，尤其是磁場定向矢量控制理論與直接轉(zhuǎn)矩控制方法、非線性解耦控制方法等，為交流調(diào)速傳

8、動(dòng)奠定了理論上的基礎(chǔ)。</p><p>　　異步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展除了有賴于電力電子和控制理論的發(fā)展，還需值得一提的是脈寬調(diào)制技術(shù)。它是通過利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成一定規(guī)律的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變頻、變壓控制以及達(dá)到消除諧波的目的。交流調(diào)速系統(tǒng)中采用PWM技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)控制要求，并且能夠抑制逆變器輸出電流或電壓中的諧波分量，從而降低或消除電機(jī)在變頻調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)而提高電機(jī)的

9、工作效率，擴(kuò)大調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。就目前而言，采用高速電力電子功率器件的電壓型PWM變頻器的主要控制技術(shù)有：①基于正弦波和三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制；②基于消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制；③基于電流滯環(huán)跟蹤的CHBPWM控制；④電壓空間矢量SVPWM或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。</p><p>　　三相SPWM控制方式原理簡單、通用性強(qiáng)、控制與調(diào)節(jié)性能，是目前國內(nèi)外在電機(jī)控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制方式，這種方法減少

10、了流入電動(dòng)機(jī)的電流諧波分量，電機(jī)振動(dòng)較小，對變頻壓縮機(jī)的控制效果較好，相對應(yīng)的硬件與軟件技術(shù)也較為成熟。但是，這種控制方式也存在著一定的缺陷，比如直流電壓利用率低、諧波含量大、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大等等。</p><p>　　電壓空間矢量（SVPWM）是一種較為新穎的脈寬調(diào)制方法，其將逆變器和電機(jī)作為一個(gè)整體來看待，建立在電壓空間矢量的概念上，用基本的電壓空間矢量合成所期望的電壓空間矢量，使逆變器功率器件處于相應(yīng)開關(guān)

11、模式下，并根據(jù)電機(jī)的定子電壓與定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的關(guān)系，控制電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶糠到朴诤愣ㄖ怠㈨旤c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形、平均速度可調(diào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)近似恒磁通的變頻變壓調(diào)速。從節(jié)能方面來講，這種控制方式也具有重要的意義。SVPWM相比SPWM控制方式而言，電壓利用率高出15%，并且也更適合微處理器數(shù)字控制。所以，本文會將重心放在對SVPWM矢量控制系統(tǒng)的探討。</p><p>　　2 交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)

12、展</p><p>　　2.1交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　交流調(diào)速發(fā)展也存在著瓶頸，主要原因是交流電機(jī)為高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電動(dòng)機(jī)那樣通過電樞電流施行靈活的控制。針對這樣的問題，各國的學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究，德國首先在這方面取得突破。德國學(xué)者在1997年首先提出了矢量控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來

13、分別控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通。這樣就可以將三相異步電機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)來控制，同樣可以獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相仿的高動(dòng)態(tài)性能。然而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，微處理器的進(jìn)步以及現(xiàn)代控制理論的不斷創(chuàng)新，矢量控制技術(shù)逐漸成熟,并得到實(shí)用化。</p><p>　?。?）電力電子技術(shù)：</p><p>　　二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)是直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷的基礎(chǔ)。從早期G

14、TO、GTR等半控型器件唱主角，到MOSFET、IGBT等全控型器件的相繼問世，直到現(xiàn)今的IPM(智能功率模塊)等新型功率器件。新型器件的不斷發(fā)展，使各種功率器件的功率等級和性能得到不斷提高。</p><p>　　正是這些功率器件組成的換流裝置替代了直流電機(jī)上的電刷和換向器，使得各種PWM調(diào)制方式得以實(shí)現(xiàn)。而較高的開關(guān)頻率(頻率大于10kHz)也使得電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能更加完善可靠，降低了開關(guān)噪聲。IPM就將IGBT封

15、裝為一個(gè)完整的逆變器模塊，且封裝了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使得電路設(shè)計(jì)變得簡單，實(shí)現(xiàn)小型輕量化和智能化，目前的伺服驅(qū)動(dòng)器中大多都應(yīng)用IGBT和IPM模塊。</p><p>　?。?）微計(jì)算機(jī)技術(shù)：</p><p>　　二十世紀(jì)后半葉最令人矚目的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各大廠商基于各種單片機(jī)，設(shè)計(jì)了大量的電機(jī)專用控制芯片，從8位機(jī)、16位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，運(yùn)行頻率由幾兆赫茲到現(xiàn)在的上百兆赫茲，運(yùn)算

16、速度的成倍提高，使傳統(tǒng)的模擬控制方法已逐漸被以微處理器為核心的數(shù)字控制方法所取代，因此各種先進(jìn)復(fù)雜的控制策略得以現(xiàn)實(shí)。</p><p>　　DSP(數(shù)字信號處理器)原是用于信號處理領(lǐng)域的芯片，由于其極強(qiáng)的數(shù)字處理能力，現(xiàn)在也被用于電機(jī)控制性能要求高的領(lǐng)域，來完成日益復(fù)雜的控制算法。TI、AD、Motorola等DSP廠商將用于電機(jī)控制的各種外圍器件封裝于DSP中，生產(chǎn)出電機(jī)控制的專用DSP芯片，簡化了硬件設(shè)計(jì)電路

17、，提高了可靠性。</p><p>　　2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1971年,德國西門子公司的F.Blascheke提出了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的方法，把原本復(fù)雜的異步電動(dòng)機(jī)等效為簡單的模型,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦，使異步電動(dòng)機(jī)的控制性能與直流電機(jī)相媳美。矢量控制理論的提出和成功應(yīng)用，開創(chuàng)了用交流調(diào)速系統(tǒng)代替直流調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)代，激發(fā)了人們研究高性能

18、交流調(diào)速系統(tǒng)的積極性，八十年代很多新的控制策略和方法也相繼提出并被采用。</p><p>　　1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出的新的交流電機(jī)控制理論一直接轉(zhuǎn)矩控制，它與以往的矢量控制的解耦控制方法不同，不需要把電機(jī)的定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，而只是通過控制PWM型逆變器功率器件的切換方式,控制異步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓，在保持電機(jī)定子磁鏈恒定的條件下，控制異步電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度

19、，來改變它對轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，直接控制電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩及其變化率,得到電機(jī)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。1986年日本學(xué)者Takahashi教授也提出了類似的控制方案，并取得了很好的控制效果。</p><p>　　除此之外，很多學(xué)者還把現(xiàn)代控制理論的成果，例如狀態(tài)觀測器、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模型參考自適應(yīng)控制、模糊控制、非線性反饋解耦控制等方法用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，以獲得更好的交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。</p>

20、<p>　　在控制技術(shù)方面，早期的交流調(diào)速系統(tǒng)都是采用模擬控制器，因?yàn)橐瓿杀热缱鴺?biāo)變換等復(fù)雜的在線運(yùn)算，所以電路十分復(fù)雜。從八十年代開始，控制器經(jīng)歷了8位微機(jī)、16位微機(jī)到32位微機(jī)和高速數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor)三個(gè)階段的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制系統(tǒng)，不但大大簡化了控制電路，還使系統(tǒng)的可靠性、可使用性、可維修性得到了很大的改善，并且使交流調(diào)速系統(tǒng)的功能更加完善，使用更加方便。<

21、;/p><p>　　目前大容量和特大容量的調(diào)速對象已經(jīng)可以被應(yīng)用到高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中，裝置的功能指標(biāo)問題和高壓變流技術(shù)問題也都隨之解決，填補(bǔ)了直流調(diào)速系統(tǒng)在特大容量傳動(dòng)方面的空白，同時(shí)具有很高的可靠性及連續(xù)運(yùn)行的能力，可連續(xù)運(yùn)行數(shù)萬小時(shí)而不用停機(jī)檢修，滿足了某些對可靠性有特殊要求和長期不能停機(jī)檢修部門的需要，并且能實(shí)現(xiàn)高性能、高精度的轉(zhuǎn)速控制，調(diào)速精度可以達(dá)到0.1%。 </p><p>　

22、　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和稀土永磁材料的快速發(fā)展，高性能電機(jī)控制系統(tǒng)不斷地更新，成本不斷地降低，新型電機(jī)不斷地出現(xiàn)，交流電機(jī)控制系統(tǒng)正不斷地取代直流電機(jī)控制系統(tǒng)，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展也越來越快。</p><p><b>　　3 矢量控制原理</b></p><p>　　矢量控制也稱為磁場定向控制，其實(shí)現(xiàn)原理是通過測量和控制三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量，再根據(jù)磁場

23、定向原理分別對其勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體方法就是將三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生磁場的勵(lì)磁電流和產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流，然后分別對兩個(gè)分量的幅值和相位進(jìn)行控制，其控制效果就是實(shí)現(xiàn)了對定子電流矢量的控制，故稱之為矢量控制。矢量控制的本質(zhì)就是將三相異步電機(jī)模型等效轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)模型來控制，從而使它的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能能夠直流調(diào)速系統(tǒng)一樣優(yōu)越。矢量控制的原理框圖如圖1所示。</p

24、><p>　　圖1 矢量控制原理框圖</p><p>　　異步電機(jī)空間矢量控制技術(shù)的核心是坐標(biāo)變換，如圖2所示，其坐標(biāo)變換由CLARK變換、PARK變換組成。進(jìn)行坐標(biāo)變換必須遵循以下兩個(gè)原則:坐標(biāo)變換前后的系統(tǒng)電機(jī)功率相等；在不同的坐標(biāo)系下電機(jī)繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢相等。</p><p>　　圖2 電機(jī)坐標(biāo)變換示意圖</p><p>　　（1）C

25、LARK變換</p><p>　　在三相靜止繞組A、B、C與兩相靜止繞組、之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系之間的變換，稱為CLARK變換，簡稱為3/2變換。</p><p>　　圖3中繪出了A、B、C與、兩個(gè)坐標(biāo)系。為了方便分析起見，取A軸與軸重合。假設(shè)三相繞組的每一相有效匝數(shù)是,兩相繞組每一相有效匝數(shù)是，每一相磁動(dòng)勢等于電流與有效匝數(shù)的乘積，對應(yīng)空間矢量均位于相關(guān)的坐標(biāo)軸上

26、。</p><p>　　設(shè)磁動(dòng)勢是呈正弦波形分布的，所以由坐標(biāo)變換的原則可知，當(dāng)滿足三相總磁動(dòng)勢等于兩相磁動(dòng)勢時(shí)，有:</p><p>　　即三相靜止坐標(biāo)系中各相磁動(dòng)勢在兩相坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的投影之和分別等于兩相坐標(biāo)系各個(gè)軸上的磁動(dòng)勢，或者說，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢在、軸上相等，寫矩陣形式為:</p><p>　　考慮變換前后的功率不變，在此前提下，可以證明匝數(shù)比為:&l

27、t;/p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　則有</b></p><p>　　上式即為CLARK變換，式中矩陣稱為從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的CLARK變換矩陣。</p><p><b>　　（2）PARK變換</b></p><p&

28、gt;　　由兩相靜止坐標(biāo)系、到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q之間的變換稱為兩相-兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，或PARK變換，簡稱變換。把這兩個(gè)坐標(biāo)系組合在一起，即得圖4。圖中交流電流、和直流、，產(chǎn)生相同的以同步轉(zhuǎn)速合成磁動(dòng)勢中的有效匝數(shù)，用電流直接表示，例如可以直接標(biāo)成。但必須注意，這里的電流都是空間矢量，而不是時(shí)間向量。</p><p>　　在圖2.3中d、q軸和矢量都是以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直流、的長度不變，相當(dāng)于d、q繞組產(chǎn)生的直流磁動(dòng)

29、勢。但是、軸是處于靜止?fàn)顟B(tài)，軸與d軸的夾角隨時(shí)間而改變的。因此，在、軸上的電流分量、的長短同樣是隨時(shí)間變化而改變的，相當(dāng)于、軸繞組產(chǎn)生的交流磁動(dòng)勢的瞬態(tài)值。</p><p>　　圖3 三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系之間的變換圖</p><p>　　圖4 兩相靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換圖</p><p>　　由圖4可見，、和、之間的關(guān)系如下：</p>

30、<p><b>　　寫成矩陣為</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣。對式子兩邊都左乘以變換矩陣的逆矩陣,得到:</p><p>　　則兩相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣是:</p><p>　　電壓

31、和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣均與電流旋轉(zhuǎn)變換矩陣相同。</p><p><b>　　4 SVPWM原理</b></p><p>　　電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)是把交流異步電機(jī)和逆變器當(dāng)做一個(gè)整體，以獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目的從而來控制逆變器的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的變頻調(diào)速，這種控制方法中磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量來實(shí)現(xiàn)的。SVPWM的實(shí)現(xiàn)就是以

32、產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢相等的原則，在一個(gè)周期內(nèi)對基本電壓空間矢量進(jìn)行不同的組合，使其組合成矢量等于給定的電壓矢量。當(dāng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)一個(gè)空間區(qū)域中，可以通過該區(qū)域中相鄰兩個(gè)的非零矢量和零矢量的組合來實(shí)現(xiàn)。矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行多次施加，通過控制各電壓矢量的在每個(gè)區(qū)域的作用時(shí)間，使產(chǎn)生的電壓空間矢量按接近圓形軌跡旋轉(zhuǎn)。通過逆變器在不同開關(guān)狀態(tài)下所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想圓形磁通，同時(shí)由二者的比較結(jié)果來判斷和決定逆變器不同時(shí)刻的

33、開關(guān)狀態(tài)，最后產(chǎn)生PWM波形。空間電壓矢量控制技術(shù)是一種比較新穎的交流電機(jī)變頻調(diào)速控制方法，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁場去逼近基準(zhǔn)圓磁場，使得輸出的電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。 </p><p>　　圖5 三相電壓型逆變器主電路</p><p>　　在異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，通常采用電壓型逆變器，其主電路圖如圖5所示。其中每一個(gè)橋臂有上、下兩個(gè)功率開關(guān)器件，六個(gè)功率開關(guān)器件

34、的狀態(tài)決定了電動(dòng)機(jī)的相電壓。但是這六個(gè)功率開關(guān)器件的開關(guān)必須遵守以下原則： </p><p>　?。?）任何時(shí)刻，處于開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)開關(guān)器件數(shù)目必須是3； </p><p>　?。?）同一臂橋上的兩個(gè)功率開關(guān)器件必須由互補(bǔ)信號控制，即不能同時(shí)導(dǎo)通。</p><p>　　若規(guī)定每個(gè)橋臂上管導(dǎo)通且下管關(guān)斷時(shí)為“1”，而下管導(dǎo)通且上管關(guān)斷時(shí)為“0”。因?yàn)槊總€(gè)橋臂有“1”和

35、“0”兩種狀態(tài)，故三組開關(guān)共有8種可能的開關(guān)組合，因此定義開關(guān)函數(shù)如下：</p><p>　　由三相逆變電路可知，三組功率晶體管有8種可能開關(guān)狀態(tài)。不同組合下產(chǎn)生的瞬時(shí)輸出線電壓和相電壓如下表1所示，其中為直流母線電壓。</p><p>　　由三相到兩相的變換可以得到在坐標(biāo)系下的定子電流關(guān)系為：</p><p>　　通過這個(gè)變換矩陣，就可以將三相 ABC 平面坐標(biāo)系

36、中的相電壓轉(zhuǎn)換到平面直角坐標(biāo)系中，得到它的矩陣形式如下：</p><p>　　表1 不同開關(guān)模式下輸出線電壓和相電壓</p><p>　　由于逆變器的8種開關(guān)組合，因此、也只有8種對應(yīng)關(guān)系，不同開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的、的相電壓的瞬時(shí)值如表2所示。</p><p>　　三相逆變器的6個(gè)開關(guān)管可以控制形成8種基本電壓空間矢量，其對應(yīng)關(guān)系如表2所示。8個(gè)基本電壓空間矢量包括6個(gè)有

37、效的電壓空間矢量以及兩個(gè)零電壓空間矢量和。當(dāng)逆變器的上半橋開關(guān)管或者下半橋開關(guān)管全部導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的三個(gè)端點(diǎn)短接在一起，故電壓矢量幅值為0。但是，這兩個(gè)零電壓矢量的存在為PWM設(shè)計(jì)控制策略增加了一個(gè)自由度。因此，6個(gè)彼此相差60°的非零矢量均勻分布在坐標(biāo)系上，把坐標(biāo)系分成了6個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)編號逆時(shí)鐘依次為Ⅰ～Ⅵ，扇區(qū)用來確定參考矢量的位置。三相逆變器輸出電壓空間矢量圖如圖6所示：</p><p>　　

38、表2 開關(guān)狀態(tài)與、相電壓和矢量關(guān)系</p><p>　　圖6 電壓空間矢量圖</p><p>　　5 SVPWM矢量控制系統(tǒng)</p><p>　　矢量控制為高性能異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)，但是系統(tǒng)中的控制電路所采用的微處理器性能將直接影響系統(tǒng)性能。實(shí)踐表明，采用高性能微處理器實(shí)現(xiàn)的異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善系統(tǒng)功能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜有效控制策略以及提高控

39、制系統(tǒng)可靠性的重要手段。</p><p>　　在異步電動(dòng)機(jī)控制中，DSP所特有的高速計(jì)算能力可以用來增加采樣頻率，完成復(fù)雜信號處理和實(shí)現(xiàn)控制算法，比如PID算法、卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器、無模型自適應(yīng)控制等,均可利用DSP在較短的采樣周期內(nèi)完成。此外，電機(jī)控制專用DSP具有PWM生成功能:可產(chǎn)生高分辨率的PWM波形，靈活實(shí)現(xiàn)各種PWM控制模式，具有多路PWM輸出功能。因TMS320F2812具有相當(dāng)快的數(shù)據(jù)

40、處理能力和豐富的輸入、輸出設(shè)備及接口電路，本系統(tǒng)選用其搭建矢量控制系統(tǒng)平臺。</p><p>　　SVPWM矢量控制系統(tǒng)原理如圖7所示。通過檢測異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，利用PI控制方案算出電磁轉(zhuǎn)矩控制量，進(jìn)一步得到異步電動(dòng)機(jī)定子轉(zhuǎn)矩電流參考信號。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(biāo)系中與參考信號比較，再利用PI控制算法,實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制。本系統(tǒng)為了最終獲得精確的運(yùn)行結(jié)果，應(yīng)用無模

41、型適應(yīng)控制(MFAC)方案，對定子轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行了補(bǔ)償。</p><p>　　對異步電動(dòng)機(jī)控制來說，轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速不等于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度，這意味著控制算法所必需的轉(zhuǎn)子磁鏈位置信號不能直接通過檢測轉(zhuǎn)子機(jī)械位置傳感器信號獲得。因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)磁鏈觀測模塊，以電流和及電動(dòng)機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度為輸入信號，輸出轉(zhuǎn)子磁鏈位置。</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制簡單描述為以下過程。首先通過光電編碼器得

42、到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并與速度參考輸入相比較，輸出送給速度外環(huán)控制器ASR，得到定子兩相電流參考輸入信號和，其中,為參考信號的勵(lì)磁分量，為參考信號的轉(zhuǎn)矩分量。再把定子三相電流、和檢測出來送到變換模塊，得到電流信號和P。這兩個(gè)分量作為輸入變量送給變換模塊,將其變換到MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，得到的和分別與參考信號和相比較并進(jìn)行PI控制，并通過無模型自適應(yīng)控制(MFAC)模塊對定子電流T軸分量進(jìn)行補(bǔ)償。得到的輸出量為和被送往逆變換模塊,得到坐標(biāo)系中的輸出

43、量和。電壓空間矢量(SVPWM)模塊根據(jù)這兩個(gè)輸入量計(jì)算實(shí)際PWM信號的占空比，輸出正確的PWM信號驅(qū)動(dòng)逆變器。應(yīng)該注意的是，無論是變換還是逆變換，都需要知道轉(zhuǎn)子磁鏈的確切位置，圖7所示的磁通觀測器可以計(jì)算出這個(gè)位置。速度外環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，電流內(nèi)環(huán)得到的實(shí)際控制信號，共同組成完整的速度一電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖7 SVPWM矢量控制系統(tǒng)原理圖</p><p>

44、　　5.1 SVPWM矢量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速、電流流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。DSP控制器負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，最后運(yùn)用矢量控制算法，得到電壓空間矢量PWM控制信號，再經(jīng)過光耦隔離電路驅(qū)動(dòng)IPM功率開關(guān)器件。DSP控制器還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流、欠壓等故障時(shí)，DSP將封鎖PWM輸出信號以保護(hù)IPM模塊。基于TMS320F2812DSP電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)開發(fā)

45、平臺的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖8所示。從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)硬件主要由主回路、控制電路、有用信號的檢測電路等幾部分構(gòu)成。</p><p>　　主回路是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功率變換的核心部分，主要包括整流電路、濾波電路和逆變電路，當(dāng)三相交流電經(jīng)全波整流電路為包含有脈動(dòng)的直流電壓，要想獲得平滑穩(wěn)定的直流電壓就需要對直流電壓脈動(dòng)進(jìn)行濾波處理，為逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓，通過對逆變電路的控制就可以實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的電壓和頻率調(diào)

46、節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。如圖9所示即為系統(tǒng)主電路，它主要完成對電壓的交—直—交(AC—DC—AC)變換。本系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)采用的電壓源型的方案，電壓源型是通過電容器來濾波儲能的，整流部分采用不可控整流橋，逆變部分選用智能功率模塊(IPM)。</p><p><b>　　圖8 系統(tǒng)硬件框圖</b></p><p><b>　　圖9 系統(tǒng)主回路&l

47、t;/b></p><p><b>　?。?）整流電路：</b></p><p>　　主要功能是將電網(wǎng)中的交流電整流后得到逆變電路和控制路需要的直流電，在電流型整流中它就相當(dāng)于是一個(gè)直流電流源，在電壓型整流電路中它就相當(dāng)于是一個(gè)直流電壓源。由于采用整流元器件的差異，整流電路的形式也有多種。本系統(tǒng)采用的是由二極管組成的不可控整流橋整流電路，因?yàn)槎O管不具有開關(guān)功能

48、，整流橋的輸出電壓值取決于輸入電源電壓的幅值。交流220V電經(jīng)過過流過壓保護(hù)電路接入到橋式整流電路中，最后轉(zhuǎn)變成直流脈動(dòng)電壓。</p><p><b>　?。?）濾波電路：</b></p><p>　　為了減少整流電路輸出直流電壓的脈動(dòng)，需要在整流橋的輸出端接以大容量電容對其進(jìn)行濾波處理，以保正最后輸入逆變電路的母線電壓為的大小的恒定直流電壓。同時(shí)可以在直流回路中串聯(lián)

49、了一個(gè)用于平波和保護(hù)的電感。本系統(tǒng)中濾波電容采用兩只耐壓較高的電解電容串聯(lián)。</p><p><b>　?。?）逆變電路：</b></p><p>　　逆變電路中常用的智能功率模塊(IPM)為目前電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)和變頻器中不可缺少的功率開關(guān)器件，它功能強(qiáng)大并且控制性能非常好，不僅能夠?yàn)殡娐诽峁┕β瘦敵觯瑫r(shí)還具有傳感檢測、邏輯控制和自診斷等功能。</p>

50、<p>　　控制電路由DSP最小系統(tǒng)電路、上位機(jī)通訊接口電路、仿真接口電路、PWM信號發(fā)生電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路等組成。本系統(tǒng)最小系統(tǒng)由F2812DSP本身和EEPROM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路組成；上位機(jī)通訊接口電路是為了完成與上位機(jī)的通訊功能，通過SN75ALS176A構(gòu)成了RS485協(xié)議下串行通訊模塊；仿真接口JTAG電路與DSP仿真器連接實(shí)現(xiàn)在線仿真,同時(shí)在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)和代碼；PWM信號發(fā)生電路是F28

51、12內(nèi)部集成可產(chǎn)生6路具有可編程死區(qū)SVPWM信號；A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路控制系統(tǒng)里的電壓、電流信號以及軟件中數(shù)字量輸入、輸出。圖10為系統(tǒng)控制電路框圖。</p><p>　　圖10 系統(tǒng)控制電路</p><p>　　檢測電路是用來檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，并將各部分工作狀況經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后反饋給 F2812 DSP芯片。同時(shí)，DSP主控制芯片將按照預(yù)定控制流程，然后為控制系統(tǒng)各功能模塊提

52、供控制信或保護(hù)信號，這樣就能及時(shí)地控制系統(tǒng)輸出以及有效地保護(hù)電機(jī)和電路系統(tǒng)。檢測電路的檢測信號通過各自的傳感器電路傳送到DSP芯片的信號輸入引腳，經(jīng)過預(yù)定算法處理后給相應(yīng)功能模塊發(fā)送控制信號。檢測電路包括電流檢測、電壓檢測和轉(zhuǎn)速檢測電路。</p><p>　?。?）電流檢測電路：</p><p>　　電流檢測電路主要是對三相異步電機(jī)的各相定子電流的檢測，本系統(tǒng)中異步電機(jī)采用的是三相對稱Y型

53、接法，由可知，只需測量任意兩相的定子電流即可得到第三相的定子電流，接下來就可以進(jìn)行坐標(biāo)變換過程。本系統(tǒng)采用ACS712霍爾效應(yīng)電流傳感器來測量定子電流，它具有響應(yīng)快、頻帶寬、線性好、精度高以及過載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。電流檢測電路如圖11所示。對于TMS320F2812 DSP來說，片內(nèi)包含有12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此只要把采集的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DSP安全識別范圍內(nèi)模擬信號即可。</p><p>　　（2）電壓檢測電路：

54、</p><p>　　為了防止系統(tǒng)反相補(bǔ)償時(shí)的泵升電壓過高,同時(shí)對智能功率模塊的欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)，因此需要加入電壓檢測電路來檢測系統(tǒng)的直流母線電壓，常用電壓檢測的方法主要有霍爾電壓傳感器法、電阻分壓法和電壓互感器法。采用電阻分壓法的檢測精度低，而電壓互感器只能測交流量，霍爾電壓傳感器的價(jià)格較高但是檢測性能非常好。本系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器HNV025A，其主要是利用磁補(bǔ)償原理測量電壓，不僅能夠測量直流、交流以及各

55、種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的，其電路結(jié)構(gòu)如圖12所示。電壓檢測信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為DSP的A/ 轉(zhuǎn)換模塊的電壓輸入范圍0～3V之間，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到檢測電壓值。</p><p>　　圖11 電流檢測電路</p><p>　　圖12 電壓檢測電路</p><p>　　（3）轉(zhuǎn)速檢測電路：</p><p>　　反饋系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵

56、，因此異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度反饋是實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制的關(guān)鍵。對于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度測量信號的準(zhǔn)確度是影響和決定整個(gè)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。TMS320F2812 DSP的EV模塊中包含有對電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置測量的正交解碼脈沖電路(QEP)。當(dāng)QEP使能后，其引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2接收光電編碼器的檢測信號的脈沖，然后QEP通過對其進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)就能得到此刻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。如圖13所示，本文選用CFZ-600BZ-G0

57、5-26E型編碼器。啟動(dòng)EVA的QEP電路的設(shè)置如下：</p><p>　?、僭O(shè)置通用定時(shí)器2或定時(shí)器4的計(jì)數(shù)器、周期和比較寄存器；</p><p>　?、谂渲肨2CON(T4CON)寄存器，使用通用定時(shí)器2工作在定向增/減模式，QEP電路作為時(shí)鐘源，并使能通用定時(shí)器。</p><p>　　圖13 編碼器接口電路</p><p>　　5.2

58、SVPWM矢量控制系軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可簡單分為兩個(gè)部分:一個(gè)是系統(tǒng)的初始化，另一個(gè)是控制模塊。系統(tǒng)初始化模塊只是在系統(tǒng)上電時(shí)執(zhí)行一次,然而控制模塊在每個(gè)PWM下溢事件發(fā)生后都將從等待循環(huán)中喚醒執(zhí)行。當(dāng)中斷標(biāo)記設(shè)置以后，相應(yīng)中斷服務(wù)程序就執(zhí)行，整個(gè)矢量控制算法都在中斷子程序中完成,其調(diào)用的頻率與PWM的輸出頻率一致。系統(tǒng)的定時(shí)器下溢中斷子程序框圖如圖14所示。根據(jù)軟件程序框圖把系統(tǒng)軟件分成

59、一下幾個(gè)部分:</p><p>　?。?）磁通觀測器模型設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）電流和電壓的測試</p><p>　　（3）異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測</p><p>　?。?）PI控制器與無模型自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）矢量在各坐標(biāo)系間的變換</p><p>　?。?）電

60、壓空間矢量(SVPWM)的產(chǎn)生</p><p>　　圖14 控制模塊流程框圖</p><p><b>　　6 小結(jié)</b></p><p>　　本文闡述了交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向，在理解SVPWM和矢量控制原理的基礎(chǔ)上，推出了以DSP為主控芯片，結(jié)合SVPWM矢量控制系統(tǒng)的控制算法，通過軟硬件實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量算法在交流電機(jī)變頻調(diào)

61、速中的應(yīng)用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張成，王心堅(jiān)，衣鵬，孫澤昌.SVPWM與SPWM比較仿真[J].機(jī)械與電子，2013（01）</p><p>　　[2]陳明弟.一種SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].商業(yè)現(xiàn)代化，2007（15）</p><p>　　[3]劉志強(qiáng)，張騰

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