變頻器svpwm控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　課 題 名 稱(chēng) 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 </p><p>　　2017年5月18日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電力電子器件和微處理器芯片的發(fā)展，使得數(shù)字化變頻調(diào)速技

2、術(shù)成為當(dāng)代電機(jī)控制技術(shù)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的SPWM控制算法未顧及輸出電流波形，不易于數(shù)字化。所以需要更進(jìn)一步的控制算法，來(lái)使電機(jī)產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，于是便產(chǎn)生電壓空間矢量PWM(Space Vector Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)SVPWM)控制算法。變頻器SVPWM控制系統(tǒng)就是利用該算法的來(lái)對(duì)異步電機(jī)實(shí)行控制的，它的輸出諧波小，也使得直流側(cè)的電壓利用率提升了15%。</p><p>　　本課題變頻器

3、的控制芯片是TMS320F2812DSP，采用SVPWM調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生PWM波形，并對(duì)6個(gè)IGBT的通斷進(jìn)行控制，從而在電機(jī)空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩。本文最后一章還使用MATLAB /SIMULINK對(duì)變頻器SVPWM進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了變頻器SVPWM算法的可行性和正確性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：變頻器；SVPWM；異步電機(jī)；MATLAB/SIMULINK仿真</p&g

4、t;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of power electronic devices and microproc essor chips, digital frequency conversion technology has become the trend of modern motor co

5、ntrol technology. The traditional SPWM control algorithm does not take into account the output current waveform, not easy to digitize. Therefore, the need for further control algorithms, so that the motor generates a con

6、stant torque, so it will produce a voltage space vector PWM (Space Vector Pulse Width, SVPWM). Inverter SVPWM control system </p><p>　　The inverter control chip is TMS320F2812DSP, using SVPWM modulation tech

7、nology, PWM waveform, and the 6 IGBT on-off control, resulting in a circular rotating magnetic field in motor space, makes the motor produce constant torque. In the last chapter of this paper, MATLAB /SIMULINK is used to

8、 simulate the frequency converter SVPWM, and the simulation results verify the feasibility and correctness of the SVPWM algorithm.</p><p>　　Keywords: inverter;Space Vector Pulse Width Modulation;Asynchronous

9、 motor;simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究

10、背景及意義1</p><p>　　1.2 變頻器SVPWM的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)3</p><p>　　1.3 課題研究要求及任務(wù)6</p><p>　　1.4 論文的主要內(nèi)容7</p><p>　　2 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理8</p><p>　　2.1 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8</p&

11、gt;<p>　　2.2 變頻器SVPWM基本原理10</p><p>　　2.3 變頻器SVPWM法則推導(dǎo)12</p><p>　　2.4 變頻器SVPWM控制算法14</p><p>　　3 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.1 總體設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.

12、2 主電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.4 控制電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.5 軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)建模仿真及結(jié)果分析29</p><p>　　4.1 系統(tǒng)仿真模型的建立29</p><

13、p>　　4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析34</p><p><b>　　總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

14、;<p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　在當(dāng)今工業(yè)社會(huì)，能源的有效利用一直是科學(xué)研究的重要方向，這關(guān)乎與我們的可持續(xù)發(fā)展，因此，節(jié)能研究就顯得越來(lái)越重要。隨著電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)越來(lái)越多的被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科技研究、國(guó)防各方面，作為主要的動(dòng)力設(shè)備。從世界范圍來(lái)看，電機(jī)的用電量超過(guò)全球各國(guó)總用電量的一半以上，約占工業(yè)用電量的70%，如此之高的一個(gè)比例數(shù)量，如能提高

15、用電效率，優(yōu)化電機(jī)控制算法，將具有十分重大的意義。使異步電機(jī)和變頻器相結(jié)合，所組成的交流調(diào)速系統(tǒng)具備非常高控制性能。如果能夠?qū)﹄姍C(jī)的調(diào)速控制容易實(shí)現(xiàn)。那么對(duì)電機(jī)的高效性并且連續(xù)，啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的高頻性也就容易實(shí)現(xiàn)。在上個(gè)世紀(jì)，由于電力電子器件的限制，電機(jī)控制技術(shù)的不成熟。對(duì)電機(jī)實(shí)施高性能控制就很難實(shí)現(xiàn)，即便能提高性能，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)也不劃算。更無(wú)法大范圍的推廣此項(xiàng)技術(shù)，被人所接受。所以在控制要求高的地方，或是精確調(diào)速要求的地方就不會(huì)出現(xiàn)

16、異步電機(jī)。后來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體全控型器件進(jìn)一步發(fā)展，這使得對(duì)電機(jī)的調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，對(duì)其控制精度也大大的提高。于是使得異步電動(dòng)在工業(yè)上被慢慢應(yīng)用。同時(shí)這些半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，也使得電機(jī)的控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。</p><p>　　現(xiàn)在可以使用變頻器SVPWM控制技術(shù)來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而滿足對(duì)電機(jī)在工業(yè)中的要求，節(jié)能與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，具有很高的控制精度。所以對(duì)變頻器SVPWM控制技術(shù)進(jìn)行深入研究很有必要

17、，它所在工業(yè)控制中所發(fā)揮著的作用是不可忽視的。</p><p>　　我國(guó)是一個(gè)工業(yè)大國(guó)，使用電動(dòng)機(jī)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行傳動(dòng)是不可或缺的，一些大型的鋼廠、制造業(yè)加工廠更加如此，電動(dòng)機(jī)也被廣泛應(yīng)用在生活中，比如我們學(xué)校隨處可見(jiàn)的電動(dòng)車(chē)，電梯等等驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)設(shè)備，還有其他社會(huì)應(yīng)用方面。正因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)具有重要的應(yīng)用，所以我們國(guó)家對(duì)于它的發(fā)展和控制處于高度重視狀態(tài)。在電氣傳動(dòng)實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，給各類(lèi)生產(chǎn)機(jī)械提供原始動(dòng)

18、力，實(shí)現(xiàn)這些要求的同時(shí)，我們還需要對(duì)其控制精度，性能做出要求，使其既能實(shí)現(xiàn)我們的目的，又具有穩(wěn)定、節(jié)能、高精確性的特點(diǎn)，這在以前的實(shí)現(xiàn)中還是具有問(wèn)題的。然而，在還沒(méi)有變頻器的年代，使用的電機(jī)基本上都是直流電機(jī)，對(duì)其調(diào)速方法主要是調(diào)節(jié)它的電樞供電電壓的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、改變電機(jī)的主磁通，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、改變電樞回路電阻，進(jìn)行電樞回路外串電阻的有級(jí)調(diào)速。而后來(lái)不一樣，變頻器的出現(xiàn)與應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了此前的繁雜操作，并且減小了設(shè)備體積，大幅度的減少

19、維修次數(shù)，使得操作更加簡(jiǎn)單和安全。</p><p>　　SVPWM技術(shù)一出現(xiàn)，就被應(yīng)用在變頻器中。交-直-交中的最后一個(gè)逆變環(huán)節(jié)，SVPWM算法對(duì)三相逆變器控制產(chǎn)生PWM波，進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，這種調(diào)速方式是基于電動(dòng)機(jī)氣隙的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的上一步是使電機(jī)的定子上具有三相對(duì)稱(chēng)電壓，電壓與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相互垂直，逆推SVPWM方法，是根據(jù)參考電壓的大小，來(lái)計(jì)算所需合成的電壓所在區(qū)間，利用最近的基本電壓矢量對(duì)其進(jìn)行平

20、行四邊形法則矢量合成，利用公式計(jì)算出基本電壓矢量的作用時(shí)間，根據(jù)產(chǎn)生圓形電壓空間矢量的原理，防止過(guò)調(diào)試，使得電壓矢量不超調(diào)，還需計(jì)算出零矢量的作用時(shí)間，總的時(shí)間電壓積分與參考電壓積分相等，在優(yōu)化逆變器的開(kāi)關(guān)順序，使遵循每個(gè)周期開(kāi)關(guān)相等的原則，產(chǎn)生固定的開(kāi)關(guān)順序，并且盡可能的選擇每次變換只改動(dòng)一個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，此時(shí)所產(chǎn)生的PWM波用來(lái)驅(qū)動(dòng)全控型器件，從而實(shí)現(xiàn)SVPWM控制。SVPWM控制方法具有更寬的線性調(diào)制范圍，因?yàn)楫a(chǎn)生的磁鏈圓是逼近圓形

21、的，可以十分明顯地減少諧波成分，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，具有更高的直流電壓利用率。況且SVPWM的控制方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，這就使得該控制方法被廣泛的應(yīng)用在交流調(diào)速中。采用不同的開(kāi)關(guān)順序還可以最大限</p><p><b>　　變頻器控制的優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　（1）對(duì)電機(jī)的調(diào)速當(dāng)采用變頻器進(jìn)行控制后，能大大減少能量的損耗，尤其是風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，對(duì)電能

22、的節(jié)約可提高20%～60%，如此高的節(jié)電率是由于風(fēng)機(jī)的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系。所以，這個(gè)節(jié)能是巨大的。由于在實(shí)際生產(chǎn)之中，我們應(yīng)用的此類(lèi)負(fù)載很多，所以在這類(lèi)負(fù)載應(yīng)用中意義十分明顯。</p><p>　?。?）變頻器調(diào)速在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、停止方面具有明顯的調(diào)速優(yōu)勢(shì)，通過(guò)編程改變其逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)電機(jī)實(shí)施控制。改變其逆變單元的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序，就可以對(duì)輸出換相。一般通過(guò)變頻器啟動(dòng)進(jìn)行

23、，大部分是從低速開(kāi)始的，所以其加速減速控制都很平穩(wěn)，可以進(jìn)行高頻率的啟動(dòng)控制。使用變頻器制動(dòng)的時(shí)候，變頻器能夠使用內(nèi)部電路將電能回饋電網(wǎng)或是內(nèi)部電阻進(jìn)行消耗。當(dāng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，變頻器將會(huì)直接給電機(jī)加壓制動(dòng)，無(wú)需外接制動(dòng)電路進(jìn)行制動(dòng)。</p><p>　　（3）能夠提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，變頻調(diào)速是可以在零電壓的時(shí)候?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，當(dāng)其進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行之后，變頻器是能夠按照壓頻比不變來(lái)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，這樣可以充分減小啟

24、動(dòng)電流，提高繞組的使用壽命，可以減少維修費(fèi)用，同時(shí)變頻器進(jìn)行集成，也大大減小了控制器的體積。</p><p>　　我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展政策離不開(kāi)環(huán)境與能源的相互協(xié)調(diào)，正因?yàn)檫@變頻調(diào)速技術(shù)的高速發(fā)展，使得我們告別了傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟(jì)體質(zhì)，放眼全世界，能源和環(huán)境的現(xiàn)狀，各個(gè)國(guó)家越來(lái)越重視能源、環(huán)境和發(fā)展的三位一體，協(xié)同發(fā)展。而此時(shí)，變頻器對(duì)電機(jī)調(diào)速正好與此切合，各種高性能的電機(jī)控制方法得以發(fā)揮，滿足了，對(duì)節(jié)電節(jié)能，增加系統(tǒng)

25、穩(wěn)定性和保護(hù)電機(jī)，減少轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)起到積極的作用，因此，變頻器SVPWM控制技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。</p><p>　　1.2 變頻器SVPWM的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)</p><p>　　“我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，許多產(chǎn)品的科研開(kāi)發(fā)能力仍然落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著改革開(kāi)放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)引進(jìn)了很多最先進(jìn)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)許多合資公司已能生產(chǎn)當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品，并對(duì)它進(jìn)行應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，為

26、國(guó)內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)[1]”。在變頻調(diào)速領(lǐng)域，我國(guó)雖然取得了很大成績(jī)，但應(yīng)看到由于國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)外國(guó)公司的依耐性仍較為嚴(yán)重。我國(guó)電氣傳動(dòng)與變頻技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用如表1-1所示：</p><p>　　交流變頻調(diào)速行業(yè)在中國(guó)興起了二十幾年，隨著我國(guó)工業(yè)的進(jìn)步，它的市場(chǎng)容量正逐年的在增長(zhǎng)，最近幾年的低壓、中壓、高壓變頻器市場(chǎng)容量超過(guò)160億元，國(guó)內(nèi)外總計(jì)投資的品牌有超過(guò)140個(gè)，

27、這其中，外資品牌占比不超過(guò)30%，但是它的市場(chǎng)份額卻有75%之多，可見(jiàn)我國(guó)自主的變頻器品牌要發(fā)展與應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，任重而道遠(yuǎn)。當(dāng)前的交流變頻調(diào)速行業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，變成產(chǎn)業(yè)化，具相關(guān)從業(yè)人員分析，我國(guó)市場(chǎng)上的變頻器預(yù)計(jì)將在以后十年之內(nèi)飽和?！霸诘蛪鹤冾l器廣泛應(yīng)用的今天，交流變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)已在市場(chǎng)中占有相當(dāng)大的比例了，它的性能要更優(yōu)于直流機(jī)械調(diào)速[2]”。</p><p>　　表1-1 我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)

28、展簡(jiǎn)史</p><p>　　變頻器的體積特別小、振動(dòng)小、噪聲小、它對(duì)異步電機(jī)的控制具有良好的調(diào)速性能。異步電機(jī)還具有制造購(gòu)買(mǎi)低成本，且投入運(yùn)行是更容易維護(hù)特點(diǎn)。從工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜度大大簡(jiǎn)化，投資成本也大大減小?？偟膩?lái)說(shuō)，使用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制大大提高了電機(jī)性能，使其運(yùn)行更符合工業(yè)生產(chǎn)期望，生產(chǎn)質(zhì)量大大提高，并且改善了工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，也使得機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化程度更高，“與此同時(shí)，還為我們節(jié)約能源和降低企業(yè)生產(chǎn)成本做

29、出很大的貢獻(xiàn)[3]”。</p><p>　　隨著全控型快速半導(dǎo)體的發(fā)展，使用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)作為控制方法已越來(lái)越普遍，并且在傳統(tǒng)的PWM調(diào)制方法上面對(duì)電機(jī)的控制更進(jìn)一步。PWM調(diào)制即產(chǎn)生PWM波（幅值相等而寬度不等的脈沖），對(duì)逆變器進(jìn)行控制，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，還需外加驅(qū)動(dòng)器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，控制開(kāi)關(guān)管子的通斷，提供對(duì)電機(jī)控制調(diào)速所需的電壓。使用一定的調(diào)制方法，對(duì)不同波形進(jìn)行調(diào)制，使實(shí)際施加的電壓作用積分的面積相等，

30、通過(guò)此種方法對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，“就可以改變逆變電路實(shí)際輸出電壓值。同時(shí)，也可改通過(guò)改變波形的周期來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]”。PWM調(diào)速控制方法具有調(diào)節(jié)電壓，對(duì)諧波進(jìn)行抑制的作用，也正因?yàn)镻WM波形調(diào)制方法能夠使產(chǎn)生的脈沖接近正弦波，并且其控制方法輸入因素高。因此對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，要高性能調(diào)速，使用PWM波形控制方法就能實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)，將之與變頻器相結(jié)合，便能大大簡(jiǎn)化控制控制電路，并且還能夠改善電機(jī)控制性能。所以，綜合以上分析，PWM技術(shù)具

31、備如此多的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其研究就非常有現(xiàn)實(shí)意義。如圖1.1所示，脈寬調(diào)制方法的分類(lèi)如下：</p><p>　　圖1.1 脈寬調(diào)制方法分類(lèi)</p><p>　　變頻器SVPWM調(diào)速技術(shù)是一種綜合性技術(shù)，其包括變頻器部分，實(shí)施大能量的轉(zhuǎn)化，PWM波形的調(diào)制逆變部分，整流和逆變產(chǎn)生波形，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。變頻器將電網(wǎng)側(cè)的交流電變換成直流電，然后進(jìn)行逆變，控制方法是通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，變頻器

32、變換有兩種方法，第一種是交流直接變成另一頻率的交流電，還有一種是交直交，正因?yàn)樗羞@種變換功能，所以變頻器是作為一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用中通常通過(guò)改變壓頻比來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑調(diào)速。PWM是英文Pulse Width Modulation脈沖寬度調(diào)制的縮寫(xiě)，按一定的調(diào)制波形方法，“有規(guī)律地改變脈沖的寬度，使其具有正弦電壓同樣面積大小，從而對(duì)電路進(jìn)行控制[5]”。SVPWM是電壓空間矢量控制技術(shù)，它通過(guò)六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件的逆變器，使用特殊的開(kāi)關(guān)組合狀

33、態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)脈寬波形，從而使電機(jī)定子繞組得到三相電壓，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)于電壓在空間中是相互垂直的，所以又稱(chēng)為磁鏈跟蹤技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。</p><p>　　正由于變頻器能夠使得電機(jī)的調(diào)速和制動(dòng)性能提高，并且節(jié)約電網(wǎng)電能，還能改善功率因素，以及SVPWM技術(shù)使得直流側(cè)電壓的利用率提高15%，使用變頻器也能讓控制方法數(shù)字化，大大簡(jiǎn)化了控制應(yīng)用得復(fù)雜性

34、?！澳壳白冾l器SVPWM控制技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢(shì)，并且發(fā)展的比較成熟，對(duì)這種經(jīng)濟(jì)合理的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的繼續(xù)研究也是當(dāng)今的重大課題[6]”。</p><p>　　1.3 課題研究要求及任務(wù)</p><p>　　目前社會(huì)資源短缺，作為主要能源的電能的產(chǎn)生需要消耗一些不可再生能源，例如火力發(fā)電的煤，所以，如果我們能在電能的利用上更加高效，這對(duì)能源對(duì)可持續(xù)發(fā)展都具有十分重大的意義。所以本文著手于S

35、VPWM高性能控制算法，來(lái)設(shè)計(jì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和具有良好控制性能的電機(jī)的要求。本課題的設(shè)計(jì)基本要求如下：</p><p>　　（1）分析變頻器SVPWM控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)的硬件電路（包括主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路），完成器件選型；</p><p>　?。?）建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，

36、并調(diào)試通過(guò)；</p><p>　?。?）論文書(shū)寫(xiě)規(guī)范、文字通暢、圖標(biāo)清晰、結(jié)論明確；</p><p>　?。?）論文字?jǐn)?shù)在1.5萬(wàn)字左右，按進(jìn)度表完成設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.4 論文的主要內(nèi)容</p><p>　　通過(guò)查閱大量的參考文獻(xiàn)，并對(duì)變頻器SVPWM的原理進(jìn)行深入分析，本文有以下內(nèi)容：</p><p>

37、　　第1章主要是對(duì)變頻器SVPWM控制技術(shù)的背景分析以及這項(xiàng)技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展和能源節(jié)約的意義。還介紹了我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，變頻器SVPWM控制技術(shù)以后的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　第2章主要介紹變頻器SVPWM控制系統(tǒng)的原理，其中包括對(duì)變頻器SVPWM基本原理、法則推導(dǎo)、控制算法、物理意義的詳細(xì)分析。</p><p>　　第3章主要內(nèi)容是對(duì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)的主電

38、路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路的介紹。</p><p>　　第4章使用仿真軟件搭建SVPWM控制模塊，然后進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，檢測(cè)各部分是否算法正確，積分環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)；最后分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證該控制算法的可行性。</p><p>　　2 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理</p><p>　　2.1 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　“變

39、頻器就是將固定頻率的交流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的靈異交流電的轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)其調(diào)速方式中間過(guò)程的差異，可將其分為交交變頻和交直交變頻[7]”。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的是交直交變頻調(diào)速，所以在本文中將對(duì)其變換方法進(jìn)行詳細(xì)講解。</p><p>　　交-直-交變頻器是先對(duì)輸入變頻器的電壓進(jìn)行整流成直流電，直流環(huán)節(jié)作為它的中間環(huán)節(jié)，再通過(guò)其內(nèi)部的逆變電路將直流電變成交流電。如圖2.1所示，其流程便是變頻器變換電壓的主要原理，該圖存

40、在中間直流環(huán)節(jié)，所以交直交變頻也稱(chēng)為間接變頻。</p><p>　　變頻器的內(nèi)部電路還包括整流電路，濾波電路，逆變電路，制動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路，檢測(cè)電路，控制電路。本文所介紹的交直交變頻的逆變電路開(kāi)關(guān)器件由全控型的IGBT組成，控制其開(kāi)通關(guān)斷的波形是通過(guò)其內(nèi)部的DSP芯片所產(chǎn)生的PWM。</p><p>　　圖2.1 交—直—交變頻器基本組成</p><p>　　圖2

41、.2 交—直—交變頻器主電路圖</p><p>　　變壓變頻器使用SPWM控制控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，主要是要產(chǎn)生正弦的輸出電壓，只照顧到了這一點(diǎn)，而沒(méi)有關(guān)注電流的波形，所以其控制方法不徹底，在高性能要求的控制場(chǎng)合，就需要更優(yōu)質(zhì)的調(diào)速方法來(lái)補(bǔ)充這個(gè)不足之處?！暗胶髞?lái)出現(xiàn)了電流滯環(huán)跟蹤控制，它使得電流按正弦規(guī)律進(jìn)行波動(dòng)，雖然它的電流正弦比SPWM方法提高性能，但還不足以實(shí)現(xiàn)提高電能利用的目的，所以，便產(chǎn)生了本課題

42、所研究的空間電壓矢量控制方法[8]”。</p><p>　　進(jìn)行反向考慮，SVPWM的控制方法是要在電機(jī)的定子上加上三相正弦電流，這樣便能在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，然而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在物理上的意義是電壓作用時(shí)間的積分，況且電壓也是旋轉(zhuǎn)的，在空間上與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)垂直，方向沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的切線，如此一來(lái)，便能使電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，從而滿足生產(chǎn)需要。于是，本控制系統(tǒng)基于這一點(diǎn)，對(duì)電機(jī)控制方案實(shí)施如下：即將逆變器與

43、電機(jī)當(dāng)做一個(gè)整體，利用DSP芯片產(chǎn)生PWM波形，控制逆變器的開(kāi)關(guān)管子，并且對(duì)導(dǎo)通順序進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使得作用在電機(jī)上實(shí)際的電壓矢量后等于期望電壓矢量，進(jìn)行這些工作之后，電機(jī)空間上便會(huì)形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)所期望的高性能控制。這種控制方法叫做電壓空間矢量PWM控制。同時(shí)，由于最終的目的是產(chǎn)生近似于圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以又叫做磁鏈跟蹤技術(shù)?！白冾l器SVPWM控制方法現(xiàn)已趨向成熟，被廣泛應(yīng)用于控制器中，電動(dòng)汽車(chē)，異步電機(jī)等的控制器，都有它

44、的身影[9]”。本系統(tǒng)中，該算法處于核心控制地位，主要控制電路設(shè)計(jì)也是SVPWM。</p><p>　　變頻器SVPWM控制算法在近年來(lái)已經(jīng)成熟被應(yīng)用，它的最重要的部分在于逆變電路，這是它發(fā)揮作用的實(shí)際應(yīng)用處，對(duì)三相進(jìn)行逆變要使用六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件。通過(guò)對(duì)其原理分析以及一系列的算法處理，便能得出其合成矢量，以及如何正確選擇零矢量，不同的開(kāi)關(guān)模式會(huì)產(chǎn)生特定的脈寬調(diào)制波形，利用這些個(gè)開(kāi)關(guān)器件，能夠讓輸出電流的波形最大程

45、度接近正弦函數(shù)的波形，我們通常使用對(duì)其芯片進(jìn)行編程的方法，來(lái)使其產(chǎn)生PWM波形。SVPWM技術(shù)與SPWM相比較，具有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：繞組電流波形的諧波成分特別小，可減少配電系統(tǒng)本身或聯(lián)接在該系統(tǒng)上的設(shè)備故障；使電機(jī)運(yùn)行在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)?！岸疫@個(gè)控制策略也產(chǎn)生電機(jī)空間上逼近圓形旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)使得母線側(cè)的直流電壓利用率提高15%，本章下面幾節(jié)對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)分析[10]”。</p><p>　　2.2 變頻器SVPW

46、M的基本原理</p><p>　　變頻器SVPWM的理論基礎(chǔ)就是平均值相等，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)使用基本電壓矢量對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，在空間上進(jìn)行矢量的合成，使平均值與給定的電壓矢量相等，這就是其控制思想?！捌浠緦?shí)現(xiàn)方法就是先判斷參考矢量在哪一個(gè)區(qū)間，然后把這個(gè)扇區(qū)內(nèi)相鄰的電壓矢量和零矢量進(jìn)行矢量合成[11]”。在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，通過(guò)控制管子的通斷來(lái)把相鄰的電壓矢量分多次施加，使得產(chǎn)生的波形對(duì)稱(chēng)。我們控制每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)

47、間。最后優(yōu)化開(kāi)關(guān)作用順序，把一個(gè)扇區(qū)分成個(gè)小區(qū)間，將形成邊形，合成的電壓空間矢量所產(chǎn)生的逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這些不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)變頻器的控制單元產(chǎn)生。最終所產(chǎn)生的近似圓形磁通，便是本控制系統(tǒng)所要控制的目的。</p><p>　　假設(shè)在直流母線側(cè)電壓為，三相相電壓在逆變器上出為、、，它們各自加在空間上相差為的坐標(biāo)上面，這個(gè)時(shí)候我們可以定義方向始終在各相軸上的、相位相隔的、幅值隨著t按正弦波形變化的三個(gè)電壓空間矢量

48、，它們分別為?，F(xiàn)在我們假設(shè)為相電壓的有效值，是電源的頻率，那么就有以下關(guān)系：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　上表達(dá)式中，若，那么：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　由此可知空間矢量它是可以旋轉(zhuǎn)的，它的最大值為相電壓峰值的倍，它

49、是以角頻率按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)的電壓空間矢量，“其在三相坐標(biāo)軸 上的投影為三相對(duì)稱(chēng)的正弦量[12”。</p><p>　　因?yàn)槟孀兤鞯娜鄻虮凵弦还灿袀€(gè)開(kāi)關(guān)管，為了方便研究，我們定義其開(kāi)關(guān)函數(shù)如下：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　其中(Sa、Sb、Sc)的所有組合有八種，兩個(gè)零矢量U0(000)、U7(1

50、11)六個(gè)非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)。下面列出一種情況進(jìn)行分析：SX(x=a,b,c)=(100)</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　對(duì)（2.4）求解可得：UaN=2Ud/3、UbN=-Ud/3、UcN=-Ud/3。同理可得其他空間電壓矢量，各種情況的空間矢量

51、如下表所示：</p><p>　　零矢量幅值為0，位于圓心，非零矢量的值的大小一樣，都為2Udc/3，每?jī)蓚€(gè)矢量之間差π/3，任意電壓矢量都是由相鄰兩個(gè)非零矢量根據(jù)平行四邊形法則進(jìn)行合成的：</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　進(jìn)一步等效為：</b></p><p

52、><b>　　(2.6)</b></p><p>　　表2-1 所有開(kāi)關(guān)情況與相/線電壓之間的關(guān)系</p><p>　　在式（2.6）中Uref為期望的電壓矢量值，T是采樣周期，Tx、Ty、T0這三者是指在一個(gè)采樣周期內(nèi)，非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0作用的總的時(shí)間；零矢量有兩個(gè)U0和U7。因?yàn)槿嗾也妷涸陔妷嚎臻g矢量中合成的是一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，

53、它以電源角頻率為速度進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所走過(guò)的軌跡是一個(gè)圓。那么如果要合成三相正弦電壓，可以按照上面的電壓空間矢量圖形，以U4為起始位置，每次都加上一個(gè)小的增量，這個(gè)增量可由零矢量和非零矢量來(lái)合成，其增量安排應(yīng)該以減小開(kāi)關(guān)損耗為基礎(chǔ)，最終可以得到一個(gè)電壓矢量圓形軌跡，“達(dá)到我們預(yù)期的變頻器SVPWM電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的[13]”。</p><p>　　2.3 變頻器SVPWM法則推導(dǎo)</p>&

54、lt;p>　　給定的三相電壓的電壓矢量在空間中以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，它的角速度是，周期，我們假設(shè)載波頻率為，那么頻率比就是，這時(shí)我們可以把電壓旋轉(zhuǎn)平面分成R份，這樣便能求出電壓向量角度的增值，其表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　我們現(xiàn)在假設(shè)Uref在1區(qū)，那么如圖2.3所示，就可以用兩個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量（U4、

55、U6、U0、U7）來(lái)進(jìn)行合成：</p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　圖2.3 空間矢量在1區(qū)的合成</p><p>　　在靜止坐標(biāo)系中，分為α軸和β軸，設(shè)Uref與U4之間的夾角為θ，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可知：</p><p><b>　　(2.9)</b></p

56、><p>　　我們使U4和U6作用一樣長(zhǎng)的時(shí)間，就有|U4|=|U6|=2Udc/3，就可以得到每個(gè)非零矢量的作用時(shí)間長(zhǎng)度，其計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　上式中，稱(chēng)為調(diào)制比，調(diào)制比是調(diào)制波基波的峰值與載波基波峰值之比。</p><p>　　非零向量的分配時(shí)間出來(lái)了，那

57、么零向量作用的時(shí)間長(zhǎng)度也就出來(lái)了：</p><p>　　T7=T0=(TS-T4-T6)/2 (2.11)</p><p><b>　　或者</b></p><p>　　T7=(TS-T4-T6) (2.12)</p><p>　　根據(jù)以上式子，我們可以得出合成Uref的每個(gè)矢

58、量作用時(shí)間。第一步工作已經(jīng)完成，下面的主要任務(wù)就是來(lái)確定怎樣產(chǎn)生脈寬調(diào)制波形。在SVPWM調(diào)制方案里，我們可以盡量讓開(kāi)關(guān)在切換的時(shí)候能夠少變化幾個(gè)，這樣是為了降低損耗。而對(duì)于這個(gè)要求就可以靈活插入零矢量，并且是插在頭尾和中間。讓各矢量構(gòu)成空間矢量序列，排列方式比較多，以下進(jìn)行介紹。</p><p>　　7段式SVPWM為了就減少開(kāi)關(guān)的通斷損耗，我們可以把基本矢量的作用順序進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)每次把基本矢量加上時(shí)，盡量只變

59、化一個(gè)開(kāi)關(guān)管子。0矢量的選定也也要具有靈活性，一般來(lái)說(shuō)，施加在一個(gè)區(qū)的開(kāi)始，中間和末尾，這樣便能產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)PWM波。通過(guò)這種方法，能夠有效的減少PWM諧波分量，控制電機(jī)的時(shí)候也不會(huì)有很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，我們可以更平滑地調(diào)速，這對(duì)控制性能的提升具有明顯的意義。下面舉例進(jìn)行分析：把U4(100)轉(zhuǎn)換到U0(000)，我們就只要改變A相的一對(duì)開(kāi)關(guān)。當(dāng)從U4(100)轉(zhuǎn)換到U7(111)的時(shí)候，那就要改變B、C兩相的開(kāi)關(guān)。這樣對(duì)器件損耗非常大，幾乎翻

60、倍了。所以，我們需要把零向量穿插其中，從而使開(kāi)關(guān)損耗降低。改變U4(100)、U2(010)、U1(001)這三個(gè)非零矢量時(shí)，要配合零矢量 U0(000)。當(dāng)要改變U6(110)、U3(011)、U5(100)這三個(gè)非零矢量時(shí)，要配合U7(111)。如此便能利用靈活組合開(kāi)關(guān)順序，獲得對(duì)稱(chēng)的PWM波。其他扇區(qū)情況如下表所示。</p><p>　　以1扇區(qū)來(lái)說(shuō)，它的三相波形如表中所示。電壓矢量的作用順序是：U0、U4

61、、U6、U7、U6、U4、U0，我們可以從表的波形圖中看到開(kāi)關(guān)切換順序跟三相波形圖是互相對(duì)應(yīng)的。當(dāng)?shù)竭_(dá)下一個(gè)扇區(qū)時(shí)，Uref的角度加一個(gè)增量大小，使用式子(2.9)再算出下一個(gè)矢量的作用時(shí)間，然后得到這個(gè)區(qū)域的三相波形。這樣能夠合成一個(gè)新的矢量。Uref將會(huì)依次到達(dá)扇區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。一個(gè)周期下來(lái)，可以產(chǎn)生R個(gè)合成矢量。</p><p>　　2.4 變頻器SVPWM控制算法</p><

62、p>　　SVPWM算法調(diào)制的首先公式是確定電壓空間矢量處于哪一扇區(qū)，這是由非零矢量Uα和Uβ決定得。我們先假設(shè)電壓空間矢量處于第一扇區(qū)，那么Uα和Uβ的角度處于0到60º之間。“再結(jié)合平行四邊形法則，進(jìn)行矢量合成，就能夠判斷合成的電壓空間矢量[14]”。</p><p>　　表2-2 Uref所處扇區(qū)和開(kāi)關(guān)順序</p><p>　　對(duì)其所在扇區(qū)的充要條件進(jìn)行詳細(xì)分析可知，

63、參考電壓矢量Uref是Uβ，</p><p>　　Uα-Uβ和-Uα-Uβ共同決定的。所以設(shè)：</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　表2-3 Uref處于第幾扇區(qū)的充要條件</p><p>　　假設(shè)U1>0，則那么A=1，要不然A=0；假設(shè)U2>0，則那么B=1，要不然B=

64、0；若假設(shè)U3>0，那么C=1，要不然C=0。有排列組合可知A，B，C之間可以有8種組合。根據(jù)判斷Uref所在扇區(qū)可以看出A，B，C不會(huì)同時(shí)取零或者一，減去這兩種情況，其他組合還剩余6種。對(duì)6種狀態(tài)進(jìn)行判斷，我們?cè)O(shè)N=4*C+2*B+1*A，再根據(jù)下表進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算以及加減運(yùn)算就可以計(jì)算出N值與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而判斷Uref所在的區(qū)間。這對(duì)提升系統(tǒng)響應(yīng)速度具有非常大的意義。</p><p>　　表2-4

65、 N值與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　基本矢量作用時(shí)間和三相PWM波形合成：</p><p>　　以前我們對(duì)SVPWM的計(jì)算是使用式(2.10)中的空間角度和正弦定理。然而這樣就使得我們計(jì)算基本矢量的作用時(shí)間變得復(fù)雜起來(lái)。其實(shí)在控制策略上面，我們可以充分利用Uα和Uβ這樣能使得計(jì)算大大地簡(jiǎn)化。我們假設(shè)Uref在第1區(qū)，實(shí)施如下分析：</p><p><b

66、>　　(2.14)</b></p><p><b>　　經(jīng)過(guò)整理后得出：</b></p><p><b>　　(2.15)</b></p><p><b>　　(2.16)</b></p><p>　　再根據(jù)以上公式，我們可以求得在其他的區(qū)間的作用時(shí)間，求得的

67、結(jié)果見(jiàn)表2-5。所以，我們可以根據(jù)公式（2.13）對(duì)空間矢量所在的扇區(qū)進(jìn)行判斷，然后再根據(jù)表2-5對(duì)矢量的作用時(shí)間進(jìn)行確定?！暗贸鑫覀兯枰慕Y(jié)果，計(jì)算占空比，再插入零矢量，就能實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量PWM算法[15]”。</p><p>　　為了使變頻器SVPWM能適應(yīng)多個(gè)電壓等級(jí)的情況，我們對(duì)它進(jìn)行標(biāo)么值轉(zhuǎn)化，實(shí)際的電壓等于標(biāo)么值與電壓基值之乘積。其中電壓基值等于系統(tǒng)的額定電壓值的根號(hào)三分之二倍?？杀豢醋鍪窍嚯妷旱?/p>

68、峰值。</p><p>　　用變頻器的的PWM模塊為例，設(shè)開(kāi)關(guān)頻率。時(shí)鐘，再依照PWM的預(yù)期要求，我們是想設(shè)一定且計(jì)數(shù)器NTPWM為時(shí)。對(duì)時(shí)間轉(zhuǎn)化成計(jì)數(shù)值的推導(dǎo)：</p><p>　　其中和為實(shí)際值的標(biāo)么值，設(shè)發(fā)波系數(shù)=</p><p><b>　　同理可得</b></p><p>　　由公式（2.16）可得，如果零矢量

69、的作用時(shí)間無(wú)限小的時(shí)候，那么相反的一面，非零矢量的時(shí)間特別長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)候合成的電壓空間矢量最大。根據(jù)圖2.5，可以得到它的最大值不會(huì)超過(guò)6邊行的外線。如果超過(guò)，稱(chēng)之為過(guò)調(diào)制。這個(gè)時(shí)候的PWM波形就會(huì)失真。</p><p>　　表2-5 每個(gè)扇區(qū)矢量作用的時(shí)間</p><p>　　變頻器SVPWM控制系統(tǒng)，就是要使得調(diào)制的電壓矢量接近圖2.5所示的內(nèi)切圓。使逆變器輸出最大正弦相電壓為三分之根

70、號(hào)三倍相電壓。倘若使用三相SPWM進(jìn)行調(diào)制，那么逆變器它所能夠產(chǎn)生的最大相電壓只有。很明顯，SVPWM比SPWM的算法具有更高的電壓利用率，將兩者進(jìn)行比較。通過(guò)結(jié)果可以看出SVPWM的電壓利用率高于SPWM的15.47%。</p><p>　　如圖2.5所示，若合成電壓空間矢量超過(guò)了內(nèi)切圓，證明發(fā)生了波形失真。</p><p>　　圖2.5 SVPWM電壓矢量的分布</p>

71、<p>　　我們通常所說(shuō)的過(guò)調(diào)制，那么就必須要對(duì)它采取措施。我們通過(guò)采比例縮小算法來(lái)進(jìn)行解決這一問(wèn)題。假設(shè)每個(gè)扇區(qū)中先發(fā)生的矢量所持續(xù)的時(shí)間是TNx，后發(fā)生的矢量所持續(xù)的時(shí)間是TNy。如果Tx+Ty≤TNPWM時(shí)，就沒(méi)有失真，合成矢量處于圖形內(nèi)。如果TNx+TNy>TNPWM時(shí)，表明波形發(fā)生失真。這個(gè)時(shí)候就要進(jìn)行以下工作：</p><p>　　發(fā)生過(guò)調(diào)制，致使波形失真，因?yàn)榉橇闶噶康淖饔脮r(shí)間太長(zhǎng)

72、，而零矢量的作用時(shí)間太短。從這一點(diǎn)開(kāi)始入手，我們就增加零矢量的作用時(shí)間，把非零矢量的作用時(shí)間適當(dāng)減少。設(shè)過(guò)調(diào)制時(shí)，非零電壓矢量的持續(xù)時(shí)間為T(mén)Nx'，TNy'，根據(jù)比例關(guān)系：</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　再利用一下公式得出TNx'，TNy'，TN0，TN7：?</p><p&

73、gt;<b>　　(2.18)</b></p><p>　　所以，我們可以利用這些量之間的關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)用到的矢量的持續(xù)時(shí)間。確定Uref所在扇區(qū)，再根據(jù)變頻器SVPWM的原理，算出每一相映射的比較器的值。其具體運(yùn)算如下：</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　圖2.6 I扇區(qū)時(shí)<

74、/p><p>　　PWM比較方式，計(jì)數(shù)值相差180º</p><p><b>　　(2.20)</b></p><p>　　同理可得1扇區(qū)5段時(shí)的比較器的值：</p><p>　　同理可推出其他扇區(qū)的比較器的計(jì)數(shù)器的值。（Ntaon、Ntbon、Ntcon）各扇區(qū)時(shí)間分配見(jiàn)下表。我們給比較器加入相應(yīng)的時(shí)間，便完成了

75、變頻器SVPWM的原理。</p><p>　　表2-6 各扇區(qū)比較器的計(jì)數(shù)值</p><p>　　3 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖3.1 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　變頻器SVPWM系統(tǒng)硬

76、件結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的帶負(fù)載能力，本系統(tǒng)采用的是電壓型交-直-交變頻電路。如今應(yīng)用的變頻器，大部分是采用二極管整流、全控型器件IGBT進(jìn)行逆變的所組成的。變頻器SVPWM控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖中主要包括了主電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，下面對(duì)其電路進(jìn)行分析。</p><p><b>　　3.2 主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)圖3.1的控

77、制系統(tǒng)主電路先通過(guò)保險(xiǎn)絲，作為防護(hù)的第一關(guān)。然后再利用二極管進(jìn)行整流，把三相電先變成直流。設(shè)置的大電容是為了濾波，而且串聯(lián)兩個(gè)，是為了串聯(lián)分壓，因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)有泵升電壓，如果只有一個(gè)電容，那很有可能會(huì)被擊穿。為了避免開(kāi)關(guān)K1在閉合的時(shí)候，電容充電過(guò)快產(chǎn)生非常大的充電電流，所以就加了電阻R0，起到限流作用，這個(gè)限流電阻也可以用電抗來(lái)替代。開(kāi)關(guān)K2的作用是將R0短路。當(dāng)通上電源一段時(shí)間后，電容不會(huì)再產(chǎn)生大的充電電流，這個(gè)時(shí)候如果不把R

78、0短路的話，它會(huì)影響變頻器的正常工作，還會(huì)消耗電能。</p><p>　　VTb和Rb是泵升限制電路，也是泵升電壓的釋放回路。通常在設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們?yōu)榱俗屪冾l器具有良好的散熱性能，把制動(dòng)電阻單獨(dú)作為一個(gè)附件，將它安裝到機(jī)箱的外面驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　下面對(duì)各個(gè)分電路和各個(gè)元器件參數(shù)選擇性進(jìn)行介紹：</p><p><b>　　整流模塊環(huán)節(jié)：</

79、b></p><p>　　采用三相不控整流模塊將交流電變成直流電，以下的計(jì)算是三相整流橋堆的一些參數(shù)。</p><p>　　通過(guò)二極管的峰值電流</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　流過(guò)二極管電流的有效值</p><p><b>　?。?.2）<

80、;/b></p><p><b>　　二極管額定電流</b></p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　考慮濾波電容充電電流的影響，需要留一個(gè)大的電流裕量，選用IN=30A,</p><p><b>　　整流二極管額定電壓</b></p&g

81、t;<p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)所選擇的三相整流模塊是杭州拓直公司的MDS的一個(gè)系列，型號(hào)是MDS400-16。</p><p>　　限流電阻：起限制電流作用，為了避免在通電的一瞬間，兩個(gè)串聯(lián)電容充電時(shí)產(chǎn)生大的充電電流。所以在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻，用來(lái)限制通電瞬間電流過(guò)大，等電路接通一段時(shí)間之后

82、，把開(kāi)關(guān)S閉合，使得限流電阻被短路，減少能量的損耗。因?yàn)橥娨欢螘r(shí)間之后，電容已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)，不會(huì)出現(xiàn)大的充電電流，所以此時(shí)再將限流電阻接入，就沒(méi)有必要，開(kāi)關(guān)S的設(shè)計(jì)，是基于這一點(diǎn)。</p><p><b>　　中間濾波環(huán)節(jié)：</b></p><p>　　整流電路輸出的直流電壓有脈動(dòng)分量，因此需要電容濾波用以減少直流電壓脈動(dòng)。當(dāng)沒(méi)加濾波電容時(shí)，

83、三相整流輸出平均直流電壓為</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　加上濾波電容后VDC的最大電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　濾波電容從理論上來(lái)說(shuō)是越大越好，基于經(jīng)濟(jì)考慮，就選用兩個(gè)2200μF/450V的電

84、容相串聯(lián)，便能達(dá)到同樣效果。</p><p>　　3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路是將微機(jī)控制電路所產(chǎn)生的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的功率場(chǎng)效應(yīng)管。然后經(jīng)過(guò)功率放大后，來(lái)控制電力電子器件的開(kāi)端和通斷，這是一個(gè)弱電控制強(qiáng)電的應(yīng)用。</p><p>　　圖3.2 驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路起到功率放大的作用，是一種以低輸

85、入到輸出較大功率為目的的放大電路。它用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力必須達(dá)到控制的要求，其輸出功率必須足夠大。以輸出足夠大為目的，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行逆向要求，對(duì)于電壓電流信號(hào)來(lái)說(shuō)，如果其基值比較大，那么在同等的放大條件下，就具有更高的驅(qū)動(dòng)輸出。所以就要求功率放大器件對(duì)這些幅值較高的電壓電流信號(hào)不失真放大。PWM脈沖頻率對(duì)電機(jī)中的電樞電流的連續(xù)性起作用，從而也決定了電機(jī)運(yùn)行是否電流不穩(wěn)。若是頻率不穩(wěn)定，將導(dǎo)致電機(jī)的低速性能不理想，燒壞晶體管，甚至

86、有可能使電機(jī)產(chǎn)生劇烈顫抖。所以，在設(shè)計(jì)PWM的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，要慎重選擇切換頻率。所選用的晶體管的開(kāi)關(guān)頻率要足夠大為5Hz至20Hz。</p><p>　　圖3.3 DSP最小系統(tǒng)</p><p>　　3.4 控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　變頻器的控制電路現(xiàn)在大都以具有極高計(jì)算運(yùn)行速度的微處理器為控制器，主要被用來(lái)對(duì)各種輸入輸出進(jìn)行設(shè)定。在變頻器中就是根據(jù)算法，控

87、制其內(nèi)部電路功能模塊，使其產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的輸出，例如產(chǎn)生PWM逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。微機(jī)芯片一般用單片機(jī)，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，具有極高計(jì)算速度的DSP被用于變頻器?，F(xiàn)在的通用變頻器DSP芯片一次性能處理32位數(shù)據(jù)，并且具有RISC架構(gòu)。PWM信號(hào)能夠通過(guò)軟件對(duì)芯片編寫(xiě)代碼產(chǎn)生，從PWM端口進(jìn)行輸出。由于變頻器的發(fā)展，現(xiàn)在芯片已被集成在變頻器的主電路板上，不需單獨(dú)進(jìn)行軟件編程控制，直接調(diào)設(shè)變頻器參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)目的波形的生成，本系統(tǒng)中的變頻器所使用

88、用的芯片是美國(guó)德州儀器公司的TMS320F2812DSP，以下對(duì)DSP2812進(jìn)行介紹：</p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理器DSP是為獨(dú)立快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種處理器件?，F(xiàn)本系統(tǒng)中的芯片是目前C2000系列中應(yīng)用最為廣泛、最具代表性的芯片。它不僅具有多數(shù)DSP芯片廣泛使用的32位內(nèi)核結(jié)構(gòu)、片內(nèi)/外存儲(chǔ)器映射、時(shí)鐘和中斷管理機(jī)制，而且還具有事件管理器（EV）、串行通信接口（SCI）、多通道緩沖

89、串行口（MCBSP）、eCAN總線模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）等多種片內(nèi)外設(shè)。正因?yàn)镈SP集成了這些模塊，所以在數(shù)字控制領(lǐng)域中，它能實(shí)現(xiàn)高性能、高精度控制，尤其在本變頻器設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)PWM波產(chǎn)生所起的作用。</p><p>　　DSP28112芯片所具有的基本特點(diǎn)：內(nèi)部采用將程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)的哈佛結(jié)構(gòu)，這樣便使得讀取和寫(xiě)入速度翻一倍；還采用4級(jí)流水線操作包括取指令、指令譯碼、讀操作數(shù)、執(zhí)行；具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器

90、，可以在單個(gè)周期內(nèi)取兩個(gè)操作數(shù)到乘法器中進(jìn)行乘法運(yùn)算，這樣使得算法具有高速性；提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法[5]。</p><p>　　本芯片對(duì)于電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化優(yōu)化具有高控制性能，特別適用于三相異步電機(jī)。它集C2xx內(nèi)核增強(qiáng)型TMS320設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和對(duì)控制電機(jī)的低功耗、高性能于一體。更加上它內(nèi)部的四級(jí)流水線，使得其對(duì)指令的控制速度在34ns左右。不僅具有這些優(yōu)良的控制功能，而且其價(jià)格

91、也不貴，性?xún)r(jià)比很高，它的使用也使得控制系統(tǒng)的體積大大減小了。它的事件管理器還提供了三個(gè)功能強(qiáng)大的l6位定時(shí)器GP TIMERx(x=l，2，3)，將其組合可產(chǎn)生12路PWM信號(hào)。</p><p>　　TMS320F2812芯片在電機(jī)矢量控制中所起的作用：</p><p>　　根據(jù)光學(xué)編碼器輸入的兩相增量數(shù)字脈沖信號(hào)，判別電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的正負(fù)。</p><p>　　根據(jù)

92、光學(xué)編碼器輸人的信號(hào)確定對(duì)定子轉(zhuǎn)子相對(duì)相繞組軸線的夾角。</p><p>　　速度比較，提供參考轉(zhuǎn)矩作為校正補(bǔ)償。將采集的三相電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行3/2變換。</p><p>　　將電流信號(hào)與反饋電流信號(hào)進(jìn)行比較，得出校正偏差，作3/2變換。最后確定PWM的脈寬系數(shù)，產(chǎn)生PWM控制波。</p><p>　　對(duì)反饋的信號(hào)進(jìn)行處理，如出現(xiàn)故障信號(hào)，將執(zhí)行中斷。將會(huì)通

93、過(guò)切斷主電路電源，同時(shí)中斷PWM輸出，并對(duì)故障診斷。</p><p>　　圖3.4 直流母線電壓采集</p><p>　　圖3.5 輸出電流采集</p><p>　　圖3.6 光電隔離</p><p>　　DSP2812的控制流程：系統(tǒng)初始化，電流采樣處理格式，等待中斷，速度采樣處理格式，電流模塊運(yùn)算，位置、速度調(diào)節(jié)器，外部中斷處理模塊

94、，電流調(diào)節(jié)器，磁極位置檢測(cè)，SVPWM模塊運(yùn)算。</p><p>　　信號(hào)采集部分電路如圖3.4圖3.5，電壓、電流、溫度等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPW作為控制算法的依據(jù)，并同時(shí)作用顯示和故障保護(hù)。</p><p><b>　　3.5 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　將D

95、SP初始化后，其執(zhí)行步驟如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 (a)系統(tǒng)初始化程序 (b)主程序</p><p>　　4 變頻器SVPWM控制系統(tǒng)建模仿真及結(jié)果分析</p><p>　　“MATLAB是美國(guó)MathWorks公司研發(fā)出的用于商業(yè)的數(shù)學(xué)軟件，它廣泛應(yīng)用在算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)

96、言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案[16]”，所以本控制系統(tǒng)就使用的是MATLAB的Simulink來(lái)仿真的。在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)SVPWM控制算法。</p>&l

97、t;p>　　4.1 系統(tǒng)仿真模型的建立</p><p>　　根據(jù)第二章的變頻器SVPWM控制算法的工作原理，利用MATLAB的simulink仿真平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)仿真模型的建立。整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜繁瑣，由于MATLAB具有很好的封裝模塊模型，把系統(tǒng)進(jìn)行封裝后，各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)各自的功能，系統(tǒng)模塊功能便明了起來(lái)。以下便是對(duì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)仿真模塊的搭建：</p><p><b>

98、　　對(duì)扇區(qū)的判斷：</b></p><p>　　根據(jù)第二章對(duì)SVPWM的原理的分析，我們知道了期望電壓的組成，它包括兩個(gè)基本電壓矢量，所以，首先我們要對(duì)參考電壓所在扇區(qū)進(jìn)行判斷。</p><p>　　圖4.1 扇區(qū)位置</p><p><b>　　（4.1）</b></p><p>　　式（4.1）中，、為

99、電機(jī)繞組在靜止兩相坐標(biāo)系下的電壓。</p><p>　　其N(xiāo)值與扇區(qū)值對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2-5。</p><p>　　圖4.2 所在扇區(qū)的判斷</p><p>　　再對(duì)扇區(qū)的基本電壓矢量作用時(shí)間進(jìn)行判斷，若，可以得出：, ,基本矢量作用時(shí)間計(jì)算的仿真模塊如圖4.3所示：</p><p>　　圖4.3 基本矢量作用時(shí)間</p>&l

100、t;p>　　圖4.4 開(kāi)關(guān)作用時(shí)間</p><p>　　開(kāi)關(guān)作用時(shí)間的計(jì)算：</p><p>　　令則每個(gè)區(qū)與矢量作用時(shí)間, ,之間的關(guān)系見(jiàn)表2-6。仿真模塊搭建見(jiàn)圖4.4。</p><p><b>　　生成PWM波形</b></p><p>　　圖4.5 PWM波形生成模塊 </p><p

101、>　　圖4.6 SVPWM整個(gè)算法模塊</p><p>　　通過(guò)以上仿真的搭建，我們就在MATLAB的Simulink模塊中模擬產(chǎn)生出SVPWM波形，通過(guò)控制逆變器的開(kāi)關(guān)管通斷，便能對(duì)電機(jī)進(jìn)行SVPWM控制。</p><p><b>　　系統(tǒng)的仿真模型圖：</b></p><p>　　4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析</p>&l

102、t;p>　　參數(shù)設(shè)定如下：本仿真模塊搭建使用直流逆變?yōu)榻涣麟姡绷麟妷涸措妷簽?00V，轉(zhuǎn)速給定為1400r/min；采樣周期T=0.0002s，三角載波的周期為0.0002s，</p><p>　　圖4.8 逆變器輸出的PWM波形</p><p><b>　　圖4.9 和波形</b></p><p>　　為0.0001。仿真結(jié)果如下

103、：使用SVPWM在滿調(diào)制時(shí)，對(duì)于電壓的利用率為86.6%，我們從仿真的結(jié)果可以得知，SVPWM較SPWM方式對(duì)于直流電壓利用率可以提高0.15。通過(guò)仿真可以得到期望電壓矢量所在扇區(qū)波形。</p><p>　　圖4.10 扇區(qū)判斷波形N</p><p>　　對(duì)合成的電壓矢量進(jìn)行扇區(qū)判斷之后，再利用最近的兩個(gè)非零矢量進(jìn)行期望電壓合成，其中為了調(diào)制出合適的電壓空間矢量，防止出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，需要加入

104、零電壓矢量，對(duì)矢量的作用時(shí)間其波形圖如圖4.11。</p><p>　　圖4.11 基本矢量作用時(shí)間</p><p>　　當(dāng)確定基本合成電壓矢量的作用時(shí)間，對(duì)其開(kāi)關(guān)順序進(jìn)行優(yōu)化，在本控制算法中使用5段調(diào)制，此調(diào)制方法會(huì)比七段轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)稍大，但波形仍然對(duì)稱(chēng)，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)仿真如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 開(kāi)關(guān)狀態(tài)</p><p&

105、gt;　　圖4.13 電機(jī)電流波形</p><p>　　圖4.14 調(diào)速波形</p><p>　　通過(guò)示波器對(duì)電機(jī)上的電流進(jìn)行監(jiān)控，見(jiàn)圖4.13。可以得知，使用SVPWM調(diào)制方法，能夠在電機(jī)三相繞組上面形成正弦電流，這與我們控制理論中的分析一致。根據(jù)圖4.14仿真結(jié)果，我們可以看出，變頻器SVPWM控制算法具有良好的調(diào)速性能。綜合仿真波形，可看出SVPWM仿真模型結(jié)果驗(yàn)證了原理。<

106、;/p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文主要是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用變頻器SVPWM控制策略產(chǎn)生PWM波形，控制開(kāi)關(guān)管子通斷，來(lái)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，本文所進(jìn)行的工作有以下內(nèi)容：</p><p>　　(1)第1章分析了本課題的背景和意義，對(duì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)的有點(diǎn)進(jìn)行分析。還有SVPWM的發(fā)展現(xiàn)狀和趨

107、勢(shì)。</p><p>　　(2)第2章對(duì)變頻器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，本課題使用的是交-直-交變頻，然后對(duì)SVPWM的基本原理進(jìn)行分析。其中包括扇區(qū)參考矢量所在扇區(qū)的判斷，根據(jù)最近矢量確定輸出矢量，計(jì)算各個(gè)矢量的作用時(shí)間，優(yōu)化矢量的開(kāi)關(guān)順序。</p><p>　　(3)第3章是對(duì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，包括了總體設(shè)計(jì)，主電路設(shè)計(jì)，控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。</p>

108、<p>　　(4)第4章主要講到仿真模塊的搭建，如何在MATLAB中進(jìn)行變頻器SVPWM的仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p>　　本文主要是對(duì)變頻器SVPWM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在矢量合成時(shí)插入了零矢量，在定子側(cè)能產(chǎn)生更接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，能夠有效的提高直流側(cè)電壓的利用率。本文由于時(shí)間和知識(shí)水平的欠缺，未對(duì)多調(diào)制情況詳細(xì)講解，希望以后進(jìn)入社會(huì)工作，能夠解決到不足的地方。</p>

109、<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]何超.交流變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.7:68-69.</p><p>　　[2]陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2003.6:15-16.</p><p>　　[3]鄢圣茂,宋立忠,尹洋. 仿真技術(shù)在自控原理實(shí)