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日異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)研究（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室）  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。利用TMS320F2808實現(xiàn)了異步電機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)計方案。試驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：SVPWM；異步電機；無速度傳感器；帶補償?shù)碾妷耗Ｐ停?/p>

2、全速度范圍中圖分類號：TM343    文獻標志碼：A    文章編號：1001-6848(2010)07-0069-04O引  言    在異步電機控制系統(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轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速測量裝置多采用測速發(fā)電機或光電數(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)的出現(xiàn)及發(fā)展，使得復(fù)雜的轉(zhuǎn)速估算及控制算

3、法得以實現(xiàn)，因此異步電機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模型的缺點，提出了新的帶補償?shù)碾妷耗Ｐ痛沛溂稗D(zhuǎn)速估算法。并基于DSP TMS320F2808實現(xiàn)了異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。1 SVPWM原理    SVPWM足將逆變器和電動機看成一個整體，建立逆變器開關(guān)模式和電機電壓空間矢量的內(nèi)在聯(lián)系，通過控制逆變器的開關(guān)模式，使電機的定子電壓空間矢量沿圓形軌跡運動，從而明顯降低轉(zhuǎn)矩脈動，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，直流電壓的利用率可提高百分之15，能獲得較

4、好的諧波抑制效果，且易于實現(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，其中兩個是零電壓矢量(O0、O111)，另外6個基本電壓空間矢量（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基本電壓空間矢量（Ux，UX+60）和兩個零電壓空間矢量(O0、O111)按平行四邊形法則合成得到，如圖2所示。   2無速度傳感器矢量控制策略 

5、   無速度傳感器矢量控制策略取消了具有低可靠性等缺點的速度傳感器，而是利用容易測量得到的電機定子電壓、電流等電信號，通過一定的算法獲得電機的轉(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，滿足實時控制的要求。為此，設(shè)計了以下控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。2.1轉(zhuǎn)子磁鏈估計    在轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈的準確估計和控制是影響電機控制性能的關(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，受電機參數(shù)變化影響小，但是低速時觀測精確度較低，而且純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問題嚴重；傳

6、統(tǒng)的電流模型法不涉及純積分項，其觀測值是漸近收斂的，低速的觀測性能強于電壓模型法，但是高速時不如后者，而且受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)影響較大，常需進行實時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，對電流模型計算的磁鏈進行PI運算，再用PI運算的結(jié)果補償電壓模型的磁鏈，通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)的值，使得在高速時電壓模型起主要作用，低速時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，提高了估算的準確性。    轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系和兩相靜止坐標系中的電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈方程分別如式(2)、式(3)所示： &#

7、160;  在兩相靜止坐標系下，根據(jù)電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈計算電流模型定子磁鏈：    然后根據(jù)補償電壓和反電動勢的積分得到電壓模型中的定子磁鏈：  補償電壓計算公式如式(6)所示：    選擇合適的比例增益Kp和復(fù)位時間T1，使得低速情況下由電流型計算出來的磁鏈是主要的，而電壓型中的反電動勢在轉(zhuǎn)速低的時候很?。ㄞD(zhuǎn)速為O時反電動勢幾乎為O），而高速時，電壓型中的反電動勢是主要的，電壓模型計算出的轉(zhuǎn)子磁鏈為主。  根據(jù)電壓模型定子磁鏈可以計算得到電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈：2.2轉(zhuǎn)速估計   

8、 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速根據(jù)磁鏈估計模型輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈進行估計得到。磁鏈矢量關(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)計了控制系統(tǒng)的硬件和軟件。3.1硬件設(shè)計    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)動芯片，IR213 63S是功率MOSFET和ICBT專用驅(qū)動芯片，有三個獨立的高壓

9、側(cè)和低壓側(cè)輸出信號，可以同時輸出六路PWM信號，而只需要一個直流工作電源，PWM工作頻率可達500 kHz，具有欠壓和過流保護功能，故障時可以自動關(guān)閉全部PWM輸出，同時輸出故障信號，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功能。  采用霍爾和磁環(huán)配合檢測異步電機兩相電流，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采樣的準確性和系統(tǒng)工作的可靠性。  通過CAN與觸摸屏液晶進行相互通信，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，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互功能。  &#

10、160; 硬件整體框圖如圖4所示。3.2軟件設(shè)計    系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，主要包括主程序和定時器下溢中斷子程序，具體程序流程圖如圖5所示。4實驗結(jié)果    本系統(tǒng)的實驗是采用48 V電池組（8節(jié)鉛酸電池串聯(lián)）作為供電電源，實驗所用電機為一臺4Y接法電機上進行的，該電機參數(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，勵磁電抗Xm為0 2479。    實驗得到定子相電流、線電壓波形如圖6所示，轉(zhuǎn)子磁鏈波形如7所示，帶載起動時的估計轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速波形如圖8所示。5結(jié)論  異步電機無速度傳感器矢量控制算法中的磁鏈估計系統(tǒng)采