【文章內(nèi)容簡介】 上式表明，當磁鏈幅值一定時，us的大小與W1（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈矢量Ψs正交，即磁鏈圓的切線方向，磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關(guān)系如圖所示，當磁鏈矢量在空間旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。 圖27旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運動軌跡 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 （1）電壓空間矢量運動軌跡 在常規(guī)的 PWM 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的電壓空間矢量運動軌跡是怎樣的呢?為了討論方便起見，再把三相逆變器異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖繪出，圖28中六個功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號代替，可以代表任意一種開關(guān)器件。圖28三相逆變器異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 開關(guān)工作狀態(tài):如果圖中的逆變器采用180176。導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)（見附表），其中6種有效開關(guān)狀態(tài)；2種無效狀態(tài)（因為逆變器這時并沒有輸出電壓）：上橋臂開關(guān) VTVTVT5 全部導(dǎo)通下橋臂開關(guān) VTVTVT6 全部導(dǎo)通。SVPWM 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM 波形。設(shè)直流母線側(cè)電壓為Udc，逆變器輸出的三相相電壓為UA、UB、UC，其分別加在空間上互差120176。的三相平面靜止坐標系上，可以定義三個電壓空間矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差120176。假設(shè)Um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有： （）其中，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量 U(t)就可以表示為： （） 可見 U(t)是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，Um為相電壓峰值，且以角頻率ω=2πf按逆時針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量 U(t)在三相坐標軸（a，b，c）上的投影就是對稱的三相正弦量。圖29逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù) Sx ( x = a、b、c) 為：(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有八個，包括6個非零矢量 Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和兩個零矢量 U0(000)、U7(111)，下面以其中一種開關(guān)組合為例分析，假設(shè)Sx ( x=a、b、c)= (100)，此時： （）求解上述方程可得：Uan=2Ud /UbN=U d/UcN=Ud /3。同理可計算出其它各種組合下的空間電壓矢量，列表如下：由表中的八組電壓值，就可以求出這些相電壓的矢量和與相位角。這八個矢量和就稱為基本電壓空間矢量，根據(jù)其相位角的特點分別命名為U000、U0、U60、U1U180、U2U300、U111，其中U000和U111稱為零矢量。圖210給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置。圖210電壓空間矢量圖 其中非零矢量的幅值相同（模長為2Udc/3），相鄰的矢量間隔60度，而兩個零矢量幅值為零位于中心。在每一個扇區(qū)，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：（237）或者等效成下式：（238）其中，Uref 為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對應(yīng)兩個非零電壓矢量 Ux、Uy 和零電壓矢量 U 0在一個采樣周期的作用時間；其中U0包括了U0和U7兩個零矢量。矢量Uref在T時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和Ux、Uy、U0分別在時間Tx、Ty、T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖310所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個小增量，每一個小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。 T1，T2，T0的計算電壓空間矢量： 計算得：圖211電壓矢量圖其中Tpwm是事先選定的，由電力電子器件頻率決定，當逆變器單獨輸出零矢量時，電動機的定子磁鏈矢量是不變的，根據(jù)這一特點在Tpwm期間插入零矢量作用時間T0使得Tpwm=T0+T1+T2，即T0=TpwmT1T2。選擇零矢量是遵循功率開關(guān)次數(shù)最小原則，由此得到：T0=TpwmT1T2，光電編碼器在電機控制中的應(yīng)用：電機的位置檢測在電機控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位置控制電機運動狀態(tài)的應(yīng)用場合，如位置伺服系統(tǒng)。電機控制系統(tǒng)中的位置檢測通常有：微電機解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。其中光電元件的測量精度較高，能夠準確的反應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的機械位置，從而間接的反映出與電機連接的機械負載的準確的機械位置，從而達到精確控制電機位置的目的。 光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。 絕對式光電編碼器：絕對式光電編碼器如圖212所示，他是通過讀取編碼盤上的二進制的編碼信息來表示絕對位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖1是二進制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示。涂黑的部分是不透光的，用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進制的2221和20，4位二進制可形成16個二進制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個4位二進制數(shù)，如0000、000…、1111。 圖212絕對式光電編碼器按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動電子線路。當碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時，扇區(qū)中透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。 增量式光電編碼器：增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進行加/減計數(shù)，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。 光電編碼器的測量方法：光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。 使用光電編碼器來測量電機的轉(zhuǎn)速：可以利用定時器/計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。 M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間Tc內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號4倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測時間是Tc，計數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機的每分鐘的轉(zhuǎn)速為： T為轉(zhuǎn)一圈所用的時間。綜上得：在實際的測量中，時間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測時間Tc單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。 M法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因為對于給定的光電編碼器線數(shù)N機測量時間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。 T法也稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方法，如圖3所示。例如時鐘頻率為fclk,計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個脈沖，那么電機的每分鐘的轉(zhuǎn)速，為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測速適用于低速運行的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn)生溢出。另外，時間太長也會影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。M/T法測速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時間范圍內(nèi)，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1和M2進行計數(shù)，則電機每分鐘的轉(zhuǎn)速為 實際工作時，在固定的Tc時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù)，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù)，定時器定時Tc時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測速的高速優(yōu)點，又具有T法測速的低速的優(yōu)點，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測量的精度也較高，在電機的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 使用增量式光電編碼器來判別電機轉(zhuǎn)速方向的原理：增量式光電編碼器輸出兩路相位相差的脈沖信號A和B，當電機正轉(zhuǎn)時，脈沖信號A的相位超前脈沖信號B的相位，此時邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號Dir。當電機反轉(zhuǎn)時，脈沖信號A的相位滯后脈沖信號B的相位，此時邏輯電路處理后的方向信號Dir為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機的轉(zhuǎn)向。光耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合器的性能及類型：用于傳遞模擬信號的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當有電流通過發(fā)光二極管時，便形成一個光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強弱，亦即流過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?pf左右）、耐壓高()，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10Ω），對高內(nèi)阻源的噪聲相當于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。本文選擇了 TLP521光耦隔離器件 TLP521的原邊相當于一個發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強越強，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。做反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來實現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過光耦實現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)定工作。49光耦反饋電路Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。信號接芯片的誤差放大器輸出腳，或者把PWM 芯片的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式，信號則接到其對應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。圖49所示接法的工作原理如下：當輸出電壓升高時，TL521的1腳(相當于電壓誤差放大器的反向輸入端)電壓上升，3腳(相當于電壓誤差放大器的輸出腳)電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當輸出電壓降低時，調(diào)節(jié)過程類似。接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器