【文章內(nèi)容簡介】 UDC/32UDC/3UDC/3UDCUDC11100000變，則變換矩陣為： （210）利用這個(gè)變換矩陣，就可以將三相ABC平面坐標(biāo)系中的相電壓轉(zhuǎn)換到平面直角坐標(biāo)系中，其轉(zhuǎn)換式為 （211）圖23 基本空間矢量對應(yīng)圖[15] 2 磁鏈軌跡PWM的控制算法當(dāng)磁鏈空間矢量Ψs的矢端在如圖24所示的位置時(shí)（定點(diǎn)在邊上），如果此圖24 正六邊形磁鏈軌跡時(shí)逆變器加到定子上的電壓空間矢量為U0，則由Ψs于U的積分關(guān)系，使Ψs的矢端將沿邊的軌跡向所作用的方向運(yùn)動(dòng)。Ψs的矢端運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)時(shí)，如果定子上的電壓空間矢量變?yōu)閁60，則Ψs矢端將沿邊運(yùn)動(dòng)。用同樣的方法依次給出電壓空間矢量U1U180、U2U300，則Ψs矢端將沿、邊的軌跡運(yùn)動(dòng)。這樣，就形成了正六邊形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡（逆時(shí)針方向）。同樣如果要使磁鏈順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，則當(dāng)Ψs在如圖213所示位置時(shí)，應(yīng)依次給出U180、U1U60、U0、U300、U240，Ψs的始端將沿正六邊形的六條邊以順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。由于非零的基本電壓矢量只有6個(gè)，因此只能形成一個(gè)正六邊形的磁鏈軌跡。為獲得近似圓形的磁鏈軌跡，一種方法就是利用這幾個(gè)非零的基本電壓空間向量的線性組合來得到更多的開關(guān)狀態(tài)。如圖25所示，任意時(shí)刻輸出參考相電壓矢量Uout可由相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量UX和UX177。60 的線性時(shí)間組合來合成，它等于t1/TPWM倍的UX與t2/TPWM倍的UX177。60 的矢量和。其中t1和t2分別是UX和UX177。60作用的時(shí)間，TPWM是Uout作用的時(shí)間。按照這種方式，在下一個(gè)TPWM期間，仍然用UX和UX177。60 的線性時(shí)間組合，但作用的時(shí)間t139。和t239。與上一次的不同，它們必須保證合成的新的電壓空間矢量Uout39。與原來的電壓空間矢量UOUT的幅值相等。圖25電壓空間矢量的線性組合如此下去，在每一個(gè)TPWM期間，都改變相鄰基本矢量作用的時(shí)間，并保證所合成的電壓空間矢量的幅值都相等，因此，當(dāng)TPWM取足夠小時(shí)，電壓空間矢量的軌跡使用一個(gè)近似圓形的正多邊形，這樣形成的磁鏈空間矢量Ψs的軌跡也近似為圓形。磁鏈空間矢量Ψs運(yùn)動(dòng)速度的改變可由各邊中添加零矢量來實(shí)現(xiàn)。添加零矢量的原則是選擇使期間開關(guān)次數(shù)最少的零矢量。對于圖24，在邊選用的電壓空間矢量是U0，則當(dāng)Ψs的矢端在邊運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度由添加零矢量O000來實(shí)現(xiàn)。U0和O000的開關(guān)模式分別為（100）和（000），可見，添加零矢量后，只一個(gè)橋臂發(fā)生了開關(guān)動(dòng)作，開關(guān)器件的個(gè)數(shù)最少。同理，在邊上應(yīng)選擇O000來調(diào)節(jié)磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度。一般為了使磁鏈的運(yùn)動(dòng)平滑，零矢量并不是在某一個(gè)點(diǎn)加入，而是采用零矢量分割技術(shù)將零矢量多點(diǎn)插入到磁鏈軌跡中，作用時(shí)間之和仍為t0。這樣做可以大大減少電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。矢量控制要求對異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行化簡，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，通過控制矢量電流i的幅值和方向(M、T坐標(biāo)系中的β角)去等效地控制三相電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。矢量控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖26[8]:圖26 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖由圖26可以看出，從給定輸入到等效直流電機(jī)的輸出，異步電機(jī)的直流等效過程就是解除異步電機(jī)非線性耦合關(guān)系簡化其數(shù)學(xué)模型的過程，在這個(gè)過程中，涉及三種坐標(biāo)系統(tǒng)：三相靜止坐標(biāo)系(3S)、兩相靜止坐標(biāo)系(2S)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2R)，三相異步電機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制需將三相變換到兩相，以及靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，以下對這些變換過程進(jìn)行簡要的闡述。 三相—兩相靜止坐標(biāo)系變換(3/2變換)不同電動(dòng)機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢完全一致?？偹苤?，在交流電動(dòng)機(jī)三相對稱靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流iA、iB、iC時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢F是空間正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁通勢。我們還知道，旋轉(zhuǎn)磁通勢并非要三相不可，除單項(xiàng)外，二相，三相，四相……等任意對稱的多項(xiàng)繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢。現(xiàn)在考慮三相靜止繞組A、B、C到靜止兩相繞組α、β的變換。如圖27是3/2變圖27 3/2變換坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢空間矢量圖換坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢空間矢量圖（為方便起見，取A軸與α軸重合，圖中）。靜止坐標(biāo)系變換是按等效電機(jī)原則進(jìn)行，即變換前的三相電機(jī)與變換后的兩相電機(jī)具有相同的功率和磁動(dòng)勢，在電、磁兩方面完全等效。從三相到兩相的變換關(guān)系為： （212)變換矩陣為: （213)反變換關(guān)系為： (214)反變換矩陣為： (215) 兩相—兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換）從兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換，稱做靜止兩相旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱變換。兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動(dòng)勢的旋轉(zhuǎn)角速度，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢矢量如圖28所示（其中）：圖28 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢矢量由圖28可見，和之間存在下列關(guān)系： (216)旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換為： （217）其中，s分別是靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換矩陣。電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣相同。圖29靜止正交坐標(biāo)系與按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)正交dq坐標(biāo)系的一個(gè)特例是與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量Ψr同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，若令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，稱作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡稱mt坐標(biāo)系，如圖29所示，此時(shí)d軸改為m軸，q軸改為t軸。在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，有：，，于是有按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程： （218）按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型是同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系模型的一個(gè)特例。通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，使轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr僅由定子電流勵(lì)磁分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Ts正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦。因此，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)[8]。從本節(jié)可以看出，相當(dāng)復(fù)雜的異步電動(dòng)機(jī)原始模型，經(jīng)過以上的坐標(biāo)變換，是能夠簡化數(shù)學(xué)模型，有利于我們的分析計(jì)算。我們選取轉(zhuǎn)速ω，定子電流isd，轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr為狀態(tài)變量，通過相應(yīng)變換，對電機(jī)進(jìn)行控制。 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制后，轉(zhuǎn)子磁鏈為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式，而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：三相電流閉環(huán)控制的矢量控制、定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制。兩種電流控制作用相同，前者多采用硬件電路，后者可用軟件實(shí)現(xiàn)，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度高，功能強(qiáng)，我們采用后者。采用定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制方法，我們需要將檢測到得三相電流（實(shí)際只要檢測兩相）施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到mt坐標(biāo)系中的電流ism和ist，采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值 和，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓給定值和，再經(jīng)SVPWM控制逆變器輸出三相電壓[8]。定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖210所示：本文將采用帶基于電流模型反饋信號的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制。如圖210所示，此控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成，轉(zhuǎn)速控制環(huán)由用戶給定的轉(zhuǎn)速指令值與來自于電機(jī)軸上的光電編碼器的轉(zhuǎn)速反饋信號ω進(jìn)行比較，將其偏差通過速度PI調(diào)節(jié)器調(diào)整，并輸出轉(zhuǎn)矩分量電流作為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的指令值，再與通過霍爾電流傳感器檢測到的三相定子電流經(jīng)過3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換信號比較，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子轉(zhuǎn)矩電壓分量。電流控制內(nèi)環(huán)中由勵(lì)磁分量指令值（為零)與檢測到的定子電流經(jīng)過3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換信號比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子勵(lì)磁電壓分量usm再將usm 和ust進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)變換，變換到定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)，獲得與逆變器的電壓空間矢量具有相同坐標(biāo)系統(tǒng)的兩個(gè)電壓分量，最后利用空間矢量脈寬調(diào)制技（SVPWM）產(chǎn)生逆變器開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的PWM波形。圖210 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)矩控制方式當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電流的轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。圖211 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩的分量來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)所引起的電磁轉(zhuǎn)矩變換，但這種調(diào)節(jié)方式是在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后起作用的，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，采用轉(zhuǎn)矩控制方式。常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加出發(fā)環(huán)節(jié)兩種。兩種轉(zhuǎn)矩控制方式的作用相同，我們采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖211所示。 轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是Ψr的準(zhǔn)確定向，也就是說需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，除此之外，在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也是不可缺少的信息。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行矢量變換的方法，稱作直接定向。轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測相對困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中，多采用間接計(jì)算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測信號的不同，又分電流模型和電壓模型兩種。電流模型需要實(shí)測電流和轉(zhuǎn)速信號，不論轉(zhuǎn)速高低都適用，受電機(jī)參數(shù)影響較大。在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型如圖212所示。圖212 在mt坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型電壓模型不需要轉(zhuǎn)速信號，且算法與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，只要定子電阻相對易于測得，和電流模型相比，電壓模型受電機(jī)參數(shù)變化影響較小，而且算法簡單，但是在低速時(shí)，定子電阻壓降變換影響也較大。計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型如圖213所示：圖213 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算的兩種模型，比較起來，電壓模型更容易適合于中、高速范圍，而電流模型能適應(yīng)低速，有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來，在低速時(shí)采用電流模型，高速時(shí)采用電壓模型。 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制控制系統(tǒng)和其他的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一樣，由主電路和控制電路兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)主電路采用通用變頻器IPM模塊作為化的成交一直一交電壓源型通用變頻主電路。矢量控制盡管為高性能電機(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的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)的電機(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)雜有效的控制策略以及提高控制系統(tǒng)可靠性的重要手段。在交流電機(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，并完成復(fù)雜的信號處理和控制算法，控制電力電子的外圍設(shè)備。PID算法、卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)控制及智能控制等，均可利用DSP在較短的采樣周期內(nèi)完成。因此利用DSP的信號處理能力還可以減少傳感器的數(shù)量。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，可靈活實(shí)現(xiàn)各種PWM控制模式，具有多路PWM輸出功能。美國TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812芯片，具有相當(dāng)快的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的輸入輸出設(shè)備及接口電路，因而本系統(tǒng)選用它作為核心控制器件來構(gòu)成控制回路，擴(kuò)展模擬信號采樣板、穩(wěn)壓電源板。其中上位機(jī)通過串口通信完成參數(shù)給定、數(shù)據(jù)顯示等功能；輔助電路由速度檢測電路，電流檢測電路，故障檢測保護(hù)電路以及串行通信電路等組成，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速電流檢測。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的硬件由以下幾部分構(gòu)成：；，采用通用的IPM功率模塊成交一直一交電壓源型通用變頻電路以及用于給TMS320F2812控制板提供直流電的開關(guān)電源電路；，這是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心；；。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理電路如圖214所示。圖