【正文】 的意義。3．2 空間矢量脈寬調制(SVPWM)在永磁同步電機控制系統(tǒng)中，為了改變注入電機定子電流的頻率和幅值，控制設備需要實時的產(chǎn)生六路PWM脈沖去控制逆變器的通斷?？梢娔芊駥崟r準確的產(chǎn)生六路PWM對實現(xiàn)永磁同步電機控制是很關鍵的。下面就講述空間矢量脈寬調制原理及實現(xiàn)。基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究21 空間矢量脈寬調制原理空間矢量PWM波是一個由三相功率逆變器六個功率開關元件的特定開關模式產(chǎn)生的脈寬調制波。空間矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM波不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得圓形理想磁鏈圓，使逆變器注入定子的電流形成的磁場必須實時追蹤轉子磁場，并且兩磁場實時保持正交以實現(xiàn)永磁電機交流伺服系統(tǒng)的矢量控制?？臻g矢量脈寬調制技術，不僅使得電機轉矩脈動降低，電流波形畸變減少，而且與常規(guī)的SPWM技術相比直流電壓利用率有很大的提高，并且易于實現(xiàn)數(shù)字化。下圖是三相電力逆變器。設直流側重點的口作為參考點，則上管導通時輸出電壓為 ，下管導通2dU時輸出電壓為 。2dU? 三相電力逆變器由Park變換定義的電壓空間矢量為： （）22()3rabcUu??? 式中：23je??? ， ， 。分別表示逆變器的三相上橋臂的開關狀態(tài)。 aubc按()式定義的電壓空間矢量，他們分別對應逆變器的八個開關模式。基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究22 電壓空間矢量定義在八個開關模式中，(000)和(111)對應輸出的電壓空間矢量為零，我們把這兩個電壓空間矢量稱為零矢量。其它六個矢量稱為有效矢量，有效矢量長度均為。23dU眾所周知，對稱的三相正弦變量按()式合成，將得到一個幅度固定的勻速旋轉的空間矢量。反過來，一個這樣的空間矢量在三相空間A，B，C軸上的投影是三相對稱的正弦變量，且矢量的模長等于各相正弦量的峰值。由于變換器的實際所能產(chǎn)生的矢量(有效矢量和零矢量)有限，不可能輸出角度連續(xù)變化的空間矢量。為獲得旋轉的電壓空間矢量，只有利用各矢量的作用時間的不同來等效的合成所需要的矢量。一個正弦周期內發(fā)出的合成矢量越多，意味著開關頻率越高．以第三扇區(qū)為例，用最近的兩個相鄰有效矢量 ， 。和零矢量合成參考矢量 ，等效矢量按伏秒平衡原則合成。4U6 refU于是有： ()46refTT?? ()0式中: ——系統(tǒng)PWM周期T —— 作用時間44U —— 作用時間66 —— （ ）的作用時間007式(3．2)的意義是，矢量 在T時間內所產(chǎn)生的積分效果與 ， 和及零矢量ref 4U6分別在 ， ， 間內的積分和效果相同。4T60在此： 42(10)3dUj??基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究236213()dUj??cosinrefrefj?把上式代入(3．2)得： 46213()(csi)32ddrefTUjUj????零矢量只是補足 ， 外的時間，它對矢量的合成不產(chǎn)生影響。由等式兩邊實部和虛部相等得： 43(cosin)2refdTTU???6iref046T隨著參考電壓空間矢量 的長度增加，輸出電壓的基電壓幅值也線性增加，refU， 也線性加大， 逐漸減小，但是，要使合成矢量在線性區(qū)內就必須滿足下列等4T60T式： 46T??為使波形對稱，把每個矢量的作用時間都一分為二，同時把零矢量時間等分給兩個零矢量 和 。產(chǎn)生的開關序列為：0U7 0U4674U0。這樣即可以提高直流電壓的利用率，又可以降低逆變器輸出的諧波含量。則(3．2)式可以表示為： 0046 7()()2ref TT???基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究24 SVPWM信號圖 空間矢量脈寬調制實現(xiàn)根據(jù)以上的電壓空間矢量調制原理，SVPWM信號的實時調制計算步驟歸納如下：判斷合成矢量 所處扇區(qū)refU通過分析 和 的關系，可得到如下的規(guī)律：?? 0,則A=1，否則A=0；? 0,則B=1，否則B=0；3? 0,則C=1，否則C=0；???扇區(qū)為：N=A+2B+4C.和 分別是合成矢量 的 軸和 軸的分量。U??refU??2）計算 ， ， 和 ，XYZ1T2， ——不同扇區(qū)內相鄰向量的作用時間。1T， 值的計算可歸納為下面三個值的計算。2定義： 3dTXU??()2dY???3()dTZU????基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究25在不同的扇區(qū)內， ， 按表l賦值。1T2表 1 ， 賦值表T2扇區(qū)號 I II III IV V VI1TZYZ?XY?2XZ上表可以在向量圖中得到驗證。， 賦值后，還要對其進行飽和判斷：1T2若 ，則 ， 保持原值不變?1T2若 ,則 ， 。1212??21T??T為PWM波周期3）計算電壓空間矢量切換點 ， ，1cm23cm定義： 46()aT?? 12b? c則在不同的扇區(qū)內 ， ， 根據(jù)下表進行賦值。1cm23cmT表2 切換點賦值表 ， ，1c2mT3c扇區(qū)號 I II III IV V VI1cmTbaTaccbT2abbTac3cmcbcaba， ， ，在基于的控制系統(tǒng)中，作為全比較寄存器的值，通過與定時器1cT2計數(shù)寄存器的值進行比較來產(chǎn)生PWM。 PI 控制器的設計 電流環(huán) PI 控制器的設計電流環(huán)的主要作用是：實現(xiàn)快速的動態(tài)響應，保持電流在動態(tài)響應過程中不出現(xiàn)基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究26過度超調。在突加負載時不希望有超調或超調越小越好，為此可以把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)采用PI控制。典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： ()()1)KwsT??為使控制器的零點對消控制對象的較大的時間常數(shù)，選擇 iMT??（ 為電磁時間常數(shù)）則式中 sT?， tsiKkR?，所以 tsiR。在超調量 ?%?5%時，可取阻尼比 ?，KT=，因此 12?,從而得到 2tsisK,代入數(shù)值即可求得 tk， i?。 1isk??t 1JsuK1smRT?sKqi??qu 1T????圖 具有 PI 電流控制器的結構圖 速度環(huán) PI 控制器的設計速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動。電流環(huán)的傳遞函數(shù)為： ()21()wsTsK??電流環(huán)的截止頻率一般較低。因此電流環(huán)傳遞函數(shù)可降階近似為： ()1()2ss?在上述電流調節(jié)器設計的基礎上，控制器采用 PI 控制的速度環(huán)結構如圖 所示。將速度環(huán)校正成典型 II 型系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為： ()(1)()2nkKswsJT???根據(jù)典型 II 型系統(tǒng)設計的要求，系統(tǒng)參數(shù)設計的公式為： ()nh??基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究27 ()12nthJkTK???取 h=5。代入數(shù)據(jù)可以求得 和 的數(shù)值。?1nsk??12Ts?tK1JS???? ?1T??qi 采用PI速度控制的結構圖基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究28第 4 章 系統(tǒng)仿真模型隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀上永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機(PMSM)得以迅速推廣應用。PMSM 以其體積小、性能好、結構簡單、可靠性高、輸出轉矩大等特點，得到了越來越廣泛的應用和重視。隨著 PMSM 應用領域的不斷拓寬，對電機控制系統(tǒng)的設計要求也越來越高，既要考慮成本低廉、控制算法合理，又需兼顧控制性能好、開發(fā)周期短等特點。因此，如何建立有效的 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型成為電機控制算法設計人員迫切需要解決的關鍵問題。計算機仿真技術能有效地驗證控制系統(tǒng)的設計思想，特別是在采用電力半導體器件對電機進行交流調速的分析研究中，計算機仿真技術已成為重要研究手段。MATLAB/IMULINK 是一種優(yōu)秀的系統(tǒng)仿真土具軟件，它具有模塊化、可封裝、可重載、而向結構圖編程以及高度可視化等特點，可大大捉高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。矢量控制系統(tǒng)具有可連續(xù)控制、調速范圍寬等優(yōu)點，且在簡化矢量變換控制系統(tǒng)方面已獲滿意的結果，為此矢量變換控制系統(tǒng)仍為現(xiàn)代交流調速的重要方向之一。目前，國內外在異步電機的建模與控制已基本成熟，而對永磁同步電機的控制和建模則有大量的工作需要做。本文運用 MATLAB/IMULINK 建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進行了控制仿真研究，為進一步的實際研究奠定理論基礎。 MATLAB 仿真工具箱簡介MATLAB 是 MathWorks 公司開發(fā)的用于數(shù)學計算的土具軟件。它具有強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境 SIMULINK。SIMULINK 可以對通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進行深入的建模、仿真和研究。SIMULINK 由模塊庫、模型構造及分析指令、演示程序三部分組成。用戶進行仿真時很少需要寫程序，只需要用鼠標完成拖拉等簡單的操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進行仿真和分析研究 。[8]SIMULINK 仿真工具箱還包括了專門用于電力電子、電氣傳動學科進行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫(Power system Blockset)。電氣系統(tǒng)模塊庫包括以下六個子模塊庫組成： (1)電源模塊：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等。 ．(2)基本元件模塊庫：包括串聯(lián) RCL 負載、并聯(lián) RCL 負載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器，N 相分布參數(shù)線路、單相二型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等?；?DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究29(3)電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管，GTO，MOSFET 和理想開關等。為滿足小同的仿真要求并提高仿真速度還有晶閘管簡化模型。(4)電機模塊庫：包括激磁裝置、水輪機及其調節(jié)器、異步電動機、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等。(5)連接模塊庫：包括地和中性點和母線(公共點)等。(6)測量模塊庫：包括電流測量和電壓測量模塊。(7)附加電氣系統(tǒng)模塊庫：包括均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析、可編程定時器、同步脈沖發(fā)生器以及三相庫等。在以上模塊庫的基礎上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到所需模塊庫中去。 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真在 MATLAB／SIMULINK 環(huán)境下，利用其模塊庫，在分析了永磁同步電機數(shù)學模型的基礎上，給出了永磁同步電機的建模方法。永磁同步電機仿真系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)控制方案。其中，速度環(huán)、電流環(huán)都采用傳統(tǒng) PID 控制。根據(jù)模塊化建模思想，將整個控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊。其中主要包括：速度 PID 控制器模塊、電流 PID 控制器模塊、PWM 實現(xiàn)模塊、坐標變換模塊的仿真模型。通過這些功能模塊的有機整合，就可在 MATLAB／SIMUUNK 中搭建出永磁步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制。永磁同步電機矢量控制雙閉環(huán)仿真框圖如圖 所示 。[9]基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究30Permannent MagnetsychanMachineOidABCTmmUaUbUBUAUCSubsystem3UsdUsqIn3UaUbSubsystem2in1im1idiqSubsystem1iaibinimSubsystemStepCSpeedScope4Scope3Scope2Scope1In1Out1PI2In1Out1PI1In1Out1PIKrGain1 KrGainDemuxAdd圖 永磁同步電機矢量控制雙閉環(huán)仿真框圖基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究311)速度 PI 控制模塊 速度PI仿真模型2)電流 PI 控制模塊 電流Pl仿真模型3)PWM 逆變器模塊 可控電壓源仿真模型基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究32 PWM逆變器仿真模型4)坐標變換模塊 坐標變換( )仿真模型/dq?? 坐標變換( )仿真模型/abc??基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究33 仿真結果及分析為驗證永磁同步電機的動態(tài)響應，本文對電機啟動，電機穩(wěn)定運行時轉矩負載突變以及電機運行時速度給定突變等情況進行仿真實驗。本文仿真中用到的永磁同步