【正文】 的意義。3．2 空間矢量脈寬調(diào)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(shè)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(zhǔn)確的產(chǎn)生六路PWM對實現(xiàn)永磁同步電機控制是很關(guān)鍵的。下面就講述空間矢量脈寬調(diào)制原理及實現(xiàn)?；?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(diào)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(guān)元件的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波?？臻g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(zhuǎn)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(diào)制技術(shù)，不僅使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低，電流波形畸變減少，而且與常規(guī)的SPWM技術(shù)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(shè)直流側(cè)重點的口作為參考點，則上管導(dǎo)通時輸出電壓為 ，下管導(dǎo)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(guān)狀態(tài)。 aubc按()式定義的電壓空間矢量，他們分別對應(yīng)逆變器的八個開關(guān)模式?；?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(guān)模式中，(000)和(111)對應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)發(fā)出的合成矢量越多，意味著開關(guān)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(nèi)所產(chǎn)生的積分效果與 ， 和及零矢量ref 4U6分別在 ， ， 間內(nèi)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(nèi)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(guān)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(diào)制實現(xiàn)根據(jù)以上的電壓空間矢量調(diào)制原理，SVPWM信號的實時調(diào)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(guān)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(nèi)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(nèi)， ， 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(jìn)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(nèi) ， ， 根據(jù)下表進(jìn)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(jìn)行比較來產(chǎn)生PWM。 PI 控制器的設(shè)計 電流環(huán) PI 控制器的設(shè)計電流環(huán)的主要作用是：實現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)，保持電流在動態(tài)響應(yīng)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(diào)。在突加負(fù)載時不希望有超調(diào)或超調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)圖 速度環(huán) PI 控制器的設(shè)計速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負(fù)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(diào)節(jié)器設(shè)計的基礎(chǔ)上，控制器采用 PI 控制的速度環(huán)結(jié)構(gòu)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(shè)計的要求，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)、微電子技術(shù)、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(yīng)用。PMSM 以其體積小、性能好、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大等特點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用和重視。隨著 PMSM 應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對電機控制系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計人員迫切需要解決的關(guān)鍵問題。計算機仿真技術(shù)能有效地驗證控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，特別是在采用電力半導(dǎo)體器件對電機進(jìn)行交流調(diào)速的分析研究中，計算機仿真技術(shù)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(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)果，為此矢量變換控制系統(tǒng)仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。目前，國內(nèi)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(jìn)行了控制仿真研究，為進(jìn)一步的實際研究奠定理論基礎(chǔ)。 MATLAB 仿真工具箱簡介MATLAB 是 MathWorks 公司開發(fā)的用于數(shù)學(xué)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(jìn)行深入的建模、仿真和研究。SIMULINK 由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分組成。用戶進(jìn)行仿真時很少需要寫程序，只需要用鼠標(biāo)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(xué)模型，并進(jìn)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(xué)科進(jìn)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(fù)載、并聯(lián) RCL 負(fù)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(guān)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(diào)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(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)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(xué)模型的基礎(chǔ)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(biāo)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(biāo)變換模塊 坐標(biāo)變換( )仿真模型/dq?? 坐標(biāo)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(jié)果及分析為驗證永磁同步電機的動態(tài)響應(yīng)，本文對電機啟動，電機穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變以及電機運行時速度給定突變等情況進(jìn)行仿真實驗。本文仿真中用到的永磁同步