三相異步電機SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 2.doc

目錄第1章 概述 2第二章 電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的原理 4 2.1 矢量控制原理 4 2.2 電壓空間矢量 5 2.3 電壓空間矢量合成 8 2.4 電壓空間矢量所在扇區(qū)的判斷 9 2.5 開關(guān)向量作用時間的計算 10第三章 SVPWM仿真實現(xiàn) 143.1 MATLAB總體仿真圖 143.2 各模塊MATLAB仿真圖 153.3 MATLAB各模塊仿真結(jié)果分析 17第四章 總結(jié)與體會 19參考文獻 20 第一章 概述1.空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation)SVPWM的主要思想是:以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標準，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其準確磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控制。普通的三相全橋是由六個開關(guān)器件構(gòu)成的三個半橋. 這六個開關(guān)器件組合起來（同一個橋臂的上下半橋的信號相反）共有8種安全的開關(guān)狀態(tài). 其中000、111（這里是表示三個上橋臂的開關(guān)狀態(tài)）這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效的電流。因此稱其為零矢量。另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是六個有效矢量。它們將360度的電壓空間分為60度一個扇區(qū)，共六個扇區(qū)。利用這六個基本有效矢量和兩個零量?？梢院铣?60度內(nèi)的任何矢量。 當要合成某一矢量時先將這一矢量分解到離它最近的兩個基本矢量。而后用這兩個基本矢量矢量去表示。而每個基本矢量的作用大小就利用作用時間長短去代表。在變頻電機驅(qū)動時，矢量方向是連續(xù)變化的，因此我們需要不斷的計算矢量作用時間。為了計算機處理的方便，在合成時一般時定時去計算（如每0.1ms計算一次）。這樣我們只要算出在0.1ms內(nèi)兩個基本矢量作用的時間就可以了。由于計算出的兩個時間的總合可能并不是0.1ms(比這小)，而那剩下的時間就按情況插入合適零矢量。 由于在這樣的處量時，合成的驅(qū)動波形和PWM很類似。因此我們還叫它PWM，又因這種PWM是基于電壓空間矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。 SVPWM本身的產(chǎn)生原理與PWM沒有任何關(guān)系。只是象罷了。SVPWM的合成原理是個很重要的基礎(chǔ)知識，它并不只用在SVPWM，在其它一些應(yīng)用中也很有用的。SVPWM特點：1.在每個小區(qū)間雖有多次開關(guān)切換，但每次開關(guān)切換只涉及一個器件，所以開關(guān)損耗小。2.利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡單。3.逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的SPWM逆變器輸出電壓高15%綜上分析，本文從SVPWM的原理出發(fā)，通過對SVPWM控制算法的研究與仿真驗證，以設(shè)計出高性能交流電機控制器為目標進行課題研究。第二章電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的原理 2.1 矢量控制原理矢量控制也叫磁場定向控制，其基本思想是在普通的三相交流電機上設(shè)法模擬直流電機轉(zhuǎn)矩控制的基本規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。這樣，交流電機的轉(zhuǎn)矩控制,從原理和特性上就與直流電機相似了。因此，矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置頻率和相位的控制。矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能而最終實現(xiàn)仍然是落實到對定子電流交流量的控制上。由于在定子側(cè)的各物理量電壓、電流、電動勢、磁動勢都是交流量，其空間矢量在空間上以同步轉(zhuǎn)速旋 轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計算均不方便。因此，需借助于坐標變換，使各物理量從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標系上觀察，電機上的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實時地計算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值直流給定量。按這些給定量實時控制，就能達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的、虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐標的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值7-9。如圖2-1，三相電流Ai、Bi、Ci由三相靜止坐標系變換到兩相垂直靜止坐標系軸,再由兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系dq軸，并使d軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈的方向，則異步電動機就變成了由勵磁電流分量di和轉(zhuǎn)矩電流分量qi分開控制的直流電動機。按照直流電動機的控制方法,求得控制量后，再經(jīng)過坐標反變換，就能控制異步電動機，對異步電機的控制轉(zhuǎn)為對轉(zhuǎn)子磁鏈參照系下的直流電機的控制。圖中，VR-同步旋轉(zhuǎn)變換；-d軸與軸的夾角。因為進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)10。2.2 電壓空間矢量電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的。電動機的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標系，如圖2-2：這是一個特殊的坐標系，A、B、C分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差1200，三相定子相電壓UA、UB、UC分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量、，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1200。假設(shè)為相電壓有效值，f為電源頻率，則有: (2.1)假設(shè)單位方向矢量=j2/3，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U*ref就可以表示為： （2.2）從式（2.2）可見U*ref是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，為相電壓峰值；當頻率不變時，以電源角頻率=2f為電氣角速度做恒速同步旋轉(zhuǎn)，哪一相電壓為最大值時，合成電壓矢量就落在該相的軸線上。由定子電壓方程知： （2.3）當轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻R的壓降相對很小，上式可以簡化為 （2.4）這表明電壓空間矢量的方向與磁鏈的運動方向一致。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器為電動機提供的是經(jīng)過調(diào)制的PWM電壓。圖2-3是三相電壓源型逆變器示意圖，逆變器由六個功率開關(guān)器件組成： 因為逆變器的上橋臂和下橋臂的開關(guān)狀態(tài)互補，所以只用上橋臂的三個功率開關(guān)器件來描述逆變器的工作狀態(tài)就足夠了。圖中設(shè)置直流側(cè)中點作為參考點，則上管導通時輸出電壓為Ud/2，下管導通時輸出電壓為- Ud/2。如果把上橋臂的功率開關(guān)器件的導通狀態(tài)用“1”表示，關(guān)斷狀態(tài)用“0”表示，那么按照式（2.2）定義的電壓空間矢量，逆變器三橋臂的六個功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)共有八種組合，分別對應(yīng)逆變器的八個開關(guān)模式，按定義將這八種開關(guān)狀態(tài)表示為如圖2-4所示的形狀： 按照圖2-4所示的電壓空間矢量定義可知，空間八個基本電壓矢量U組成一個六邊形，分六個扇區(qū)，其中有兩個位于原點的零矢量，即U0(000)、U7(111)。而其它的六個矢量稱為基本矢量，即U1（001）,U2（010），U3（011）,U4（100）,U5（101）,U6（110），且有效矢量長度均為2Ud/3。零矢量位于原點，相鄰非零矢量的夾角為60度。從一個電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到另一個矢量的過程中，應(yīng)當遵循功率器件的開關(guān)狀態(tài)變化最小的原則，即應(yīng)當只有一個功率器件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。利用這8種電壓矢量的線性組合，就可以獲得更多的與基本空間矢量相位不同的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相的電壓空間矢量，疊加形成盡可能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場的磁鏈圓。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。相鄰兩非零矢量和零矢量在時間上的不同組合，可以得到該扇區(qū)內(nèi)的一組等幅不同相的空間電壓矢量U*ref。三個矢量的作用時間可以一次施加，也可以在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，這樣更有利于消除電機轉(zhuǎn)矩脈動。通過控制各個電壓矢量的作用時間，使空間壓矢量接近圓軌跡旋轉(zhuǎn)，就可以使電機磁通也逼近圓軌跡。 2.3 電壓空間矢量合成 由于變換器實際所能產(chǎn)生的矢量(基本矢量和零矢量)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合成所需要的矢量。在一個正弦周期內(nèi)所產(chǎn)生的合成矢量越多，意味著開關(guān)頻率越高。按照平行四邊形法則，利用這8個空間矢量可以合成任意的電壓矢量，由圖2-4，以第一扇區(qū)為例，根據(jù)平均值等效原理可得根據(jù)三角形的正弦定理有式中，-參考矢量與該扇區(qū)第一矢量的夾角，0Ts是否成立，如不成立，則Tx、Ty保持不變；如成立，則設(shè)將電壓矢量端點軌跡端點拉回至正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)時兩非零矢量作用時間分別為Tx、Ty，則有比例關(guān)系：因此可用下式求得Tx、TyT0：然后可由此作為相鄰兩電壓空間矢量和零矢量的持續(xù)時間。定義：則在不同的扇區(qū)內(nèi)A、B、C三相對應(yīng)的開關(guān)時間T cm1，T cm2，T cm3，根據(jù)下表進行賦值：第3章 SVPWM仿真實現(xiàn)3.1 MATLAB總體仿真模塊根據(jù)以上所述的SVPWM的基本原理和實現(xiàn)方法來看，產(chǎn)生SVPWM波的步驟主要是：判斷空間矢量U*ref所在的扇區(qū)，然后根據(jù)公式計算兩相鄰有效空間矢量的作用時間Tx和Ty，再根據(jù)所處扇區(qū)確定空間矢量切換時間T cm1，T cm2，T cm3， (也就是要送入核心處理器LM3S615比較寄存器的值)，最后與工作在連續(xù)增減模式的定時器作比較產(chǎn)生PWM波形。仿真建模工具有多種軟件可供選擇，常用的有MATLAB、vissim、psim、pspice等。本文采用MATLAB對SVPWM進行坊真，圖2-6是通過MATLAB建立的SVPWM仿真模型：圖3-1三相異步電機的svpwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真圖3.2 各模塊MATLAB仿真圖圖3-2 2S/3S變換圖3-3 扇區(qū)計算 圖3-4 作用時間Tx和Ty 圖3-5 T cm1，T cm2，T cm3的計算3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 圖3-6 空間壓矢量接近圓軌跡旋轉(zhuǎn)圖圖3-7 三相交流電流圖圖3-8 SVPWM線電壓波 由上述圖可知，仿真所得SVPWM波形與SVPWM原理分析中的波形一致，脈沖寬度變化比較平滑，這樣可以大大減小了逆變器開關(guān)的損耗，并且很適合數(shù)字化處理；由圖2-9可知，電機線電壓為400V，通過SVPWM技術(shù)控制，直流母線的電壓利用率為1。第4章 總結(jié)與體會 通過此次課程設(shè)計，我學到了一些對自己有用的東西，并在相關(guān)書籍和網(wǎng)上找了資料總結(jié)如下：隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機的數(shù)字控制越來越被廣泛的采用。傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制方法數(shù)字化實現(xiàn)比較困難。外國學者提出的SVPWM控制技術(shù)是基于磁鏈追蹤的思想，其物理概念清晰，控制方法簡單，易于數(shù)字化實現(xiàn)，而且其直流利用率高，比傳統(tǒng)的SPWM控制技術(shù)提高了15.47%，并且當SVPWM控制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中時，輸出電流的諧波少，電機脈動轉(zhuǎn)矩小。故目前SVPWM控制技術(shù)有取代傳統(tǒng)SPWM控制技術(shù)的趨勢。本課題主要完成了以下工作： （1）概述了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程以及當前國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹異步電動機矢量控制及SVPWM控制的基本原理，以圖表及數(shù)學方程形式介紹了矢量控制中所利用到的矢量變換，并分析了異步電機在兩相靜止坐標系和同步坐標系下的數(shù)學模型；另外還闡述了SVPWM的基本原理，并針對SVPWM中的關(guān)鍵問題進行了分析。 （2）利用MATLAB 7.0中的SIMULINK工具對SVPWM的控制算法進行了動態(tài)仿真，并對SVPWM波形進行深入的分析和研究，為硬件實現(xiàn)提供切實可靠的理論基礎(chǔ)。 （3）在仿真的基礎(chǔ)上，搭建了一個驅(qū)動中小功率負載的硬件平臺，所運用的元器件都給出了詳細的參數(shù)，整個電路包括主回路、驅(qū)動電路、信號檢測及其保護電路和操作面板四個主要部分，文中詳細介紹了各個部分的工作原理和實現(xiàn)功能。 （4）對所建立的硬件平臺分單元進行調(diào)試，編寫相關(guān)測試軟件來檢測個電路的運行狀況、精度和穩(wěn)定性，確保整個電路工作正常并具有較強的抗干擾能力。 （5）最后編寫SVPWM控制軟件，經(jīng)過系統(tǒng)整體調(diào)試，完成整個基于LM3S615的SVPWM交流電機驅(qū)動器的設(shè)計。用示波器觀測各個重要參數(shù)，并對其進行詳細分析，同時與MATLAB仿真結(jié)果進行比較，確保理論與實際相符。 （6）由于LM3S615處理器具有較高的處理速度，在算法中放棄了傳統(tǒng)的查表法，直接調(diào)用標準函數(shù)庫計算三角函數(shù)，提高了精度，精簡了代碼；同時，采用PWM計數(shù)器充當周期定時器，在同步模式下，確保同時更新三個PWM比較器的值，提高了控制精度，減少了誤差。參考文獻【1】 楊貴杰 .空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究J.中國電機工程學報，2001，21（5）：79-83.【2】陳伯時,陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)M.北京:機械工業(yè)出版社,1998,1-2.【3】王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2000,1-5.【4】羅偉斌,朱建林,李白燕.基于反電勢定向矢量控制架線小機車交流傳動系統(tǒng)J.電氣傳動,2007,37(3):15-18.【5】SIMULINK環(huán)境下空間矢量PWM的仿真J.電氣自動化，2