滾筒式變頻洗衣機驅動控制系統(tǒng)研究

1、學 號:2009024126密 級:_哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文滾筒式變頻洗衣機驅動控制系統(tǒng)研究院（系）名稱：自動化學院專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化學生姓名：#指導教師：#2013年6月滾筒式變頻洗衣機驅動控制系統(tǒng)研究 馮振彪 哈爾濱工程大學學 號：2009024126密 級：_滾筒式變頻洗衣機驅動控制系統(tǒng)研究Research on variable frequency drive system of drum washing machine學生姓名：馮振彪所在學院：自動化學院所在專業(yè)：電氣工程及其自動化指導教師：鞏冰職稱：講師所在單位：哈爾濱工程大學論文提交日期：2013年6月論文答辯日期

2、：2013年6月學位授予單位：哈爾濱工程大學滾筒式變頻洗衣機驅動控制系統(tǒng)研究摘 要永磁同步電機體積小、功率密度高、效率和功率因數高，在滾筒式洗衣機的驅動系統(tǒng)中具有較高的應用價值，學者們在這方面的研究取得了不少成就。同時，隨著電力電子器件和高速微型控制器的發(fā)展和永磁同步電動機的控制理論研究不斷完善和提高，永磁同步電動機驅動系統(tǒng)將會有更廣泛的應用前景。本文通過閱讀大量文獻熟悉了永磁同步電動機d、q軸數學模型和矢量控制基本原理后，針對洗衣機洗滌和脫水兩種工況分別進行了控制方案的選擇和研究。同時，對永磁同步電機在高速運行時存在的電流調節(jié)器飽和問題進行了分析和解決。本文的主要內容：分析了矢量控制的基本原

3、理，對SVPWM模塊做了深入的研究和分析。其次，在分析了弱磁控制的基本原理后。其次，設計了調速系統(tǒng)，利用工程設計法設計了PI調節(jié)器的參數。同時，深入研究了超前角弱磁控制的理論方法，給出了模型的搭建方案。最后，做了大量的仿真工作，并對結果進行了分析和研究。關鍵詞：永磁同步電機；SVPWM；弱磁控制；超前角弱磁控制 ABSTRACTBecause of its small size, high power density, efficiency and high power factor, PMSM has a high application value in the drive system

4、of drum type washing machines. Meanwhile, with the development of the power electronic devices and high-speed micro-controller, and the control theory of PMSM constantly improved and enhanced, PMSM drive system will have a wider range of applications.In this paper, after a lot of reading of literatu

5、re, d, q-axis mathematical models of PMSM and basic principles of vector control are known well. The selection and research of control scheme when the machine working at washing or dehydrating are carried out. Meanwhile, the permanent magnet synchronous motor running at high speed when there is a cu

6、rrent regulator saturation problems are analyzed and resolved.The main contents of this paper are as follows: firstly, the basic analysis of the vector control principle of PMSM and in-depth research and analysis about SVPWM are involved . Secondly, PI regulator parameters are designed with engineer

7、ing design method after designing the control system. Meanwhile, after the studying of the lead angle weakening control theoretical in-depth, the structures of the model program are gave. Before the work of Analysis and research, a lot of simulation work has been done.Keywords: permanent magnet sync

8、hronous motor; SVPWM ; weak magnetic control; lead angle weak magnetic control.I目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 課題意義和背景11.2 滾筒式洗衣機驅動控制系統(tǒng)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀11.3 永磁同步電機簡介21.4 課題研究內容和目標3第2章 永磁同步電機數學建模及其控制策略52.1 永磁同步電機的數學模型52.1.1 永磁同步電機在三相坐標系中的數學模型52.1.2 坐標變換62.1.3 永磁同步電機在d、q坐標系下的基本方程72.2 正弦波永磁同步電機矢量控制方法的研究和選擇82.2.1 永

9、磁同步電機調速系統(tǒng)與其他電機調速系統(tǒng)的比較82.2.2 永磁同步電機調速系統(tǒng)控制策略92.3 本章小結11第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK實現(xiàn)123.1 電壓空間矢量SVPWM技術的基本原理123.3.1 基本電壓空間矢量133.2 SVPWM波的生成方式153.3 定子參考電壓的合成方法153.3.1 非零電壓空間矢量作用時間的計算153.3.2 切換時間的計算183.3.3 電壓空間矢量所在扇區(qū)的判斷193.4 SIMULINK仿真介紹203.5 SVPWM模塊仿真213.6 本章小結23第4章 PI調節(jié)器參數設計244.1 電流調節(jié)器的設計254.2 轉速調節(jié)器的設計274

10、.3 仿真及參數調試284.4 本章小結31第5章 弱磁控制基本理論及方法325.1 弱磁控制基本原理325.2 永磁同步電機矢量控制基本電磁關系335.3 本章小結38第6章 仿真及波形分析396.1 仿真波形396.2 本章小結39結 論51參考文獻53致 謝551第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題意義和背景作為主要的家用電器，洗衣機一直擁有廣泛的市場。洗衣機依賴一套驅動系統(tǒng)來完成洗衣操作，核心就是通過控制電機來完成各種工況下的合理運行。目前市場上流行的主要有波輪式和滾筒式兩種洗衣機，但是滾筒式洗衣機因其獨特的優(yōu)點逐漸占據越來越大的市場份額。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：衣服損壞率低，節(jié)水，使用壽命

11、長。洗衣機給人們的生活帶來了極大的方便，但是隨著人們生活水平的提高，對洗衣機的性能提出了更高的要求?，F(xiàn)在的洗衣機正在朝著智能化，節(jié)能和靜音的方向發(fā)展。洗衣機的智能化程度決定于微處理器控制電機達到平滑調速的效果，其節(jié)能性則要求高效利用能量的驅動系統(tǒng)，而要做到靜音就要求機械摩擦小，驅動系統(tǒng)的電磁噪聲小。本課題正是基于這一背景提出的，對限制滾筒式洗衣機發(fā)展的關鍵技術做了研究和分析，這些技術的發(fā)展和應用對于推進永磁同步電機系統(tǒng)的廣泛應用具有重要的經濟意義和社會意義4。1.2 滾筒式洗衣機驅動控制系統(tǒng)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀世界上第一臺洗衣機于1932年誕生在美國的笨得克斯航空公司，經過了80多年的發(fā)展，其驅動

12、控制系統(tǒng)先后出現(xiàn)了定速電機驅動和變速電機驅動兩種形式。定速電機分為單速電機和雙速電機。雙速電機通過改變繞組的連接方式來改變極數以產生不同的轉速。這兩類電機的一個顯著缺點就是不能實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調速，工作時需要傳動和減速裝置來完成轉速和轉矩的變換，不僅帶來機械摩擦和損耗的問題，而且不可避免的增大了洗衣機的噪聲。隨著科學技術的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，變速電機逐漸被應用到洗衣機的驅動控制系統(tǒng)當中。最早被應用在變速領域的電機是直流串激電機，串激電機效率高、啟動轉矩大，控制性能好，動態(tài)性能優(yōu)異。但是其轉子上帶有換向器和碳刷，使得電機的可靠性降低，壽命變短。為了解決換向器和碳刷帶來的問題，變頻感應電機

13、被應用到洗衣機的驅動系統(tǒng)當中。變頻感應電機的極數是固定的，變化的是供電電源的頻率，相應的需要一個控制器來完成電源頻率的轉換。這樣的系統(tǒng)不僅能達到串激電機所能達到的調速范圍，而且效率更高，噪聲更低。其后，隨著人們節(jié)能意識的提高，一些新的電機相繼被應用到洗衣機的驅動控制系統(tǒng)中。其中具有代表性的是永磁無刷電機和開關磁阻電機。永磁無刷電機按照其反電動勢和供電電流的波形不同可分為永磁無刷電機和永磁同步電機。它們的突出優(yōu)點是效率高、調速性能更加優(yōu)良。這兩種電機的控制不僅需要控制器的輔助，還需要位置傳感器來確定其轉子位子5。開關磁阻電機是一種新型電機，結構簡單、更加堅固，成本也比較低，而且適合在要求高速、環(huán)

14、境惡劣的條件下工作。但是因其轉矩波動大，噪聲高，目前在滾筒式洗衣機上應用的不多，其計算方法和控制技術還有待發(fā)展5。永磁同步電機的控制性能優(yōu)于感應電機，這一事實得到了許多學者和技術人員的廣泛論證和支持。永磁同步電機以其更加強大的轉矩輸出能力、更加平滑的調速性能和更低的噪聲顯示出其廣泛應用的巨大潛力。所以本文選擇以永磁同步電機控制系統(tǒng)為研究對象進行深入分析。1.3 永磁同步電機簡介永磁同步電動機（PMSM, Permanent Magnet Synchronous Machine）的轉子采用永久磁鋼勵磁，目前多采用釤鈷合金等稀土永磁材料。由于無需電流勵磁，不要電刷和換向器，因而體積小、結構簡單、可

15、靠性高，同時具備同步電動機功率因素高、無轉差損耗等優(yōu)點。永磁同步電動機轉子結構靈活多樣，不同的轉子結構往往帶來自身性能上的特點，因而永磁同步電動機可根據需要使用不同的轉子結構形式，其在一定的功率范圍內，可以比電磁式同步電動機具有更小的體積和重量。永磁同步電動機的分類也多種多樣，按工作主磁場的方向不同分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置的不同可分為內轉子式和外轉子式；按供電頻率控制方式的不同可分為它控式和自控式；按反電動勢波形的不同，可分為正弦波永磁同步電動機和梯形波永磁同步電動機。本文主要研究正弦波永磁同步電動機矢量控制調速系統(tǒng)，因此以下的永磁同步電動機均指正弦波永磁同步電動機。正弦波永

16、磁同步電機的電磁轉矩包括兩部分：1)由永磁體勵磁磁場與電機定子電流分量所產生的同步電磁轉矩,這一部分轉矩,由于永磁體勵磁磁場恒定,該轉矩正比于電機定子交軸電流分量；2)磁阻轉矩,它與電機突極系數有關,與電機直軸和交軸電感之差有關，和直軸和交軸電流乘積成正比4。目前,永磁同步電機不僅被應用到恒定頻率、恒定轉速的場合，而且在中小容量調速、伺服場合，由永磁同步電機構成的交流調速系統(tǒng)也得到廣泛的應用。其中，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度、大范圍的調速或定位控制。隨著智能機器人、數控等技術的發(fā)展，對高性能變速伺服驅動系統(tǒng)的要求將不斷增長。因此，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的發(fā)展和應用前景是廣闊的，對

17、永磁同步電機矢量控制的研究已經成為中小容量交流調速和伺服驅動系統(tǒng)的研究重點。當今，永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)已經在中小功率的變速傳動系統(tǒng)中較多應用，廣大科技工作人員和從事新產品開發(fā)的研究機構普遍重視其研究與相應產品的開發(fā)。伴隨著新材料、機電一體化、電力電子技術、計算機技術、控制理論等高新技術的快速發(fā)展，交流永磁同步電機調速系統(tǒng)正向數字控制甚至全數字控制的方向發(fā)展。用計算機軟件控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制，其控制軟件的靈活性使得運動控制能夠實現(xiàn)高速、高精度、高穩(wěn)定性、快速響應、高效節(jié)能，這決定數字控制系統(tǒng)將會在人民生活和工農業(yè)生產中占據絕對優(yōu)勢。新世紀，不斷涌現(xiàn)的高性能的永磁材料，使得永磁電機的應用

18、范圍近一部廣大，目前正朝著大功率、高功能化和微型化發(fā)展。永磁電機制成后不需要外加勵磁，但也造成其從外部調節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁電動機難以從外部調節(jié)其輸出轉矩，不能用改變勵磁的辦法來調節(jié)其轉速。這些使得永磁電機的應用范圍受到限制。但是，隨著電力電子器件和控制技術的迅猛發(fā)展，大多數永磁電機在應用中可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機控制原理三項技術結合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行。1.4 課題研究內容和目標本課題需要在永磁同步電機結構的基礎上，根據永磁同步電機的特性建立其數學模型。并根據洗衣機在洗滌和脫水不同工況下轉速和轉矩的不同要求設計驅

19、動控制策略。其中脫水模式時轉速大大超出額定值，需要采用弱磁控制方式。在SIMULINK環(huán)境下根據矢量控制的原理建立永磁同步電機矢量控制的仿真模型，并采用速度、電流雙閉環(huán)的控制方案，設計PI控制器的參數，仿真并對結果進行分析。課題所用永磁同步電機的額定轉速為500rpm，額定電壓為220V，50Hz，額定電流為3A。課題研究實現(xiàn)的目標：1、建立永磁同步電機在轉子兩相旋轉坐標系下的數學模型；2、掌握永磁同步電機矢量控制的基本原理；3、建立永磁同步電機MATLAB仿真模型，設計PI調節(jié)器的參數，搭建轉速電流雙閉環(huán)控制的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；4、針對脫水模式，設計弱磁控制策略，對原控制系

20、統(tǒng)進行改進；5、對搭建的模型進行仿真并改進，使得最終系統(tǒng)在洗滌模式下調速范圍達到500-1500rpm，最大轉矩27.1N×m，能夠快速正反轉；在脫水模式下調速范圍達到1500-1800rpm，最大轉矩3.3N×m。3第2章 永磁同步電機數學模型及其控制策略第2章 永磁同步電機數學建模及其控制策略2.1 永磁同步電機的數學模型電機的基本電磁關系就是電壓，電流，磁鏈，轉矩和轉速之間相互聯(lián)系相互制約的關系。而精確的電機模型是電機控制理論得以研究與實現(xiàn)的基礎，因此首先給出三相永磁同步電機數學模型。永磁同步電機定子上有A、B、C三相對稱繞組，轉子上貼有永久磁鋼，永磁體的勵磁磁場與定

21、子繞組電流在氣隙中產生電磁耦合作用，使電機轉動。實際上這種電磁關系十分復雜，為簡化分析，假設：(1) 反電勢正弦，定子電流在氣隙中只產生正弦分布磁勢，忽略高次諧波；(2) 定子繞組三相對稱，各相繞組軸線在空間上相差120°電角度；(3) 轉子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用；(4) 忽略磁路飽和問題、忽略磁滯和渦流影響，默認磁路線性，可以用疊加原理進行分析。使用以上條件進行分析，所得結果和實際情況十分接近，誤差在工況容許范圍之內，可以滿足工程所需7。2.1.1 永磁同步電機在三相坐標系中的數學模型 同步電機運行過程中，電機微分方程有多種表達方式。三相永磁同步電機的三相繞組空間分布

22、：軸線互差120°(電角度)，每項繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡。永磁同步電機的電磁轉矩由定子三相繞組電流和轉子永磁體相互作用產生。定子三相繞組電流產生的磁鏈與轉子的位置角有關。定子電壓方程式： (2-1) (2-2) (2-3)其中： -三相繞組電壓；-每相繞組電阻；-三相繞組相電流；-三相繞組匝鏈的磁鏈；-微分算子。定子每相繞組磁鏈不僅與三相繞組電流有關，而且與轉子永磁磁極的勵磁磁場和轉子的位置角有關，因此磁鏈方程可以表示為： (2-4) (2-5) (2-6)其中：-每相繞組互感；-兩相繞組互感；-轉子永磁磁極的勵磁磁鏈； -轉子d軸超前定子A相繞組軸線的電角度；轉矩方程：

23、 （2-7）其中：p-永磁同步電機的極對數；-轉子永磁磁極的勵磁磁鏈。2.1.2 坐標變換三相坐標系下，永磁同步電機多變量、強耦合、非線性的特點使得數學分析變得極為困難。為此，我們進行坐標變化，從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系再到兩相旋轉坐標系，最終實現(xiàn)模型的簡化，使得永磁同步電機的分析和控制可以借助已有的直流電機的模型的相應方法。坐標變換的原則要保證功率不變7。1、兩相靜止坐標系與三相靜止坐標系的變換關系： （2-8）2、兩相靜止坐標系到兩相選裝坐標系的變換關系： (2-9）由于電動機測試模塊直接提供了兩相旋轉坐標系下的兩相定子電流，所以在搭建模型過程中只需進行兩相旋轉到兩相靜止的坐標變換模

24、塊，變換關系如下公式(2-10)所示： （2-10）由公式（2-10）可搭建2r/2s變換模塊如圖2.1所示：圖2.1 2r/2s變換模塊2.1.3 永磁同步電機在d、q坐標系下的基本方程1、電壓方程 (2-11)其中：、為d、q坐標系下定子電壓、電流；、為d、q坐標系下定子等效電感。2、電流方程： (2-12)3、磁鏈方程： (2-13)4、轉矩方程： (2-14)5、運動方程： (2-15)其中：TL-電機負載轉矩； -為電機阻尼系數； -為電機轉動慣量。6、由電壓方程、轉矩方程、運動方程可推導得到方程： (2-16) (2-17)2.2 正弦波永磁同步電機矢量控制方法的研究和選擇2.2.

25、1 永磁同步電機調速系統(tǒng)與其他電機調速系統(tǒng)的比較永磁同步電機的定子繞組中不需要勵磁電流，定子磁場和轉子磁場無相對運動，轉子中無滑差損耗，與感應電機相比較，具有如下特點：轉子沒有損耗，具有更高的效率、電機體積較小、由永磁材料產生氣隙磁通，電機功率因素較高，在同樣輸出功率下，所需整流器和逆變器容量較小，電機的轉動慣量相對較小，快速響應能力好，性價比高、低速性能好、調速范圍寬。在感應電機中，轉子電流產生磁通的大小是變化的，且不和定子產生的磁場正交，和電子磁場的相位關系與電機的負載有關，因此，感應電機的矢量控制比較復雜。而永磁同步電機的勵磁磁場由永磁體產生，大小不變，矢量控制下，勵磁磁場和電樞電流保持

26、著固定的相位關系，因而控制比較簡單。永磁同步電機與直流電機相比，具有無機械換向器和電刷、結構簡單、體積小、運行可靠、易于實現(xiàn)高速運行、環(huán)境適應能力強、易實現(xiàn)正反切、定子繞組散熱容易，不影響傳動精度、快速響應性能好、工作電壓只受功率開關器件的耐壓限制，可以采用較高的電壓，容易實現(xiàn)大容量的電力傳動控制。永磁同步電機的控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，將驅動器包含在電機內就將永磁同步電機看成自控同步電機。因此，它徹底克服了步進電機控制系統(tǒng)所固有的振蕩和失步等特點，提高了電機的轉矩電流比。因而，和步進電機驅動系統(tǒng)相比，永磁同步電機的控制系統(tǒng)具有更高的運行速度，更穩(wěn)定、更光滑的運行特性及更強的位置控制能力。2

27、.2.2 永磁同步電機調速系統(tǒng)控制策略目前，廣泛使用在交流同步電機調速系統(tǒng)的控制主要有矢量控制和直接轉矩控制。為構造高性能、寬范圍的交流電力傳動系統(tǒng)，首先要確定合適的控制策略，以滿足實際控制系統(tǒng)的要求。在電力傳動系統(tǒng)中，實際被控對象對傳動系統(tǒng)提出了各種要求，誤差、響應速度、恢復時間、有無振蕩等等。直接轉矩控制的基本思想是保持磁鏈幅值不變，控制定子、轉子磁鏈間的夾角實現(xiàn)控制電機的電磁轉矩。矢量控制的基本思想是建立在旋轉坐標變換及電機電磁轉矩方程上。直接轉矩控制只保證實際電磁力矩與給定力矩的吻合程度，并根據力矩誤差、磁鏈誤差及磁鏈所在扇區(qū)，選擇主開關器件的開關狀態(tài)，使電機的磁鏈按照所在軌跡運行。實

28、施電磁轉矩及磁鏈滯環(huán)控制時，電機轉矩不可避免的存在脈動，直接影響電機低速運行的平穩(wěn)性和調速范圍。另外，通過電機反電動勢的積分求得定子磁鏈，這種磁鏈電壓模型在低速時準確性很差，受逆變器死區(qū)時間、電機電阻及電壓檢測誤差的影響，自然會影響電機低速運行性能，影響電機轉速的運行范圍。永磁同步電機的用途不同，其控制方法也不同。常用的方法有：控制、功率因數等于1控制、恒磁鏈控制、最大轉矩/電流控制、弱磁控制、最大輸出功率控制等。各種控制方法具有不同的優(yōu)缺點。在按轉子磁鏈定向并使直軸電流分量為零的正弦波永磁同步電動機自控調速系統(tǒng)中,定子電流與永磁磁通相互獨立,控制系統(tǒng)簡單,轉矩恒定性好,脈動小,可以獲得很寬的

29、調速范圍,適用于高性能的數控機床、機器人等場合。但是，它有缺點：1）當負載增加時，定子電壓升高。為了保證足夠的電源電壓，電控裝置需要足夠的容量，而有效利用率卻不大；2）當負載增加時，定子電壓矢量和電流矢量的夾角也會增大，造成功率因數降低；3）在常規(guī)情況下，弱磁恒功率的長期運行范圍不大。其中控制簡單，原理上很好理解，且其實現(xiàn)的性能足以滿足洗衣機的實際需求。所以本論文采用控制的方法對基速以下的運行工況進行控制。當時，從電機端口看，相當于一臺直流電機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁磁場空間矢量正交，電動機轉矩中只有永磁轉矩分量?？刂频恼{速系統(tǒng)由以下四部分組成：位置和速度檢測模塊、

30、電流環(huán)PI調節(jié)器、速度環(huán)PI調節(jié)器、坐標變換模塊、SVPWM模塊和逆變模塊?？刂七^程：給定速度信號和檢測到的速度信號進行比較，經速度PI控制器調節(jié)后，輸出交軸電流分量作為電流PI調節(jié)器的給定信號。同時，經過坐標變換后，定子反饋電流變?yōu)橹陛S分量和交軸分量，控制直軸給定電流為零，與變換得到的直軸電流比較，經PI調節(jié)器后輸出直軸電壓ud；給定交軸電流與變換后得到的交軸電流相比較，經過PI調節(jié)器后輸出交軸電壓，然后經過坐標變換得到、軸電壓。最后通過SVPWM模塊輸出六路控制信號驅動逆變器工作，輸出可變幅值和頻率的三相正弦電流輸入電動機定子三相繞組。id=0的矢量控制框圖如下圖2.2所示：圖2.2 系統(tǒng)

31、結構圖2.3 本章小結本章首先利用坐標變換的原理簡化永磁同步電機的數學模型。然后根據控制特點和實際所需選擇的矢量控制方式，通過控制iq來控制電磁轉矩，使其達到與直流電機控制類似的控制效果。同時確定了系統(tǒng)控制框圖和具體控制過程。從而為整個系統(tǒng)的研究和分析奠定了理論基礎。55第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK實現(xiàn)第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK實現(xiàn)3.1 電壓空間矢量SVPWM技術的基本原理矢量控制是通過矢量變換控制電動機定子電流的大小和相位，達到分別控制電動機勵磁電流和轉矩電流的目的?；谵D差頻率的矢量控制還要經過坐標變換控制電動機定子電流的相位，以消除轉矩電流過渡過程

32、中的波動。無速度傳感器矢量控制是通過檢測電動機定子繞組的電壓、電流來辨識轉速，以達到控制電動機勵磁電流和轉矩電流的目的。這種控制方式工作可靠，操作簡單，但計算比較復雜，調速范圍介于矢量控制和轉差頻率控制之間。矢量控制適用于寬范圍調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。PWM技術利用半導體開關器件的開通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖的寬度或周期來達到變頻、調壓及減少諧波的目的。初期的PWM逆變器的控制目標是使得電壓呈正弦變化，但這種電路產生的電流含有諧波，這不僅增加了電動機的損耗，而且產生轉矩脈動，嚴重影響電動機的性能。為了得到更好的控制性能，人們追求電流的正弦化，SVPWM技術應運而生。就交

33、流電機調速而言，電動機電流正弦化其實就是希望在空間建立圓形磁鏈軌跡，由于磁鏈軌跡可借助電壓空間矢量得到，故又稱為電壓空間矢量控制。三相對稱正弦波電源供電時，電動機定子三相繞組上的三相對稱電壓為： (3-1)-直流母線電壓值；-電源頻率；-三相定子繞組的相電壓；定義電壓矢量，其方向在各定子繞組軸線上，在空間上互差120°，其相加的合成矢量U也為空間矢量，且可以表示為。根據三相繞組到二相繞組變換前后功率不變的原則，定子電壓的空間矢量可表示為： (3-2)當電動機轉速不是很低時，定子繞組電阻壓降可忽略不計，電動機氣隙磁通可表示為： (3-3)由此可見，磁通矢量是一個落后電壓矢量90

34、6;的旋轉矢量，磁通矢量的軌跡為圓，其半徑為。這樣，電動機旋轉磁場的形狀問題就轉化為空間電壓矢量運動軌跡的形狀問題。3.3.1 基本電壓空間矢量如圖3.1中所示的逆變器電路，V1-V6是6個功率開關管，其中同一橋臂上下兩個功率開關管的狀態(tài)是互補的，用三個開關變量Sa，Sb，Sc來表示三個橋臂的開關狀態(tài)。規(guī)定當上橋臂的開關為“開”狀態(tài)時，開關狀態(tài)值為1；反之，為0。三個橋臂只有“1”和“0”兩種狀態(tài)。因此Sa，Sb，Sc組合形成了共8種開關模式，其中000和111開關模式下逆變器輸出為0，稱之為零狀態(tài)。圖3.1 三相電壓型逆變器原理圖在變頻調速系統(tǒng)中，逆變器為電動機提供經過調制的PWM電壓。逆變

35、器不同的開關狀態(tài)和組合，以及開關時間的調整可以保證電壓空間矢量的運行軌跡為圓，可以保證產生較少的諧波且直流電壓源利用率較高的直流輸出。3s/2s坐標變換將三相靜止ABC坐標系中的相電壓轉換到兩相靜、坐標系中。轉換公式如下： (3-4)八開關狀態(tài)與相電壓在兩相靜止、坐標系中的分量成對應關系如表3.1所示。表3.1 開關狀態(tài)與兩相靜止坐標系分量對應關系開關狀態(tài)矢量符號000001000110010011000110111100由上表可知，八種開關狀態(tài)組成了8個基本電壓矢量，如果逆變器的電壓空間矢量作用順序為U1-U2-U3-U4-U5-U6，那么定子磁鏈旋轉軌跡為如圖3.2所示的正六邊形，與圓形旋

36、轉磁鏈軌跡相差甚遠。 圖3.2 基本電壓空間矢量與兩相靜止坐標的關系3.2 SVPWM波的生成方式 為了得到近似的圓形旋轉磁鏈軌跡，將圓形旋轉軌跡的每個扇區(qū)再等分成K個子區(qū)，則每個扇區(qū)將有K段圓弧。SVPWM的控制目的即通過開關狀態(tài)的組合，將8個基本空間電壓矢量進行合理組合，并控制基本電壓矢量的作用時間來實現(xiàn)磁鏈的軌跡近似圓形化。每個扇區(qū)都有兩個非零電壓空間矢量相交，通過合理調節(jié)它們的作用順序和時間，就能使定子磁鏈軌跡逼近圓形。設某個時刻Ur轉到某扇區(qū)的兩個非零電壓空間矢量，按逆時針方向設置為，分別對應的作用時間為，組合得到給定參考值Ur。 （3-5）如果Tc為采樣周期，則公式（3-6）成立。

37、Tx+TyTc （3-6）零電壓空間矢量不改變磁鏈形狀，只改變磁鏈的變化速度。那么就可以利用零電壓空間矢量來使得磁鏈的平均速度與設定速度一致，簡單而言就是每段多余的時間用零電壓空間矢量補齊。如果零電壓矢量作用時間是To，那么： Tx+Ty+T0=Tc （3-7） T7+T8=T0 （3-8）3.3 定子參考電壓的合成方法3.3.1 非零電壓空間矢量作用時間的計算以扇區(qū)為例，由圖3.2基本電壓空間矢量與兩相靜止坐標的關系可得到： （3-9） （3-10）每個有效矢量的幅值均為，由以上兩式可以解得： （3-11）同樣，我們可以得到其它扇區(qū)的參考電壓空間矢量的作用時間：表3.2 參考電壓空間矢量作用

38、時間扇區(qū)號相鄰電壓空間矢量作用時間，;對上表中作用時間做總結，不難發(fā)現(xiàn)，所有的時間可由以下三個公式表示： （3-12）那么，相鄰的非零電壓空間矢量作用時間的計算公式可歸納成下表3.3所示：表3.3 非零電壓空間矢量的作用時間N123456扇區(qū)號TxXY-YZ-Z-XTy-ZZX-X-YY之后，還要進行飽和判斷：當Tx+Ty>Tc時，；當Tx+TyTc時，保持不變，。對每一個SVPWM波的零電壓空間矢量分割方法以及選擇的不同，會產生不同的SVPWM波。選擇的原則是保證開關頻率最低，本論文使用七段法生成SVPWM波。在SIMULINK中搭建公用公式X，Y，Z的計算模塊和基本電壓矢量作用時間模

39、塊如下圖3.3和圖3.4所示：圖3.3 公用公式X，Y，Z的計算模塊圖3.4 基本電壓矢量作用時間計算模塊3.3.2 切換時間的計算得到各扇區(qū)內相鄰非零電壓空間矢量作用時間后，遵循開關次數最少的原則，采用七段式空間矢量合成方法來發(fā)送個電壓空間矢量。為了計算空間電壓矢量比較器的切換點，在此定義： (3-13)計算得到各扇區(qū)切換時間如下表3.4所示。 表3.4 各扇區(qū)的切換時間扇區(qū)號Tcm1tatbtctctbtaTcm2tbtatatbtctcTcm3tctctbtatatb據上表的切換時間生成SVPWM波，對逆變器進行控制就可以合成期望的電壓空間矢量，從而實現(xiàn)磁鏈的追蹤。顯而易見，控制器的采樣

40、頻率高，逆變器的開關頻率也高，磁鏈追蹤的精度也高，但是逆變器開關頻率的提高會造成電流諧波含量增大和開關損耗的增加。Tcm1，Tcm2，Tcm3的計算模塊如圖3.5所示。圖3.5 Tcm1，Tcm2，Tcm3的計算模塊將得到的Tcm1，Tcm2，Tcm3與等腰三角波比較，得三路PWM波形，對三者分別求反又得三路PWM波形，最后得到6路PWM輸出信號。6路信號分別控制逆變器的6個開關元件，以此來實現(xiàn)SVPWM控制。這一過程用到的PWM波生成模塊如圖3.6所示。圖3.6 PWM波生成模塊3.3.3 電壓空間矢量所在扇區(qū)的判斷根據對矢量圖幾何關系分析，可知，當參考電壓空間矢量位于扇區(qū)時，必須滿足條件：

41、0，0.采用同樣的方法可以得到電壓空間矢量位于其他扇區(qū)時滿足的條件。最終，發(fā)現(xiàn)：參考電壓空間矢量位于哪個扇區(qū)可由，,三項的正負關系確定。因此，可定義如下變量： （3-14） （3-15） （3-16）N 值與扇區(qū)的對應關系如表3.5所示:表3.5 N值與扇區(qū)的對應關系N123456扇區(qū)號根據公式（3-16）可搭建到如圖3.7所示模型。圖3.7 扇區(qū)N計算模塊組合后的SVPWM模型如圖3.8所示。圖3.8 組合成后的SVPWM模塊3.4 SIMULINK仿真介紹SIMULINK是MATLAB中的一個仿真工具軟件包， 它基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，能夠實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析，被廣泛應用

42、于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真工作中。SIMULINK可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它支持多速率系統(tǒng)。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，SIMULINK提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成。 在SIMULINK中，需要設置的仿真參數主要包括：起始時間和終止時間、仿真步長、仿真容差、數值積分算法等，還可以設置系統(tǒng)是否從外界獲取數據、是否向外界傳遞數據等仿真參數。所有這些參數都可以在“Configuration Parameters”對話框中完成設置。關于如何選擇計算器，一般要通過長期的積累獲得，這里做簡

43、單的說明。當希望通過自建模型生成代碼并在實際計算系統(tǒng)中運用這些代碼時，可以選擇固定步長解算器來仿真模型，這樣做的原因在于實時計算系統(tǒng)會以固定的采樣速率運行，若采用變步長將有可能使仿真發(fā)生錯誤。當不希望從模型生成代碼時，解算器的選擇將取決于模型的動態(tài)特征。當模型的狀態(tài)變化特別快或者包括不連續(xù)狀態(tài)時，選擇可變步長解算器可以縮短仿真時間。這是因為可變步長相對于固定步長的解算器需要更短的時間，而且兩者的計算精度相當。需要注意的是：1)當系統(tǒng)模型狀態(tài)變化較快時，為了保證計算精度，必須降低時間步長；相反，如果模型的狀態(tài)變化比較慢時，則有必要增加仿真步長。2)采用變步長模式解法器時，SIMULINK會在保證

44、仿真精度的前提下，從盡可能節(jié)約仿真時間的目的出發(fā)對仿真步長進行相應改變。3.5 SVPWM模塊仿真在規(guī)則采樣中，載波和調制波的定義是非常清楚的，但在電壓空間矢量調制算法中并沒有明確的調制波的定義。不過，既然電壓空間調制能確定各相在T（一個周期）中的脈沖寬度，那就可以計算出各相的調制波。研究表明：空間電壓矢量調制和在正弦波里加入零序分量的規(guī)則采樣SPWM調制是等效的。仿真中PWM模塊的載波頻率為5000Hz，逆變器的直流母線電壓為300V，仿真時間0.5s。Tcm的計算模塊的輸出波形如圖3.9（a）所示，三相電流輸出波形如圖3-9（b）所示。如圖3.9（a）所示，零序分量的加入使得調制波的峰值拉

45、低，所以調制波已經不是正弦波，SVPWM的調制實質是一種帶諧波注入的SPWM調制。SVPWM所產生的PWM脈沖是不連續(xù)的，在每個周期里有三分之一的時間開關不動作，使功率器件的損耗降低了三分之一，然而，調制波的畸變卻不會引起輸出電壓、電流波形的畸變。（a）Tcm的計算模塊的輸出波形（b）三相電流輸出波形圖3.9 SVPWM仿真圖圖3.10 N值波形由圖3.10可知，扇區(qū)選擇模塊工作正常：扇區(qū)選擇模塊波形輸出按照與扇區(qū)號的對應關系正確。3.6 本章小結本章在了解了電壓空間矢量的基本原理后，做了大量的數學推導驗證，在得到的數學模型的基礎上利用MATLAB/SIMULINK完成了SVPWM模塊的搭建。

46、在仿真調試的過程中遇到了幾個仿真環(huán)境設定問題，包括仿真步長的設定，計算器的選擇，輸出數據形式的選擇等等。因為計算器選擇不合理會造成波形嚴重失真而無法完成仿真，所以本文重點對解算器的選擇問題做了總結，以供參考。最后，本文給出了SVPWM中關鍵模塊的仿真結果，從波形上驗證了數學推導和模塊搭建的正確性。另外，對Tcm的計算模塊的輸出波形發(fā)生畸變的原因進行了分析。第4章 PI調節(jié)器的參數設計第4章 PI調節(jié)器參數設計現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng),除電動機外,都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成的。經過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)可以近似為低階系統(tǒng)，而用運算放大器或微機數字控制可以精確地實現(xiàn)PID控制

47、，于是就有可能將多種多樣的控制系統(tǒng)簡化或近似成典型的低階結構。如果事先對這些典型系統(tǒng)作有比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數頻率特性當作預期的特性，弄清楚系統(tǒng)的性能指標與參數的關系，寫成簡單的對應關系或制成簡單的圖形表格，則在設計時，只要把實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式或圖表進行參數計算，使得設計過程大為簡化。首先,繪制永磁同步電機調速系統(tǒng)的結構圖，如圖4.1所示。圖4.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖其中的G(s)代表電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)，如圖4.2所示。圖4.2 電流環(huán)的動態(tài)結構圖其中： （4-1） （4-2） （4-3）基于坐標變換理論和的控制的基本原理，永磁同步電機的結構可簡

48、化成類似直流電機的模型，固可借鑒雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計理論完成PI調節(jié)器的參數設計。如圖可見，調速系統(tǒng)為雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉速環(huán)。其中轉速調節(jié)器的作用：1)調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速很快的跟蹤電壓變化，穩(wěn)態(tài)時減小轉速誤差，系統(tǒng)采用PI調節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差；2）對負載變化起到抵抗干擾的作用。3）其輸出限幅值決定電動機容許的最大電流。電流調節(jié)器的作用：1）使電流緊緊跟隨電流給定的變化；2）對電網電壓的波動起到及時的抗干擾作用；3）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機容許的最大電流，加快動態(tài)過程；4）當電動機過載甚至堵轉時限制電樞電流的最大值，起自動保護的作用。電機參數和逆變器的

49、參數設置決定了PI調節(jié)器的參數，本文采用的參數如下：定子電阻：Rs=2.875；定子電感：L=8.5mH；永磁磁通：f=0.18Wb；轉動慣量：J=0.0008kg×m2；極對數：pn=2；額定功率：1.5kW；額定轉速：1500rpm；逆變器頻率：10000Hz；直流母線電壓：380V。4.1 電流調節(jié)器的設計高頻干擾的存在使得在系統(tǒng)設計中加入濾波環(huán)節(jié)顯得非常必要。濾波環(huán)節(jié)可以用一個慣性環(huán)節(jié)來代替，濾波時間常數按照需要進行設定。決定電流環(huán)傳遞函數的結構圖如圖4-2所示。其中：Kp是電流調節(jié)器的比例系數； Ki是電流調節(jié)器的積分系數； Km是逆變器的放大系數，本文中采用SVPWM控制

50、，其值為1； Ts是逆變器的開關周期； K2是電樞電阻的倒數； i是電流調節(jié)器的時間常數； T2是電感時間常數，其值等于LR； T1是濾波時間常數，本文的電流環(huán)的濾波時間常數取0.04毫秒；圖4.2的開環(huán)傳遞函數可以寫成： （4-3）一般而言，電感時間常數遠大于開關時間和濾波時間常數，在工程設計法中，選取電流調節(jié)器的時間常數等于電感時間常數，以消去大慣性環(huán)節(jié)。高頻小慣性環(huán)節(jié)的處理是用一個小慣性時間常數來代替其和，即：于是電流環(huán)可以等效成一個典型系統(tǒng)： （4-4）其中：電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數是一個典型二階系統(tǒng)： （4-5） （4-6）依據典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系3。 當KT

51、=0.5時，阻尼比=0.707，此時的指標為二階最佳。s-1計算得=30.36，=10267.864.2 轉速調節(jié)器的設計電流環(huán)設計完成后，內環(huán)可以等效成一個二階系統(tǒng)，若忽略高次項可得到近似的一階系統(tǒng)的傳遞函數： （4-7）那么轉速環(huán)的結構框圖如下：圖 4.3 電流環(huán)簡化后的結構圖是轉速環(huán)的濾波環(huán)節(jié)，本文去轉速環(huán)的濾波時間常數為2ms。是轉矩系數，和電流環(huán)一樣，把轉速環(huán)給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內前向通道上，再將小慣性環(huán)節(jié)合并。為了實現(xiàn)無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在ASR中，由于在擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)傳遞函數共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以

52、設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。實際系統(tǒng)中轉速環(huán)調節(jié)器的飽和非線性會使超調量大大下降。ASR的PI調節(jié)器的傳遞函數： （4-8）其中：分別是轉速調節(jié)器的比例系數和超前時間常數，按照相關公式： （4-9）本文取， s-2s-1到此，轉速環(huán)和電流環(huán)的PI調節(jié)器參數全部設計完成。 (4-10)4.3 仿真及參數調試在MATLABSIMULINK中搭建的整個系統(tǒng)模型如下所示：圖4.3 電壓空間矢量控制系統(tǒng)總體模型將設計好的調節(jié)器參數寫入，負載給定為10N×m，轉速給定1500rpm，仿真時間0.5s，0.3s時突加負載，得到此時轉速、定子三相電流及轉矩波形并不是預想獲得的波形。PI參數調整是一項復雜的工作，本文采用一種簡單的辦法，具體方法是：斷開速度環(huán)，給交軸電流調節(jié)的輸入端一個定值，調整電流調節(jié)器的參數，用示波器觀察轉矩輸出波形和三相電流輸出波形，使其達到最佳。此后，閉合轉速環(huán)，保持電流調節(jié)器的參數不