三電平控制策略研究

1、基于三電平逆變器的永磁同步電機(jī)的控制策略研究摘要近些年來對(duì)多電平變頻器的開發(fā)研究越來越多的運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)控制上。多電平技術(shù)通過改進(jìn)變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無需升降壓變壓器和均壓電路，即可滿足電壓型逆變器的高電壓容量大的要求。由于增加了輸出電壓電平數(shù)，使得輸出波形的輸出諧波小，各個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力也較小。因此在交流柔性輸電系統(tǒng)和高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的關(guān)注。本課題基于三電平的電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM算法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行了控制策略研究。分析永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理并且闡述了永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的數(shù)字矢量控制的實(shí)現(xiàn)過程，研究了永磁同步電機(jī)三電平SVPWM控制系統(tǒng)仿真模型的建立,

2、利用永磁同步電機(jī)三電平SVPWM控制系統(tǒng)在Matlab7.0/Simulink中建立的模型,進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了永磁同步電機(jī)三電平SVPWM控制系統(tǒng)應(yīng)用的正確性。關(guān)鍵詞：矢量控制 永磁同步電機(jī) 電壓空間矢量脈寬調(diào)制 三電平逆變器The control strategy of the permanent magnet synchronous motor which is based on the three-level inverterAbstractIn recent years, more and more researches of multilevel converter ha

3、ve been applied on motion control. Through improving the topological structure of convertor, multilevel converter doesnt have to step-up or step-down the transformer and equalizer circuit to meet the requirement of high capacity of the voltage source inverter. As the addition of the number of output

4、 voltage level, the output waveform has decreased and the voltage stress of every switching element has been decreased as well. Therefore, multilevel converter has caused close attention on Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) and high-voltage frequency converting system. Based

5、on the control policy research of voltage space vector PWM of three-level to permasyn motion, the thesis analyzes the theory of Vector Controlled PMAM System, expounds the implementation procedure of it, investigates the found of simulation model on three-level SVPWM control for permanent magnet syn

6、chronous motor system and takes the advantage of three-level SVPWM control system of permanent magnet synchronous motor in the model established in Matlab7.0/Simulink, and conducts a simulation experiment. And the result of simulation experiment has proved the correctness of tri-level voltage SVPWM

7、system of PMSM.Keywords: Permanent magnet synchronous motor Voltage space vector pulse width modulation Vector control Three level inverter目 錄1 緒論11.1 本文目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀21.3 本課題的主要工作32 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法42.1 三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)42.1.1 三電平逆變器的分類及介紹42.1.2 二極管箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理42.1.3 電容箝位式多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62.1.4 級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)

8、構(gòu)72.2 三電平逆變器SVPWM算法8 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM92.2.2 三電平逆變器SVPWM的計(jì)算方法93 控制策略研究143.1 永磁同步電機(jī)電機(jī)模型143.1.1 永磁同步電機(jī)概述143.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)143.2 矢量控制研究153.2.1 概述153.2.2 正弦PWM153.2.3 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM164 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)174.1 仿真環(huán)境174.2 仿真結(jié)構(gòu)圖建立17 區(qū)域判斷的仿真174.2.2 時(shí)間計(jì)算的仿真184.2.3 時(shí)間狀態(tài)分配的仿真19 主電路的仿真結(jié)構(gòu)圖234.3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)234.4 響應(yīng)曲線及波形244.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果與分析275

9、結(jié)論28致謝29參考文獻(xiàn)30第1章 緒論能源短缺和環(huán)境污染是人類當(dāng)前面臨的共同的世紀(jì)性難題。特別是在我國(guó),面臨工業(yè)用電的巨大浪費(fèi)和環(huán)境污染。針對(duì)這個(gè)問題，高性能的高壓大容量交流調(diào)速技術(shù)成為國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。如工業(yè)用電中，每天都有大量的電能被高壓大功率電機(jī)設(shè)備消耗掉。如果采用高壓大容量變頻調(diào)速裝置，而不是現(xiàn)階段常用的控制系統(tǒng)來拖動(dòng)交流電機(jī),這樣不僅能降低單產(chǎn)能耗,同時(shí)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展是具有重大意義的。多電平變換器技術(shù)已經(jīng)成為電力電子學(xué)中，以高壓大功率變換為研究對(duì)象的一個(gè)新的研究領(lǐng)域1。多電平變換器的研究中，基于三電平逆變器的永磁同步電機(jī)的控制策略研究受到了學(xué)者們的關(guān)注。本課題首先介紹了三電平逆

10、變器的電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的研究背景和意義，進(jìn)一步了解了它在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和研究前景，然后以三電平逆變器SVPWM算法為研究手段，進(jìn)行前面的仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)，更進(jìn)一步來闡述本文的主要工作和目的。1.1 本文目的和意義三電平逆變器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，它的電路拓?fù)湫问綇牧硪粋€(gè)角度上也可以看成是多電平逆變器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)特例。目前從功率開關(guān)器件發(fā)展的水平上來看，上萬伏的耐壓器件在短期內(nèi)還是難以實(shí)現(xiàn)的，多電平技術(shù)成為解決高壓大功率變頻調(diào)速問題的有效途徑;當(dāng)前電力系統(tǒng)廣泛采取高壓直流輸電方式的形勢(shì)下，多電平技術(shù)在電力輸配電方面也具有重要的作用?；陔妷盒腿娖侥孀冸娐窂脑囼?yàn)期進(jìn)入實(shí)用化階段，對(duì)其進(jìn)行分

11、析和研究是具有實(shí)際意義的。一般都認(rèn)為多電平逆變器是建立在三電平基礎(chǔ)之上的，按照三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似拓展而成的。由此得出結(jié)論：對(duì)應(yīng)越多的電平數(shù)，產(chǎn)生的電平臺(tái)階就越多，從而波形越近似正弦波，諧波成分也就越少。但是在實(shí)際應(yīng)用中由于受到硬件條件和控制條件的制約,這種理論上可達(dá)到任意N電平的多電平逆變器是不存在的，在追求性能指標(biāo)的前提下，通常并不追求過高的電平數(shù)。三電平電路的優(yōu)點(diǎn)：1 開關(guān)器件在任何時(shí)刻都是斷開狀態(tài)的，因此所受到的壓降減小，故在容量大電壓高的場(chǎng)合更加合適。2 輸出電壓可以是多層階梯形，這樣要得到很接近的正弦波只用對(duì)階梯波再調(diào)制就可以了，處理方便出波效率高。理論上可以通過提高電平數(shù)來

12、調(diào)節(jié)波形,使其無限趨近標(biāo)準(zhǔn)正弦波,當(dāng)中只含有少量的諧波成分。3 電磁干擾問題減小，通常開關(guān)元件每進(jìn)行一次關(guān)斷的dv / dt只有傳統(tǒng)兩電平的一半。4 效率很高。比如同樣是消除諧波，兩電平PWM控制法在頻率很高的條件下進(jìn)行關(guān)斷的，由于開關(guān)頻率高,損耗也大大；而三電平逆變器不存在這些問題，提高了效率。5 開關(guān)頻率遠(yuǎn)低于主要高次諧波。另一方面由于它需要的開關(guān)器件比較多，控制算法又復(fù)雜，同時(shí)存在電位不平衡等一系列的問題，也限制了它在低壓小功率環(huán)境下的應(yīng)用。因此，基于三電平逆變器的永磁同步電機(jī)的矢量控制，本課題對(duì)其著重介紹并完整的模擬仿真，從其PWM算法及控制策略方向上深入地研究，對(duì)其電路組成和控制原理

13、進(jìn)行系統(tǒng)的鉆研，對(duì)三電平技術(shù)乃至多電平技術(shù)的工程應(yīng)用有著重要的意義。1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀1971年,基于異步電機(jī)有些學(xué)者提出了磁場(chǎng)的定向矢量控制理論，以交流電機(jī)模型為前提，解耦定子電流直軸和交軸分量，從而控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在這之后，磁場(chǎng)定向控制被應(yīng)用到了永磁同步電機(jī)的控制中去，將其控制系統(tǒng)分為速度閉環(huán)、電流閉環(huán)、位置閉環(huán)和空間矢量脈寬調(diào)制幾個(gè)部分。其中，對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制的研究很快被廣泛應(yīng)用。1980年，日本長(zhǎng)崗科技大學(xué)的ANabae等人在IAS年會(huì)上首次提出中點(diǎn)箝位式(NPC)逆變器, 是二極管鉗位式三電平逆變器的雛形，是多電平逆變器的基礎(chǔ)。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的

14、研制開辟了新的思路，其后在高壓大功率變頻調(diào)速方面得到了廣泛的應(yīng)用。1983年，Bbagwat等人在這一基礎(chǔ)之上，將三電平電路推廣到任意N電平電路中來，對(duì)中點(diǎn)鉗位式逆變器電路及其統(tǒng)一結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的研究。這些工作為高壓大功率變換器的研究提供了一條嶄新的思路。20世紀(jì)90年代，以高壓IGBT、IGCT為代表的性能優(yōu)異的復(fù)合器件的發(fā)展引人注目，并在此基礎(chǔ)上衍生了很多新型的變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的重要課題，至此三電平變換器的研究和應(yīng)用開始了迅猛的發(fā)展。在西方國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)兆瓦級(jí)的多電平逆變器產(chǎn)品大量進(jìn)入市場(chǎng),并廣泛用于各種高要求高性能系統(tǒng)中。作為一種新型的逆變器類型，多電平逆變器產(chǎn)生

15、的背景是為了克服傳統(tǒng)逆變器在一次開關(guān)動(dòng)作過程中，由較高的dv/dt，di/dt所引起的開關(guān)應(yīng)力等一系列的缺點(diǎn)，通過對(duì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使所有功率器件都在基頻以下工作，從而達(dá)到減小開關(guān)應(yīng)力，改善輸出波形的目的。但因多電平電路所需的功率器件較多，操作起來更加復(fù)雜，所以從提高性能比角度上來講，它更適合于大功率場(chǎng)合2,3。目前三電平逆變技術(shù)在國(guó)外已逐步進(jìn)入實(shí)用的階段4，但國(guó)內(nèi)還處于萌芽狀態(tài)，我們廣泛的使用仍然是傳統(tǒng)的大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)能夠研制、生產(chǎn)并提供售后服務(wù)的中高壓變頻器只是個(gè)別企業(yè)，具備科研能力或資金實(shí)力的，國(guó)外公司占據(jù)了市場(chǎng)的大部分。所以將來國(guó)內(nèi)的研究者仍然有大量的工作要去做。隨

16、著新型電力電子器件及DSP智能芯片的普及，這一技術(shù)必將廣泛的應(yīng)用到大功率場(chǎng)合，未來無論在工業(yè)上還是學(xué)術(shù)上將占有更大的市場(chǎng)。1.3 本課題的主要工作本文主要工作的章節(jié)安排如下:1 對(duì)三電平技術(shù)進(jìn)行綜合概述，對(duì)其產(chǎn)生的背景、目前的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景進(jìn)行深入研究，提出了研究這項(xiàng)技術(shù)的意義。2 利用數(shù)據(jù)圖形了解二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，然后通過三電平SVPWM控制技術(shù)算法來介紹它的工作原理，熟悉其算法的原理和步驟。3 研究了永磁同步電機(jī)模型及其矢量控制系統(tǒng)。4 對(duì)三電平空間矢量脈寬調(diào)制算法進(jìn)行MATLAB仿真。5 總結(jié)歸納仿真的結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。第2章 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算

17、法2.1 三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.1.1 三電平逆變器的分類及介紹三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有二極管箝位式、電容箝位式和級(jí)聯(lián)型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中運(yùn)用最廣泛的是二極管箝位式多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它能有效地提高換流系統(tǒng)的耐壓、降低輸出電壓諧波和開關(guān)損耗，在電力系統(tǒng)的大功率應(yīng)用中受到普遍的重視。本課題中著重研究的是三電平二極管箝位式。研究表明，三電平逆變器的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一些共同優(yōu)點(diǎn)：都適合大容量、高電壓變頻場(chǎng)合；為了獲得較好的波形通常會(huì)在在較低的工作頻率下開關(guān)器件，因此開關(guān)損耗低，效率高；大大減輕了電路的電磁干擾等問題。但是級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的電路拓?fù)湫枰?dú)立的直流電源，限制了它的應(yīng)用范圍；增加電容數(shù)目給

18、電容箝位式電路拓?fù)鋷碇T多不便，導(dǎo)致它進(jìn)行有功功率傳輸時(shí)控制復(fù)雜。因此，本文中三電平逆變器的主電路選用的是二極管箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.1.2 二極管箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理首先，我們了解一下三電平逆變器的空間矢量脈寬調(diào)制算法16。三電平逆變器空間矢量PWM控制算法的主回路接線圖。圖2.1 三電平空間矢量PWM從圖中看，每個(gè)橋臂上有4個(gè)功率開關(guān)、4個(gè)反并聯(lián)的反向恢復(fù)二極管、2個(gè)箝位二極管。在a相中，設(shè)從上到下的4個(gè)功率開關(guān)分別為Sa1、Sa2、Sa3、Sa4。當(dāng)Sa1和Sa4導(dǎo)通時(shí)，交流側(cè)對(duì)應(yīng)的電壓為+Ed/2;當(dāng)Sa3和Sa4導(dǎo)通時(shí)交流側(cè)對(duì)應(yīng)的電壓為-Ed/2；當(dāng)Sa2和Sa3導(dǎo)通時(shí)，交流側(cè)對(duì)應(yīng)的電壓

19、為零。由此可推出，三電平逆變器有種開關(guān)狀態(tài)圖2.2 三電平二極管箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如上圖所示，每一相都需要4個(gè)主開關(guān)器件、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)箝位二極管，當(dāng)同時(shí)導(dǎo)通T1和T2，輸出端A對(duì)O點(diǎn)的電平為Vdc/2；當(dāng)同時(shí)導(dǎo)通T2和T3，輸出端A和O點(diǎn)相連，它的電平為O；當(dāng)同時(shí)導(dǎo)通T3和T4，輸出端A對(duì)O點(diǎn)的電平為Vdc/2，所以有三個(gè)電平狀態(tài)從每相橋臂中輸出，三相這種橋臂組成的變換電路即是二極管箝位式三電平逆變器電路5。一相橋臂電路在穩(wěn)態(tài)下的具體工作情況：同時(shí)導(dǎo)通開關(guān)管1和2時(shí)，3和4關(guān)斷，如果電流是從負(fù)載流向逆變電路的，從A分別經(jīng)過續(xù)流二極管D2、D1流進(jìn)P點(diǎn)，此時(shí)輸出端A的電位仍等同于P的電位；若

20、電流是從逆變電路流向負(fù)載，即從P點(diǎn)經(jīng)由1和2到達(dá)輸出端A，不計(jì)開關(guān)器件的正向?qū)▔航?，輸出端A的電位等同于P的電位，即Vdc/2。在其他開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)，同理也是按照這種方式分析的。對(duì)應(yīng)的電流流向相應(yīng)的負(fù)載或者逆變電路，以此來找出各個(gè)點(diǎn)的電位。根據(jù)上面的工作原理分析，T1和T3，T2和T4的工作狀態(tài)是相反的，且主開關(guān)管Tl和T4不能同時(shí)導(dǎo)通，平均每個(gè)主開關(guān)管所承受的正向阻斷電壓Vdc/2，也是三電平逆變器的基本控制規(guī)律之一6,7。本課題中研究的即是這種三電平逆變器8。2.1.3 電容箝位式多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電容箝位式多電平逆變器也叫做飛跨電容型多電平逆變器，它采用懸浮電容代替二極管對(duì)功率開關(guān)

21、進(jìn)行直接箝位，不存在二極管箝位式逆變器中主、從功率開關(guān)的阻斷電壓不均衡和箝位二極管反向電壓難以快速恢復(fù)的問題9。電容箝位式多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：圖2.3 電容箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器電平數(shù)容易擴(kuò)展是電容箝位式多電平逆變器的顯著優(yōu)點(diǎn)，另外它的逆變器的控制也非常靈活，而且只需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的整流側(cè)7。但是需要大量的電容成為了它最大的問題，并且為了保證逆變器的運(yùn)行安全，必須嚴(yán)格控制電容電壓的平衡關(guān)系。雖然采用不同的開關(guān)組合可以解決電容電壓平衡的問題。但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電容太多，如何選擇開關(guān)組合就會(huì)變得非常的復(fù)雜，而且還要要求很高的頻率，這樣一來就大大限制了它的廣泛應(yīng)用。2.1.4 級(jí)聯(lián)型多

22、電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在所有的橋式級(jí)聯(lián)型拓?fù)渲?，最基本的是H橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)，它將多個(gè)H橋串聯(lián)從而產(chǎn)生高的輸出電壓10,11。圖2.4 級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如上圖2.1.4.1所示：相比較二極管箝位型和飛跨電容型多電平逆變器 12，級(jí)聯(lián)型拓?fù)洳恍枰罅矿槲欢O管和飛跨電容，僅需要多個(gè)獨(dú)立直流電壓源。級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：1 采用相互分離的直流電源作為直流側(cè)，電壓均衡問題不存在了。不需要箝位二極管或電容。相同的電平數(shù)，器件數(shù)最小，易于安裝。2 組合方式基于低壓小容量逆變器，技術(shù)成熟，可靠性高，很容易模塊化，較適用于多電平應(yīng)用場(chǎng)合。3 由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，

23、使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。4 易于采用軟開關(guān)技術(shù)，以避免笨重，耗能的阻容吸收電路。但是它也不是完美的，當(dāng)采用不控整流得到這些直流電源時(shí)，通常采用多繞組移相變壓器來減小對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。導(dǎo)致這種變壓器體積龐大，成本高，設(shè)計(jì)困難。故而在實(shí)際應(yīng)用中，沒有二極管箝位式使用得廣。2.2三電平逆變器SVPWM算法2.2.1空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM，它的主要思想是：以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作為適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，一所形成的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁

24、鏈圓。SVPWM將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)看做一個(gè)整體來考慮，簡(jiǎn)單化了，微處理器的實(shí)時(shí)控制更便利。三電平空間矢量脈寬調(diào)制逆變器有著很顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于其每個(gè)功率開關(guān)能承受的電壓是傳統(tǒng)二電平的兩倍，而它每相提供了三個(gè)電壓狀態(tài)，每一個(gè)控制周期內(nèi)的給定電壓可使用三個(gè)最接近的電壓矢量來表示，使輸出電壓等于給定電壓，這樣諧波明顯減少了13。所以它越來越多的受到人們的注意。六個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成的三個(gè)半橋組成了一個(gè)普通三相全橋。這個(gè)六個(gè)開關(guān)器件組合起來共有8種安全的開關(guān)狀態(tài)。其中不會(huì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生有效的電流的狀態(tài)有000、111這兩種。因此稱他們?yōu)榱闶噶?，另外六種非別稱為六個(gè)有效矢量。它們將360度的電壓空間分為六個(gè)

25、扇區(qū)，60一個(gè)扇區(qū)，利用這六個(gè)有效矢量和兩個(gè)零矢量可以合成360度內(nèi)任何矢量，利用時(shí)間長(zhǎng)短去表示每個(gè)矢量的作用大小。因此SVPWM具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、 在每個(gè)小區(qū)間雖然有多次開關(guān)切換，但每次切換只動(dòng)作一個(gè)器件，所以開關(guān)的損耗很小。2、三相PWM波是電壓空間矢量直接生成的，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單14。2.2.2 三電平逆變器SVPWM的計(jì)算方法根據(jù)參考矢量合成的原則三電平SVPWM算法可分三步：區(qū)域判斷、時(shí)間計(jì)算和時(shí)間狀態(tài)分配。2.2.2.1 區(qū)域判斷找出合成參考電壓矢量的三個(gè)基本矢量即是區(qū)域判斷的主要目的。根據(jù)三電平基本空間矢量圖（圖2.5）圖2.5 空間矢量區(qū)域劃分用6個(gè)大區(qū)域?qū)⒄麄€(gè)矢量空間分開，再將每

26、個(gè)大區(qū)域分成4個(gè)小區(qū)域。由于基本空間矢量中的短矢量在每個(gè)采樣周期中出現(xiàn)的次數(shù)多，為了算法及仿真的準(zhǔn)確性，再用6個(gè)小區(qū)域?qū)⒚總€(gè)大區(qū)域細(xì)分。用I、II、III、IV、V、VI表示大區(qū)域，用1、2、4、5、6表示小區(qū)域。按照60度劃分一個(gè)大區(qū)域，依據(jù)參考電壓矢量去判斷所在的大區(qū)域。根據(jù)小區(qū)域的區(qū)域分布和幾何關(guān)系，可依照以下方法判斷其所在的小區(qū)域。圖2.6小區(qū)域判斷以第I大區(qū)為例，如上圖，和分別表示參考電壓矢量在軸和軸上的投影，幅角為，則=cos , =sin1 當(dāng)30時(shí)，在區(qū)域1或3或5內(nèi)。 若-+，則在小區(qū)域1內(nèi)； 若-，則在小區(qū)域5內(nèi)； 否則，在小區(qū)域3內(nèi)。2 當(dāng)30時(shí)，在區(qū)域2或4或6內(nèi)。若-

27、+，則在小區(qū)域2內(nèi)； 若，則在小區(qū)域6內(nèi)； 否則，在小區(qū)域4內(nèi)。2.2.2.2 時(shí)間計(jì)算判斷出參考矢量所在的區(qū)域，根據(jù)NTV法則，可以找到合成參考電壓矢量的三個(gè)基本矢量，連同參考電壓矢量一起，代入伏秒平衡方程組解出，：例如以I大區(qū)4小區(qū)，=，=，=，將它們代入伏秒平衡方程組得講上述方程按照實(shí)部虛部分開：Re：Im：解得，分別為，其中，按照上述方法即可求出參考電壓矢量在其他區(qū)域時(shí)基本矢量的時(shí)間。2.2.2.3 時(shí)間狀態(tài)分配 由三電平空間矢量脈寬調(diào)制算法基本空間矢量圖可知，大矢量、中矢量與開關(guān)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)為2組短矢量，對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)3組零矢量。選短矢量作為起始矢量。為了讓作用時(shí)間和開關(guān)

28、狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，起始矢量選用負(fù)短矢量。選取零矢量是根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的作用次序。 開關(guān)狀態(tài)的作用次序：任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂開關(guān)動(dòng)作，即在二進(jìn)制矢量表示中，最多只能有一位發(fā)生變化。因?yàn)槿绻试S有兩個(gè)或三個(gè)橋臂同時(shí)動(dòng)作，則會(huì)有反極性的脈沖出現(xiàn)在線電壓的半周期內(nèi)，并產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起電磁噪聲和脈動(dòng)。根據(jù)上述原則，每個(gè)采樣周期的起始矢量選用負(fù)短矢量，則每個(gè)矢量空間區(qū)域的狀態(tài)作用次序如下表2.2.2所示。表2.2.2 矢量狀態(tài)次序表其中n，o，P分別表示對(duì)應(yīng)的三相為低電平，零電平，高電平。矢量狀態(tài)分配采用中心對(duì)稱的七段式SVPWM波形，給定了基本矢量的作用時(shí)間?；臼噶康淖饔脮r(shí)間與矢量狀態(tài)的對(duì)應(yīng)

29、關(guān)系如下圖所示。圖2.2.2.3 七段式SVPWM波形將對(duì)應(yīng)的矢量狀態(tài)分配到對(duì)應(yīng)基本矢量的作用時(shí)間，也就是將對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件分配導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路開關(guān)器件的控制15。第3章 控制策略研究3.1 永磁同步電機(jī)電機(jī)模型3.1.1 永磁同步電機(jī)概述在上世紀(jì)五十年代出現(xiàn)的永磁同步電機(jī)，運(yùn)行原理與普通同步電機(jī)相同，選用了永磁體來給激磁繞組激磁，使得它的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。永磁同步電機(jī)的不同之處是沒有了普通同步電機(jī)所特有的集電環(huán)和電刷，因此電機(jī)運(yùn)行的可靠性得到很大的提升。由于激磁使用的是永磁體，無須激磁電流，電機(jī)效率和功率因數(shù)也提高了。它在起動(dòng)時(shí)，雖然定子繞組中通以交變電流并建立旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的定

30、子磁場(chǎng)在永磁體磁極中產(chǎn)生相互作用，由于其轉(zhuǎn)子慣性較大，使得電機(jī)無法獲得足夠的起動(dòng)力矩。3.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)除電機(jī)外，永磁同步電機(jī)主要由以下幾個(gè)模塊組成的：驅(qū)動(dòng)單元、位置控制系統(tǒng)、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元。1電機(jī)：它的電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點(diǎn)。2驅(qū)動(dòng)單元：驅(qū)動(dòng)單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。3控制單元：控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。4位置控制系統(tǒng)。對(duì)于不同的信號(hào)，位置控制系統(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號(hào)有三種形式

31、:位置輸入、速度輸入以及加速度輸入。5接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。3.2 矢量控制研究3.2.1 概述通過測(cè)出和分解定子電流來實(shí)現(xiàn)矢量控制的，其中分別對(duì)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的控制方法，是利用磁場(chǎng)定向原理來進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的，以此來進(jìn)行異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。具體做法是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分為能產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 (勵(lì)磁電流) 和能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) ，對(duì)二者分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量17，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。3.2.2 正弦PWM3.2.2.1 正弦PWM概述正弦PWM是在每半個(gè)周期內(nèi)輸出多個(gè)不同寬度

32、的矩形脈沖波，每個(gè)矩形波的面積近似到相應(yīng)正弦波中，也就是說可用一個(gè)與該面積相等的矩形來代替相應(yīng)每一等份的正弦波的面積，故可用這N個(gè)等幅(Vd)不等寬的矩形脈沖來表示正弦波形所包圍的面積。每個(gè)對(duì)應(yīng)的矩形脈沖的寬度均可由理論計(jì)算得出：因?yàn)榈妊切尾ǖ膶挾茸陨舷蛳率蔷€性變化的，所以當(dāng)它與某一光滑曲線相交時(shí)，可得到一組幅值不變而寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可生成正弦PWM波形。3.2.2.2 正弦PWM的模擬控制信號(hào)發(fā)生器提供三相對(duì)稱的參考正弦電壓調(diào)制信號(hào)，可通過調(diào)節(jié)其頻率和幅值,來達(dá)到控制他的目的。三角波發(fā)生器分別提供各相共用的三角載波信號(hào)，在比較器上它分

33、別與各相的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較, 給出正或零的飽和輸出, 產(chǎn)生正弦PWM 脈沖序列波。這樣，就能模擬出正弦PWM脈沖序列波。3.2.2.3 正弦PWM的實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)時(shí)計(jì)算一定要有對(duì)應(yīng)的數(shù)模，其中建立最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型就是等效面積，它的原理就是按面積相等的原則，將正弦波等效成為一系列的等幅不等寬的矩形脈沖。根據(jù)已知正弦數(shù)值依次算出每個(gè)脈沖的寬度，求出各個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的矩形面積綜合求和，得到的面積和即可近似為相應(yīng)的正弦波的面積。3.2.3 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWMSVPWM是空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation)的簡(jiǎn)稱。這里關(guān)于SVPWM的介紹在第二章已經(jīng)

34、闡述，故不作過多說明。重點(diǎn)探討一下SVPWM與正弦PWM的區(qū)別。脈沖寬度調(diào)制(PWM):晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上；晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開。這樣通過改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間（即調(diào)占空比ton）就可以調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。對(duì)比SVPWM的產(chǎn)生原理可知，SVPWM本身的產(chǎn)生原理與PWM沒有任何關(guān)系，只是形似。正弦波脈寬調(diào)制，將正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來替代。三角波載波信號(hào)Ut與一組三相對(duì)稱的正弦參考電壓信號(hào)Ura、Urb、Urc比較后，產(chǎn)生的SPWM脈沖序列波Uda 、Udb、Udc作為

35、逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時(shí)所要求的正弦波，調(diào)節(jié)正弦波參考信號(hào)的幅值和頻率就可以調(diào)節(jié)SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。總結(jié)可知，SVPWM與SPWM的原理和來源有很大不同，但是他們確實(shí)殊途同歸的18。SPWM由三角波與正弦波調(diào)制而成，而SVPWM卻可以看作由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成，這點(diǎn)可以從數(shù)學(xué)上證明。第4章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)4.1仿真環(huán)境前一章證明了三電平逆變器SVPWM算法的實(shí)現(xiàn),并給予了解決辦法。本章將會(huì)使用Simulink仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證SVPWM算法的正確性。這里使用的軟件版本是MATLAB7.0。它集數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、信號(hào)

36、處理和圖形顯示于一體，已經(jīng)在控制領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用19。4.2仿真結(jié)構(gòu)圖建立4.2.1 區(qū)域判斷的仿真 按照每60度為一區(qū)，三電平SVPWM算法把整個(gè)空間矢量分成6個(gè)大區(qū)，仿真時(shí)以參考矢量的幅角劃分為準(zhǔn) 20。如下圖4.2.1.1:圖4.2.1.1大區(qū)域判斷仿真圖每個(gè)大區(qū)域又可以分成6個(gè)小區(qū)域:圖4.2.1.2 小區(qū)域判斷仿真圖4.2.2 時(shí)間計(jì)算的仿真從上圖中可以看出，整個(gè)矢量空間總有6個(gè)大的區(qū)域，每個(gè)大區(qū)域又有6個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域又有3個(gè)基本矢量，三個(gè)基本矢量同時(shí)對(duì)應(yīng)3個(gè)作用時(shí)間，。將每個(gè)大區(qū)劃分為6個(gè)小區(qū)，盡管1小區(qū)和2小區(qū)，3小區(qū)和4小區(qū)對(duì)應(yīng)的三個(gè)作用時(shí)間相同，但是與矢量狀態(tài)次序?qū)?/p>

37、應(yīng)后的，卻完全不同。故可以用108個(gè)作用時(shí)間劃分整個(gè)空間。以I大區(qū)1小區(qū)為例，,。仿真模型圖如下圖:圖4.2.2.1作用時(shí)間仿真圖按照以上原理，可以建立類似模型來算出其他的作用時(shí)間。4.2.3 時(shí)間狀態(tài)分配的仿真時(shí)間狀態(tài)分配是對(duì)應(yīng)各個(gè)基本矢量的開關(guān)狀態(tài)及作用次序的確定，給對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件的關(guān)斷狀態(tài)分配作用時(shí)間。七段式時(shí)間分配的實(shí)現(xiàn)。從區(qū)域判斷中可知，用短矢量作為每個(gè)采樣周期的起始矢量，各個(gè)小區(qū)域?qū)?yīng)的作用時(shí)間是相同的，他們與矢量狀態(tài)次序的對(duì)應(yīng)的基本矢量作用時(shí)間分別為，因此所有區(qū)域的時(shí)間分配都是一樣的，不同的是，的值。故可以用相同仿真模塊，如圖4.2.3.1所示：圖4.2.3.1 七段式時(shí)間分配仿

38、真圖接下來進(jìn)行確定矢量狀態(tài)次序。根據(jù)狀態(tài)的作用次序原則，以負(fù)短矢量作為每個(gè)采樣周期起始矢量，以0，1，2表示矢量狀態(tài)n，o，P，則矢量狀態(tài)次序仿真數(shù)據(jù)表就可以由矢量狀態(tài)次序表一一對(duì)應(yīng)，如下表4.2.3.1所示：表4.2.3.1 矢量矢量狀態(tài)次序仿真數(shù)據(jù)表然后就是矢量狀態(tài)次序的仿真圖的建立。如下圖4.2.3.2：圖4.2.3.2 矢量狀態(tài)次序的仿真圖下一步就是從矢量狀態(tài)次序轉(zhuǎn)換到開關(guān)狀態(tài)。主電路的三相電平狀態(tài)為低電平，零電平或高電平，用它們來表示矢量狀態(tài)；主電路中的開關(guān)元件的正常狀態(tài)是關(guān)斷或?qū)ǎ硎鹃_關(guān)狀態(tài)。如果用-1，0，1表示低電平，零電平，高電平，用0，1表示開關(guān)元件的工作狀態(tài)為關(guān)斷，導(dǎo)通，則對(duì)應(yīng)關(guān)系的矢量狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)如下表4.2.3.3所示：表4.2.3.3 矢量狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)表電平狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)Q1Q2Q3Q41110000110-10011根據(jù)每相開關(guān)元件的動(dòng)作順序以及對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，將矢量狀態(tài)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的仿真模型如下圖4.2.3.4所示。圖4.2.3.4 矢量狀態(tài)轉(zhuǎn)化開關(guān)狀態(tài)的仿真圖這樣，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間狀態(tài)分配模塊的仿真。4.2.4 主電路的仿真結(jié)構(gòu)圖SIMULINK內(nèi)提供了三電平逆變器SVPWM控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖，如下圖4.2.4.1：圖4.2.4.1 SVPWM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)前述為永磁同步電機(jī)系統(tǒng)仿真所建立的各