四開關三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)_圖文

1、四開關三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)收稿日期:2009 06 03吳延華,鄒存芝(黑龍江科技學院電氣與信息工程學院,哈爾濱 150027摘 要:四開關三相逆變器作為傳統(tǒng)六開關逆變器故障后重構拓撲得到了研究重視。該文研究了四開關三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng),分析了四開關逆變器空間矢量脈寬調制(S V P WM技術,并在搭建的仿真和實驗平臺上進行了對比研究。結果表明,四開關逆變器的采用實現了永磁同步電動機驅動系統(tǒng)的容錯運行,同時由于使用較少的功率器件也減小了系統(tǒng)體積,降低了成本。關鍵詞:永磁同步電動機;四開關三相;矢量控制;SVP WM中圖分類號:TM351;T P276 文獻標志碼:A 文章編

2、號:1001 6848(201008 0067 04Vector Control Syste m of Four s witch Three phase Perm anentM agnet SynchronousM otorsWU Y an hua,ZOU Cun zhi(Institute of E lectrical and Infor m ation E ng ineering,H eilongjiang College ofS cience and T echnology,H arbin150027,ChinaAbst ract:Four s w itch three phase i

3、n verter is be i n g attached as a post fau lt recon fi g uration topo logy.Per m anent synchronous m agnet m oto r(P M S Mvector contro l syste m fed by four s w itch three phase i n verter w as studied in this paper.Space vector pu lse w i d th m odu lation(SVP WMfor four s w itch i n verters w as

4、 an alyzed and co m pleted co m parison research on the bu ilt si m ulati o n and experi m ental p latf o r m s.The si m u la ti o n and experi m enta l results de m onstrate that fault to lerant operation of P M S M can be ach ieved by m eans o f the adoption o f four s w itch inverter.And a lso,th

5、e syste m ic cost and vo lu m e are reduced because of the lesser e mp l o yed po w er co m ponents.K ey W ords:Per m anent m agnet synchr onous m o tor;Four s w itch t h ree phase i n verter;V ector contro;l SVP WM0 引 言采用三相電壓源逆變器供電的永磁同步電動機系統(tǒng)以其良好的控制特性、較高的功率密度和效率等優(yōu)點在工業(yè)、航天航空和軍事等領域得到了廣泛應用。然而,永磁同步電動機(P

6、M S M驅動系統(tǒng)中的功率半導體器件及其控制電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié),其可靠性問題一直沒有得到有效解決1。功率變換器一旦發(fā)生故障,輕則將造成系統(tǒng)停機影響生產,重則造成災難性事故。盡管人們?yōu)樘岣唠姍C驅動系統(tǒng)的可靠性而采取降額設計和并聯冗余等方法,但這會使系統(tǒng)造價過高,且僅適用于空間條件允許的場合。為改變這種狀況,國外已有研究者提出逆變器容錯技術2 4。四開關三相逆變器作為一種常用的故障重構與低成本拓撲,得到了研究者的廣泛重視5 8。本文將四開關三相逆變器用于永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng),研究了四開關三相逆變器的空間矢量脈寬調制(SVP WM。為驗證理論分析的正確性和所提方法的可行性,搭建了仿真

7、模型,并基于DSP TM S320F2812設計了三相四開關永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng),與傳統(tǒng)六開關逆變器系統(tǒng)進行了仿真和實驗對比研究。結果表明,四開關逆變器可以作為傳統(tǒng)逆變器故障后的重構拓撲,實現永磁同步電動機驅動系統(tǒng)容錯運行,同時較少功率器件的采用也減小了系統(tǒng)體積,降低了成本。1 系統(tǒng)總體設計四開關三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)組成如圖1所示。與傳統(tǒng)永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)相比,逆變器采用了四開關拓撲,母線上串聯兩個電容,并把中點抽出與一相繞組相連。被控電機為67 表面磁鋼永磁同步電動機,控制系統(tǒng)采用與傳統(tǒng)六開關P M S M 相同的轉子磁場定向控制,即,控制。通過采樣繞組電流,利用坐標

8、變換理論實現同步旋轉坐標系下的電流閉環(huán)調節(jié);速度環(huán)調節(jié)輸出作為交軸電流的給定值,以實現對電機轉矩的控制;電機轉子位置和速度通過與轉子同軸連接的位置傳感 器獲得。圖1 四開關三相P M S M 矢量控制系統(tǒng)組成2 四開關三相逆變器及其S VP WM 控制2 1 四開關逆變器拓撲四開關三相逆變器拓撲如圖2所示。其中一相繞組端連接在直流母線串聯電容的中點上,通過兩個電容的充放電來產生該相繞組所需的電流。由于較傳統(tǒng)逆變器減少了兩個功率開關器件和續(xù)流二極管,降低了系統(tǒng)成本,相應的P WM 控制策略也不同 于六開關逆變器。圖2 四開關逆變器拓撲2 2 四開關SVP WM 控制SVP WM 控制是以三相對稱

9、正弦波電壓供電時交流電動機產生的理想圓形磁鏈軌跡為基準,用逆變器不同的開關模式產生的實際磁通去逼近基準磁鏈圓,從而達到較高的控制性能9。傳統(tǒng)的六開關逆變器可提供6個有效電壓矢量和2個零矢量,而四開關逆變器只有4個開關狀態(tài),對應4個基本電壓矢量,且沒有零矢量?？刂谱杂啥冉档?難度加大。如圖2所示,用開關函數s b 、s c 分別表示b 、c 兩相橋臂功率開關管的通斷狀態(tài):1代表上管導通,下管關斷;0代表上管關斷,下管導通;同一相橋臂的上下開關管開關信號互補。電機相電壓與開關信號的關系可以表示為:u an =V d3(1-s b -s c u bn =V d 3(2S b -S c -12u cn

10、 =V d3(2s c -s b -12(1其中,u an 、u bn 、u cn 分別為電機相電壓;V d 為直流母線電壓。定義電壓矢量U 為U =23(u an +u bn j 2 /3+u cn e -j2 /3(2利用C larke 變換,得到電壓在兩相靜止 坐標系下的兩個分量u =V d3(1-s b -s c u =V d 3(s b -s c (3則有U =U +j U(4四開關逆變器的4個基本電壓矢量在軸上的分量,如表1所示。表1 四開關逆變器的基本電壓矢量U (s b ,s c u u U 0(00 V d /30U 1(010-V d 3U 2(100V d /3U 3(1

11、1-V d /3將表1中列出的三相四開關逆變器的基本電壓矢量描繪于空間坐標圖中,如圖3所示,4個基本電壓矢量將矢量空間劃為4個扇區(qū)。圖3 三相四開關逆變器電壓矢量68如圖3所示,在任一扇區(qū)內,參考電壓矢量U 可以由互差90 的相鄰兩電壓矢量主矢量來合成。定義參考電壓矢量與其旋轉方向上落后電壓矢量間的位置角為!。以扇區(qū)!為例,U 0、U 2為用于合成參考電壓矢量的兩個相鄰主矢量。U 0、U 2的作用時間可以表示為T s =UT sin !/U 0(5T y =UT cos !/U 2(6T 0=T -T x -T y(7在傳統(tǒng)六開關系統(tǒng)中,由于存在零矢量,時間T 0可通過施加零矢量來補足。但四開

12、關系統(tǒng)中不存在零矢量,因此可考慮在相同時間內施加2個相反方向電壓矢量來等效零矢量的作用。圖3為按照開關次數最小原則確定的各扇區(qū)電壓矢量合成圖,即每一開關周期以U 0開始并結束,且同一橋臂上開關器件的開關狀態(tài)只改變兩次。以扇區(qū)I 為例,等效零矢量由T 0U 0/2和T 0U 3/2合成,并且所有矢量采 用分段施加的方式。圖4 各扇區(qū)電壓矢量合成圖四開關SVP WM 算法流程可由圖5表示。所屬扇區(qū)根據參考矢量在 和 軸分量的符號判斷,作用時間由式(5、(6、(7確定,按照圖4所示的電壓矢量分配與合成原則確定功率器件的開關模式。通過四開關SVP WM 控制的四開關逆變器輸出即可形成如圖3所示的圓形磁

13、鏈。3 仿真與實驗結果借助Matlab/Sm i uli n k 軟件,同時采用TM S320F2812分別搭建了四開關三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真模型和實驗平臺,進行仿真和實驗對比研究。仿真和實驗結果分別如圖6和圖7 所示。仿真中,在0 05s 時系統(tǒng)中六開關逆變器切換為四開關拓撲。圖6(a、(b、(c分別為電機定子三相電流仿真波形、轉速波形和轉矩波形。圖5(d為四開關逆變器輸出的圓形電壓矢量軌跡。根據故障前后對比可以看出,系統(tǒng)維持了良好的運行狀態(tài)。圖7為四開關三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)實驗結果。通過實驗可知,電機繞組三相電流表現出了良好的正弦性和對稱性,電機運行良好。但同時表明,

14、母線串聯電容的容量和參數的一致性對電機繞組電流和運行性能有很大影響,當兩電容容量較小或參數一致性較差時,三相電流表現出不69 對稱,電機運行狀態(tài)變差。設計時應選用參數一致性好的濾波電容,并盡量增大容量。同時,四開關三相逆變器串聯電容表現出的電壓均衡問題也值得 進一步研究。4 結 論本文研究了四開關三相逆變器用于永磁同步電動機矢量控制的可行性。分析了四開關逆變器的運行模式和SVP WM 控制原理,利用在相同時間內施加兩個相反方向電壓矢量來等效零矢量的作用,給出了具體算法。搭建了仿真模型和實驗平臺,方案的可行性得到了驗證。參考文獻1 P .W.W i k stron ,S.Reli ab ili

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