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1 引言 隨著電力電子技術和微電子技術的發展，脈寬調制技術(PWM)和正弦脈寬調制技術(SPWM)在電機控制系統中已經得到越來越多的應用。使用SPWM 來控制電機系統，電路結構簡單，成本較低，但系統性能不高，電壓利用率不高，諧波成分較大。近年來電機的空間矢量理論被引入電機控制系統中，形成了空間矢量脈寬調制技術(SVPWM) ，其原理是就是利用逆變器各橋臂開關控制信號的不同組合，使逆變器的輸出空間電壓矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM 與常規的SPWM 相比，能明顯減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低脈動轉矩，而且有較高的電壓利用率，更易于數字實現 ，因而在交流感應電機控制中，應用前景十分看好。 2 SVPWM 脈寬調制原理 2.1 八個電壓空間矢量與扇區劃分 空間矢量脈寬調制SVPWM 實際上對應于交流感應電機中的三相電壓源逆變器的功率器件的一種特殊的開關觸發順序和脈寬大小的組合。在采用三相逆變器對異步電機供電時，根據逆變器的工作原理可以知道，逆變橋共有23 ＝8 種狀態，若將逆變器的八種狀態用電壓空間矢量來表示，則形成8 個基本的電壓空間矢量，其中6 個非零矢量，2 個零矢量，每兩個電壓矢量在空間相隔60o，如圖1 所示 。SVPWM 技術的目的是通過與基本的空間矢量對應的開關狀態的組合得到一個給定的定子參考電壓矢量。 2.2 SVPWM 的實現[3,4] SVPWM 信號的實時調制需要定子參考電壓矢量的二維靜止坐標系α軸和β軸的分量uα. s 、uβ. s 以及PWM 周期Tpwm 作為輸入，其產生框圖如圖2 所示。 圖2 SVPWM 產生框圖 2.2.1 相鄰兩矢量作用時間的確定 定義如下X、Y、Z 三個變量： 參考電壓矢量位于被基本空間矢量所包含的扇區中時，矢量作用時間的相對值T1 和T2 可以用X，Y 或Z 表示，它們的對應關系如表1 所示。表1T1、T2 與X、Y、Z 的對應關系表 對不同扇區的T1、T2，按表1 所示取值，還要對其進行飽和判斷：如果T1+T2＞Tpwm， 則T1= T1*Tpwm/（T1+ T2），T2= T2*Tpwm/（T1+ T2）。 2.2.2 判斷定子參考電壓矢量所在扇區 定義三個參考量Vref1 、Vref2 、Vref3 ，令Vref 1 =X；Vref 2 =.Z；Vref 3 =.Y 。 如果Vref1＞0，則A=1，否則A=0；如果Vref2＞0，則B=1，否則B =0；如果Vref3＞0，則C=1，否則C =0。設N =A +2B +4C ，則N 與扇區數的對應關系如表2 所示。 2.2.3 確定比較器的切換點 定義： 經過上式計算就可得到SVPWM 的參考調制信號，最后根據扇區確定電壓空間矢量切換點Tcm1、Tcm2、Tcm3，如表3 所示。 3 電流注入型感應電機矢量控制方案 3.1 電流注入型感應電機矢量控制系統 電流注入型矢量控制方案適用于中小功率、高開關頻率的矢量控制系統。此時控制系統的定子參考電壓完全可以由定子電流控制器提供，而無需考慮電機的定子電壓方程。逆變器開關頻率較高，而且電流控制器魯棒性足夠強，控制系統可以實現快速的定子電流控制，其實現方案如圖3 所示。同時，這種控制技術采用空間矢量PWM 技術輸出參考電壓，所以它能獲得很好的電流頻譜。 圖3 間接轉子磁場定向電流注入型感應電機矢量控制方案 由于電機是星形接法，無零序電流分量，所以該控制系統只需要測量電機的兩相電流，第三相電流可以通過方程iCs=-iAs-iBs 求出。此外，控制系統還需要測量電機的轉速，用于實現轉速閉環控制和計算轉子磁鏈位置角。控制系統總共包含轉速控制器、勵磁電流控制器和轉矩電流控制器等三個控制器，通常情況下，這三個控制器可以是PID 控制器。 轉子磁場定向坐標系下的磁通模型如下式所示，可以看出，電機的勵磁電流分量imr 只與定子電流d 軸分量ids 有關，而不受定子電流q 軸分量iqs 的影響，說明在轉子磁場定向坐標系下，感應電機的勵磁電流分量和轉矩電流分量是完全解耦的。 3.2 間接轉子磁場定向電流注入型感應電機矢量控制系統仿真 利用MATLAB/SIMULINK 對本文提出的SVPWM 實現方案及間接轉子磁場定向電流注入型矢量控制系統進行仿真實驗，仿真時異步電動機參數為：額定功率Pe=4kW，額定電壓Ue=380V，極對數np=3，額定轉速ne=960r/min ，定子電阻Rs=3.21.，轉子電阻Rr=3.5219.，定子自感Ls=649.4mH ，轉子自感 Lr="649".4mH ，定轉子互感 Lm="622".2mH， 轉動慣量 J="0".12kgm2 。系統仿真模型參照圖3 而建立。該模型中包含有三個電流控制器、一臺感應電動機、電機變量測量模塊、磁通模型、坐標變換模塊和功率變換器模塊（SVPWM 產生和逆變器模塊封裝在一起）等等。 系統仿真結果如圖4 所示。圖4（a）所示是系統在額定負載條件下的轉速階躍響應波形。在t=1s 時刻前，系統處于靜止勵磁階段，以建立額定轉子磁通，如圖4（b）所示。T=1s 時刻，系統轉速給定由0 階躍為80 rad/s ，該矢量控制系統的轉速調節器迅速飽和，電機轉速在最大轉矩作用下以恒定加速度接近給定值，并在0.5s 內到達穩態，而且基本上沒有穩態誤差和超調。圖4（c）所示為控制系統的轉矩電流分量。圖4（d）為定子電流A 相的電流波形。從仿真結果可以看出，該矢量控制系統的轉速階躍響應既沒有超調，也沒有穩態誤差，而且在整個動態過程中，轉子勵磁電流分量基本保持不變，說明在負載擾動過程中矢量控制系統都能保持電機勵磁電流分量和轉矩電流分量的解耦控制，并具有良好的快速性。 圖4 仿真實驗結果 4 結語 本文采用基于SVPWM 的控制技術，應用MATLAB/SIMULINK 仿真軟件，建立了感應電機SVPWM 控制系統仿真模型，仿真結果表明，系統具有很好的魯棒性和快速性，這種控制技術可以實現感應電機產生轉矩的電流分量和產生磁通的電流分量之間的解耦控制，使感應電機獲得與他勵直流電機一致的瞬態響應特性，實現對負載擾動和參考值變化的快速響應。本文建立的模型為進一步研究變頻調速系統提供了基礎模型，其使用的靈活性，操作的簡單性以及仿真的準確性為進行感應電機矢量控制系統的DSP 數字化設計打下了良好的基礎。 本文作者創新點：提出了一種基于MATLAB/SIMULINK 空間矢量脈寬調制技術實現方式，建立了間接轉子磁場定向電流注入型矢量控制系統仿真模型，仿真結果表明不但模型是正確的，而且系統具有良好的魯棒性和快速性，為下一步該系統的DSP 數字化設計打下基礎。 |
