基于空间矢量控制交流电机变频调速系统

基于空间矢量控制交流电机变频调速系统
韦建德
【摘要】基矢量控制技术作为交流电机控制的一种方式,已成为高性能变频调速系统的首选方案.空间矢量脉宽调制SVPWM(Space vector Pulse Width Modulation)方式因具有比SPWM调速方式更优异的性能而得到了广泛应用.文章对交流电机的空间矢量控制变频调速技术进行了研究,通过对实际电机进行控制及仿真实验研究,得到的结果表明:所设计方法是切实可行的,控制系统具有优良的动静态性能和控制效果,具有广泛的应用前景.
【期刊名称】《海南师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(024)001
【总页数】4页(P52-55)
【关键词】电压空间矢量PWM;矢量控制技术;变频调速;交流电机
【作者】韦建德
【作者单位】海南师范大学物理与电子工程学院,海南海口571158
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
矢量（磁场定向）控制技术，是通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展.
对于常规的六拍阶梯波三相逆变器，按照逆变器中功率开关器件的通断状态，一个
周期中共有8种工作状态（见图1），以电压空间矢量μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6、μ7、μ8表示，并使相邻矢量仅变换1位，前6种工作状态是有效的，后2种工作状态是无效的（逆变器没有输出电压），逆变器的一个工作周期用有效的6个电压空间矢量划分成6个区域，如图1所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每个扇区对应的时间均为π/3.由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区.
实现SVPWM控制的基本原理就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间T0的小区间，并插入若干个线性组合的新电压空间矢量μ0，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场.T0越短，旋转磁场越接近圆形，采样频率越高，实际波形就越逼近正弦波[1-4].
2.1 电机矢量控制变频调速系统原理[2，5]
图2所示的是交流异步电机矢量控制变频调速系统原理框图，以产生同样的旋转磁动势为准则，采用磁场定向控制将三相定子交流电流iA、iB、iC进行3/2变换（Clarke变换），等效成两相静止坐标系αβ上的两相平衡交流电流iα、iβ，再通过交/直同步旋转变换（Park变换），可以等效成同步旋转坐标系dq下的励磁电流isd和转矩电流isq，与给定励磁电流isdref和转矩电流isqref，经PI电流调节器控制获得电压 Vsdref和 Vsqref，再经过直/交变换（Park逆变换用Park-1表示）获得αβ坐标下的电压Vsαref和Vsβref，用来决定空间矢量SVPWM波形输出.
速度反馈一方面用于与给定速度比较产生isqref，另一方面通过计算电角度来获得转子磁链的位置角θcm，并用于Park逆变换（Park-1）和Park变换.通过采样电机三相电流，经过坐标变换转换到转子磁链的同步坐标下，再经电流环PI调节出适当的电压矢量，经空间矢量发生器后去控制三相逆变器.绕组d（即M绕组）相当于直流电机的励磁绕组，im相当于励磁电流，q绕组（即T绕组）相当于伪静
止的电枢绕组.控制使交流电机的转子总磁通Fr就是等效直流电机的磁通，则T绕组相当于伪静止的电枢绕组，it相当于与转矩成正比的电枢电流.这样的两相同步
旋转坐标系就具体规定为M、T坐标系.
2.2 矢量控制基本方程式[1，4]
以上方程式中，Te为电磁转矩，np为磁极对数，Lm为dq旋转坐标系定子与转
子同轴等效绕组间的互感，Lr为dq旋转坐标系转子等效两相绕组的自感，ω为
转子实测的角速度信号，ω1为定子供电电压频率的同步（即旋转磁场）角速度，Tr为转子电磁时间常数，p为微分算子，代替d/dt.从上方程式中可见：转子磁链ψr仅由定子电流励磁分量ism产生，与转矩分量ist无关，从这个意义上看，定
子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的.ψr与ism之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量ism突变时，ψr的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的.
3.1 矢量控制变频调速系统仿真实验[6]
采用THKDSP-1型运动控制系统实验平台进行实验，PWM脉冲频率设为20 KHz，编码器为1024线，4096个脉冲/圈，系统中异步电动机参数：额定线电压
Vn=220 V，额定电流In=1.5 A，最大电流Imax=10 A，额定频率fn=50 Hz，
采用三角形接法，总惯量J=0.001 496 3，互感Lm=0.827 078 H，最高转速nmax=146.608rad/s，磁极对数p=2，转子相电阻RR=17.137 9 Ω，定子相电
阻Rs=32.209 Ω，时间常数T=0.002 654 66 s；
PI电流调节器参数为：阻尼系数Dump_C=1和带宽PB_C=2000，使
Kp=151.68、Ki=17.598；调整速度调节器的阻尼系数Dump_S=1、积分饱和度IP⁃SatS=30和带宽PB_S=200，使Kp=0.093、Ki=0.009 3.3.1.1电流速度闭环
时异步电机转子磁场位置角和电流ia、ib、isd、isq波形
1）异步电机电流ia和ib波形见图3.
2）异步电机电流isd和isq波形见图4.
3）异步电机转子磁场位置角θ波形见图5.
3.1.2 电机实际速度ASPD和力矩电流IQ的波形
1）电机速度设定1 200 rpm.速度响应曲线见图6，电机响应时间为：
0.47×140=65.8（ms）.
2）电机实际的力矩电流值和速度瞬时值见图7，电机速度1 200 rpm，电机在从反转到正转转向切换的瞬间，力矩电流有一个恒电流的加速过程.
上述仿真实验结果表明，SVPWM控制应用于交流变频调速系统，可取得良好的控制性能.
本文所采用的方案正确可行，性能优良，控制准确，响应迅速，控制系统具备了良好的动态性能和稳态精度.这种基于空间矢量控制的交流电机控制方法，适合于各类高性能交流电机控制系统.
【相关文献】
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009:145-147;176-182;196-202.
[2]李晓静,周书晴.一种基于DSP的变频调速系统的SVP⁃WM控制方法[J].电力自动化设
备,2005,25（9）:43-46.
[3]周卫平,吴正国,唐劲松,等.SVPWM的等效算法及SVP⁃WM与SPWM的本质联系[J].中国电机工程学报,2006,26（2）:133-137.
[4]范正翘.电力传动与自动控制系统［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2003:158-167.
[5]高国燊.自动控制原理［M］.广州:华南理工大学出版社,2009:62-64;102-110.
[6]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京:机械工业出版社,2005:253-265.。