基于SHEPWM的中压大功率牵引永磁同步电机两电平控制
基于SHEPWM阶段控制的航空电磁发射波形研究
第50卷第10期2019年10月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.50No.10Oct.2019基于SHEPWM 阶段控制的航空电磁发射波形研究于生宝1，高丽辉1，陈楠1，黄勇2(1.吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春，130026；2.吉林省博安智能科技有限公司，吉林长春，130013)摘要：为保证低开关频率条件下发射电流质量，提出半周期镜像对称选择性谐波消除脉冲宽度调制(SHEPWM)阶段控制策略来平衡发射电流质量与开关损耗。
基于发射电流及发射线圈阻感负载的时频域信息，建立半周期镜像对称SHEPWM 阶段控制非线性超越方程组，利用神经网络递归算法求解出对应交变梯形波电流的开关时刻序列。
仿真和实验验证表明：半周期镜像对称SHEPWM 阶段控制策略在保证发射波形质量及探测精度的前提下，能有效降低开关损耗。
关键词：时间域航空电磁法；选择性谐波消除脉冲宽度调制技术(SHEPWM)；非线性超越方程组；神经网络；傅里叶变换；阶段控制；开关损耗中图分类号：P631文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2019）10-2446-09Research on airborne electromagnetic emission waveform viaSHEPWM subsection controlYU Shengbao 1,GAO Lihui 1,CHEN Nan 1,HUANG Yong 2(1.College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130026,China;2.Jilin Province Bo´an Intelligent Technology Limited Company,Changchun 130013,China)Abstract:To ensure the quality of the transmitting current under the low switching frequency condition,a semi-periodic mirror symmetry selective harmonic elimination pulse width modulation(SHEPWM)subsection control approach was proposed to balance transmitting current quality and switching loss.Semi-periodic mirror symmetry SHEPWM nonlinear equations were established based on the time-frequency domain information of transmitting current and transmitting coil,and then the neural network recursive algorithms was used to solve switching time series of trapezoidal wave current.The simulation and experimental results show that the semi-periodic mirror symmetry SHEPWM subsection control strategy can effectively reduce the switching loss on the basis of ensuring the quality of the transmitted waveform and the accuracy of the detection.Key words:helicopter-borne time-domain electromagnetic method (HTEM);selective harmonic elimination pulse width modulation (SHEPWM);nonlinear transcendental equations;neural network;Fourier transform;subsection control;switching loss收稿日期：2019−03−18；修回日期：2019−06−20基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2017YFC0601802)(Project(2017YFC0601802)supported by the National KeyResearch and Development Program of China)通信作者：陈楠，博士，从事电力变换与电磁兼容研究；E-mail ：*******************DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2019.10.013第10期于生宝，等：基于SHEPWM阶段控制的航空电磁发射波形研究直升机式航空时间域电磁法(helicopter-borne time-domain electromagnetic method,HTEM)是一种基于直升机的资源勘查的时间域电磁物探方法[1−2]。
两电平逆变器半周期对称SHEPWM方法
两电平逆变器半周期对称SHEPWM方法黄银银;费万民【摘要】Two half-cycle symmetry SHEPWM (Selected Harmonic Elimination Pulse Width Modulation) schemes are proposed for two-level inverter;positive-negative symmetry and 772 point symmetry. As an example,the SHEPWM nonlinear equations of two-level inverter with twenty switching points per half-cycle are established and solved to thoroughly investigate the SHEPWM schemes. As the half-cycle symmetry SHEPWM scheme has multiple groups of effective solution, eight of them are listed to show the variation trajectories of its solution and modulation rate covering whole range. Simulation and experiment are carried out for two groups with modulation rate of 0.8,and the conformity of experimental results to simulative results proves the validity and practicability of the proposed schemes.%提出了“关于正负2个半周期镜对称”和“关于T/2点奇对称”2种PWM波对称方式,以半周期内20个开关切换角为例,通过对两电平逆变器特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)非线性方程组的建立、初值选择和求解,详细研究了两电平逆变器的SHEPWM方法.为了说明半周期对称SHEPWM问题具有更多解的特点,求取了很多组有效数值解,并以抽样点数值解和调制比在全范围内解的变化轨迹的形式列举了其中8组解.在调制比为0.8的情况下,对抽样点数值解进行了仿真与实验研究,仿真与实验结果一致,证明了所提方法的有效性与实用性.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2013(033)004【总页数】6页(P114-119)【关键词】逆变器;半周期对称;特定谐波消除;脉宽调制【作者】黄银银;费万民【作者单位】南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏南京210042【正文语种】中文【中图分类】TM4640 引言两电平功率逆变器是中低压电机调速、电力系统无功补偿和电压调节器等大量工业电源的核心部件，在机械加工、工业过程控制和电力工业等各个行业中得到了非常广泛的应用。
基于TMS320F28335的SHEPWM数字实现
Abstract: F or t he const raint of sw it ching frequency , t he t raction drive syst em of hig h pow er AC loco mot ive mainly uses synchronous modulation PWM in hig h speed area. T he f undament al problems of SHEPWM are analyzed and studied in t his paper. T he mathem at ical model of SHEPWM aimed at bipolar source invert er is built. And based on t he model, t he comput at ional met hod and choice of init ial v alue of select ive harmonic eliminat ed nonlinear equations are developed, w hich simplif ied the calcula t ion of sw it ch angles and t he digit al realizat ion. T he generat ing methods of SHEPWM and the transi t ion betw een different modulat ion modes using T MS320F 28335 are st udied in t his paper. Finally t he v alidit y of t he proposed methods is verif ied by simulat ion and ex perimental result s. Key words: select ive harmonic eliminat ion PWM ; locomotive t ract ion; curve fitt ing; harmonic analysis; T MS320F 28335 在大功率交流电力机车牵引传动控制中, 普遍 - 3] 采用大功率半导体器件 [ 1 , 受 到散热等条件 的限 制, 其最大开关频率常常只有 500 Hz, 但是 输出调 制波频率最高可达到 100~ 200 Hz, 因此载 波比会 在很大的范围内变化 . 当载波比很低时 , 如果采用同 步 SPWM 调制方法, 将会产生较大的低次谐波和电 压误差, 并且很难过渡到方波工况 , 此时一般需要转 入优化 PWM 调制 , 对输出电压波形进行一定的优 化, 其中最常用的是特定次谐波消除 PWM ( SHEP WM) . 与其他 PWM 技术相比 , SH EPWM 技术其输 出波形质量好、 可以在不提高功率开关管的开关频 率的情况下消除某些低次谐波, 从而降低开关损耗 并减小低次转矩脉动. 由于在 SHEPWM 的数字实现 方法中 , 开关角的计算需要求解超越方程组, 无法实 时计算 , 普遍方法是将离线计算所得的开关角存储在 表格中[ 2] , 然后采用查表的方法得到开关角度, 该方 法占用了较大的存储空间, 且不能根据被控对象的变 化作实时的相应调整, 因此灵活性较差.
基于SVPWM的PMSM矢量控制伺服系统研究
１ 交流伺服系给数学模型 ． ２ 由于 Ｐ Ｍ 具 有 多变 量 、强 耦 合 及 非 线 性 等 ＭＳ
特点，为了获得高动态性能，Ｐ Ｍ 交流伺服控制 ＭＳ 系统 采 用矢 量 控 制 ， 即通 过 坐 标 变 换 ，把 Ｐ Ｍ ＭＳ 等 效为直 流 电动机 。在 坐标变 换过 程 中 ，应保 证 变
０ 引言
随 着 计 算机 技 术 及 控 制 理 论 的 发 展 ，数 控 系
统 广泛 的应 用于数 控机 床 、玻璃 深加 工设备 及机 器 人 等 领域 。伺服 系统 是数 控 系 统 的重 要组 成 部 分 ， 接受来 自Ｃ ＮＣ的 指令 信 息 ，控 制 执行 部 件 的运 动 方向 、进给 速度 与位移 量 ，以加 工 出符合 要求 的零 件 …。伺 服 系统 的动 态 响应 和伺服 精 度是影 响数 控
标 准 ，以三 相逆 变 器 不 同开 关模 式作 适 当 的切 换 ，
从 而形 成 Ｐ ＷＭ 波 ，以所 形成 的实 际磁 链矢 量 来追
踪 其 准 确 磁 链 圆 。 由于 Ｓ ＷＭ 方 法 将 逆 变 系统 ＶＰ
和异 步 电机 看 作 一个 整 体 来考 虑 ，模 型 比较 简 单 ，
也便 于微 处 理 器 的实 时 控 制 ，而且 电流 谐 波分 量 、 谐 波转 矩 也 减 少 ，电机 的转 矩 脉 动 得 到 抑 制 ，而 且 与 Ｓ ＷＭ 技 术 相 比直 流 利 用 率 有很 大 提 高 ，并 Ｐ
此数控 系统 的速 度和 精度 等技 术指 标 ，很 大程 度上 由伺服 系统 的性 能所 决定 。伺 服 系统性能 ，主要体 现 在稳 态 跟踪误 差 、动 态 响应 的精确 性和 快速 性及
控 制功 率 管通 断时 间 。 Ｐ Ｍ 伺服 进 给 系 统 要 求 电 流 环 具 有 输 出 电 ＭＳ 流 谐 波分量 小 、响 应速 度快 等性 能 ，因此 ，Ｐ Ｍ ＭＳ
基于多模式SVPWM算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略_何亚屏
2012年3月电工技术学报Vol.27 No. 3 第27卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2012基于多模式SVPWM算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略何亚屏文宇良许峻峰冯江华（株洲南车时代电气技术中心株洲 412001）摘要弱磁控制技术可以降低逆变器的容量、拓宽调速范围，对提高轨道交通永磁同步牵引系统的性能有着重要而现实的意义。
性能优异的调制方式更能保证弱磁系统输出良好的控制性能，而大功率传动系统开关器件的开关频率较低，使得传统的空间电压矢量异步调制方法已不能满足控制策略需要，本文在分析空间电压矢量多模式调制算法原理以及永磁同步电机弱磁原理的基础上，提出了新型的基于多模式空间电压矢量调制算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略，保证永磁同步牵引电机弱磁控制系统能充分利用开关频率，且在异步调制和分段同步调制段都具有良好的输出特性，仿真和试验验证了本方案的可行性和有效性。
关键词：永磁同步牵引电机弱磁控制多模式空间电压矢量脉宽调制中图分类号：TM351High-Power Permanent Magnet Fiux-Weakening StrategyBased on Multi-Mode SVPWMHe Yaping Wen Yuliang Xu Junfeng Feng Jianghua（Zhuzhou CSR Timers Electric Co. Ltd. Zhuzhou 412001 China）Abstract The flux-weakening control technology could reduce the capacity of the inverter and widen the speed rang, and this are important to improve the performance of the railway traction system of permanent magnet synchronous motor. The flux-weakening control system would be have more excellent output performance because of the excellent performance of modulation ,but the traditional space voltage vector modulation could not meet the need of the control strategy because of the lower switch frequency of the inverter. This paper proposes a new permanent magnet synchronous motor flux-weakening strategy based on the principle of the multi-mode space vector pulse width modulation algorithm and the principle of the permanent magnet synchronous motor flux-weakening control theory.Then, the method could ensure that the permanent magnet flux-weakening control of railway traction system can make full use of the switch frequency and have better performance output under asynchronous modulation and subsection synchronous modulation. The simulation and experiment verify the feasibility and effectiveness of this method.Keywords：Permanent magnet synchronous motor(PMSM), flux-weakening control, multi-mode space vector pulse width modulation(SVPWM)1引言近年来，永磁同步电机以其优异性能受到轨道交通牵引系统研发人员的高度重视[1-6]。
基于SVPWM的永磁同步电机控制
基于SVPWM的永磁同步电机控制目录1. 概述 (1)2. 仿真各模块介绍及参数设置 (3)3. 仿真结果 (6)4. MATLAB学习心得 (8)1.概述本次任务为设计一种基于SVPWM的永磁同步电机转速控制系统，采用PID控制算法，可以实现对永磁同步电机转速准确控制，仿真模拟了以下三个步骤：电机空载启动，空载调速和电机突然带载。
设计要求：1.要求对电机控制为dq轴电流解耦控制。
2.仿真要求电机的转速有较快的响应速度，且具有较好的稳定性。
3.可以实现无级调速，且仿真的误差与设定转速误差很小。
电机控制仿真的Simulink示意图和系统组成框图如图1-1和1-2所示：图1-1基于SVPWM永磁同步电机控制仿真图1-2基于SVPWM永磁同步电机控制系统组成框图系统是由转速调节模块、负载调节模块、PID控制模块、SPVPWM信号产生模块、永磁同步电机组成。
在用户预先设好转速与加载时间及大小后，控制系统就可以对永磁同步电机进行仿真。
具体原理如下：仿真中为实现对电机的控制，首先是将预计转速输入到PID模块中，产生控制晶闸管通断的SVPWM信号，再由SVPWM信号装置产生PWM信号以追踪永磁同步电机的磁链圆实现对永磁同步电机的转速控制。
以上所述为控制的前向通道，控制的反馈是将电机的q轴和d轴电流分两个闭环反馈给PID控制模块，用PID算法实现对永磁同步电机的精准控制。
MALTAB及其在电气工程中的应用2.仿真各模块介绍及参数设置2.1 PID控制模块PID控制模块是本次仿真的主要控制模块，本次仿真采用的是零d轴电流控制，通过调节q轴电流，控制电机转速，采用双闭环系统设计，将从永磁电机读取到的d轴电流和q轴电流以及当前电机的转速反馈回PID控制模块中。
PID控制模块的示意图如图2-1所示。
图2-1 PID控制模块示意图对电机转速和d轴电流的PID控制都是将实际的量与给定的控制量的对比，将误差传给PID模块，经对转速的PID控制以后，输出的为q轴电流值，将实际q轴电流与PID输出的对比结果再将控制信号输入给SVPWM产生装置。
电力机车牵引传动系统的多模式调制策略及切换方法研究
第２５卷 第１期２０２１年１月 电 机 与 控 制 学 报Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ ＣｏｎｔｒｏｌＶｏｌ ２５Ｎｏ １Ｊａｎ．２０２１电力机车牵引传动系统的多模式调制策略及切换方法研究苑国锋１，２， 陈栋１， 郑春雨１，２（１．北方工业大学变频技术北京市工程研究中心，北京１００１４４；２．北方工业大学北京市电力节能关键技术协同创新中心，北京１００１４４）摘 要：针对交流电力机车牵引传动系统开关频率低的特点，研究了牵引系统的多模式脉宽调制策略以及不同调制策略之间的切换方法，实现了电机控制算法和多模式调制策略的统一框架设计。
根据不同调制模式的特点，提出了一种由异步调制切换至同步ＳＶＰＷＭ再到同步ＳＨＥＰＷＭ调制直至方波调制的多模式ＰＷＭ调制策略；针对不同调制模式在切换过程中出现的问题，使用了一种三相同步的切换方法；为避免电机控制算法和多模式脉宽调制策略之间存在的相角匹配问题，提出了可以简化算法实现复杂程度的统一框架设计方法，并论述了在低采样率下电流调节器和磁链观测器的设计过程；最后，在小功率牵引实验平台实现了无速度传感器电力机车牵引工况下全速域的稳定运行，实验结果验证了算法的有效性。
关键词：牵引系统；多模式脉宽调制；切换方法；特定谐波消除ＰＷＭ；磁链观测器；统一框架设计ＤＯＩ：１０．１５９３８／ｊ．ｅｍｃ．２０２１．０１．０１３中图分类号：ＴＭ４６４文献标志码：Ａ文章编号：１００７－４４９Ｘ（２０２１）０１－０１２６－１０收稿日期：２０１９－０７－１７基金项目：北方工业大学科研启动基金（１１００５１３６０００２）；北京市属高校基本科研业务费（１１００５２９７１９２１／０２８）；北方工业大学毓优人才计划（１０７０５１３６００１９ＸＮ１３３／０２０）作者简介：苑国锋（１９７９—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力机车牵引控制、风力电机控制；陈 栋（１９９１—），男，硕士，研究方向为电力机车牵引控制；郑春雨（１９８７—），男，博士研究生，研究方向为电力机车牵引控制。
基于SVPWM过调制的超前角弱磁控制永磁同步电机的策略研究
overmodulation
0 引言
伴随电力电子技术不断革新，永磁同步电机
( Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM) 在
控制与应用技术I EMCA
違 权 控 刹 名 阄 2018,45 (2)
基 于 SVPWM过调制的超前角弱磁控制
永磁同步电机的策略研究#
刘雨石， 乔鸣忠， 朱 鹏 ( 海 军 工 程 大 学 电 气 工 程 学 院 ，湖 北 武 汉 4 3 0 03 3 )
摘 要 ：研 究 了 电 动 车 用 内 置 式 永 磁 同 步 电 机 的 控 制 策 略 ，提 出 了 超 前 角 弱 磁 控 制 与 空 间 矢 量 脉 宽 调 制
( S V P - M ) 过 调 制 结 合 的 控 制 系 统 。超 前 角 弱 磁 控 制 使 用 转 速 、电 流 和 电 压 的 3 个 闭 环 控 制 ，电 机 端 电 压 与 直
流侧电 压 电 压 控 制 环 ，产 生 电 机 弱 磁 的 电 流 超 前 角 直
交 直 轴 电 流 。*v p - m 过调制
Modulaiton，PWM ) 过 调 制 区 ，Joachim Holtz 和
Silverio Bolognan? [13_14]早 别 提 出 了双模
式过调制 和 式过调制 。 [1"] 提出基于叠加原理的空间矢量脉宽调制（Space
Abstract：The control strategy of built-in permanent magnet synchronous motor for electric vehicle was studied, and a control system combining super-angle weakening control and SVPWM overmodulation was proposed. The front angle weak magnetic control used the three closed-loop control of the speed, current and voltage. The motor terminal voltage and the DC side voltage form the voltage control loop, which produced the motor current field. SVPWM overmodulation algorithm could effectively improve the inverter output voltage fundamental amplitude, the motor used the field weakening control mode to achieve the maximum speed after the inverter into the modulation state, the maximum expansion of the speed range. The control system was simulated and the simulation results proved the correctness and feasibility of the theoretical analysis.
基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制_王丽梅
收稿日期:2006-09-11.基金项目:辽宁省科学技术基金资助项目(20052043).作者简介:王丽梅(1969-),女,辽宁建平人,教授,博士生导师,主要从事交流伺服系统、智能控制等方面的研究.文章编号:1000-1646(2007)06-0613-05基于SVPWM 的永磁同步电机直接转矩控制王丽梅,高艳平(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳110023)摘 要:针对永磁同步电机直接转矩、控制系统转矩和定子磁链的脉动问题,设计了基于电压空间矢量脉宽调制(SVP WM )策略的永磁同步电机直接转矩控制.在每个控制周期内,计算出参考磁链和所估计磁链的偏差,选择相邻非零矢量和零矢量,并精确地计算出各自作用时间,然后利用线性组合法将其合成为新的电压矢量.在M AT LA B/SI M UL IN K 仿真环境下,对该控制系统进行了建模与仿真.仿真结果表明,该方法可以明显减小转矩和磁链脉动,具有更好的动、静态性能,而且响应速度快,运行平稳.关 键 词:永磁同步电机;直接转矩控制;电压空间矢量脉宽调制;线性组合;参考磁链中图分类号:T M 351 文献标识码:ADirect torque control for permanent magnet synchronous motorbased on space voltage vector pulse width modulationWANG L-i mei,GAO Yan -ping(School of Electr ical Engineering,Sheny ang U niversit y of T echnolog y,Shenyang 110023,China)Abstract:To solve the problem of torque and stator flux linkage ripples in direct torque control (DT C)fora permanent magnet synchronous motor (PM SM ),the space voltage vector pulse w idth modulation (SVPWM )strategy in DT C for PMSM was designed.The offset betw een the reference stator flux linkage and the estimated one is calculated during each sampling period,and the tw o nonzero neighboring voltage vectors are selected and then the operating time is calculated accurately.Finally the linear combination method is utilized to synthesize a new voltage vector.T he modeling and simulation of this system w ere introduced based on MAT LAB/SIMULINK.Simulation results show that the present method can dramatically reduce the torque and the stator flux linkage ripples.The system has better dynam ic and steady state performances,fast response and stable operation.Key words:permanent magnet synchronous motor;direct torque control;space vector pulse w idthmodulation;linear combination;reference flux linkag e 随着社会实际生产要求的不断提高,现代电机控制技术也不断得以升级.继矢量控制之后,1986年日本I 1Takhashi 和德国M 1Depenbrock 分别提出了直接转矩控制技术[1-2].这项技术的问世,以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能等优点受到普遍关注并被广泛研究.直接转矩控制技术在永磁同步电机上的研究还并非十分完善,在有些方面仍存在欠缺[3].比如说由定子磁链脉动而导致的电磁转矩脉动就是一个非常棘手的问题.常规的DTC 方案其实是一种Bang -Bang 控制方法:针对定子磁链幅值和转矩偏差以及磁链的空间位置,在一个控制周期内,选择和发出单一空间电压矢量,这个电压矢量要同时控制磁链和转矩的误差方向,而忽略了转矩和磁链误差大小,从而经常造成转矩和磁链脉动,不能达到期望的最佳控制效果.第29卷第6期2007年12月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 129No 16Dec.2007本文在分析了直接转矩控制原理(DTC)和空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的基础上,提出了基于磁链空间电压矢量脉宽调制技术的永磁同步电机直接转矩控制技术.本方案中,仅仅采用一个调节器来控制磁链和转矩,这一点与常规的DTC有显著的差别.最后,通过MATLAB/SIMULINK建模和仿真,与常规的DTC比较,可以看出磁链和转矩脉动明显降低,同时保证了固定的开关频率.1直接转矩控制原理永磁同步电机在转子坐标系下的数学模型[4]u du q=R+p L d-wL qwLdR+p Lqi di q+w7f(1)t e=3P n7s4L d L q[27f L q sin D sm+7s(L d-L q)sin2D sm](2)式中:u d,u q,i d,i q,L d,L q)))定子电压、电流、电感在d,q轴上的分量;7f,7s)))励磁磁链和定子磁链;t e,P n,p)))电磁转矩、转子极对数和微分算子;D sm)))负载角.式(2)表明,电机参数确定后,在实际运行中,永磁同步电机转子上励磁磁场的磁链幅值一般为恒值,为保证充分利用电动机铁心,通常要使定子磁链的幅值为额定值,这样就可以直接通过控制负载角D sm的大小来控制电磁转矩的大小,这就是DTC的核心思想.在电机运行过程中,如何保证定子磁链幅值始终为额定值,这也是DTC技术集中解决的问题.常规的DTC就是采用两个滞环比较器得到磁链和转矩控制指令,再结合磁链位置以及开关状态表查得所要求的逆变器开关指令,进而得到所需要的空间电压矢量作用于磁链和转矩,对二者进行实时调节,保证其在所给定的范围内变化,从而获得近似圆形磁链轨迹和精确的转矩[5].2电压空间矢量脉宽调制早期提出的SVPWM技术应用于异步电动机的直接转矩控制驱动系统中,其主要思想是把逆变器和电机视为一个整体,针对不同的电压空间矢量和相应不同的作用时间,采用线性组合的方法将其合成所需要相位的磁链增量,进而可以很好地跟踪定子磁链,使其形成近似圆形的磁场[6].电压空间矢量合成原理如图1所示,u1,u2为相邻电压矢量;t1,t2为其作用时间;T0为采样周期;u s为期望电压空间矢量.图1电压空间矢量的线性组合F ig11L inear combination of voltag e space vectors可以看出u s=t1T0u1+t2T0u2=u s cos H+j u s sin H(3)用相电压表示合成电压空间矢量得到u s=u AO(t)+u BO(t)e j C+u CO(t)e j2C(4)式中,C=120b.由相电压与线电压关系u AB(t)=u AO(t)-u BO(t)(5)u BC(t)=u BO(t)-u CO(t)(6)代入式(4)并化简后,可得u s=u AB(t)-u BC(t)e-j C(7)如图2所示,根据各功率开关处于不同状态线电压可分别取为U d、0或-U d,当开关状态为100(上桥臂器件导通用数字/10表示,下桥臂器件导通用数字/00表示)时,输出线电压u AB=U d,u BC=0,则合成电压u1=U d.当开关状态为110时,u AB=0,u BC=U d,则合成电压u2=-U d e-j C=U d e-j P/3.图2三相逆变器原理图Fig12Block diagram of three phase inv erter依次类推,同样可以求出u3~u6的表达式.代入式(3),得u s=t1T0U d+t2T0U d e j P/3=U dt1T0+t2T0e j P/3=U dt1T0+t2T0cosP3+jsinP3= 614沈阳工业大学学报第29卷Udt1T0+t2T012+j32=U d t1T0+t22T0+j3t22T0(8)比较式(3)和式(8),令实数项和虚数项分别相等,则u s cos H=t1T0+t22T0U d(9)u s sin H=3t22T0U d(10)从而解出t1和t2,得部分空间矢量所占时间的成分为t1 T0=u s cos HU d-13u s sin HU d(11) t2T0=23u s sin HU d(12)采样周期T0应由旋转磁场所需的频率决定,T0与t1+t2未必相等,其间隙时间可用零矢量u7或u8填补.为减少功率开关器件的开关次数,一般使u7和u8各占一半时间,即t7=t8=12(T0-t1-t2)\0(13) 3SVPWM D TC PMSM控制系统设计设计基于SVPWM策略永磁同步电机直接转矩控制系统结构,如图3所示.与常规的DTC 系统相比,没有采用电压开关矢量表和滞环控制器,而是采用了一个PI调节器和参考磁链矢量估计器(RFVC)来确定参考定子磁链矢量[7-8].根据参考定子磁链的角频率和所估计的定子磁链位置以及参考磁链幅值产生下一个时刻的参考磁链矢量,计算磁链的反馈值和电阻压降补偿,得到磁链偏差值,再由SVPWM选择所应施加的电压矢量,计算作用时间来控制逆变器开关状态,这样,就可以把误差降低到零.图3基于SV PWM的直接转矩控制框图Fig13Block diagram of DT C control system based on SV PWM 在定子坐标系下,永磁同步电机的定子电压矢量为[9]u s=d7sd t+R s i s(14)其离散化形式为u s k=$7s kT0=7s k-7s k-1T0+R s i s k-1(15)整理后得u s k T0=7s k-7s k-1+T0i s k-1R s(16)式中:T0)))采样周期;7s k)))k时刻期望参考磁链矢量;7s k-1)))前一时刻磁链矢量估计值;u s k T0)))电压矢量在一个周期的积分值;R s)))定子电阻.电压空间矢量的选择如图4所示.可以看出三相逆变器的最大范围是六边形,而为了产生正弦波输出电压,就必须采用一个环形的电压限615第6期王丽梅,等:基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制制[7].如果磁链误差幅值超出该环的界限,如图$7s1,那么SVPWM 将根据这个误差来发出一个与该误差矢量同向的电压矢量来减少磁链幅值.图4 根据磁链误差选择电压矢量F ig 14 Voltage v ector selection based on flux linkage er ror4 仿 真为了验证本文所提出来的基于SVPWM 的永磁同步电动机直接转矩控制策略的有效性,应用M atlab/Simulink,在采样周期T 0取80L s,160L s 仿真环境下,对常规的DTC 和基于SVPWM 的DTC 控制算法进行了稳态性能和动态响应仿真研究.选择的电机参数分别为:额定转速1600r/min;额定功率018kW;极对数4;定子电阻01648;d ,q 轴电感分别为010446H,011062H ;转动惯量010012kg #m 2;转子磁链0144Wb;负载转矩5Nm.图5为两种算法转矩稳态性能仿真图形,图6为两种算法磁链稳态性能仿真图形,图7图5 转矩的稳态性能仿真波形F ig 15 Steady -state performance w aveforms of tor quea 1常规DT Cb 1SVPW M -DT C为两种算法转矩动态响应比较仿真图形.从图5~6中可以看出,采用基于SVPWM -DTC 策略的永磁同步电机转矩和磁链的脉动明显有所减小,近似于平滑波形.在图7所示的动态响应比较中,自01042s 后第一次到达参考值时常规DTC 策略的响应时间要明显少于基于SVPWM -DTC 策略的响应时间,而且后者在经过较短时间的脉动后就恢复到参考值,而前者则在参考值附近脉动很大.图6 磁链的稳态性能仿真波形F ig 16 Steady -state performance w aveforms o f flux linkagea 1常规DT Cb 1SVPW M -DTC图7 转矩动态响应比较Fig 17 T o rque dy namic response comparisona 1常规DT Cb 1SVPW M -DT C616 沈 阳 工 业 大 学 学 报第29卷5结论本文在分析常规的直接转矩控制原理以及空间矢量调制方法的基础之上,设计了基于电压空间矢量脉宽调制策略的永磁同步电机直接转矩控制系统.该系统能够较好地跟踪磁链和转矩误差值来选择合适的空间电压矢量以消除误差,从而达到理想的控制效果,弥补了常规直接转矩控制的不足.仿真结果表明,与常规DT C策略相比,在相同的运行条件下,基于SVPWM-DT C策略的永磁同步电机控制系统的转矩和磁链脉动较小,其稳态性能较好,而且在较短的时间内,系统就可以恢复到参考值,即响应速度快,运行更加平稳.参考文献:[1]李夙.异步电机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2000.(L I Su.Direct torque contr ol in asy nchro nous motor [M].Beijing:China M achine Press,2000.)[2]邓启文,尹力明,余龙华.直接转矩控制的发展与展望[J].微特电机,2002(1):36-38.(DEN G Q-i wen,Y I L-i ming,YU Lo ng-hua.Develop-ment and prospect of dir ect torque control[J].Small& Special Electrical M achines,2002(1):36-38.)[3]徐致远,张晗霞.永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真[J].沈阳工业大学学报,2005,27(6):641-644.(XU Zh-i yuan,ZHAN G Han-xia.Simulatio n of perma-nent magnet synchronous motor drive based on direct torque control[J].Journal of Shenyang U niversity of T echnology,2005,27(6):641-644.)[4]田淳,胡育文.永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J].电工技术学报,1998,11(3): 21-26.(T IA N Chun,HU Y u-w en.T heory and study of perma-nent magnet synchronous machine drive[J].T ransac-tions of China Electrotechnical Society,1998,11(3): 21-26.)[5]M atic P R,Blanusa B D,Bukcsavic S N.A novel directtorque control and flux contr ol algor ithm fo r the induc-tion motor drive[J].Electric M achine and Drives, 2003,2(3):1-4.[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.(CHEN Bo-shi.Electr ic drives[M].Beijing:China M a-chine Press,2003.)[7]Lai Y S,Chen J H.A new appro ach to direct torquecontro l of inductio n motor drives for constant inverter sw itching frequency and torque tipple r eduction[J].I EEE T rans Energ y Conversio n,2001,16:820-827.[8]T ang L X,Zhong L M,Muhammed F R.A no vel directtorque controlled inter ior permanent mag net syn-chronous machine driv e w ith low ripple in flux and torque and fixed sw itching frequency[J].IEEE T rans Pow er Electronics,2004,30(16):456-467.[9]T ang L,Rahman M F,Hu W F,et al.A nalysis of directtorque control in permanent mag net synchronous motor drives[J].IEEE T rans Pow er Electr on,1997,12(3): 528-536.(责任编辑:王艳香英文审校:杨俊友)617第6期王丽梅,等:基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制。
基于DSP-FPGA架构的SHEPWM研究与实现
基于DSP-FPGA架构的SHEPWM研究与实现张硕;孙佳伟;姜涛【摘要】以地铁车辆牵引系统为背景,其牵引逆变器功率较大,开关频率较低,脉宽调制普遍采用异步调制、分段同步调制、优化调制(特定谐波消除、过调制等等)、单脉冲调制等多模式混合脉宽调制方法.提出一种基于DSP和FPGA架构的特定谐波消除脉冲宽度调制(SHEPWM)技术的实现方案,首先利用Matlab离线计算特定谐波消除的开关角,再进行分段线性拟合并求出拟合系数,然后在DSP中根据开关角与调制比的关系,通过线性拟合多项式实时计算开关角及比较值,再通过数据总线传给FPGA,FPGA实现PWM脉冲.最后通过仿真和试验,验证其正确性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2018(048)011【总页数】6页(P20-24,38)【关键词】特定谐波消除;数字信号处理器;现场可编程门阵列【作者】张硕;孙佳伟;姜涛【作者单位】中车大连电力牵引研发中心有限公司,辽宁大连 116052;中车大连电力牵引研发中心有限公司,辽宁大连 116052;中车大连电力牵引研发中心有限公司,辽宁大连 116052【正文语种】中文【中图分类】TM464地铁在城市轨道交通中至关重要，地铁车辆牵引系统是地铁车辆关键核心部件。
地铁车辆牵引系统功率较大，受IGBT开关损耗及散热限制，开关频率较低，最大不超过1 kHz[1]。
此外，地铁车辆牵引系统速度运行范围较宽，载波比变化较大，牵引系统通常采用多模式调制（异步调制+同步调制+优化调制+方波）算法，降低谐波电流及转矩脉动，提高控制性能。
调制算法的好坏直接影响地铁车辆牵引系统的动态性能，因此，关于地铁车辆牵引系统调制算法，国内外学者进行了许多研究，提出了许多优化的调制算法。
本文研究的特定谐波消除脉冲宽度调制（selective harmonic elimination pulse width modulation，SHEPWM）是优化调制算法中的一种，应用最广泛。
基于SHEPWM技术的多电平电流型变流器
Ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ Ｐ ｏｅｔ Ｓ ｐｏｔｄｂ ａ ｏａ Ｔ ｃｎ ｌ ＆ ｒｇａ ｈｎ （ ｏ２ １ Ｂ Ａ １ ０ ） ｏ ｎ ａｉ ｒｊｃ ：ｕ ｐｒ ｙＮ ｔ ｎｌ ｅｈ ｏ ｇ Ｒ Ｄ Ｐｏｒｍ ｏ Ｃ ｉａ Ｎ ．０ Ａ ０ Ｂ １ ｏ ｅ ｉ ｏ ｙ ｆ １
（ Ｓ ｗｌ ｂ ｉｅ ｓｄ ｉ ｐｗ ｒｓｓ ｍ．ｔｄｉｇｔｅｃｎｒｌｓａ ｇ ｆＣ Ｃ ｈｓｒ ｌｔ ｉ ｉｃｎｅＡ ｓｌ ｔ Ｃ Ｃ） ｉ ｅｗｄｌ ｕｅ ｎ ｏ ｅ ｙｔ Ｓ ｙｎ ｈ ｏｔ ｔ ｔ ｏ Ｓ ａ ｅ ｉｉ ｓ ｎｆ ａｃ ． ｅ ｃｅ ｌ ｙ ｅ ｕ ｏ ｒｅ ｙ ａ ｓｃ ｇ ｉ ｅ ｄ
ｌ 引 言
多 电平 变流 器 … 有 输 出功率 大 、 件 开 关 频 具 器
率 低 、 流 器 等 效 开 关 频 率 高 、 出谐 波 小 、 态 变 输 动
技 术 、 间矢 量 调 制 Ｐ 空 ＷＭ（Ｖ ＷＭ） 术 、 梯 波 ＳＰ 技 阶
Ｐ ＷＭ技 术 、 Ｈ Ｐ Ｓ Ｅ ＷＭ 技 术 。 Ｓ Ｅ ＷＭ 技 术 通过 开关 时刻 的优 化 选 择 来 消 Ｈ Ｐ 除选 定 的低 频 次 谐 波 ， 具有 以 下优 点 ： 同样 开 关 在
（ ． 网智 能 电网研究 院 ，北京 １国 １０ ９ ；２上海 市 电力 公司 ，上 海 ０ １２ ． ２０２ ） ０ １２
摘要： 随着 高温 超 导储能技 术 的发展 ， 电流源 型变 流器 （ Ｓ 的储 能 效率 问题将 得到解 决 。 电平 Ｃ Ｃ将在 电 Ｃ Ｃ） 多 Ｓ
力 系 统 中 得 到 广 泛 应 用 。 此 ， Ｃ Ｃ的 开 关 调 制 策 略 进 行 研 究 具 有 实 际 意 义 。 出 了一 种 适 用 于 Ｃ Ｃ 的 定 次 因 对 Ｓ 提 Ｓ
永磁同步电机SPWM控制器设计
摘要本文主要介绍了利用正弦脉宽调制技术对永磁同步电动机进行恒压频比开环调速的控制器功率设计。
正弦脉宽调制技术是常用的一种脉宽调制技术，用一系列脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲代替正弦波。
本文介绍了基于面积等效原理，采用查表法，利用MSP430单片机生成正弦脉宽调制（SPWM）波的方法。
在功率电路中，以半桥驱动器IR2103s为驱动芯片，驱动N沟道场效应晶体管IRF540N构成逆变桥，将直流电逆变为交流电通入三相正弦永磁同步电动机。
在调速中，采用分段同步调制技术对电机进行调速。
在调试过程中，应用直流电动机H型主电路可逆脉宽调速的原理对原有的控制器功率电路的性能进行调试测试。
关键词：正弦脉宽调制；永磁同步电动机；MSP430单片机；分段同步调制IABSTRACTThis paper described the open-loop power controller design for permanent magnet synchronous motor by using sinusoidal pulse width modulation technique.Sinusoidal pulse width modulation technique is commonly used as a kind of pulse width modulation technology, with a series of pulses instead of the sine wave and the width of the pulses are changing as sinusoidal. Introduction was made to the method of sine pulse width modulation (SPWM) wave generated by table searching, which is based on area equivalence principle.In the power circuit, the half-bridge driver chip IR2103s was used to drive N-channel field effect transistor IRF540N which constituted the inverter bridge so that the current fed three-phase sinusoidal permanent magnet synchronous motor. The sub-synchronous modulation technique was used to regulate the motor speed.During the commissioning process, the performance test of the original controller power circuit was with H-type main circuit DC motor reversible PWM speed control principle.KEY WORDS: Sine pulse width modulation; Permanent magnet synchronous motor; MSP430 single chip; Sub-synchronous modulation techniqueII目录1 绪论 (1)1.1 课题的研究背景和意义 (1)1.2 课题对象的特点及控制要求 (2)1.3 课题任务和要求 (3)1.3.1 课题的主要任务 (3)1.3.2 课题的基本要求 (3)1.4 设计思路 (3)2 控制器硬件设计 (5)2.1 概述 (5)2.2 硬件电路的设计 (5)2.3 元器件的参数和功能 (6)2.3.1 电力场效应晶体管 (6)2.3.2 半桥驱动器IR2103s (7)2.3.3 光电耦合器6N137 (8)2.4 印制电路板的设计及注意事项 (9)2.5 本章小结 (10)3 控制器软件设计 (11)3.1 正弦脉宽调制技术 (11)3.2 SPWM波的生成方法 (12)3.2.1 计算法和调制法 (12)3.2.2 异步调制和同步调制 (12)3.2.3 自然采样法和规则采样法 (13)3.3 SPWM波生成的软硬件环境及实现方法 (14)3.3.1 SPWM波生成的硬件环境 (14)3.3.2 SPWM波生成的软件环境IAR (15)3.3.3 MSP430的编程方法和SPWM波的生成 (16)3.4 本章小结 (18)4 控制器的调试及运行结果 (19)4.1 控制器的软硬件完成情况 (19)4.2 调试中出现的问题 (20)4.3 直流电动机可逆脉宽调速H桥主电路 (21)III4.4 直流电动机H桥主电路可逆脉宽调速调试及运行结果 (21)4.5 本章小结 (23)5 结论与展望 (24)参考文献 (25)附录1 英语文献原文 (26)附录2 英文文献翻译 (34)附录3 控制器硬件电路原理图 (47)附录4 印制板PCB设计图 (48)附录5 SPWM波生成程序 (49)致谢....................................................................................................... 错误!未定义书签。
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中压大功率牵引永磁同步电机全速度范 围内控制策略研究
为了克服同步调制和异步调制各自的优缺点，
借鉴中压大功率牵引异步电机的控制方法
[10] ，中
压大功率牵引永磁同步电机的控制采用多模式调制 方式（异步 SPWM 、同步 SPWM 、分段同步 SHEPWM ，方波）。 根据永磁电机的数学模型可进行矢量控制，在 非方波模式下，采用双 PI 电流环，可以同时控制 电压矢量的赋值和角度。但当进入方波模式以后， 电压矢量的赋值是固定的，直流电压的利用率达到 最大，此时采用双 PI 电流控制器已经无法同时保证 交直轴的电流的跟踪，为此需要引入其他控制策略。 限于篇幅，本文仅对方波前的控制策略进行研究， 对于进入方波后的控制策略将在后续的研究成果中 进行报道。
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（ 1. 华侨 大学信息科学与工程学院 摘要
361021 2. 中国科学院 电 工研究所
北京
100080 ）
永磁同步 电 机具有 结 构 紧 凑、高功率密度、高气隙磁通和高 转 矩 惯 性比等 优 点，在
中高 压牵 引 驱动领 域具有广 阔 的市 场应 用前景。本文 对 基于 SHEPWM 的中 压 大功率 牵 引永磁 同步 电 机的两 电 平 闭环 控制技 术进 行研究，提出了非方波模式 时 的系 统 控制策略。研究了 该 控 制策略中三相 电压时间 域的角度 值 和 电压 矢量空 间 位置角的关系， SHEPWM 的工程 实现 方法和 不同 PWM 模式下的 动态 切 换 方法等关 键 技 术 。 经过试验验证 ， 该 控制策略达到了 预 期的消 谐 要求， 动态 切 换过 程中 电 流平滑，全速度范 围 内 d 、 q 电 流跟踪良好。 关键词： 永磁同步 电 机 中图分类号： TM351 SHEPWM 中 压 大功率 动态 切 换
77
平变频器传动系统已在金属压制、矿井提升、船舶 推进、机车牵引等领域得到广泛的应用。在这些中 压大功率传动系统中，随着器件电压、功率加大， 开关损耗随之增大，散热压力增大，因此受到开关 器件开关损耗以及散热的限制，最高开关频率一般 在几百赫兹左右，开关频率的降低带来了 PWM 波 形谐波大的问题，但是同时电机最高转速可以接近 200Hz ，因此在整个速度范围内，载波比的变化范 围非常大。为了克服同步调制和异步调制各自的优 缺点，中压大功率牵引异步电机的控制通常采用多 模式调制方式（异步 SPWM 、同步 SPWM 、分段同 步 SHEPWM ，方波） [1-13] 。 永磁同步电机采用永久磁铁产生气隙磁通而不 需要外部励磁 , 可获得极高的功率密度以及转矩惯 量比，因此永磁同步电机具有结构紧凑、高功率密 度、高气隙磁通和高转矩惯性比等优点。开发中压 大功率牵引永磁同步电机控制技术及其在高速铁路 中具有非常广阔的市场应用前景。 本文提出了非方波模式时基于 SHEPWM 的中压 大功率牵引永磁同步电机的两电平控制策略。并对 该控制策略中三相电压时间域的角度值和电压矢量 空间位置角的关系， SHEPWM 的工程实现方法和不 同 PWM 模式下的动态切换方法等关键技术进行研究。 通过实验验证了该控制策略的消谐结果，动态切换 过程的控制性能，全速度范围内 d 、 q 电流跟踪性能， 最终满足系统的要求。
PMSM has such advantages as compact structure, high power density, high air gap
flux and high torque inertia ratio, etc. It has a very broad market prospect in the fields of mediumhigh voltage traction driving system. This paper researches the two level close-loop control technology of PMSM used in medium voltage high power traction system based on SHEPWM and presentes tegy in the mode of non square-wave. It also researches the key control technologies of this strategy, such as the relationship between the angle value of the threephase voltage in time domain and the voltage vector space angle, the engineering implementation method of SHEPWM and the dynamic switching methods of different PWM modes. Experiments prove that this control strategy is up to the requirement of cancellation harmonic, the current is smoothing in the process of dynamic switching, and the current of d and q axis was well tracked in the whole speed range. Keywords ： Permanent magnet synchronous motor, SHEPWM, medium voltage high-power, dynamic switching
N N k M 1 1 2 1 cos k k 1
（6）
由式（ 5）、式（ 6 ）可以得到
M U 01 2U dc
（7）
由式（ 7）可知，调制深度 M 表征的是电压的 幅值。 在矢量控制系统中，如图 1 中所示， M 值通过 U sd 和 U sq 来计算电压矢量赋值。若坐标变换为等功 率变换，则电压基波幅值可表示为
Two Level Control Technology of PMSM Used in Medium Voltage High Power Traction System Based on SHEPWM
Guo Xinhua 1 （ 1. Huaqiao University Xiamen Wang Yongxing2 361021 Beijing Zhao Feng 2 100190 Wen Xuhui 2 Chinese China ） China 2. Institute of Electrical Engineering Academy of Science Abstract
如前所述，因为 SHEPWM 开关角是离线计算 的，所以发波方式为强制赋值 DSP 的 PWM 管脚， 为了保证发波的精度，设置了一个 50µs 的高速中 断，在高速中断中计算电压矢量角度，并将其处理 成发波角度，通过将这个发波角度与当前 M 和开 关角数 N 所查出的 SHEPWM 角度比较，在相应的 开关角的位置，强制置高或置低 DSP 的 PWM 相 应的管脚，从而发出 SHEPWM ，为了保证消谐的 效果， SHEPWM 在一个电周期内只查一次表。主中 断用于进行控制算法的实现，其中嵌套高速中断， 高速中断的优先级高于主中断，如图 2 所示。
为了使电压矢量等效相等，只需
3 3 U 0 cos j U 0 sin 2 2 3 3 U 0 sin j U 0 cos （3） 2 2
电压矢量角 的表达式为
arctan
3.2 SHEPWM 的工程实现
（10）
中央高校基本科研业务费资助项目。 收稿日期 2012-03-20 改稿日期 2012-08-10
1
引言
基于高压大功率器件（ 3.3kV 、 4.5kV 及
6.5kV 的 IGBT 和 IGCT ）的中压大功率两电平和三电
第 27 卷第 11 期
郭新 等
基于 SHEPWM 的中压大功率牵引永磁同步电机两电平控制
3
控制策略中的关键技术研究
针对图 1 控制策略中的 SPWM 和 SHEPWM 的
实现和开关角的计算方法在文献 [1,2]中已经详细介 绍，在中压大功率牵引永磁同步电机的控制中可以 采用相同的方法来实现，本文只对图 2 控制策略中 的电压矢量角的推导过程、 SHEPWM 的工程实现 和不同 PWM 策略间的动态切换的三个个关键技术 进行分析。 3.1 电压矢量角的推导 在矢量控制系统中，电压矢量空间位置角通过 U sd 和 U sq 进行极坐标变换来获得，而 PWM 波是通 过三相相电压产生的，所以必须将电压矢量的空间 位置等效转换成三相电压的时间量，使三相电压的 合成矢量与电压矢量的指令值保持一致，通过推导 可知，三相电压的时间域的角度值为电压矢量的空 间位置角加上 /2，其推导过程如下： 电压矢量可以表示为
因此，非方波模式前，采用双 PI 控制策略分 别来控制交直轴的电流，从而达到控制电机转矩的 目的，基于 SHEPWM 的永磁同步电机闭环控制框 图如图 1 所示，其中 SPWM 采用不对称规则采样， SHEPWM 的开关角计算采用离线的计算方式。
图1 Fig.1
基于 SHEPWM 的永磁同步电机闭环控制框图 Close-loop control strategy of PMSM based on SHEPWM
2012 年 11 月 第 27 卷第 11 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.27 No. 11 Nov. 2012
基于 SHEPWM 的中压大功率牵引永磁同步 电机两电平控制