基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究.doc

基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究 永磁同步电机 直接转矩 空间矢量脉宽调制 Matlab/Simulink 1??引言 ??? 空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是在一个控制周期内，通过相邻基本电压矢量和零电压矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的线性连续可调的技术[1,2]。 ??? 本文运用了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的永磁同步电机的直接转矩控制算法，其原理是根据转矩和定子磁链的误差，通过驱使误差为零的原则确定参考电压空间矢量，然后通过SVPWM技术合成该矢量[3]，由于在下一个控制周期内，采样时刻的电压和磁链误差可以得到补偿，因此转矩和磁链的误差始终能够控制在一个很小的范围，二者的脉动很小。 ? 2??SVPWM的基本原理 ??? 交流电动机输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。因此，如果把逆变器和交流电机看成一个整体，控制逆变器的工作状态以此来产生跟踪圆形的旋转磁场，能够达到很好的控制效果。 ??? SVPWM将逆变器和交流电机视为一个整体观念，把三相对称的正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆作为参考对象，通过选择三相逆变器的六个功率开关器件的特定开关模式，生成SVPWM脉宽调制波，从而使电机的实际磁链尽可能地逼近理想的圆形，产生恒定的电磁转矩[4]。 ??? 由电压源型逆变器产生的8个基本电压空间矢量如图1所示。6个非零基本电压空间矢量将整个电压空间矢量平面区域分成六个60°的扇区-Ⅵ。 ? 图1??电压矢量在空间的分布图 ??? 交流电动机仅由常规的逆变器供电，得到的是六边形的旋转磁场。这是因为在一个周期内逆变器只切换六次工作状态，因此只能形成6个电压空间矢量。如果想获得更多边线或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个π/3期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，采用线性组合法控制SVPWM的开关时间，改造后的逆变器可以得到逼近圆形的旋转磁场。 ? 3.1 参考电压矢量所在扇区的判断 ??? 由图1所示，SVPWM分为六个扇区，电压矢量所在的扇区是由Urefα和Urefβ决定的。可以得出表1中的关系式。 ??? 从上述关系可以看出，电压合成矢量可以由三个关系式即，，Urefβ与0的关系来确定。为此我们定义： ?? (1) ?? (2) ??? 式中，P是扇区号，sign(x)是符号函数，如果x＞0，sign(x)＝1；如果x≤0，sign(x)＝0。P从1到6与六个扇区号一一对应。 3.2相邻两电压空间矢量作用时间 ??? 定义： ??? ?(3) ??? 其中，Ts为脉宽调制波PWM的周期。 ??? 不同扇区两相邻电压矢量的导通时间tx和ty值的计算可归纳为表2： ??? 若Uref的幅值超过2/3Ud，两相邻电压矢量在一个PWM周期内不能合成Uref，即 ??? tx + ty＞T出现了饱和，要按照式(4)进行调制。 ?????? (4) 3.3 计算电压空间矢量切换点taon、tbon、tcon ??? 定义： ??? (5) ??? 根据前面所述的电压空间矢量的输出时序原理，可以得到不同扇区的电压矢量切换点，如表3所示。利用切换点Tcm1、Tcm2、Tcm3的计算值和三角波进行比较就可以得到SVPWM的输出时序。 3.4 基于SVPWM的PMSM DTC控制系统的实现原理 ??? 基于空间电压矢量脉宽调制的永磁同步电机直接转矩控制系统的原理框图如图2所示。 图2??基于SVPWM的PMSM DTC系统结构框图 ??? 由ΔTｅ和Δδ之间的关系可知道，只要改变负载角增量Δδ就可以使转矩观测值Tｅ与速度调节器PI输出的转矩给定值Ｔ*ｅ之间的误差ΔTｅ快速变化，从而得到快速的电磁转矩响应。定子磁链的变化导致了负载角增量Δδ的变化。在8个基本电压空间矢量中，我们可以利用相邻的两个电压空间矢量在不同的作用时间下，合成任意多个电压空间矢量，这样，就可以在一个开关周期内合成最合理的电压空间矢量来补偿电机转矩误差和定子磁链的误差。为了补偿这个误差，定子磁链的相位角需要增加Δθ，由此可以得到下一周期预测的期望磁链值，它与定子磁链的观测值之间的矢量差即是参考磁链，很方便可得到其在αβ０轴的分量和，再经电压空间矢量计算模型得到能够补偿磁链误差的参考电压分量Urefα和Urefβ。确定所应施加的两相邻基本电压空间矢量，计算其各自的作用时间，输出逆变器控制信号，控制逆变器开关状态，实现磁链偏差的精确补偿和电压矢量连续可调。 ? 4.1 仿真模型 ??? 基于图2所示的系统原理结构框图，在MATLAB/Simulink环境下对基于SVPWM的三相永磁同步电机直接转矩控制系统进行建模及仿真研究。