0 引言
隨著電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、稀土永磁材料和控制理論的飛速發(fā)展, PMSM具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1];DTC是繼矢量控制技術(shù)之后的一種新方法,它采用定子磁鏈定向,利用離散的兩點(diǎn)式進(jìn)行調(diào)節(jié),并直接對電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速[2]。與矢量控制相比,由于DTC系統(tǒng)具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快、對電動機(jī)參數(shù)依賴少、對電動機(jī)參數(shù)變化魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)[3]受到普遍關(guān)注。
SVPWM控制策略由日本學(xué)者在20世紀(jì)80年代針對交流電動機(jī)變頻調(diào)速提出的,其主要思路是采用逆變器空間矢量電壓的切換以獲得準(zhǔn)圓形磁場,從而使逆變器輸出適當(dāng)波形的電壓[4-7];其理論基礎(chǔ)是平均值等效原理,即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合,使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻,電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中,可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加,從而控制各個電壓矢量的作用時間,使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn),通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓,并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài),從而形成PWM 波形。
本文中利用Matlab/Simulink仿真工具對基于SVPWM的PMSM DTC系統(tǒng)進(jìn)行仿真。詳細(xì)介紹了SVPWM模塊中各單元模型的建立,具體闡述了如何將DTC系統(tǒng)和SVPWM技術(shù)相結(jié)合,即預(yù)期電壓矢量模型;并分析控制系統(tǒng)的性能,為更好的實(shí)現(xiàn)基于SVPWM的PMSM DTC系統(tǒng)數(shù)字化控制提供理論基礎(chǔ)。
1 SVPWM原理
SVPWM是通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近基準(zhǔn)圓,圖1是一種典型的三相電壓源逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,
為直流母線電壓。
六個開關(guān)管分別用理想開關(guān)1~6組成a、b、c三個橋臂,每個橋臂上下開關(guān)管互鎖導(dǎo)通,分別用開關(guān)變量 s
a、s
b、s
c 來表示a、b、c三個橋臂開關(guān)管開關(guān)情況。如果上橋臂導(dǎo)通用“1”表示,下橋臂導(dǎo)通用“0”表示,則逆變器三相共有8種狀態(tài)組合,其中6個非零電壓矢量
、
兩個零電壓矢量
;從逆變器的正常工作狀態(tài)來看,前六種是有效的,后2種狀態(tài)是無效的,因?yàn)檫@時逆變器并沒有電壓輸出。
假設(shè)六個開關(guān)管作這樣一個周期循環(huán):456、561、612、123、234、345。以工作狀態(tài)(100)為例說明,此時功率開關(guān)器件“1”“3”“2”導(dǎo)通,電動機(jī)定子A、B點(diǎn)電位為正,C點(diǎn)為負(fù),它們相對于直流電源中點(diǎn)O的電壓都是幅值為 的直流電壓,而三相電壓空間矢量分別位于A、B、C三相軸線上,三相合成的電壓空間矢量為 ,其幅值等于 ,方向在C軸上。
同理可以得到其他工作狀態(tài)合成的電壓空間矢量,把這八種工作狀態(tài)生成的電壓空間矢量稱為基本電壓空間矢量,其分布如圖2所示。
圖1 三相電壓源逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2基本電壓空間矢量分布圖
2 SVPWM的Simulink仿真
由SVPWM的原理可知,SVPWM模塊的建立主要包括:扇區(qū)判斷模塊、計(jì)算基本矢量的作用時間模塊、開關(guān)作用時間的計(jì)算模塊、SVPWM波形的生成模塊、逆變器電壓模塊等[ 9]。
2.1扇區(qū)判斷
在應(yīng)用SVPWM技術(shù)時,首先要確定合成電壓矢量所處的扇區(qū),這里扇區(qū)的確定我們采用下列方法。
與扇區(qū)的關(guān)系有:
再令 N=A+2B+4C可知,扇區(qū)與N 的對應(yīng)關(guān)系如表1,模型如圖3所示。
表1 扇區(qū)與 的對應(yīng)關(guān)系
圖3 扇區(qū)判斷模型
2.2 計(jì)算基本矢量的作用時間
在確定電壓合成矢量所在扇區(qū)后,應(yīng)當(dāng)計(jì)算合成電壓矢量分解到這個扇區(qū)兩相鄰電壓矢量的導(dǎo)通
圖5基本矢量作用時間計(jì)算模型
2.3 開關(guān)作用時間的計(jì)算模型
法如式(2):
根據(jù)以上各矢量的發(fā)送順序和作用時間以及切換點(diǎn)規(guī)律,可合成期望的電壓空間矢量,實(shí)現(xiàn)磁鏈追蹤。
2.4 SVPWM波形的生成
圖6 矢量切換點(diǎn)仿真模型
圖7 PWM波形的生成模型
2.5 逆變器電壓模型
以逆變器A相電壓實(shí)現(xiàn)為例,其仿真模型如圖8所示。
圖8 逆變器A相電壓模塊
由以上各子模型可建立SVPWM的仿真模型如圖9所示:
圖9 SVPWM仿真模型
2.6 SVPWM仿真波形分析
圖12 切換點(diǎn)的仿真波形
圖13 SVPWM三相輸出電壓波形
從圖13可以看出:在半個周期中電壓輸出等距、等幅,中間脈沖寬,兩邊脈沖窄,這樣有利于電機(jī)輸出電壓中低次諧波分量。
3 基于SVPWM DTC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1 基于SVPWM DTC系統(tǒng)組成
基于SVPWM的PMSM DTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖14所示。在這個控制系統(tǒng)中包括兩個PI調(diào)節(jié)器:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)、預(yù)期電壓矢量計(jì)算模型、SVPWM模型、電壓源逆變器模型、3s/2s變換模型、磁鏈估算模型、轉(zhuǎn)矩估算模型等模塊。對于DTC系統(tǒng)建模在文獻(xiàn)[10]中已作了詳細(xì)介紹,這里不再贅述。如何將DTC原理和SVPWM技術(shù)相結(jié)合是本文所要研究的重點(diǎn),即預(yù)期電壓矢量模型。
圖14 基于SVPWM PMSM DTC系統(tǒng)框圖
3.2 預(yù)期電壓矢量計(jì)算模型
在dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PMSM的數(shù)學(xué)模型為:
所以有
4 系統(tǒng)仿真分析
轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線有些相似,在開始時刻,電流值比較大,但很快達(dá)到設(shè)定值,兩相電流正弦度很好,定子磁鏈軌跡圓也很平滑;在轉(zhuǎn)速和負(fù)載突變的情況下,系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性都較好。
5 結(jié)論
本文在分析SVPWM技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合DTC原理實(shí)現(xiàn)了基于SVPWM策略的PMSM DTC系統(tǒng)。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下,具體介紹了SVPWM模塊如何搭建,并對該模塊仿真結(jié)果作了簡要分析;詳細(xì)闡述了如何將SVPWM技術(shù)和DTC系統(tǒng)相結(jié)合,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:波形和理論分析一致,系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行,并具有良好的動、靜態(tài)特性,為基于SVPWM的PMSM DTC數(shù)字化實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。
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