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基于SVPWM的PMSM DTC系統(tǒng)模型仿真

時間：2012-12-14 11:31:34來源：章平

導(dǎo)語：?簡單介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的原理，詳細(xì)地闡述了在Matlab/Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量的方法，結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理構(gòu)建了基于SVPWM的永磁同步電動機(jī)（PMSM）DTC系統(tǒng)的仿真模型。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，定子兩相正弦度良好，從而證明了該模型的有效性，也為基于SVPWM的PMSM DTC系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)、微型計算機(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，因為這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、計算基本矢量的作用時間模塊、開關(guān)作用時間的計算模塊、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算模型

2.3 開關(guān)作用時間的計算模型

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)。

聯(lián)系地址：山東省青島市青島科技大學(xué)鄭州路53號自動化學(xué)院76號信箱2010級研究生章平

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