感應電機矢量控制中轉子參數辨識研究 學號 B20110402姓名 李政學 目錄 直流電動機的調速 SPWM與SVPWM技術以及DSP實現 異步電動機的矢量控制 研究背景 電力電子技術是一門專門研究電能變換的理論 方法及應用的學科 是集電子技術 控制理論 計算機技術 材料科學 電磁兼容 傳感器技術 熱傳導技術于一體的新興交叉學科 自從其產生到現在的半個多世紀以來 由于它對國民經濟的顯著作用 得到了國內外的普遍重視 發展非常迅猛 以至于無論是在功率器件 電路拓撲 控制方法和裝置性能等方面都與初期有很大進步 而且應用日益廣泛 幾乎涉及從發電 儲電 輸電到用電的所有領域 直流電動機的調速 直流電動機是最早出現的電動機 長期以來一直占據著速度控制和位置控制的統治地位 良好的線性調速特性簡單的控制性能高質高效平滑運轉的特性 近年來 隨著計算機進入控制領域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現 使采用開關功率元件進行脈寬調制 PulseWidthModulation 簡稱PWM 控制方式已成為絕對主流 在直流調速控制中 可以采用各種控制器 DSP是其中一種選擇 由于DSP具有高速運算性能 因此可以實現諸如模糊控制等復雜的控制算法 傳統調速方法電樞回路串電阻調速改變電樞電壓調速增大勵磁回路外串電阻調速電壓平衡方程 其中感應電動勢 圖1 1直流電動機等效電路 1 1 1 2 1 3 占空比定寬調頻法調寬調頻法定頻調寬法TMS320LF2407ADSP集成了PWM控制信號發生器 它可以通過調整事件管理器的定時器控制寄存器來設定PWM工作方式和頻率 通過調整比較值來調整PWM的占空比 通過專用的PWM輸出口輸出占空比可調的PWM控制信號 a 原理圖 b 輸入 輸出電壓波形圖1 2PWM調速控制原理和電壓波形圖 1 4 變頻調速原理變極調速 使一半導體的電流方向改變 變極 4極1500r min 2極3000r min 變頻調速1 基頻向下變頻調速 保持不變 適用于恒轉矩負載 2 基頻向上變頻調速 電源電壓不允許升高 頻率越大 磁通越小 弱磁調速 適用于恒功率負載 SPWM與SVPWM技術以及DSP實現 2 1 變頻變壓 VariableVoltageVariableFrequency VVVF調速變頻與變壓的實現 SPWM調制波將等寬的脈沖波變成寬度漸變的脈沖波 其寬度變化規律應符合正弦的變化規律 產生正弦脈寬調制波SPWM的原理是 用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較 用其相交的時刻來作為開關管 開 或 關 的時刻 自然采樣法 圖2 1自然采樣法生成SPWM波 非對稱規則采樣法1 頂點采樣時2 底點采樣時 圖2 2非對稱規則采樣法生成SPWM波 多載波SPWM調制 1 基于載波垂直移相SPWM方法a 所有載波相位相同的PD調制策略b 所有相鄰的載波相位相反的APOD調制策略c 正載波與負載波相位相反的POD調制策略 a PD調制 b APOD調制 c POD調制 圖2 3多載波諧波消除SPWM調制策略示意圖 2 基于載波水平移相SPWM方法圖2 4PS調制策略示意圖 空間矢量SVPWM脈寬調制 圖2 5三相三電平空間矢量圖 三電平空間電壓矢量原理 三電平逆變器每橋臂有4個開關器件 引入開關函數 則應是三態開關變量 分別定義為0 1 2 對應的輸出相電壓為 0 為直流回路電壓 故三相三電平逆變器合成電壓矢量數為種 除去冗余電壓矢量 有效電壓矢量有19種 a 基本拓撲結構 b 簡化結構模型圖2 6三電平逆變器拓撲結構圖 三電平空間電壓矢量算法1 判斷電壓參考矢量Vr所處的扇區和小三角形區從圖2 7可以看出SVPWM的首要任務 是判斷Vr位于哪個區域及該區域的哪個小三角形 然后就能依此確定出相應的輸出電壓矢量 把空間矢量PWM方法的實現歸納為以下幾步 以第一扇區為例 1 根據電壓矢量的模長計算調制度的大小 u為參考電壓矢量幅值 ud為直流母線電壓 2 根據參考電壓的矢量角判斷電壓矢量所在的區間 圖2 7第一個60 區域的電壓矢量圖 如圖2 7所示的第一扇區 就需判斷電壓矢量位于第一扇區的A B C D的哪一區域 定義m的邊界條件分別為mark1 mark2 mark3 由三角關系可得 2 2 通過判斷與上述三個邊界條件的關系可得到電壓矢量落在哪個區間 當時 電壓矢量落于A區 由V0 V1 V2三矢量等效合成 當時 電壓矢量落于B區 由V1 V2 V8三矢量等效合成 當且時 電壓矢量落于C區 由V1 V7 V8三矢量等效合成 當且時 電壓矢量落于D區 由V2 V8 V9三矢量等效合成 2 確定各合成電壓矢量的作用時間當參考矢量落入某一個三角形區域時 為了在輸出得到相應頻率的正弦波和減少輸出電壓的諧波含量 就用組成該三角形的三個矢量合成該參考矢量 根據伏秒等效合成原理 各矢量的作用時間和參考矢量的關系 應滿足如下公式 其中 tx ty tz分別為電壓空間矢量Vx Vy Vz在一個采樣周期的作用時間 Ts為采樣周期 Vr為參考電壓矢量 2 3 通常采用最近三矢量法合成電壓參考矢量 當參考矢量位于三角形區域A中時 用V0 V1 V2來等效合成 當參考矢量落于三角形區域B中時 用V1 V2 V8來等效合成 當參考矢量落于三角形區域C中時 用V1 V7 V8來等效合成 當參考矢量落于三角形區域D中時 用V2 V8 V9來等效合成 分別將 和 n 0 1 2 7 8 9 代入式 2 3 可以得到在A B C D等區域內各矢量的作用時間 如表2 1所示 其他幾個三角形區域各矢量的作用時間的算法雷同 表2 1三電平電壓空間矢量調制各空間矢量作用時間表其中m為調制度 且 u為參考電壓幅值 ud為直流母線電壓 3 三相SVPWM信號的產生在三電平逆變器SVPWM方法中 為防止同一相上多于兩只管子同時導通和減少開關次數 開關狀態的選擇通常遵循下面兩個原則 1 同一橋臂不允許有直接從 2 狀態到 0 狀態或直接從 0 狀態到 2 狀態的切換 2 從一個開關狀態到下一個開關狀態的切換 三相橋臂只能有一相有開關動作 按此原則 采用七段式SVPWM的方法 對圖2 7所示的扇區 開關狀態的選擇可如表2 2所示 表2 2第一扇區開關狀態選擇表 根據電壓矢量作用時間和表2 2矢量作用順序 下圖給出了A區的三相輸出時序圖 三角波與ta tb tc相比較 即可得到圖2 8所示三相SVPWM信號 兩者相等時 就轉換對應的開關信號 圖2 8A區輸出電壓矢量時序圖 根據電壓矢量作用時間和表2 2矢量作用順序 圖2 9給出了A B C D區的三相輸出時序圖 a A區輸出電壓矢量時序圖 b B區輸出電壓矢量時序圖 c C區輸出電壓矢量時序圖 d D區輸出電壓矢量時序圖圖2 9第一象限輸出電壓矢量時序圖三角波與ta tb tc相比較 即可得到圖2 9所示三相SVPWM信號 兩者相等時 就轉換對應的開關信號 交流異步電動機變頻變壓調速系統 由于采用了U F恒定 轉速開環的控制 基本上解決了異步電動機平滑調速的問題 但是 對于那些對動靜態性能要求較高的應用系統來說 上述系統還不能滿足使用要求 這使我們又想起了直流電動機的優良的動靜態調速特性 能不能使交流電動機調速系統像直流電動機那樣去控制呢 矢量控制方法給了我們一個肯定的答案 矢量控制理論 TransVectorControl 是由德國的F Blaschke在1971年提出的 矢量控制法成功地實施后 使交流異步電動機變頻調速后的機械特性以及動態性能都達到了與直流電動機調壓時的調速性能不相上下的程度 異步電動機的矢量控制 矢量控制的基本思想一個三相交流的磁場系統和一個旋轉體上的直流磁場系統 通過兩相交流系統作為過渡 可以互相進行等效變換 矢量控制的基本原理 圖3 1矢量控制原理框圖 矢量控制的坐標變換矢量坐標變換必須要遵循以下原則 應遵循變換前后電流所產生的旋轉磁場等效 應遵循變換前后兩個系統的電動機功率不變 Clarke變換和逆變換 圖3 2三相ABC繞組和兩相繞組各相的磁勢 Park變換和逆變換 圖3 3定子電流矢量is