无速度传感器矢量控制和空间矢量脉宽调制( SVPWM)的基本原理

1、无速度传感器矢量控制和空间矢量脉宽调制( SVPWM)的基本原理2010年8月6日异步电机无速度传感器矢量控制系统研究刘和平，王强，余银辉，刘 平（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室）摘要：分析了无速度传感器矢量控制和空间矢量脉宽调制( SVPWM)的基本原理，提出了带补偿的电压模型磁链及转速估算方法。该方法考虑到了积分误差和定子电阻，并能在全速度范围内得到较好的磁通及转速估计。利用TMS320F2808实现了异步电机无速度传感器矢量控制系统，给出了系统硬件和软件设计方案。试验结果表明系统具有良好的动静态性能和稳定性。关键词：SVPWM；异步电机；无速度传感器；带补偿的电压模型

2、；全速度范围中图分类号：TM343 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010)07-0069-04O引 言 在异步电机控制系统中，为满足离性能控制的要求，需采用速度闭环控制，因此要测量异步电机转速。传统的电机转速测量装置多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，它增加了控制系统成本，存在安装与维护上的困难，并使系统易受干扰，降低了系统可靠性，且不适用于恶劣环境。随着空间矢量脉宽调制( SVPWM)技术和数字信号处理器( DSP)的出现及发展，使得复杂的转速估算及控制算法得以实现，因此异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究正逐步深入。本文针对异步电机无速度传感器矢量控制算法中传统的电压

3、和电流磁链估计模型的缺点，提出了新的带补偿的电压模型磁链及转速估算法。并基于DSP TMS320F2808实现了异步电机无速度传感器矢量控制系统。1 SVPWM原理 SVPWM足将逆变器和电动机看成一个整体，建立逆变器开关模式和电机电压空间矢量的内在联系，通过控制逆变器的开关模式，使电机的定子电压空间矢量沿圆形轨迹运动，从而明显降低转矩脉动，与传统的SPWM相比，其开关器件的开关次数可以减少,1/3，直流电压的利用率可提高百分之15，能获得较好的谐波抑制效果，且易于实现数字化控制。 常用的三相电压源逆变主电路结构如图1所示。 三相逆变器共有8种开关状态（上桥臂导通开关状态为1，下桥臂导通开关状

4、态为0，从而对应8种基本空间电压矢量，其中两个是零电压矢量(O0、O111)，另外6个基本电压空间矢量（Uo，U60，U120，U180，U24O，U300）在空间互差60度，对于任意电压空间矢量可以由相邻的两个基本电压空间矢量（Ux，UX+60）和两个零电压空间矢量(O0、O111)按平行四边形法则合成得到，如图2所示。2无速度传感器矢量控制策略 无速度传感器矢量控制策略取消了具有低可靠性等缺点的速度传感器，而是利用容易测量得到的电机定子电压、电流等电信号，通过一定的算法获得电机的转速。问题的关键在于如何快速估算得到转速的信息，且保持较高的控制精度，满足实时控制的要求。为此，设计了以下控制系

5、统，其原理框图如图3所示。 在转子磁场定向的矢量控制系统中，转子磁链的准确估计和控制是影响电机控制性能的关键因素之一。转子磁链估算有电压模型和电流模型两种。传统的电压模型法算法简单，受电机参数变化影响小，但是低速时观测精确度较低，而且纯积分环节的误差积累和漂移问题严重；传统的电流模型法不涉及纯积分项，其观测值是渐近收敛的，低速的观测性能强于电压模型法，但是高速时不如后者，而且受转子时间常数影响较大，常需进行实时辨识才能保证磁链观测精确度。 本文将电压模型和电流模型结合起来估算转子磁链，对电流模型计算的磁链进行PI运算，再用PI运算的结果补偿电压模型的磁链，通过调节PI参数的值，使得在高速时电压

6、模型起主要作用，低速时使电流模型起主要作用，从而克服了电压模型和电流模型的缺点，提高了估算的准确性。 转子磁场定向控制中，在两相旋转坐标系和两相静止坐标系中的电流模型转子磁链方程分别如式(2)、式(3)所示： 在两相静止坐标系下，根据电流模型转子磁链计算电流模型定子磁链： 然后根据补偿电压和反电动势的积分得到电压模型中的定子磁链： 补偿电压计算公式如式(6)所示： 选择合适的比例增益Kp和复位时间T1，使得低速情况下由电流型计算出来的磁链是主要的，而电压型中的反电动势在转速低的时候很小（转速为O时反电动势几乎为O），而高速时，电压型中的反电动势是主要的，电压模型计算出的转子磁链为主。 根据电压

7、模型定子磁链可以计算得到电压模型转子磁链： 无速度传感器矢量控制系统的转速根据磁链估计模型输出的转子磁链进行估计得到。磁链矢量关系如式(9)所示：同步转速和转差角频率分别如式(10)(11)所示：3系统实现 基于SVPWM原理和无速庋传感器矢量控制原理，选用TMS320F2808作为核心控制器设计了控制系统的硬件和软件。 采用低压大电流功率MOSFET并联结构，提高系统的过流能力，并降低了系统成本。 采用IR21363S作为PWM驱动芯片，IR213 63S是功率MOSFET和ICBT专用驱动芯片，有三个独立的高压侧和低压侧输出信号，可以同时输出六路PWM信号，而只需要一个直流工作电源，PWM

8、工作频率可达500 kHz，具有欠压和过流保护功能，故障时可以自动关闭全部PWM输出，同时输出故障信号，DSP检测到该故障信号，关闭PWM输出，从而提供了双重功率保护功能。 采用霍尔和磁环配合检测异步电机两相电流，通过电阻分压方式检测直流母线电压，并通过RC滤波电路滤波，降低了系统成本，提高了AD采样的准确性和系统工作的可靠性。 通过CAN与触摸屏液晶进行相互通信，将要显示的数据传送到液晶显示，通过触摸屏在线修改相关参数并传送到DSP，从而实现系统的人机交互功能。 硬件整体框图如图4所示。 系统软件采用C语言编写，主要包括主程序和定时器下溢中断子程序，具体程序流程图如图5所示。4实验结果 本系统的实验是采用48 V电池组（8节铅酸电池串联）作为供电电源，实验所用电机为一台4Y接法电机上进行的，该电机参数为：额定功率5 kW，额定电压33 V，额定定子相电流115.3 A，定子空载相电流56.7 A，额定频率120 Hz，定子电阻0. 00255，转子电阻0.00086，定子漏抗Xl为0. 0068，转子漏抗X2为0.0114，励磁电抗Xm为0 2479。 实验得到定子相电流、线电压波形如图6所示，转子磁链波形如7所示，带载起动时的估计转速与实际转速波形如图8所示。5结论 异步电机无速度传感器矢量控制算法中的磁链估计系统采用电压