滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究.

1、学 号:2009024126密 级:_哈尔滨工程大学本科生毕业论文滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究院（系）名称：自动化学院专业名称：电气工程及其自动化学生姓名：#指导教师：#2013年6月滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究 冯振彪 哈尔滨工程大学学 号：2009024126密 级：_滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究Research on variable frequency drive system of drum washing machine学生姓名：冯振彪所在学院：自动化学院所在专业：电气工程及其自动化指导教师：巩冰职称：讲师所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2013年6月论文答辩日期

2、：2013年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究摘 要永磁同步电机体积小、功率密度高、效率和功率因数高，在滚筒式洗衣机的驱动系统中具有较高的应用价值，学者们在这方面的研究取得了不少成就。同时，随着电力电子器件和高速微型控制器的发展和永磁同步电动机的控制理论研究不断完善和提高，永磁同步电动机驱动系统将会有更广泛的应用前景。本文通过阅读大量文献熟悉了永磁同步电动机d、q轴数学模型和矢量控制基本原理后，针对洗衣机洗涤和脱水两种工况分别进行了控制方案的选择和研究。同时，对永磁同步电机在高速运行时存在的电流调节器饱和问题进行了分析和解决。本文的主要内容：分析了矢量控制的基本原

3、理，对SVPWM模块做了深入的研究和分析。其次，在分析了弱磁控制的基本原理后。其次，设计了调速系统，利用工程设计法设计了PI调节器的参数。同时，深入研究了超前角弱磁控制的理论方法，给出了模型的搭建方案。最后，做了大量的仿真工作，并对结果进行了分析和研究。关键词：永磁同步电机；SVPWM；弱磁控制；超前角弱磁控制 ABSTRACTBecause of its small size, high power density, efficiency and high power factor, PMSM has a high application value in the drive system

4、of drum type washing machines. Meanwhile, with the development of the power electronic devices and high-speed micro-controller, and the control theory of PMSM constantly improved and enhanced, PMSM drive system will have a wider range of applications.In this paper, after a lot of reading of literatu

5、re, d, q-axis mathematical models of PMSM and basic principles of vector control are known well. The selection and research of control scheme when the machine working at washing or dehydrating are carried out. Meanwhile, the permanent magnet synchronous motor running at high speed when there is a cu

6、rrent regulator saturation problems are analyzed and resolved.The main contents of this paper are as follows: firstly, the basic analysis of the vector control principle of PMSM and in-depth research and analysis about SVPWM are involved . Secondly, PI regulator parameters are designed with engineer

7、ing design method after designing the control system. Meanwhile, after the studying of the lead angle weakening control theoretical in-depth, the structures of the model program are gave. Before the work of Analysis and research, a lot of simulation work has been done.Keywords: permanent magnet sync

8、hronous motor; SVPWM ; weak magnetic control; lead angle weak magnetic control.I目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题意义和背景11.2 滚筒式洗衣机驱动控制系统的发展和研究现状11.3 永磁同步电机简介21.4 课题研究内容和目标3第2章 永磁同步电机数学建模及其控制策略52.1 永磁同步电机的数学模型52.1.1 永磁同步电机在三相坐标系中的数学模型52.1.2 坐标变换62.1.3 永磁同步电机在d、q坐标系下的基本方程72.2 正弦波永磁同步电机矢量控制方法的研究和选择82.2.1 永

9、磁同步电机调速系统与其他电机调速系统的比较82.2.2 永磁同步电机调速系统控制策略92.3 本章小结11第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK实现123.1 电压空间矢量SVPWM技术的基本原理123.3.1 基本电压空间矢量133.2 SVPWM波的生成方式153.3 定子参考电压的合成方法153.3.1 非零电压空间矢量作用时间的计算153.3.2 切换时间的计算183.3.3 电压空间矢量所在扇区的判断193.4 SIMULINK仿真介绍203.5 SVPWM模块仿真213.6 本章小结23第4章 PI调节器参数设计244.1 电流调节器的设计254.2 转速调节器的设计274

10、.3 仿真及参数调试284.4 本章小结31第5章 弱磁控制基本理论及方法325.1 弱磁控制基本原理325.2 永磁同步电机矢量控制基本电磁关系335.3 本章小结38第6章 仿真及波形分析396.1 仿真波形396.2 本章小结39结 论51参考文献53致 谢551第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题意义和背景作为主要的家用电器，洗衣机一直拥有广泛的市场。洗衣机依赖一套驱动系统来完成洗衣操作，核心就是通过控制电机来完成各种工况下的合理运行。目前市场上流行的主要有波轮式和滚筒式两种洗衣机，但是滚筒式洗衣机因其独特的优点逐渐占据越来越大的市场份额。其优点主要表现在：衣服损坏率低，节水，使用寿命

11、长。洗衣机给人们的生活带来了极大的方便，但是随着人们生活水平的提高，对洗衣机的性能提出了更高的要求。现在的洗衣机正在朝着智能化，节能和静音的方向发展。洗衣机的智能化程度决定于微处理器控制电机达到平滑调速的效果，其节能性则要求高效利用能量的驱动系统，而要做到静音就要求机械摩擦小，驱动系统的电磁噪声小。本课题正是基于这一背景提出的，对限制滚筒式洗衣机发展的关键技术做了研究和分析，这些技术的发展和应用对于推进永磁同步电机系统的广泛应用具有重要的经济意义和社会意义4。1.2 滚筒式洗衣机驱动控制系统的发展和研究现状世界上第一台洗衣机于1932年诞生在美国的笨得克斯航空公司，经过了80多年的发展，其驱动

12、控制系统先后出现了定速电机驱动和变速电机驱动两种形式。定速电机分为单速电机和双速电机。双速电机通过改变绕组的连接方式来改变极数以产生不同的转速。这两类电机的一个显著缺点就是不能实现系统的平滑调速，工作时需要传动和减速装置来完成转速和转矩的变换，不仅带来机械摩擦和损耗的问题，而且不可避免的增大了洗衣机的噪声。随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，变速电机逐渐被应用到洗衣机的驱动控制系统当中。最早被应用在变速领域的电机是直流串激电机，串激电机效率高、启动转矩大，控制性能好，动态性能优异。但是其转子上带有换向器和碳刷，使得电机的可靠性降低，寿命变短。为了解决换向器和碳刷带来的问题，变频感应电机

13、被应用到洗衣机的驱动系统当中。变频感应电机的极数是固定的，变化的是供电电源的频率，相应的需要一个控制器来完成电源频率的转换。这样的系统不仅能达到串激电机所能达到的调速范围，而且效率更高，噪声更低。其后，随着人们节能意识的提高，一些新的电机相继被应用到洗衣机的驱动控制系统中。其中具有代表性的是永磁无刷电机和开关磁阻电机。永磁无刷电机按照其反电动势和供电电流的波形不同可分为永磁无刷电机和永磁同步电机。它们的突出优点是效率高、调速性能更加优良。这两种电机的控制不仅需要控制器的辅助，还需要位置传感器来确定其转子位子5。开关磁阻电机是一种新型电机，结构简单、更加坚固，成本也比较低，而且适合在要求高速、环

14、境恶劣的条件下工作。但是因其转矩波动大，噪声高，目前在滚筒式洗衣机上应用的不多，其计算方法和控制技术还有待发展5。永磁同步电机的控制性能优于感应电机，这一事实得到了许多学者和技术人员的广泛论证和支持。永磁同步电机以其更加强大的转矩输出能力、更加平滑的调速性能和更低的噪声显示出其广泛应用的巨大潜力。所以本文选择以永磁同步电机控制系统为研究对象进行深入分析。1.3 永磁同步电机简介永磁同步电动机（PMSM, Permanent Magnet Synchronous Machine）的转子采用永久磁钢励磁，目前多采用钐钴合金等稀土永磁材料。由于无需电流励磁，不要电刷和换向器，因而体积小、结构简单、可

15、靠性高，同时具备同步电动机功率因素高、无转差损耗等优点。永磁同步电动机转子结构灵活多样，不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据需要使用不同的转子结构形式，其在一定的功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。永磁同步电动机的分类也多种多样，按工作主磁场的方向不同分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同可分为内转子式和外转子式；按供电频率控制方式的不同可分为它控式和自控式；按反电动势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机。本文主要研究正弦波永磁同步电动机矢量控制调速系统，因此以下的永磁同步电动机均指正弦波永磁同步电动机。正弦波永

16、磁同步电机的电磁转矩包括两部分：1)由永磁体励磁磁场与电机定子电流分量所产生的同步电磁转矩,这一部分转矩,由于永磁体励磁磁场恒定,该转矩正比于电机定子交轴电流分量；2)磁阻转矩,它与电机突极系数有关,与电机直轴和交轴电感之差有关，和直轴和交轴电流乘积成正比4。目前,永磁同步电机不仅被应用到恒定频率、恒定转速的场合，而且在中小容量调速、伺服场合，由永磁同步电机构成的交流调速系统也得到广泛的应用。其中，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、大范围的调速或定位控制。随着智能机器人、数控等技术的发展，对高性能变速伺服驱动系统的要求将不断增长。因此，永磁同步电机矢量控制系统的发展和应用前景是广阔的，对

17、永磁同步电机矢量控制的研究已经成为中小容量交流调速和伺服驱动系统的研究重点。当今，永磁同步电机直接转矩控制系统已经在中小功率的变速传动系统中较多应用，广大科技工作人员和从事新产品开发的研究机构普遍重视其研究与相应产品的开发。伴随着新材料、机电一体化、电力电子技术、计算机技术、控制理论等高新技术的快速发展，交流永磁同步电机调速系统正向数字控制甚至全数字控制的方向发展。用计算机软件控制代替传统的模拟控制，其控制软件的灵活性使得运动控制能够实现高速、高精度、高稳定性、快速响应、高效节能，这决定数字控制系统将会在人民生活和工农业生产中占据绝对优势。新世纪，不断涌现的高性能的永磁材料，使得永磁电机的应用

18、范围近一部广大，目前正朝着大功率、高功能化和微型化发展。永磁电机制成后不需要外加励磁，但也造成其从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁电动机难以从外部调节其输出转矩，不能用改变励磁的办法来调节其转速。这些使得永磁电机的应用范围受到限制。但是，随着电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁电机在应用中可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制原理三项技术结合起来，使永磁电机在崭新的工况下运行。1.4 课题研究内容和目标本课题需要在永磁同步电机结构的基础上，根据永磁同步电机的特性建立其数学模型。并根据洗衣机在洗涤和脱水不同工况下转速和转矩的不同要求设计驱

19、动控制策略。其中脱水模式时转速大大超出额定值，需要采用弱磁控制方式。在SIMULINK环境下根据矢量控制的原理建立永磁同步电机矢量控制的仿真模型，并采用速度、电流双闭环的控制方案，设计PI控制器的参数，仿真并对结果进行分析。课题所用永磁同步电机的额定转速为500rpm，额定电压为220V，50Hz，额定电流为3A。课题研究实现的目标：1、建立永磁同步电机在转子两相旋转坐标系下的数学模型；2、掌握永磁同步电机矢量控制的基本原理；3、建立永磁同步电机MATLAB仿真模型，设计PI调节器的参数，搭建转速电流双闭环控制的永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型；4、针对脱水模式，设计弱磁控制策略，对原控制系

20、统进行改进；5、对搭建的模型进行仿真并改进，使得最终系统在洗涤模式下调速范围达到500-1500rpm，最大转矩27.1N×m，能够快速正反转；在脱水模式下调速范围达到1500-1800rpm，最大转矩3.3N×m。3第2章 永磁同步电机数学模型及其控制策略第2章 永磁同步电机数学建模及其控制策略2.1 永磁同步电机的数学模型电机的基本电磁关系就是电压，电流，磁链，转矩和转速之间相互联系相互制约的关系。而精确的电机模型是电机控制理论得以研究与实现的基础，因此首先给出三相永磁同步电机数学模型。永磁同步电机定子上有A、B、C三相对称绕组，转子上贴有永久磁钢，永磁体的励磁磁场与定

21、子绕组电流在气隙中产生电磁耦合作用，使电机转动。实际上这种电磁关系十分复杂，为简化分析，假设：(1) 反电势正弦，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略高次谐波；(2) 定子绕组三相对称，各相绕组轴线在空间上相差120°电角度；(3) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；(4) 忽略磁路饱和问题、忽略磁滞和涡流影响，默认磁路线性，可以用叠加原理进行分析。使用以上条件进行分析，所得结果和实际情况十分接近，误差在工况容许范围之内，可以满足工程所需7。2.1.1 永磁同步电机在三相坐标系中的数学模型 同步电机运行过程中，电机微分方程有多种表达方式。三相永磁同步电机的三相绕组空间分布

22、：轴线互差120°(电角度)，每项绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡。永磁同步电机的电磁转矩由定子三相绕组电流和转子永磁体相互作用产生。定子三相绕组电流产生的磁链与转子的位置角有关。定子电压方程式： (2-1) (2-2) (2-3)其中： -三相绕组电压；-每相绕组电阻；-三相绕组相电流；-三相绕组匝链的磁链；-微分算子。定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁磁极的励磁磁场和转子的位置角有关，因此磁链方程可以表示为： (2-4) (2-5) (2-6)其中：-每相绕组互感；-两相绕组互感；-转子永磁磁极的励磁磁链； -转子d轴超前定子A相绕组轴线的电角度；转矩方程：

23、 （2-7）其中：p-永磁同步电机的极对数；-转子永磁磁极的励磁磁链。2.1.2 坐标变换三相坐标系下，永磁同步电机多变量、强耦合、非线性的特点使得数学分析变得极为困难。为此，我们进行坐标变化，从三相静止坐标系到两相静止坐标系再到两相旋转坐标系，最终实现模型的简化，使得永磁同步电机的分析和控制可以借助已有的直流电机的模型的相应方法。坐标变换的原则要保证功率不变7。1、两相静止坐标系与三相静止坐标系的变换关系： （2-8）2、两相静止坐标系到两相选装坐标系的变换关系： (2-9）由于电动机测试模块直接提供了两相旋转坐标系下的两相定子电流，所以在搭建模型过程中只需进行两相旋转到两相静止的坐标变换模

24、块，变换关系如下公式(2-10)所示： （2-10）由公式（2-10）可搭建2r/2s变换模块如图2.1所示：图2.1 2r/2s变换模块2.1.3 永磁同步电机在d、q坐标系下的基本方程1、电压方程 (2-11)其中：、为d、q坐标系下定子电压、电流；、为d、q坐标系下定子等效电感。2、电流方程： (2-12)3、磁链方程： (2-13)4、转矩方程： (2-14)5、运动方程： (2-15)其中：TL-电机负载转矩； -为电机阻尼系数； -为电机转动惯量。6、由电压方程、转矩方程、运动方程可推导得到方程： (2-16) (2-17)2.2 正弦波永磁同步电机矢量控制方法的研究和选择2.2.

25、1 永磁同步电机调速系统与其他电机调速系统的比较永磁同步电机的定子绕组中不需要励磁电流，定子磁场和转子磁场无相对运动，转子中无滑差损耗，与感应电机相比较，具有如下特点：转子没有损耗，具有更高的效率、电机体积较小、由永磁材料产生气隙磁通，电机功率因素较高，在同样输出功率下，所需整流器和逆变器容量较小，电机的转动惯量相对较小，快速响应能力好，性价比高、低速性能好、调速范围宽。在感应电机中，转子电流产生磁通的大小是变化的，且不和定子产生的磁场正交，和电子磁场的相位关系与电机的负载有关，因此，感应电机的矢量控制比较复杂。而永磁同步电机的励磁磁场由永磁体产生，大小不变，矢量控制下，励磁磁场和电枢电流保持

26、着固定的相位关系，因而控制比较简单。永磁同步电机与直流电机相比，具有无机械换向器和电刷、结构简单、体积小、运行可靠、易于实现高速运行、环境适应能力强、易实现正反切、定子绕组散热容易，不影响传动精度、快速响应性能好、工作电压只受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，容易实现大容量的电力传动控制。永磁同步电机的控制系统是一种闭环控制系统，将驱动器包含在电机内就将永磁同步电机看成自控同步电机。因此，它彻底克服了步进电机控制系统所固有的振荡和失步等特点，提高了电机的转矩电流比。因而，和步进电机驱动系统相比，永磁同步电机的控制系统具有更高的运行速度，更稳定、更光滑的运行特性及更强的位置控制能力。2

27、.2.2 永磁同步电机调速系统控制策略目前，广泛使用在交流同步电机调速系统的控制主要有矢量控制和直接转矩控制。为构造高性能、宽范围的交流电力传动系统，首先要确定合适的控制策略，以满足实际控制系统的要求。在电力传动系统中，实际被控对象对传动系统提出了各种要求，误差、响应速度、恢复时间、有无振荡等等。直接转矩控制的基本思想是保持磁链幅值不变，控制定子、转子磁链间的夹角实现控制电机的电磁转矩。矢量控制的基本思想是建立在旋转坐标变换及电机电磁转矩方程上。直接转矩控制只保证实际电磁力矩与给定力矩的吻合程度，并根据力矩误差、磁链误差及磁链所在扇区，选择主开关器件的开关状态，使电机的磁链按照所在轨迹运行。实

28、施电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免的存在脉动，直接影响电机低速运行的平稳性和调速范围。另外，通过电机反电动势的积分求得定子磁链，这种磁链电压模型在低速时准确性很差，受逆变器死区时间、电机电阻及电压检测误差的影响，自然会影响电机低速运行性能，影响电机转速的运行范围。永磁同步电机的用途不同，其控制方法也不同。常用的方法有：控制、功率因数等于1控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、最大输出功率控制等。各种控制方法具有不同的优缺点。在按转子磁链定向并使直轴电流分量为零的正弦波永磁同步电动机自控调速系统中,定子电流与永磁磁通相互独立,控制系统简单,转矩恒定性好,脉动小,可以获得很宽的

29、调速范围,适用于高性能的数控机床、机器人等场合。但是，它有缺点：1）当负载增加时，定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置需要足够的容量，而有效利用率却不大；2）当负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低；3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。其中控制简单，原理上很好理解，且其实现的性能足以满足洗衣机的实际需求。所以本论文采用控制的方法对基速以下的运行工况进行控制。当时，从电机端口看，相当于一台直流电机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁磁场空间矢量正交，电动机转矩中只有永磁转矩分量。控制的调速系统由以下四部分组成：位置和速度检测模块、

30、电流环PI调节器、速度环PI调节器、坐标变换模块、SVPWM模块和逆变模块。控制过程：给定速度信号和检测到的速度信号进行比较，经速度PI控制器调节后，输出交轴电流分量作为电流PI调节器的给定信号。同时，经过坐标变换后，定子反馈电流变为直轴分量和交轴分量，控制直轴给定电流为零，与变换得到的直轴电流比较，经PI调节器后输出直轴电压ud；给定交轴电流与变换后得到的交轴电流相比较，经过PI调节器后输出交轴电压，然后经过坐标变换得到、轴电压。最后通过SVPWM模块输出六路控制信号驱动逆变器工作，输出可变幅值和频率的三相正弦电流输入电动机定子三相绕组。id=0的矢量控制框图如下图2.2所示：图2.2 系统

31、结构图2.3 本章小结本章首先利用坐标变换的原理简化永磁同步电机的数学模型。然后根据控制特点和实际所需选择的矢量控制方式，通过控制iq来控制电磁转矩，使其达到与直流电机控制类似的控制效果。同时确定了系统控制框图和具体控制过程。从而为整个系统的研究和分析奠定了理论基础。55第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK实现第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK实现3.1 电压空间矢量SVPWM技术的基本原理矢量控制是通过矢量变换控制电动机定子电流的大小和相位，达到分别控制电动机励磁电流和转矩电流的目的。基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换控制电动机定子电流的相位，以消除转矩电流过渡过程

32、中的波动。无速度传感器矢量控制是通过检测电动机定子绕组的电压、电流来辨识转速，以达到控制电动机励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式工作可靠，操作简单，但计算比较复杂，调速范围介于矢量控制和转差频率控制之间。矢量控制适用于宽范围调速系统和伺服系统。PWM技术利用半导体开关器件的开通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲的宽度或周期来达到变频、调压及减少谐波的目的。初期的PWM逆变器的控制目标是使得电压呈正弦变化，但这种电路产生的电流含有谐波，这不仅增加了电动机的损耗，而且产生转矩脉动，严重影响电动机的性能。为了得到更好的控制性能，人们追求电流的正弦化，SVPWM技术应运而生。就交

33、流电机调速而言，电动机电流正弦化其实就是希望在空间建立圆形磁链轨迹，由于磁链轨迹可借助电压空间矢量得到，故又称为电压空间矢量控制。三相对称正弦波电源供电时，电动机定子三相绕组上的三相对称电压为： (3-1)-直流母线电压值；-电源频率；-三相定子绕组的相电压；定义电压矢量，其方向在各定子绕组轴线上，在空间上互差120°，其相加的合成矢量U也为空间矢量，且可以表示为。根据三相绕组到二相绕组变换前后功率不变的原则，定子电压的空间矢量可表示为： (3-2)当电动机转速不是很低时，定子绕组电阻压降可忽略不计，电动机气隙磁通可表示为： (3-3)由此可见，磁通矢量是一个落后电压矢量90

34、6;的旋转矢量，磁通矢量的轨迹为圆，其半径为。这样，电动机旋转磁场的形状问题就转化为空间电压矢量运动轨迹的形状问题。3.3.1 基本电压空间矢量如图3.1中所示的逆变器电路，V1-V6是6个功率开关管，其中同一桥臂上下两个功率开关管的状态是互补的，用三个开关变量Sa，Sb，Sc来表示三个桥臂的开关状态。规定当上桥臂的开关为“开”状态时，开关状态值为1；反之，为0。三个桥臂只有“1”和“0”两种状态。因此Sa，Sb，Sc组合形成了共8种开关模式，其中000和111开关模式下逆变器输出为0，称之为零状态。图3.1 三相电压型逆变器原理图在变频调速系统中，逆变器为电动机提供经过调制的PWM电压。逆变

35、器不同的开关状态和组合，以及开关时间的调整可以保证电压空间矢量的运行轨迹为圆，可以保证产生较少的谐波且直流电压源利用率较高的直流输出。3s/2s坐标变换将三相静止ABC坐标系中的相电压转换到两相静、坐标系中。转换公式如下： (3-4)八开关状态与相电压在两相静止、坐标系中的分量成对应关系如表3.1所示。表3.1 开关状态与两相静止坐标系分量对应关系开关状态矢量符号000001000110010011000110111100由上表可知，八种开关状态组成了8个基本电压矢量，如果逆变器的电压空间矢量作用顺序为U1-U2-U3-U4-U5-U6，那么定子磁链旋转轨迹为如图3.2所示的正六边形，与圆形旋

36、转磁链轨迹相差甚远。 图3.2 基本电压空间矢量与两相静止坐标的关系3.2 SVPWM波的生成方式 为了得到近似的圆形旋转磁链轨迹，将圆形旋转轨迹的每个扇区再等分成K个子区，则每个扇区将有K段圆弧。SVPWM的控制目的即通过开关状态的组合，将8个基本空间电压矢量进行合理组合，并控制基本电压矢量的作用时间来实现磁链的轨迹近似圆形化。每个扇区都有两个非零电压空间矢量相交，通过合理调节它们的作用顺序和时间，就能使定子磁链轨迹逼近圆形。设某个时刻Ur转到某扇区的两个非零电压空间矢量，按逆时针方向设置为，分别对应的作用时间为，组合得到给定参考值Ur。 （3-5）如果Tc为采样周期，则公式（3-6）成立。

37、Tx+TyTc （3-6）零电压空间矢量不改变磁链形状，只改变磁链的变化速度。那么就可以利用零电压空间矢量来使得磁链的平均速度与设定速度一致，简单而言就是每段多余的时间用零电压空间矢量补齐。如果零电压矢量作用时间是To，那么： Tx+Ty+T0=Tc （3-7） T7+T8=T0 （3-8）3.3 定子参考电压的合成方法3.3.1 非零电压空间矢量作用时间的计算以扇区为例，由图3.2基本电压空间矢量与两相静止坐标的关系可得到： （3-9） （3-10）每个有效矢量的幅值均为，由以上两式可以解得： （3-11）同样，我们可以得到其它扇区的参考电压空间矢量的作用时间：表3.2 参考电压空间矢量作用

38、时间扇区号相邻电压空间矢量作用时间，;对上表中作用时间做总结，不难发现，所有的时间可由以下三个公式表示： （3-12）那么，相邻的非零电压空间矢量作用时间的计算公式可归纳成下表3.3所示：表3.3 非零电压空间矢量的作用时间N123456扇区号TxXY-YZ-Z-XTy-ZZX-X-YY之后，还要进行饱和判断：当Tx+Ty>Tc时，；当Tx+TyTc时，保持不变，。对每一个SVPWM波的零电压空间矢量分割方法以及选择的不同，会产生不同的SVPWM波。选择的原则是保证开关频率最低，本论文使用七段法生成SVPWM波。在SIMULINK中搭建公用公式X，Y，Z的计算模块和基本电压矢量作用时间模

39、块如下图3.3和图3.4所示：图3.3 公用公式X，Y，Z的计算模块图3.4 基本电压矢量作用时间计算模块3.3.2 切换时间的计算得到各扇区内相邻非零电压空间矢量作用时间后，遵循开关次数最少的原则，采用七段式空间矢量合成方法来发送个电压空间矢量。为了计算空间电压矢量比较器的切换点，在此定义： (3-13)计算得到各扇区切换时间如下表3.4所示。 表3.4 各扇区的切换时间扇区号Tcm1tatbtctctbtaTcm2tbtatatbtctcTcm3tctctbtatatb据上表的切换时间生成SVPWM波，对逆变器进行控制就可以合成期望的电压空间矢量，从而实现磁链的追踪。显而易见，控制器的采样

40、频率高，逆变器的开关频率也高，磁链追踪的精度也高，但是逆变器开关频率的提高会造成电流谐波含量增大和开关损耗的增加。Tcm1，Tcm2，Tcm3的计算模块如图3.5所示。图3.5 Tcm1，Tcm2，Tcm3的计算模块将得到的Tcm1，Tcm2，Tcm3与等腰三角波比较，得三路PWM波形，对三者分别求反又得三路PWM波形，最后得到6路PWM输出信号。6路信号分别控制逆变器的6个开关元件，以此来实现SVPWM控制。这一过程用到的PWM波生成模块如图3.6所示。图3.6 PWM波生成模块3.3.3 电压空间矢量所在扇区的判断根据对矢量图几何关系分析，可知，当参考电压空间矢量位于扇区时，必须满足条件：

41、0，0.采用同样的方法可以得到电压空间矢量位于其他扇区时满足的条件。最终，发现：参考电压空间矢量位于哪个扇区可由，,三项的正负关系确定。因此，可定义如下变量： （3-14） （3-15） （3-16）N 值与扇区的对应关系如表3.5所示:表3.5 N值与扇区的对应关系N123456扇区号根据公式（3-16）可搭建到如图3.7所示模型。图3.7 扇区N计算模块组合后的SVPWM模型如图3.8所示。图3.8 组合成后的SVPWM模块3.4 SIMULINK仿真介绍SIMULINK是MATLAB中的一个仿真工具软件包， 它基于MATLAB的框图设计环境，能够实现动态系统的建模、仿真和分析，被广泛应用

42、于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真工作中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它支持多速率系统。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成。 在SIMULINK中，需要设置的仿真参数主要包括：起始时间和终止时间、仿真步长、仿真容差、数值积分算法等，还可以设置系统是否从外界获取数据、是否向外界传递数据等仿真参数。所有这些参数都可以在“Configuration Parameters”对话框中完成设置。关于如何选择计算器，一般要通过长期的积累获得，这里做简

43、单的说明。当希望通过自建模型生成代码并在实际计算系统中运用这些代码时，可以选择固定步长解算器来仿真模型，这样做的原因在于实时计算系统会以固定的采样速率运行，若采用变步长将有可能使仿真发生错误。当不希望从模型生成代码时，解算器的选择将取决于模型的动态特征。当模型的状态变化特别快或者包括不连续状态时，选择可变步长解算器可以缩短仿真时间。这是因为可变步长相对于固定步长的解算器需要更短的时间，而且两者的计算精度相当。需要注意的是：1)当系统模型状态变化较快时，为了保证计算精度，必须降低时间步长；相反，如果模型的状态变化比较慢时，则有必要增加仿真步长。2)采用变步长模式解法器时，SIMULINK会在保证

44、仿真精度的前提下，从尽可能节约仿真时间的目的出发对仿真步长进行相应改变。3.5 SVPWM模块仿真在规则采样中，载波和调制波的定义是非常清楚的，但在电压空间矢量调制算法中并没有明确的调制波的定义。不过，既然电压空间调制能确定各相在T（一个周期）中的脉冲宽度，那就可以计算出各相的调制波。研究表明：空间电压矢量调制和在正弦波里加入零序分量的规则采样SPWM调制是等效的。仿真中PWM模块的载波频率为5000Hz，逆变器的直流母线电压为300V，仿真时间0.5s。Tcm的计算模块的输出波形如图3.9（a）所示，三相电流输出波形如图3-9（b）所示。如图3.9（a）所示，零序分量的加入使得调制波的峰值拉

45、低，所以调制波已经不是正弦波，SVPWM的调制实质是一种带谐波注入的SPWM调制。SVPWM所产生的PWM脉冲是不连续的，在每个周期里有三分之一的时间开关不动作，使功率器件的损耗降低了三分之一，然而，调制波的畸变却不会引起输出电压、电流波形的畸变。（a）Tcm的计算模块的输出波形（b）三相电流输出波形图3.9 SVPWM仿真图图3.10 N值波形由图3.10可知，扇区选择模块工作正常：扇区选择模块波形输出按照与扇区号的对应关系正确。3.6 本章小结本章在了解了电压空间矢量的基本原理后，做了大量的数学推导验证，在得到的数学模型的基础上利用MATLAB/SIMULINK完成了SVPWM模块的搭建。

46、在仿真调试的过程中遇到了几个仿真环境设定问题，包括仿真步长的设定，计算器的选择，输出数据形式的选择等等。因为计算器选择不合理会造成波形严重失真而无法完成仿真，所以本文重点对解算器的选择问题做了总结，以供参考。最后，本文给出了SVPWM中关键模块的仿真结果，从波形上验证了数学推导和模块搭建的正确性。另外，对Tcm的计算模块的输出波形发生畸变的原因进行了分析。第4章 PI调节器的参数设计第4章 PI调节器参数设计现代的电力拖动自动控制系统,除电动机外,都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统可以近似为低阶系统，而用运算放大器或微机数字控制可以精确地实现PID控制

47、，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作有比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚系统的性能指标与参数的关系，写成简单的对应关系或制成简单的图形表格，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式或图表进行参数计算，使得设计过程大为简化。首先,绘制永磁同步电机调速系统的结构图，如图4.1所示。图4.1 双闭环调速系统的动态结构图其中的G(s)代表电流环的等效环节，如图4.2所示。图4.2 电流环的动态结构图其中： （4-1） （4-2） （4-3）基于坐标变换理论和的控制的基本原理，永磁同步电机的结构可简

48、化成类似直流电机的模型，固可借鉴双闭环直流调速系统的设计理论完成PI调节器的参数设计。如图可见，调速系统为双闭环调速系统，内环为电流环，外环为转速环。其中转速调节器的作用：1)调速系统的主导调节器，它使转速很快的跟踪电压变化，稳态时减小转速误差，系统采用PI调节器可以实现无静差；2）对负载变化起到抵抗干扰的作用。3）其输出限幅值决定电动机容许的最大电流。电流调节器的作用：1）使电流紧紧跟随电流给定的变化；2）对电网电压的波动起到及时的抗干扰作用；3）在转速动态过程中，保证获得电动机容许的最大电流，加快动态过程；4）当电动机过载甚至堵转时限制电枢电流的最大值，起自动保护的作用。电机参数和逆变器的

49、参数设置决定了PI调节器的参数，本文采用的参数如下：定子电阻：Rs=2.875；定子电感：L=8.5mH；永磁磁通：f=0.18Wb；转动惯量：J=0.0008kg×m2；极对数：pn=2；额定功率：1.5kW；额定转速：1500rpm；逆变器频率：10000Hz；直流母线电压：380V。4.1 电流调节器的设计高频干扰的存在使得在系统设计中加入滤波环节显得非常必要。滤波环节可以用一个惯性环节来代替，滤波时间常数按照需要进行设定。决定电流环传递函数的结构图如图4-2所示。其中：Kp是电流调节器的比例系数； Ki是电流调节器的积分系数； Km是逆变器的放大系数，本文中采用SVPWM控制

50、，其值为1； Ts是逆变器的开关周期； K2是电枢电阻的倒数； i是电流调节器的时间常数； T2是电感时间常数，其值等于LR； T1是滤波时间常数，本文的电流环的滤波时间常数取0.04毫秒；图4.2的开环传递函数可以写成： （4-3）一般而言，电感时间常数远大于开关时间和滤波时间常数，在工程设计法中，选取电流调节器的时间常数等于电感时间常数，以消去大惯性环节。高频小惯性环节的处理是用一个小惯性时间常数来代替其和，即：于是电流环可以等效成一个典型系统： （4-4）其中：电流环的闭环传递函数是一个典型二阶系统： （4-5） （4-6）依据典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系3。 当KT

51、=0.5时，阻尼比=0.707，此时的指标为二阶最佳。s-1计算得=30.36，=10267.864.2 转速调节器的设计电流环设计完成后，内环可以等效成一个二阶系统，若忽略高次项可得到近似的一阶系统的传递函数： （4-7）那么转速环的结构框图如下：图 4.3 电流环简化后的结构图是转速环的滤波环节，本文去转速环的滤波时间常数为2ms。是转矩系数，和电流环一样，把转速环给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再将小惯性环节合并。为了实现无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环传递函数共有两个积分环节，所以

52、设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。实际系统中转速环调节器的饱和非线性会使超调量大大下降。ASR的PI调节器的传递函数： （4-8）其中：分别是转速调节器的比例系数和超前时间常数，按照相关公式： （4-9）本文取， s-2s-1到此，转速环和电流环的PI调节器参数全部设计完成。 (4-10)4.3 仿真及参数调试在MATLABSIMULINK中搭建的整个系统模型如下所示：图4.3 电压空间矢量控制系统总体模型将设计好的调节器参数写入，负载给定为10N×m，转速给定1500rpm，仿真时间0.5s，0.3s时突加负载，得到此时转速、定子三相电流及转矩波形并不是预想获得的波形。PI参数调整是一项复杂的工作，本文采用一种简单的办法，具体方法是：断开速度环，给交轴电流调节的输入端一个定值，调整电流调节器的参数，用示波器观察转矩输出波形和三相电流输出波形，使其达到最佳。此后，闭合转速环，保持电流调节器的参数不