变流技术与运动控制-第 13 课

4.2.3电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术

SPWM控制技术：

以输出电压近似正弦波为目标，

电流波形则因负载的性质及大小而异。

交流电动机对电流要求：

稳态时在电动机绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM的控制方法是：

在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。△iA

常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM控制（CurrentHysteresisBandPWM——CHBPWM）。

具有电流滞环跟踪PWM控制的PWM变压变频器的

A

相控制原理图示于下图。1、电路结构电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。图4－14(a)电流滞环跟踪控制时，A相电流与电压波形

采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形如图4-14。

（1）在t0时刻

iA<i*A，且

iA＝i*A

-

iA

≥

h

滞环控制器HBC输出电平由负变正，上桥臂功率开关器

件VT1导通输出电压为正，使

iA增大，当iA增大到与i*A相等

时，虽然

iA＝0

但HBC仍保持正电平输出

VT1保持导通，使iA

继续增大2、工作原理h（2）直到t=t1时刻

达到iA

=

i*A+h，即：

iA

=

i*A

–

iA

=–

h

使滞环翻转，HBC输出负电平，关断VT1

并经延时后驱动VT4，但此时VT4不能导通。h原因是：

由于电机绕组的电感作用，

电流iA

不能突然反向。因此，通过二极管VD4续流，

VT4受反向钳位而不能导通。

输出电压由+0.5Ud变为-0.5Ud。

此后，iA

逐渐减小。（3）直到t

=

t2时

iA

=

iA*－h

到达滞环偏差的下限值，

使HBC再翻转，又重复使VT1导通。

这样，VT1与VD4交替工作，

使输出电流iA快速跟随给定值iA*

两者的偏差始终保持在

±

h

范围内

稳态时iA*为正弦波，iA在iA*上下作锯齿状变化，输出电流

iA

接近正弦波。

以上分析了给定正弦波电流iA*正半波的工作原理。

负半波的工作原理与正半波相同，只是VT4与VD1交替工作。3、

三相电流跟踪型PWM逆变电路分析（1）电路原理图+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5为分析简便作如下假定：

(1)忽略开关死区时间，认为同一桥臂上、下两个开关器件的“开”与“关”是瞬时完成；

(2)考虑到器件允许开关频率较高，认为在一个周期内，三相感应电动势基本不变。（2）电压平衡方程式A相电压方程式：（3）电流表达式解上式，可得A相电流表达式：同理可解得B、C相电流表达式。△iA（4）分析①

当

t

=

t0

时初始电流：A相由下桥臂导通切换至上桥臂导通，

此时或

电流

iA上升

iA+-②当

t

=

t1

时A相由上桥臂导通切换至下桥臂导通，

电流

iA下降或

此时

△iA-+

iA

③当

t

=

t2

时A相又由下桥臂导通切换至上桥臂导通，

过程同①,完成一个开关周期。△iA

iA+-（5）变频器的开关周期（T=TUP+TDOWN）

电流上升时间：tUP=t1-t0

电流下降时间：tDOWN=t2

–t1

对上述两个时间，由前面两个iA(t)

超越方程，难以精确求得。若忽略电阻R，近似认为电流呈线性变化。对于A相电压方程：则iA的上升段：（1）由电流波形可以写出：hh（2）①求tUP因为：幅值最大

所以：电流上升的最短时间为：由（1）式与（2）式相等整理得：②求tDOWN同理在t2-t1时间段，可求得与（1）式和（2）式相应的表达式，整理得：因为：绝对幅值最大

所以：电流下降的最短时间为：③求开关周期T和最小周期Tmin

将tUP、tDOWN

代入右式：T=tUP+tDOWN

可得最小开关周期Tmin为：④求相应最大开关频率fmax(4-48)(4-49)总结：电流滞环跟踪控制

1．电子开关频率

f

与环宽

2h

成反比；

2．f

不是常数，与感应电动势和给定电流的变化有关；

3．稳态时，感应电动势和给定电流的变化率按正弦函数周期地变化，开关

f也随之呈正弦函数周期地变化。

4．精度与2h有关，也受器件开关频率制约。

（1）当2h选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；

（2）当2h选得较小时，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了；

（3）原则：在开关频率允许前提下，尽可能选择较小的环宽。5．

优点：精度高、响应快、易于实现

缺点：开关器件的开关频率不定

克服方法：采用恒定开关频率电流控制器

6．增加速度外环。4.2.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术

（或称磁链跟踪控制技术）本节提要问题的提出空间矢量的定义电压与磁链空间矢量的关系PWM逆变器基本输出电压矢量正六边形空间旋转磁场期望电压空间矢量的合成与SVPWM控制SVPWM控制的定子磁链

问题的提出

（1）经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。（2）电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。电动机控制要求：

然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。

把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。

下面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。实现空间圆形旋转磁场----磁链跟踪控制：1.空间矢量的定义

交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示。图4-16电压空间矢量

ABC

（1）电动机A、B、C三相定子绕组的轴线在空间静止互差1200

（2）定子电压空间矢量：

uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上，相位互相错开120°。uA0uB0uC0-uA0

而大小则随时间按正弦规律脉动，

②合成空间矢量：图4-16电压空间矢量

ABCuA0uB0uC0

由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。uC0uB0us

ω1

当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1

为电气角速度作恒速旋转。

当某一相电压为最大值时，合成电压矢量us就落在该相的轴线上。某一时刻三相定子电压幅值状态

合成电压矢量us

公式表示为：

三相定子电压空间矢量：（4-51）

与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和定子磁链的空间矢量is

和Ψs。（4-52）

2.

电压与磁链空间矢量的关系

当异步电动机的三相对称定子绕组由三相电压供电时，对每一相都可写出一个电压平衡方程式。

要求三相电压平衡方程式的矢量和，可用

合成空间矢量的定子电压方程式表示：（4-55）

式中：

us

—

定子三相电压合成空间矢量；

Is

—定子三相电流合成空间矢量；Ψs—定子三相磁链合成空间矢量。（1）近似关系

当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计。

则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为：

（4-56）

（4-57）

或

（2）

磁链轨迹

当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。

这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示：（4-58）

其中：Ψs

----定子磁链矢量Ψs的幅值（恒定）

φ----定子磁链矢量的空间初始角度

ω1----与电源频率相一致的旋转角速度将式（4-58）对t求导可得：上式表明：

当磁链幅值

ψm一定时,电压空间矢量us的大小与角速度ω1成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，

ω1（4-59）

ψsus

us=ω1ψm（3）磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系

如图所示：（1）当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。

图4-17旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹（3）因此，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。

（2）若将电压空间矢量参考点放在一起，则电压空间矢量的运动轨迹亦是个圆。

3.PWM逆变器基本输出电压矢量（1）主电路原理图三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图

A桥臂（符号sA描述）：sA=1上桥臂VT1导通下桥臂VT4关断sA=0上桥臂VT1关断

下桥臂VT4导通

B桥臂（符号sB描述）：sB=1上桥臂VT3导通下桥臂VT6关断sB=0上桥臂VT3关断

下桥臂VT6导通

C桥臂（符号sC描述）：sC=1上桥臂VT5导通下桥臂VT2关断sC=0上桥臂VT5关断

下桥臂VT2导通

（2）开关工作状态

图中的PWM逆变器每个桥臂为1800导通型，功率开关共有8种工作状态。

其中：

6种有效开关状态；

2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：

上桥臂开关：

VT1、VT3、VT5全部导通即：（sA，sB，sC）=（1，1，1）

下桥臂开关：

VT2、VT4、VT6全部导通

即：（sA，sB，sC）

=（0，0，0）开关状态表（3）开关控制原理与模式分析

①合成矢量表达式说明：①

②虽然O与O'电位不等，但合成电压矢量表达式相等。②工作状态100的合成电压空间矢量

设开关状态:

(sA，sB，sC)

=(1，0，0)

这时：VT6、VT1、VT2

导通

其等效电路如图所示:O+-iCiAiBidVT1VT6VT2Ud2Ud2O'ABC则：

各相对直流电源中点的电压幅值为：

三相的合成空间矢量为u