基于SVPWM雙閉環(huán)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

公茂法 劉建平 馬立國 王靜靜 田寶進(jìn)

（山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590）

直流電機(jī)調(diào)速方便是因?yàn)楫a(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電樞電流和產(chǎn)生磁通的定子電流，在空間位置是固定的，可以獨(dú)立控制。而異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)[1-2]。如果異步電機(jī)采用磁鏈跟隨控制首先將電機(jī)方程轉(zhuǎn)換到一個(gè)與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系d，q 坐標(biāo)系，在恒定轉(zhuǎn)子磁鏈的條件下，該坐標(biāo)系的控制變量與轉(zhuǎn)軸之間存在線性關(guān)系。把交流電機(jī)方程變換到磁場(chǎng)坐標(biāo)系，相當(dāng)于建立直流電機(jī)模型，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量與產(chǎn)生磁通的電流分量互不影響，對(duì)異步電機(jī)模型的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行了解耦[3]。

本文根據(jù)空間矢量調(diào)制跟隨磁鏈的思想，通過轉(zhuǎn)速和電流采樣，并通過TMS320F28335 為控制芯片進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換，以及對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。其中電機(jī)供電系統(tǒng)引入Zeta 電路[4]，提高系統(tǒng)的對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的適應(yīng)能力。

1 雙閉環(huán)控制在異步電機(jī)調(diào)速的應(yīng)用

根據(jù)電機(jī)三相合成空間磁勢(shì)，應(yīng)用電力電子器件開斷調(diào)節(jié)輸出電壓矢量使其合成向量逼近電機(jī)的圓形空間磁勢(shì)，從而調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。這種方法稱為磁鏈的軌跡調(diào)制法即SVPWM 控制[5-6]。

由于轉(zhuǎn)速和電流在系統(tǒng)中較容易取得，選擇電流和轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)，不僅能提高調(diào)速精度，硬件設(shè)計(jì)也能得到簡(jiǎn)化。本文以電流轉(zhuǎn)速作為反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速。系統(tǒng)整體調(diào)速控制電路如1 圖所示。

圖1 雙閉環(huán)異步電機(jī)調(diào)速圖

框圖中各模塊的作用是：

1）SVPWM 模塊。主要作用是由DSP 芯片變換輸入?yún)?shù)，并按照參數(shù)依據(jù)空間矢量算法調(diào)制輸出PWM 觸發(fā)逆變器中ΙGBT。

2）AC-AC 模塊。主要作用是基于ΙGBT 設(shè)計(jì)的變壓變頻電路。

3）ACR 模塊。主要作用是防止電網(wǎng)波動(dòng)給電機(jī)繞組造成影響，利用PΙ 調(diào)節(jié)算法及時(shí)、無靜差的在電網(wǎng)波動(dòng)的時(shí)調(diào)整定子電流大小保持轉(zhuǎn)矩一定。

4）ASR 模塊。主要作用是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差的調(diào)節(jié)。模塊中加入PΙ 算法和限幅控制器，有效地使電機(jī)在負(fù)載變動(dòng)或電網(wǎng)電能質(zhì)量波動(dòng)時(shí)準(zhǔn)確的恢復(fù)給定轉(zhuǎn)速。

5）極性檢測(cè)模塊。判別電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的分區(qū)控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其各模塊的說明

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示，交流電網(wǎng)先經(jīng)過不可控整流電路變換成直流電，直流電經(jīng)DC/DC 調(diào)壓送至由SVPWM 算法控制的逆變模塊給異步電機(jī)供電。

圖2 電機(jī)控制整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要部分作詳細(xì)說明如下：

1）泵升電壓保護(hù)電路

（1）在整流電路和DC/DC 模塊之間加延遲開關(guān)和電抗器并聯(lián)的目的是防止電網(wǎng)斷路器合閘時(shí)的過電流將整流二極管燒壞。

（2）在電網(wǎng)上并聯(lián)GTO 和水泥電阻串聯(lián)組成的電路目的是當(dāng)電機(jī)處于反饋電能狀態(tài)時(shí)，二極管整流電路無法將電能反饋給電網(wǎng)，而此時(shí)電能集中在電容兩端且必須盡快釋放；因此當(dāng)泵升電壓產(chǎn)生時(shí)，及時(shí)觸發(fā)GTO 導(dǎo)通，使囤積在電容兩端的能量盡快消耗到電阻上。

2）DC/DC 模塊

電壓型逆變器，可等效降壓型的逆變器；當(dāng)電機(jī)的額定電壓很大時(shí)，供電電壓達(dá)不到額定要求，因此在逆變器的輸入端加上一個(gè)DC/DC 調(diào)壓電路，使其輸入電壓得到調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中加一個(gè)Zeta 電路，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的電網(wǎng)和負(fù)載適應(yīng)能力。

3）ΙGBT 的保護(hù)電路

（1）過流保護(hù)。通常電力電子器件的過電流保護(hù)需要集中保護(hù)協(xié)調(diào)配合，但最為普遍和簡(jiǎn)單的是熔斷器保護(hù)。此外，過電流主要是由短路現(xiàn)象產(chǎn)生，橋式逆變器中，當(dāng)上下橋臂ΙGBT 觸發(fā)時(shí)間不當(dāng)會(huì)造成短路，系統(tǒng)解決此短路的方案是在TMS320F28335觸發(fā)的PWM 波中設(shè)置死區(qū)時(shí)間，防止造成的短路問題。

（2）過壓保護(hù)。針對(duì)系統(tǒng)換相過電壓進(jìn)行了保護(hù)，即當(dāng)并聯(lián)的續(xù)流二極管結(jié)束后，全控型器件不能立即關(guān)斷而要承受較大的反向電流，而當(dāng)開關(guān)器件真正恢復(fù)阻斷能力時(shí)電流急劇減小，使得電路的雜散電感產(chǎn)生很大的電壓，夾在開關(guān)器件兩端會(huì)燒壞器件，因此為緩沖這種反向電流，電路設(shè)置RC串聯(lián)電路防止過電壓燒壞器件。

（3）高溫保護(hù)。當(dāng)ΙGBT 溫度升高時(shí)，其通態(tài)壓降會(huì)呈下降趨勢(shì)，并有可能在某一特定的通態(tài)電流下，隨溫度的變化其通態(tài)壓降保持基本不變的特性。但如果環(huán)境溫度過高時(shí)，會(huì)造成ΙGBT 的柵極失控；因此在逆變的輔助電路中，若電機(jī)的溫度超過設(shè)置的閾值就啟動(dòng)上方的散熱風(fēng)扇對(duì)逆變模塊進(jìn)行散熱、冷卻處理。

3 SVPWM 控制策略及IGBT 分配時(shí)間計(jì)算

3.1 SVPWM 控制策略

空間矢量調(diào)制是根據(jù)三相電壓的合成電壓調(diào)制的，它區(qū)別于采樣調(diào)制、正弦脈寬（幅）調(diào)制的原理。與PWM、SPWM 調(diào)制的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 3 種調(diào)制策略對(duì)比表

調(diào)速需要進(jìn)行對(duì)電流和頻率的協(xié)調(diào)控制，又因異步電動(dòng)機(jī)只通過定子供電，因此調(diào)速時(shí)應(yīng)保持磁通恒定。總之，異步電機(jī)可以看成一個(gè)電壓和角頻率的輸入系統(tǒng)與磁鏈和轉(zhuǎn)子角速度的輸出系統(tǒng)。而轉(zhuǎn)子的磁鏈和轉(zhuǎn)子電流又有確定的關(guān)系式；頻率又能通過變換成轉(zhuǎn)速。

調(diào)速首先應(yīng)對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降階和解耦。采用矢量變換控制思想[7]，具體方案如圖3所示。

圖3 矢量變換控制結(jié)構(gòu)圖

圖3中的各種坐標(biāo)變換的最終目的是使逆變器的輸出電壓空間矢量分布近似逼近磁鏈的空間分布。即通過觸發(fā)ΙGBT 的時(shí)間和導(dǎo)通順序控制電機(jī)定子電壓的大小和相位，因此為方便理論分析引入ΙGBT 的開關(guān)函數(shù)。

3.2 IGBT 分配時(shí)間的計(jì)算

對(duì)于廣泛使用的三相兩電平PWM 逆變器，采用8 個(gè)開關(guān)狀態(tài)定義相應(yīng)的空間矢量為有效電壓空間矢量和零空間矢量構(gòu) 成了逆變器的輸出電壓。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，輸出電壓矢量理論上為

式中，t0,t1,… ,t7分別為承擔(dān)的時(shí)間，有效空間矢量將空間分成6個(gè)扇區(qū)， 兩個(gè)零矢量依據(jù)時(shí)間分配調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值。假設(shè)在第一扇區(qū)，參考電壓可寫作：

圖4 空間矢量分布的扇區(qū)規(guī)劃圖

根據(jù)圖4及正弦定理可得：

求得：

根據(jù)在第一扇區(qū)內(nèi)時(shí)間關(guān)系可得零空間矢量承擔(dān)的時(shí)間是

以同樣的原理可求得個(gè)扇區(qū)中ΙGBT 分配的時(shí)間如表2所示。

表2 空間矢量各扇區(qū)分配的時(shí)間

在一個(gè)開關(guān)管周期Tf內(nèi)調(diào)節(jié)零矢量的作用時(shí)間T0，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小和相位。只要保證開關(guān)時(shí)間滿足所計(jì)算的分配時(shí)間，就能有較好的輸出。同時(shí)考慮開關(guān)損耗的問題，優(yōu)化選擇的導(dǎo)通順序。如果三相逆變器輸出頻率為50Hz，那么每個(gè)扇區(qū)分配的時(shí)間是1/(50×6)s，而每個(gè)扇區(qū)中開關(guān)動(dòng)作兩次，所以開關(guān)頻率為600Hz。DSP 計(jì)算ΙGBT 分配時(shí)間流程如圖5所示。

圖5 反饋三相電壓與開關(guān)函數(shù)關(guān)系計(jì)算流程圖

4 仿真結(jié)果及說明

本文借助Matlab 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真[8-9]，在power- siumlink 中建立坐標(biāo)變換模塊、扇區(qū)選擇模塊、ΙGBT時(shí)間計(jì)算分配模塊、變流電路模塊和離散SVPWM 脈沖發(fā)生器模塊、PLL 和PLL 離散模塊、建立PΙ 帶限幅的ASR 和ACR 模塊、濾波環(huán)節(jié)、異步電機(jī)模塊等，搭建仿真電路。圖6為DC/DC 的ΙGBT 觸發(fā)寬度為0.5 時(shí)輸出的電壓波形和圖7電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓和電流仿真曲線。由仿真圖可以得到結(jié)論，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出電流紋波較少，輸出轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定。

圖6 Zeta 輸出電流電壓仿真圖

圖7 電機(jī)定子電壓電流仿真圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合直流電機(jī)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制思想，依據(jù)空間矢量調(diào)速策略，基于TMS320F28335 對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。文章對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量有較大波動(dòng)的影響和不同額定負(fù)載的要求，對(duì)電機(jī)的供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出在不可控整流與逆變之間加入Zeta 電路的設(shè)計(jì)方案，提高系統(tǒng)的整體電壓適應(yīng)能力。文章還對(duì)電壓型逆變器中ΙGBT 分配時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算并給出了相關(guān)模型設(shè)計(jì)框圖。文章最后應(yīng)用Matlab 對(duì)雙閉環(huán)SVPWM 控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

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