1 引言
隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)和正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)在電機(jī)控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用。使用SPWM 來控制電機(jī)系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但系統(tǒng)性能不高，電壓利用率不高，諧波成分較大。近年來電機(jī)的空間矢量理論被引入電機(jī)控制系統(tǒng)中，形成了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM) ，其原理是就是利用逆變器各橋臂開關(guān)控制信號(hào)的不同組合，使逆變器的輸出空間電壓矢量的運(yùn)行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM 與常規(guī)的SPWM 相比，能明顯減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且有較高的電壓利用率，更易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)[1] ，因而在交流感應(yīng)電機(jī)控制中，應(yīng)用前景十分看好。
2 SVPWM 脈寬調(diào)制原理
2.1 八個(gè)電壓空間矢量與扇區(qū)劃分
空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 實(shí)際上對(duì)應(yīng)于交流感應(yīng)電機(jī)中的三相電壓源逆變器的功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合。在采用三相逆變器對(duì)異步電機(jī)供電時(shí)，根據(jù)逆變器的工作原理可以知道，逆變橋共有23 ＝8 種狀態(tài)，若將逆變器的八種狀態(tài)用電壓空間矢量來表示，則形成8 個(gè)基本的電壓空間矢量，其中6 個(gè)非零矢量，2 個(gè)零矢量，每?jī)蓚€(gè)電壓矢量在空間相隔60o，如圖1 所示[2] 。SVPWM 技術(shù)的目的是通過與基本的空間矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的組合得到一個(gè)給定的定子參考電壓矢量。
2.2 SVPWM 的實(shí)現(xiàn)[3,4]
SVPWM 信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)制需要定子參考電壓矢量的二維靜止坐標(biāo)系α軸和β軸的分量uα. s 、uβ. s 以及PWM 周期Tpwm 作為輸入，其產(chǎn)生框圖如圖2 所示。
圖2 SVPWM 產(chǎn)生框圖
2.2.1 相鄰兩矢量作用時(shí)間的確定
定義如下X、Y、Z 三個(gè)變量：
。
參考電壓矢量位于被基本空間矢量所包含的扇區(qū)中時(shí)，矢量作用時(shí)間的相對(duì)值T1 和T2 可以用X，Y 或Z 表示，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。表1T1、T2 與X、Y、Z 的對(duì)應(yīng)關(guān)系表
表1 T1、T2 與X、Y、Z 的對(duì)應(yīng)關(guān)系表
對(duì)不同扇區(qū)的T1、T2，按表1 所示取值，還要對(duì)其進(jìn)行飽和判斷：如果T1+T2>Tpwm， 則T1= T1*Tpwm/（T1+ T2），T2= T2*Tpwm/（T1+ T2）。
2.2.2 判斷定子參考電壓矢量所在扇區(qū)
定義三個(gè)參考量Vref1 、Vref2 、Vref3 ，令Vref 1 =X；Vref 2 =.Z；Vref 3 =.Y 。
如果Vref1>0，則A=1，否則A=0；如果Vref2>0，則B=1，否則B =0；如果Vref3>0，則C=1，否則C =0。設(shè)N =A +2B +4C ，則N 與扇區(qū)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。
2.2.3 確定比較器的切換點(diǎn)
定義：
經(jīng)過上式計(jì)算就可得到SVPWM 的參考調(diào)制信號(hào)，最后根據(jù)扇區(qū)確定電壓空間矢量切換點(diǎn)Tcm1、Tcm2、Tcm3，如表3 所示。
3 電流注入型感應(yīng)電機(jī)矢量控制方案
3.1 電流注入型感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)
電流注入型矢量控制方案適用于中小功率、高開關(guān)頻率的矢量控制系統(tǒng)。此時(shí)控制系統(tǒng)的定子參考電壓完全可以由定子電流控制器提供，而無需考慮電機(jī)的定子電壓方程。逆變器開關(guān)頻率較高，而且電流控制器魯棒性足夠強(qiáng)，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速的定子電流控制，其實(shí)現(xiàn)方案如圖3 所示。同時(shí)，這種控制技術(shù)采用空間矢量PWM 技術(shù)輸出參考電壓，所以它能獲得很好的電流頻譜。
圖3 間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向電流注入型感應(yīng)電機(jī)矢量控制方案
由于電機(jī)是星形接法，無零序電流分量，所以該控制系統(tǒng)只需要測(cè)量電機(jī)的兩相電流，第三相電流可以通過方程iCs=-iAs-iBs 求出。此外，控制系統(tǒng)還需要測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈位置角。控制系統(tǒng)總共包含轉(zhuǎn)速控制器、勵(lì)磁電流控制器和轉(zhuǎn)矩電流控制器等三個(gè)控制器，通常情況下，這三個(gè)控制器可以是PID 控制器[5]。
轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系下的磁通模型如下式所示，可以看出，電機(jī)的勵(lì)磁電流分量imr 只與定子電流d 軸分量ids 有關(guān)，而不受定子電流q 軸分量iqs 的影響，說明在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系下，感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量是完全解耦的[5]。
3.2 間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向電流注入型感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真
利用MATLAB/SIMULINK 對(duì)本文提出的SVPWM 實(shí)現(xiàn)方案及間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向電流注入型矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真時(shí)異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：額定功率Pe=4kW，額定電壓Ue=380V，極對(duì)數(shù)np=3，額定轉(zhuǎn)速ne=960r/min ，定子電阻Rs=3.21.，轉(zhuǎn)子電阻Rr=3.5219.，定子自感Ls=649.4mH ，轉(zhuǎn)子自感 Lr="649".4mH ，定轉(zhuǎn)子互感 Lm="622".2mH， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J="0".12kgm2 。系統(tǒng)仿真模型參照?qǐng)D3 而建立。該模型中包含有三個(gè)電流控制器、一臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電機(jī)變量測(cè)量模塊、磁通模型、坐標(biāo)變換模塊和功率變換器模塊（SVPWM 產(chǎn)生和逆變器模塊封裝在一起）等等。
系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4 所示。圖4（a）所示是系統(tǒng)在額定負(fù)載條件下的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)波形。在t=1s 時(shí)刻前，系統(tǒng)處于靜止勵(lì)磁階段，以建立額定轉(zhuǎn)子磁通，如圖4（b）所示。T=1s 時(shí)刻，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定由0 階躍為80 rad/s ，該矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器迅速飽和，電機(jī)轉(zhuǎn)速在最大轉(zhuǎn)矩作用下以恒定加速度接近給定值，并在0.5s 內(nèi)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，而且基本上沒有穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)。圖4（c）所示為控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩電流分量。圖4（d）為定子電流A 相的電流波形。從仿真結(jié)果可以看出，該矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)既沒有超調(diào)，也沒有穩(wěn)態(tài)誤差，而且在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流分量基本保持不變，說明在負(fù)載擾動(dòng)過程中矢量控制系統(tǒng)都能保持電機(jī)勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦控制，并具有良好的快速性。
圖4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4 結(jié)語(yǔ)
本文采用基于SVPWM 的控制技術(shù)，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK 仿真軟件，建立了感應(yīng)電機(jī)SVPWM 控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有很好的魯棒性和快速性，這種控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量和產(chǎn)生磁通的電流分量之間的解耦控制，使感應(yīng)電機(jī)獲得與他勵(lì)直流電機(jī)一致的瞬態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和參考值變化的快速響應(yīng)。本文建立的模型為進(jìn)一步研究變頻調(diào)速系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)模型，其使用的靈活性，操作的簡(jiǎn)單性以及仿真的準(zhǔn)確性為進(jìn)行感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的DSP 數(shù)字化設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種基于MATLAB/SIMULINK 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，建立了間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向電流注入型矢量控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明不但模型是正確的，而且系統(tǒng)具有良好的魯棒性和快速性，為下一步該系統(tǒng)的DSP 數(shù)字化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。