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基于SVPWM算法的永磁同步电动机仿真

更新时间:2016-07-05

一、引言

永磁同步电动机的高效率特性在各种电机驱动中广泛应用。对永磁同步电动机进行控制时常用的方法包括正弦PWM,模糊控制,基于DSP的控制以及空间矢量PWM控制(SVPWM)。其中SVPWM算法是近几年提出来的,并且广泛地应用于逆变器。相较于正弦脉冲宽度调制和其他的控制永磁同步电动机的方式方法,SVPWM更适合于数字实现。电压空间矢量SVPWM是利用空间矢量概念,建立逆变器开关模式及其输出电压与电机磁链之间的关系,然后根据要跟踪的磁链空间矢量的运动轨迹(圆形或多边形的),选择逆变器的开关形式,使逆变器输出适当波形的电压。

本文详细介绍SVPWM算法,包括参考电压投影设定以及空间矢量作用时间的计算,并用Matlab/Simulink进行仿真。

二、SVPWM算法

SVPWM算法包括三相逆变电路转换和空间矢量PWM电压计算两个部分。

A:三相逆变电路

SVPWM算法控制是以最终在电机内部形成圆形旋转磁链为目标。SVPWM是六个功率开关元件组成开关模式的IGBT产生脉宽调制波以达到输出电流的波形无限接近圆形磁链从而得到最理想的波形[1]。电流经整流后变为直流,再经过逆变电路输出PWM波进行控制。三相逆变电路如图1所示。

图1 三相逆变电路

图1是三相逆变电路电路图,其中Va,Vb,Vc是控制电机速度的输出电压。在三相逆变电路中,IGBT为理想状态的开关。图中的a,b,c为开关量,用来表示A,B,C三相的开关状态。其中开关量是受到3组、6个开关(1、4,3、6,5、2)的控制。6个开关中,两两是互锁的,也就是1和2、3和4、5和6之间是互锁的。当1为接通状态时,2则为断开状态。即一个接通(=1)时,另一个断开(=0),这样就得到了8种状态[2]

SVPWM算法的主要是确定开关的转换顺序。逆变器开关模式与电机磁链和输出电压建立一种联系,根据SVPWM本身的空间矢量的原理及想要得到的标准磁链圆确定开关的转换顺序,最终使逆变器输出适当的相应波形的电压[3]

上式中Taon、Tbon和Tcon分别是相应比较器的计数器值,而不同扇区时间分配如表2所示,将三个占空比的值分别写入相应的控制器内部的比较寄存器内,这样就完成了SVPWM算法的整个过程[5]

针对配电工程施工准备阶段的管理工作而言,建议设计人员应该事先深入施工现场当中,做好勘察工作。明确现场施工条件、要素等内容,夯实工程设计水平。并在此基础上,严格审核图纸内容,确保后续施工工序安全无误。与此同时,对于入场使用设备及材料等因素,必须做好及时地核查工作。一旦发现质量隐患问题,必须予以及时更换,防止隐患问题的进一步扩大。除此之外,对于现场施工人员,建议管理人员必须确保施工人员的技术水平之后,才能够予以录用,以防出现现场施工质量问题。

B:空间矢量PWM电压

(1)第1步:相位置sector的确定

本文提出了基于SVPWM算法的相电压坐标投影及计算时间的方法。以冗余交换为载体,给出基于SVPWM算法的方法的仿真PMSM。仿真结果包括转矩波形、速度波形、电流波形和电压波形,仿真结果证明了SVPWM算法与仿真控制模型的准确度并为控制系统的实际设计提供了理论依据。

图2 电压空间矢量分布图

在SVPWM算法中,每个状态都有零矢量U0(000)与U7(111)的耦合。在各个扇区,根据该扇区作用的两个选择电压矢量以及零矢量可以得到[4]

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其中T是开关时间,T4和T6代表了V4和V6的作用时间。α β坐标系下的参考电压矢量根据定子电压投影得到的表达式为:

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三、SVPWM算法的实现

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在确定扇区之前进行Clark-1变换,Clark-1变换的表达式为

然后计算正弦波输入输出波形(Vα,Vβ)。根据以下规则确定扇区:

如果 Va>0,则 A=1 ,否则 A=0;

如果 Vb>0,则 B=1 ,否则 B=0;

如果 Vc>0,则 C=1 ,否则 C=0;

相位置(sector)=A+2B+4C,即是来判断各个组合所在的相位置。

(2)第2步:计算各个扇区作用的矢量的作用时间

对于每个扇区都要计算导通时间。根据下述的各个变量来确定每个矢量的作用时间。

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这样可以得到表1,计算每个扇区的作用时间。

表1 作用时间附表值 Table1 The role time schedule value

扇区号 1 2 3 4 5 6 T1 Z Y -Z -X X -Y T2 Y -X X Z -Y -Z

(3)第3步:计算占空比

表达式如下:

(4)第4步:根据各相位sector,分配占空比。

每相的基本电压幅度为2Udc/3,所以可以得到

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表2 电机相位分配相应的占空比 Table 2 The motor phase distribution of the corresponding duty cycle

扇区相位 1 2 3 4 5 6 T a T a o n T t b o n T c o n T c o n T b o n T a o n T b T b o n T a o n T a o n T b o n T c o n T c o n T c T c o n T t c o n T b o n T a o n T a o n T b o n

三、仿真及结果

设置电机作为参考速度为100rad/s,启动时没有负载。PWM循环时间T=0.0001s,负荷增大至5 Nm.仿真时间为0.06s,仿真波形在图4—图7中给出。

在分析了SVPWM算法及算法实现步骤的基础上建立基于SVPWM算法的永磁同步电动机仿真平台。仿真平台建立在MATLAB 7.1/Simulink环境下。系统的仿真框架在图3中给出,同时给出仿真结果。

图3 永磁同步电动机的SVPWM算法仿真系统

在图4中是通过实验得到的转矩的波形。从图中看初始的时候转矩达到最大值,随时间变化转矩逐渐减小直到最终接近于0。

在图5中,在初始时速度波形有一点上升,然后趋于稳定。

仿真模拟结果符合的永磁同步电机的性能特性,证明了SVPWM算法和控制模型的准确度,并为控制系统的实际设计提供了理论依据。

图4 转矩波形

图5 速度波形

图6 电流波形

图7 电压波形

五、总结

根据空间矢量的定义,电压空间矢量有8种矢量状态并且是相互之间夹角互为60°的基本矢量。V0和V7为零矢量,其余的6个矢量为工作矢量。8个基本矢量的分布如图2所示。

(1)建模与网格划分 由于3D模型尺寸非常大,为使模拟尽可能接近真实情况以及有效利用计算机资源,笔者将模型网格细划,并且在机架立柱底部的外冷铁位置(人为末端区)和机架对称面将模型做成了1/4对称处理。为避免钢液在浇注系统内冷却过快,将浇注系统单独建模,并且前处理时将其与型砂的界面换热系数设为较低值。首次浇注时让钢液从浇注系统注入,补浇时让钢液从冒口上方注入。

参考文献:

[1]刘 军.永磁电动机控制系统若干问题的研究[D].(博士论文).华东理工大学:2010.

[2]杨贵杰,孙力.空间矢量脉宽调制方法的研究.中国电机工程学报,2008,(5):80 ~84.

[3]苏许兵.基于ARMCortex的同步电机控制系统的研究[D].武汉理工大学,2010.

[4]邓星钟.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.

观察组与对照组术后6个月的血清TNF‐α值均显著低于术前(P<0.05);且观察组显著低于对照组(P<0.05)。见表4。

[5]王立飞.基于ARM的三相交流异步电动机调速系统研究[D].华中农业大学,2010.

[6]Limei Zhao,“A DSP_Based Super High-Speed PMSM Controller Development and Optimization”,IEEE 11th digital Signal Processing Workshop&IEEE Signal Processing Education Workshop,Vol.1,pp.187-190,2004

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[7]Feirong Jiang,Wei zhang,“A MC56F8357 Based Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)Servo System”,proc.of SCI on Power Electronics,pp.1519-1523

张娜
《安徽电子信息职业技术学院学报》2018年第2期文献

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