基于SVPWM的交流电机无速度传感器矢量控制新版系统仿真研究应用.doc

西 南 交 通 大 学
本科毕业设计（论文）

外文资料翻译

年 级：级
学 号：1986
姓 名：古国粹
专 业：电气工程及其自动化
指引教师：陆可

年 6月

基于SVPWM交流电机无速度传感器矢量控制系统仿真研究

摘 要
本文依照空间矢量脉宽调制技术基本原理将空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）算法应用于无速度传感器矢量控制系统，用以提高无速度传感控制性能。相应用于异步电机控制，基于SVPWM矢量控制方略电压源逆变器进行了研究。为了验证此办法对的性和可行性，本文提出了一种模仿办法用以预计电机速度进而实现一种简朴无速度传感器系统。这个系统由动态仿真工具Matlab/Simulink软件中交流电机模型来实现。仿真成果表白，该办法在整个可调速范畴内提供了定子磁链和转子转速预计，并且可以提高控制精度。

核心字：SVPWM；无速度传感器；矢量控制；电压空间矢量；

Ⅰ 简 介
由于老式电机速度传感器不但在安装维护和可靠性上都存在某些问题，并且由于其控制精度较低，这个课题现已成为研究热点。逆变器输出电压特性重要是由脉冲宽度控制方略决定。对于工程应用，正弦脉宽控制（SPWM）是最惯用控制办法。它需要计算量较少，并且易于实现，但其直流电压运用率和逆变器传播能力较低。与SPWM相比，SVPWM技术具备直流电压运用率高，输出电压多样化，电压纹波小长处。然而，由于其计算复杂弊端和实时控制难以实现，在逆变器不断改进同步限制了SVPWM技术应用。近年来，由于易于实现，直流电压运用率高达100%等长处，许多先进SVPWM算法被提出并且得到广泛应用。陈国呈，宋文祥，吴辉和孙成波提出了一种新合用于三电平中点钳位式电压源逆变器SVPWM控制方略，此法基于所有多余电压矢量特殊控制[2]。在[3]中，作者提出了一种新基于非正交坐标系N电平逆变器空间矢量脉宽控制（SVPWM）算法。该算法可以很容易判断参照空间矢量所在处扇区，并且可以采用简易办法判断各个矢量占空比。
本文简介了应用于交流电机控制基于SVPWM无速度传感器矢量控制办法，涉及其基本原理，控制方略分析，仿真和实现。
Ⅱ 基本原理
空间矢量法是一种应用于交流电机变频调速领域最重要闭环控制技术之一，并且惯用于交流电机动态建模。空间矢量是一种复杂变量，其大小和角度都随时间任意地变化。当前被以为是假定在空间按正弦分布。在矢量控制应用中，转速和转子位置都可以通过使用诸如测速发电机或者编码盘等老式机电传感器来获得。但是，这样增长了驱动系统体积和成本。如果转速和转子位置可以预计，咱们就不必要再使用传感器。这就是所谓无传感器控制技术。无传感器控制技术重要目就是预计转子位置和转速并运用此电机速度参数测量电压和电流。
矢量控制，即运用空间坐标变换办法控制交流电机模型。在实现上通过坐标变换将三相坐标系变为两相，再由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，由此将交流电机模型转化为直流电机模型。由于电机转速是运用转子磁链直接控制。因而，该系统运用了转子磁链定向控制原理。
无速度传感器磁链预计系统是在无传感器控制框架下实现，该控制器普通被设定作用在不同步间周期内（Harnefors，1997）。当前控制回路是最快控制回路，其带宽敞概是采样角频率十分之一。速度控制回路普通至少和磁链控制回路同样快。磁链和速度动态预计（或者更精确说，实际磁链闭环动态预计）应当远比磁链和速度控制回路来得迅速。图1是控制系统构造图。

图1. 控制系统构造图
如图1所示，速度和转矩PID控制器是分开设计；控制操作实当前两相坐标系上，运用PI控制器计算和误差可以获得输出速度观测值。因而，必要一方面检测出、实时值，由磁链预计获得。系统速度预计基于矢量控制原理，例如，转矩电流和励磁电流解耦控制。这里有两个输入信号：一种是由和产生转矩电流，另一种是由和产生励磁电流。可以由和计算得来。速度预计核心在于通过磁链预计获得和，因而，这个系统被称为间接速度预计系统。
Ⅲ SVPWMSimulink实现
老式SPWM控制技术重要是要产生频率可变电压波形去最大限度地逼近正弦波，而不考虑输出电流波形。然而交流电机需要输入三相正弦电流，在电机中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定转矩。为了达到这个目，把逆变器和电机看做一种整体并依照与否产生圆形旋转磁场来加以控制，逆变器作用效果会变得更好。这种控制办法叫做磁链跟踪控制，这种办法运用不同电压空间矢量交替追踪磁链轨迹，因而也叫做电压空间矢量PWM（SVPWM）控制。基于空间矢量PWM技术逆变器有许多长处，如转矩脉动小，直流电压运用率高，开关元件损耗较低，调速性能好。因而它合用于高速电机控制系统。
A．SVPWM模块
由逆变器产生空间矢量是有限，并且不能被输出。这种空间角矢量会不断变化。为了获得旋转电压空间矢量，咱们有必要运用在一种正弦周期内作用时间各不相似矢量去合成参照电压空间矢量，矢量产生越多就意味着开关频率越高。因而咱们一方面要判断矢量所在扇区，然后依照伏-秒平衡原则运用该扇区相邻两个非零矢量和零矢量去合成等效参照矢量。因而当电压矢量作用在不同扇区时，咱们还要计算时间用以合成参照矢量，最后，生成SVPWM调制波形。
Simulink设计由如下几种模块构成：
1、 扇区判断模块
这一步旨在通过电压矢量在，二维坐标系下分量，判断其所在扇区，扇区号由如下几种二进制代码输出。
扇区鉴定：
①如果>0，则使A=1；否则，A=0；
②如果>0，则使B=1；否则，B=0；
③如果<0，则使C=1；否则，C=0；
扇区号N=A2B+4C。
其中和由有关电压输入。
扇区判断原理图如图2所示：

图2. 扇区判断模块原理图
2、 X、Y、Z和、并行计算模块
并行计算调制时间，可运用如下等式：
(1)
(2)
(3)
其中是PWM开关周期，是基波电压幅值。
Simulink模块原理如图3和图4所示：

图3. 并行计算X、Y、Z模块原理图

图4. 并行计算、模块原理图
3、 无速度传感器控制模块
矢量控制系统是由不同旋转角频率来控制；因而不必要构成闭环磁通。在这个控制系统中，只需要获得转矩电流，从而获得转子速度。可以通过如下等式得到：
(4)
其中是转矩电流，由定子电流通过3s/2r坐标变换获得。
4、 转速计算模块
转速计算模块原理图如图5：

图5. 转速计算模块原理图
B．基于SVPWM无速度传感器矢量控制系统
Matlab/Simulink仿真系统由以上几种模块和控制单元进行设计。基于SVPWM无速度传感器矢量控制构造模型如图6所示。

图6. 无速度传感器矢量控制系统原理图
此控制系统涉及速度控制器，转矩控制器，尚有某些其她模块，如2r/2s变换模块，I/U转换模块，SVPWM模块，直流电机模型，3s/2r模块，角度计算模块和两相PI控制模块。
系统子模块6是转速计算模块。在这里，无传感器控制办法与老式矢量控制办法重要区别在于，在无传感器控制办法中，速度传感器被一种位置预计装置取代了。
该系统将检测到电流信号由三相静止坐标系传递给两相旋转坐标系，电机转速由转速计算模块计算而来。转速计算值与给定值之间误差被反馈到PI控制器用以反馈控制。在两相静止坐标系内进行电流-电压转换。由于矢量控制缘故，使得在两相静止坐标系内对交流电机控制变得和直流电机控制同样简朴。最后，运用两相旋转坐标系参数通过SVPWM模块产生恒压频比正弦信号。这个正弦信号用于驱动交流电机。
Ⅳ 仿真成果
参照控制器参数：
转速：1420.t=1.5s，负载扰动：5N·M，仿真时间：3s.
重要电机参数：f=50Hz.=6.9.=8.18，漏抗：==1.0484H，互感系数：=1.00039H，J=0.03kg·，=2，=1500r/min.
在仿真研究中，采用ode45算法，最大步长为1e-5。设定PI参数=1和=0仿真成果分别如图7和图9所示。图8是实际电机转速图。

图7. SVPWM马鞍状波形
图7显示了由SVPWM控制方略得到三相电压波形。它在参照线性调制范畴内是典型马鞍状波形，其线电压是原则正弦波。在实际仿真中，当参照电压超过线性范畴时，电压运用率提高了，但是获得线电压波形有转变成方波趋势，这将会导致电压波形不再是正弦波。也就是说，三相电压不能生成正常正弦电压波形；此时产生磁链轨迹已不再是正常圆形，这将会增长电机运营时转矩脉动。
当开关频率足够高时，SVPWM调制能使逆变器获得线电压（540V），相比之下，SPWM逆变系统（正弦脉宽调制）只能获得/2。因而SVPWM方式较SPWM方式电压运用率有所提高。

图8. 实际电机转速

图9.验证电机转速
依照仿真和实验成果可以得出结论，验证普遍成果是较好。只是在电机转速较低时不太抱负。仿真实验生成了令人满意圆形磁场，并且获得了给定电机转速。在加以负载扰动状况下电机体现出较好动态过渡性能。由此可见，本文所提出调制办法和控制算法是对的可行。仅仅在电机转速较低和电机启动状况下此法尚有待改进。
Ⅴ 结 论
本文提出了空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法。在一定条件下将SVPWM算法成功应用于异步电动机无传感器矢量控制系统，此法在Matlab/Simulink软件交流电机模型上得以实现。在实验系统中运用软件实现了一种可以实时产生抱负SVPWM波形SVPWM发生器。仿真成果表白了电机在加以负载扰动状况下具备较好动态过渡性能。实验成果验证了所提出调制办法可行性。并且，此法易于实现，并可应用于工程实际。
鸣 谢
本文作者对辽宁省自然科学基金委员会协助和支持表达最衷心感谢。
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评 语

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