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感应电机矢量控制中转子参数辨识研究学号：学号：B20110402姓名：李政学姓名：李政学目录直流电动机的调速直流电动机的调速SPWM与与SVPWM技术以及技术以及DSP实现实现异步电动机的矢量控制异步电动机的矢量控制研究背景电力电子技术是一门专门研究电能变换的理论、方法及应用的学科，是集电子技术、控制理论、计算机技术、材料科学、电磁兼容、传感器技术、热传导技术于一体的新兴交叉学科，自从其产生到现在的半个多世纪以来，由于它对国民经济的显著作用，得到了国内外的普遍重视，发展非常迅猛，以至于无论是在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置性能等方面都与初期有很大进步，而且应用日益广泛，几乎涉及从发电、储电输电到用电的所有领域。直流电动机的调速直流电动机是最早出现的电动机，长期以来一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。良好的线性调速特性简单的控制性能高质高效平滑运转的特性v近年来，随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。在直流调速控制中，可以采用各种控制器，DSP是其中一种选择。由于DSP具有高速运算性能，因此可以实现诸如模糊控制等复杂的控制算法。传统调速方法电枢回路串电阻调速改变电枢电压调速增大励磁回路外串电阻调速电压平衡方程：其中感应电动势：图1-1 直流电动机等效电路(1-1)(1-2)(1-3)占空比定宽调频法调宽调频法定频调宽法TMS320LF2407A DSP集成了PWM控制信号发生器，它可以通过调整事件管理器的定时器控制寄存器来设定PWM工作方式和频率，通过调整比较值来调整PWM的占空比，通过专用的PWM输出口输出占空比可调的PWM控制信号。(a)原理图 (b)输入/输出电压波形 图1-2 PWM调速控制原理和电压波形图(1-4)变频调速原理变极调速 (使一半导体的电流方向改变；变极：4极1500r/min，2极3000 r/min)变频调速 1.基频向下变频调速，保持 不变，适用 于恒转矩负载；2.基频向上变频调速，电源电压不允许升高，频率 越大，磁通越小，弱磁调速，适用于恒功率负载。SPWM与与SVPWM技术以及技术以及DSP实现实现(2-1)变频变压(Variable Voltage Variable Frequency)VVVF调速 变频与变压的实现SPWM调制波 将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦的变化规律。产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，用其相交的时刻来作为开关管“开”或“关”的时刻。自然采样法 图2-1 自然采样法生成SPWM波非对称规则采样法 1.顶点采样时 2.底点采样时图2-2 非对称规则采样法生成SPWM波阶梯波脉宽调制阶梯波脉宽调制多载波多载波SPWM调制调制特定谐波消除脉宽调制特定谐波消除脉宽调制空间矢量空间矢量SVPWM脉宽调制脉宽调制多载波SPWM调制(1).基于载波垂直移相SPWM方法a.所有载波相位相同的PD调制策略b.所有相邻的载波相位相反的APOD调制策略c.正载波与负载波相位相反的POD调制策略 (a)PD调制 (b)APOD调制 (c)POD调制 图2-3 多载波谐波消除SPWM调制策略示意图(2).基于载波水平移相SPWM方法图2-4 PS调制策略示意图 空间矢量SVPWM脉宽调制 图2-5 三相三电平空间矢量图三电平空间电压矢量原理三电平空间电压矢量原理 三电平逆变器每桥臂有4个开关器件，引入开关函数 ,则应是三态开关变量（分别定义为0，1，2），对应的输出相电压为 ，0 ，(为直流回路电压)。故三相三电平逆变器合成电压矢量数为 种，除去冗余电压矢量，有效电压矢量有19种。（a）基本拓扑结构 （b）简化结构模型 图2-6 三电平逆变器拓扑结构图 三电平空间电压矢量算法1.判断电压参考矢量Vr所处的扇区和小三角形区从图2-7可以看出SVPWM的首要任务，是判断Vr位于哪个区域及该区域的哪个小三角形，然后就能依此确定出相应的输出电压矢量。把空间矢量PWM方法的实现归纳为以下几步，以第一扇区为例：(1)根据电压矢量的模长计算调制度调制度的大小：，u 为参考电压矢量幅值，ud为直流母线电压。2)根据参考电压的矢量角判断电压矢量所在的区间：图2-7 第一个 60区域的电压矢量图 如图2-7所示的第一扇区，就需判断电压矢量 位于第一扇区的A、B、C、D的哪一区域。定义m的边界条件分别为mark1，mark2，mark3；由三角关系可得：(2-2)通过判断与上述三个边界条件的关系可得到电压矢量 落在哪个区间：当 时，电压矢量 落于A区，由V0，V1，V2三矢量等效合成。当 时，电压矢量 落于B区，由V1，V2，V8三矢量等效合成。当 且 时，电压矢量 落于C区，由V1，V7，V8 三矢量等效合成。当 且 时，电压矢量 落于D区，由V2，V8，V9三矢量等效合成。2.确定各合成电压矢量的作用时间当参考矢量落入某一个三角形区域时，为了在输出得到相应频率的正弦波和减少输出电压的谐波含量，就用组成该三角形的三个矢量合成该参考矢量，根据伏秒等效伏秒等效合成原理合成原理，各矢量的作用时间和参考矢量的关系，应满足如下公式：其中，tx，ty，tz分别为电压空间矢量Vx，Vy，Vz在一个采样周期的作用时间，Ts为采样周期，Vr为参考电压矢量。(2-3)通常采用最近三矢量法合成电压参考矢量：当参考矢量 位于三角形区域A中时，用V0，V1，V2来等效合成；当参考矢量 落于三角形区域B中时，用V1，V2，V8来等效合成；当参考矢量 落于三角形区域C中时，用V1，V7，V8来等效合成；当参考矢量 落于三角形区域D中时，用V2，V8，V9来等效合成。分别将：,和 (n=0，1，2，7，8，9)代入式(2-3)可以得到在A，B，C，D等区域内各矢量的作用时间，如表2-1所示，其他几个三角形区域各矢量的作用时间的算法雷同。表 2-1 三电平电压空间矢量调制各空间矢量作用时间表 其中m为调制度，且 ，u 为参考电压幅值，ud为直流母线电压。3.三相 SVPWM 信号的产生在三电平逆变器SVPWM方法中，为防止同一相上多于两只管子同时导通和减少开关次数。开关状态的选择通常遵循下面两个原则：1)同一桥臂不允许有直接从“2”状态到“0”状态或直接从“0”状态到“2”状态的切换。2)从一个开关状态到下一个开关状态的切换，三相桥臂只能有一相有开关动作。按此原则，采用七段式SVPWM的方法，对图2-7所示的扇区，开关状态的选择可如表2-2所示。表2-2 第一扇区开关状态选择表 三角区间开关序列 A111-211-221-222-221-211-111222-221-211-111-211-221-222100-110-111-211-111-110-100110-111-211-221-211-111-110 B211-210-110-100-110-210-211221-211-210-110-210-211-221 C211-210-200-100-200-210-211 D221-220210-110-210-220-221根据电压矢量作用时间和表2-2矢量作用顺序，下图给出了A区的三相输出时序图。三角波与 ta，tb，tc 相比较，即可得到图2-8所示三相SVPWM信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。图2-8 A区输出电压矢量时序图 根据电压矢量作用时间和表2-2矢量作用顺序，图2-9给出了A、B、C、D区的三相输出时序图。(a)A 区输出电压矢量时序图 (b)B 区输出电压矢量时序图(c)C 区输出电压矢量时序图 (d)D 区输出电压矢量时序图 图2-9 第一象限输出电压矢量时序图 三角波与ta，tb，tc相比较,即可得到图2-9所示三相SVPWM信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。交流异步电动机变频变压调速系统，由于采用了U/F恒定、转速开环的控制，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。但是，对于那些对动静态性能要求较高的应用系统来说，上述系统还不能满足使用要求，这使我们又想起了直流电动机的优良的动静态调速特性。能不能使交流电动机调速系统像直流电动机那样去控制呢?矢量控制方法给了我们一个肯定的答案。矢量控制理论(Trans Vector Control)是由德国的F.Blaschke在1971年提出的。矢量控制法成功地实施后，使交流异步电动机变频调速后的机械特性以及动态性能都达到了与直流电动机调压时的调速性能不相上下的程度。异步电动机的矢量控制异步电动机的矢量控制矢量控制的基本思想一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，通过两相交流系统作为过渡，可以互相进行等效变换。矢量控制的基本原理图3-1矢量控制原理框图矢量控制的坐标变换矢量坐标变换必须要遵循以下原则：应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效；应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。Clarke变换和逆变换图3-2 三相ABC绕组和两相 绕组各相的磁势 Park变换和逆变换图3-3 定子电流矢量is在 坐标系和M、T坐标系上的投影MT坐标系是以定子电流角频率 速度在旋转的v三相异步电动机的DSP控制系统由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流电流磁链位置转换磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与PARK变换和逆变换的计算。图3-4 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图 图3-5 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图