基于SVPWM的永磁同步电机交流调速系统的实验研究

资源类型:pdf 资源大小:101.00KB 文档分类:工业技术 上传者:王春阳

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【作者】 王艾萌  孙鹏纬  付超  尹永雷 

【关键词】永磁同步电机 空间矢量脉宽调制 交流调速 

【出版日期】2005-03-30

【摘要】依据矢量控制理论,研究了PMSM的控制策略,采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法,构建了PMSM的交流调速系统,并利用DSP和ASIPM器件对调速系统的控制性能进行了实验研究。实验结果表明系统的稳态和动态性能良好。

【刊名】华北电力大学学报

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引言永磁同步电机(PMSM)体积小,重量轻,转子无发热问题,具有损耗低、电气时间常数小、响应快等特点,因此在高控制精度与高可靠性等方面显示出优越的性能,永磁同步电动机调速系统正在成为近代交流调速领域中研究的一个热门课题。目前对永磁同步电动机交流调速一般采用磁场定向控制策略,脉宽调制技术以正弦脉宽调制(SPWM)的应用最为广泛,而空间矢量脉宽调制(SVPWM),由于算法较复杂,实时运算量大,其应用受到一定的限制。然而由于SVPWM较之SPWM具有谐波含量少,开关损耗小,供电电压利用率高等优点,可使PMSM输出转矩脉动小,提高PMSM交流调速性能。本文在转子磁场定向理论基础上,对一种SVPWM矢量控制算法构成的PMSM交流调速控制系统进行了实验研究。实验结果表明,该系统具有良好的动态响应和稳态性能。1PMSM的数学模型及控制策略dq0坐标系中,永磁同步电动机的基本电压方程通常可以表示为[1]=s+,(1)=s++,(2)式中ud,uq为定子电压的直、交轴分量;rs为定子绕组电阻;p为微分算子;为电动机转子角频率。定子磁链方程为=+,(3)=,(4)式中d,q为转子坐标系下直、交轴磁链;Ld,Lq为PMSM的直轴、交轴电感;is,iq为定子电流的直、交轴分量;f为转子磁钢在定子上的耦合磁链。永磁同步电机的转矩方程为==+,(5)式中pm为永磁同步电机的极对数。以凸装式转子结构的PMSM为控制对象(Ld=Lq)并采用id=0的控制策略可得电磁转矩方程为=,(6)图1为其调速控制系统原理框图。控制过程包括了C1arke变换和Park变换,前者是将三相同步旋转坐标系a-b-c变换到两相静止坐标系-,后者则是将两相静止坐标系-变换到两相同步旋转坐标系d-q。经过C1arke和Park变换后,空间电流矢量is分解成转矩电流分量iq和励磁电流分量id,这两个电流与给定电流比较后经过调节器调节和反Park变换,生成矢量运算器的输入Vref和Vref,矢量运算后生成控制逆变器开关状态的触发脉冲。2SVPWM调制原理2.1SVPWM基本原理SVPWM不同于传统的SPWM法,它从交流电机角度出发,控制开关形成PWM波,使电机中产生的实际磁链矢量逼近跟踪定子磁链的给定轨迹——理想磁链圆。此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势。而对零矢量的合理控制refrefrefrefrefrefref=0,,,,,a,b,PIPIPISV-PWM3-phaseInverter传位置感和器速度PMSMdc图1PMSM调速控制系统原理框图Fig.1BlockdiagramofvectorcontrolsystemwithPMSM可以明显地降低逆变器的开关损耗。图2为三相逆变器和电动机的典型连接图。如图2所示,电机对称,三相同时供电即任一时刻处于不同桥臂的3个器件同时导通,另外3个器件关断,因此逆变器有8种工作状态为100,110,010,011,001,101,000,111,即4,6,2,3,1,5,0,7。对应的空间电压矢量如图3所示[2]。图3中O000,O111称为零矢量,起平衡开关状态,减小损耗作用。2.2SVPWM调制算法SVPWM方法的目的是通过与6个开关管的8种开关状态相应的基本空间电压矢量来逼近电机所需的电压向量Uout,一般的实现方法是在一个PWM周期TPWM内使逆变器输出电压的平均值和Uout相等。如果TPWM很小,在TPWM周期内使Uout的变化很小,则具体的实现方程为TPWMUout=1+2UX±60+0000or111,式中T1,T2为Uout所在区域的两相邻非零基本空间电压矢量UX和UX±60对应开关管导通状态的时间;T0为插入的零基本空间矢量O000或O111的时间,同时有T1+T2+T0=TPWM成立。3系统硬件组成本系统由带光电编码器的永磁三相同步电动机、以TMS320LF2407数字信号处理器(DSP)为核图2三相逆变与电动机的典型连接Fig.2Three-phaseinverterandmotor图3空间电压矢量图Fig.3Voltagevectordiagram12001060110180011010024000130010112outdc心的控制电路[4]、三菱电机专用功率变换模块[5](AIPM)PS11015为主的功率电路等构成,如图4示。系统的所有控制功能全部由TMS320LF240用软件控制来完成,控制电路板直接输出SVPW信号驱动电路板上的ASIPM模块,进而驱PMSM,实现伺服控制。4实验研究本文用到的PMSM的参数为:功率750W电枢绕组电感9.56mH;电枢绕组相电阻3.30额定转矩2.4Nm;额定相电流3.58A;额定速3000r/min;IGBT直流侧给定电压设为20V。在1500r/min转速下进行测量,PMSM的子相电流、转速、电压输出波形如图5所示。实验结果表明所采用的控制方案正确可行,制系统有较好的动态性能和稳态精度,实现了电稳定启动,低速大转矩和高速小转矩电机调速。AC200VASIPMLF2407PMSM光电编码器SVPWM信号故障信号电流检验RSTUVW图4系统主电路Fig.4Maincircuitofsystem5结论本文运用磁场定向理论和空间电压矢量控制方法分析和设计了永磁同步电机交流调速系统,采用了一种算法简单的SVPWM的控制策略,并利用LF2407产生的SVPWM控制信号实现了对永磁同步电动机的变频控制。另外采用了新一代电机专用功率模块ASIPM,提高了系统集成度,使装置实现了小型化和低成本。该控制系统充分利用了DSP的超强实时计算能力和ASIPM高集成度功能,使整个系统结构简单、产品开发周期短、可靠性大大增强。(c)电压图5给定转速为1500r/min下的输出波形Fig.5Waveformat1500r/min电(每压格0V)1/ms基于SVPWM的永磁同步电机交流调速系统的实验研究@王艾萌$华北电力大学电气工程学院!河北保定071003 @孙鹏纬$华北电力大学电气工程学院!河北保定071003 @付超$华北电力大学电气工程学院!河北保定071003 @尹永雷$华北电力大学电气工程学院!河北保定071003永磁同步电机;;空间矢量脉宽调制;;交流调速依据矢量控制理论,研究了PMSM的控制策略,采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法,构建了PMSM的交流调速系统,并利用DSP和ASIPM器件对调速系统的控制性能进行了实验研究。实验结果表明系统的稳态和动态性能良好。[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997. [2]李新华,张学杰,张字.永磁同步电动机在变频空调中的应用[J].微特电机,2004,(2):23-25. [3]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,2002. [4]韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003. [5]EricRMotto.Applicationspecificintelligentpowermodu-les-Anovelapproachtosystemintegrationinlowpowerdrives[K].PowerexInc.ASIPMApplicationManual. [6]GuoQingding,WangLimei,LuoRuifu.CompletelydigitalPMSMservosystembasedonnewself-tuningPIDalgor-ithmandDSP[C].JournalofEngineeringandAppliedSci-ence,1996.71-75. [7]KangKye-Lyong,KimJang-Mok,HwangKeun-Bae,etal.SensorlesscontrolofPMSMinhighspeedrangewithiterativeslidingmodeobserver[C].ConferenceProceedings-IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposi-tion-APEC,v2,19thAnnualIEEEAppliedPowerElectro-nicsConferenceandExposition-APEC2004,2004.1111-1116.

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