SVPWM在矢量控制系统中的应用

SVPWM在矢量控制系统中的应用潘高超（南通大学电气工程学院，江苏南通）摘要：随着科学技术的不断进步以及新型电力电子器件和微处理器的推出，交流电机控制技术在近年来取得了巨大的进步，它以其优异的调速性能和高效节能效果，已逐步取代直流电机在国民经济各领域中的应用。而基于异步电机矢量控制的变频调速系统因具有直流电机无可比拟的调速精度、调速范围和更快的响应速度，目前已经成为国内外学者研究的热点话题。本文在了解交流电机调速技术的现状和发展趋势的基础上，进一步探讨空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术的基本原理以及算法实现，并以DSP作为主控芯片，从硬件电路和软件程序两方面详细分析SVPWM在矢量控制系统中的应用。关键词：交流变频调速，SVPWM，矢量控制，DSP中图分类号TM464文献标识码A1引言交流电机调速系统的矢量变换技术是20世纪70年代开始迅速发展起来的一种新型控制思想。它通过将定子电流分解成相互独立的励磁电流和转矩电流,从而使交流电动机在很大程度上类似于直流电机,大大简化了控制的难度,并获得了较好的控制效果。异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，很难对电机的转矩与转速进行实时控制，直到20世纪70年代才有了突破性进展，首先是随着电子电子技术和微型计算机技术的迅猛发展，新型电力电子元器件相继出现，为交流电动机的控制提供了高性能的电力电子功率变换装置，并且因其价格低廉，在工业生产中被大量采用。其次是交流电动机的控制理论有了新的突破，尤其是磁场定向矢量控制理论与直接转矩控制方法、非线性解耦控制方法等，为交流调速传动奠定了理论上的基础。变频调速技术涉及电子、电力、电工以及信息与控制等多个学科领域，在计算机技术、电力电子技术和自动控制技术的驱动下，以变频调速技术为代表的交流调速技术取得了飞速的发展。交流变频调速克服了直流调速传动的一些固有缺点，发挥了交流电动机诸如结构简单、经济可靠、坚固耐用、动态响应好的优势，同时也很好地解决了交流电动机非线性、高耦合等问题。交流变频调速技术拥有优异的调速性能、显著的节能效果以及在工业控制领域的广泛适用性，代表着现代电气传动的发展方向，它为改善电机控制性能、提高产品的产量和质量、节能降耗提供了至关重要的途径。其中，异步电动机变频调速因具高效率、宽范围和高精度等特点，被公认为最有发展前途的调速方式。异步电动机变频调速系统以微型计算机装置为控制核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在现代自动控制理论的指导下组成交流电气传动控制系统，以达到控制异步电机位置或转速的目的。异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，很难对电机的转矩与转速进行实时控制，直到20世纪70年代才有了突破性进展，首先是随着电子电子技术和微型计算机技术的迅猛发展，新型电力电子元器件相继出现，为交流电动机的控制提供了高性能的电力电子功率变换装置，并且因其价格低廉，在工业生产中被大量采用。其次是交流电动机的控制理论有了新的突破，尤其是磁场定向矢量控制理论与直接转矩控制方法、非线性解耦控制方法等，为交流调速传动奠定了理论上的基础。异步电机调速技术的发展除了有赖于电力电子和控制理论的发展，还需值得一提的是脉宽调制技术。它是通过利用全控型电力电子器件的导通与关断把直流电压变成一定规律的电压脉冲序列，实现变频、变压控制以及达到消除谐波的目的。交流调速系统中采用PWM技术不仅可以准确的实现控制要求，并且能够抑制逆变器输出电流或电压中的谐波分量，从而降低或消除电机在变频调速过程中的转矩脉动，进而提高电机的工作效率，扩大调速系统的调速范围。就目前而言，采用高速电力电子功率器件的电压型PWM变频器的主要控制技术有：①基于正弦波和三角波脉宽调制的SPWM控制；②基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；③基于电流滞环跟踪的CHBPWM控制；④电压空间矢量SVPWM或称磁链轨迹跟踪控制。三相SPWM控制方式原理简单、通用性强、控制与调节性能，是目前国内外在电机控制中应用最广泛的一种控制方式，这种方法减少了流入电动机的电流谐波分量，电机振动较小，对变频压缩机的控制效果较好，相对应的硬件与软件技术也较为成熟。但是，这种控制方式也存在着一定的缺陷，比如直流电压利用率低、谐波含量大、电机转矩脉动比较大等等。电压空间矢量（SVPWM）是一种较为新颖的脉宽调制方法，其将逆变器和电机作为一个整体来看待，建立在电压空间矢量的概念上，用基本的电压空间矢量合成所期望的电压空间矢量，使逆变器功率器件处于相应开关模式下，并根据电机的定子电压与定子磁链矢量之间的关系，控制电机定子磁链矢量幅值近似于恒定值、顶点的运动轨迹为圆形、平均速度可调，这样就可以实现异步电机近似恒磁通的变频变压调速。从节能方面来讲，这种控制方式也具有重要的意义。SVPWM相比SPWM控制方式而言，电压利用率高出15%，并且也更适合微处理器数字控制。所以，本文会将重心放在对SVPWM矢量控制系统的探讨。2交流电机调速技术的现状及发展2.1交流变频调速技术的发展交流调速发展也存在着瓶颈，主要原因是交流电机为高阶、非线性、强耦合的多变量系统，电磁转矩难以像直流电动机那样通过电枢电流施行灵活的控制。针对这样的问题，各国的学者都进行了深入的研究，德国首先在这方面取得突破。德国学者在1997年首先提出了矢量控制技术，通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通。这样就可以将三相异步电机等效为直流电动机来控制，同样可以获得与直流调速系统相仿的高动态性能。然而随着电力电子技术的发展，新型电力电子器件的不断涌现，微处理器的进步以及现代控制理论的不断创新，矢量控制技术逐渐成熟,并得到实用化。（1）电力电子技术：二十世纪六十年代发展起来的电力电子技术是直流电动机实现无刷的基础。从早期GTO、GTR等半控型器件唱主角，到MOSFET、IGBT等全控型器件的相继问世，直到现今的IPM(智能功率模块)等新型功率器件。新型器件的不断发展，使各种功率器件的功率等级和性能得到不断提高。正是这些功率器件组成的换流装置替代了直流电机上的电刷和换向器，使得各种PWM调制方式得以实现。而较高的开关频率(频率大于10kHz)也使得电机的动态性能更加完善可靠，降低了开关噪声。IPM就将IGBT封装为一个完整的逆变器模块，且封装了驱动和保护电路，使得电路设计变得简单，实现小型轻量化和智能化，目前的伺服驱动器中大多都应用IGBT和IPM模块。（2）微计算机技术：二十世纪后半叶最令人瞩目的当属计算机技术的迅猛发展，各大厂商基于各种单片机，设计了大量的电机专用控制芯片，从8位机、16位机发展到32位机，运行频率由几兆赫兹到现在的上百兆赫兹，运算速度的成倍提高，使传统的模拟控制方法已逐渐被以微处理器为核心的数字控制方法所取代，因此各种先进复杂的控制策略得以现实。DSP(数字信号处理器)原是用于信号处理领域的芯片，由于其极强的数字处理能力，现在也被用于电机控制性能要求高的领域，来完成日益复杂的控制算法。TI、AD、Motorola等DSP厂商将用于电机控制的各种外围器件封装于DSP中，生产出电机控制的专用DSP芯片，简化了硬件设计电路，提高了可靠性。2.2国内外研究现状1971年,德国西门子公司的F.Blascheke提出了异步电动机转子磁场定向矢量控制的方法，把原本复杂的异步电动机等效为简单的模型,在一定程度上实现了励磁电流和转矩电流的解耦，使异步电动机的控制性能与直流电机相媳美。矢量控制理论的提出和成功应用，开创了用交流调速系统代替直流调速系统的时代，激发了人们研究高性能交流调速系统的积极性，八十年代很多新的控制策略和方法也相继提出并被采用。1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出的新的交流电机控制理论一直接转矩控制，它与以往的矢量控制的解耦控制方法不同，不需要把电机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量，而只是通过控制PWM型逆变器功率器件的切换方式,控制异步电动机的瞬时输入电压，在保持电机定子磁链恒定的条件下，控制异步电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，直接控制电机的瞬时电磁转矩及其变化率,得到电机的快速动态响应。1986年日本学者Takahashi教授也提出了类似的控制方案，并取得了很好的控制效果。除此之外，很多学者还把现代控制理论的成果，例如状态观测器、滑模变结构控制、模型参考自适应控制、模糊控制、非线性反馈解耦控制等方法用于交流传动系统的控制，以获得更好的交流传动系统的动、静态性能。在控制技术方面，早期的交流调速系统都是采用模拟控制器，因为要完成比如坐标变换等复杂的在线运算，所以电路十分复杂。从八十年代开始，控制器经历了8位微机、16位微机到32位微机和高速数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)三个阶段的发展，实现了全数字化控制系统，不但大大简化了控制电路，还使系统的可靠性、可使用性、可维修性得到了很大的改善，并且使交流调速系统的功能更加完善，使用更加方便。目前大容量和特大容量的调速对象已经可以被应用到高性能交流调速系统中，装置的功能指标问题和高压变流技术问题也都随之解决，填补了直流调速系统在特大容量传动方面的空白，同时具有很高的可靠性及连续运行的能力，可连续运行数万小时而不用停机检修，满足了某些对可靠性有特殊要求和长期不能停机检修部门的需要，并且能实现高性能、高精度的转速控制，调速精度可以达到0.1%。随着电力电子技术、微电子技术和稀土永磁材料的快速发展，高性能电机控制系统不断地更新，成本不断地降低，新型电机不断地出现，交流电机控制系统正不断地取代直流电机控制系统，交流变频调速技术发展也越来越快。3矢量控制原理矢量控制也称为磁场定向控制，其实现原理是通过测量和控制三相异步电动机的定子电流矢量，再根据磁场定向原理分别对其励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体方法就是将三相异步电动机的定子电流经过坐标变换转变为产生磁场的励磁电流和产生电机转矩的转矩电流，然后分别对两个分量的幅值和相位进行控制，其控制效果就是实现了对定子电流矢量的控制，故称之为矢量控制。矢量控制的本质就是将三相异步电机模型等效转化为直流电机模型来控制，从而使它的静态性能和动态性能能够直流调速系统一样优越。矢量控制的原理框图如图1所示。图1矢量控制原理框图异步电机空间矢量控制技术的核心是坐标变换，如图2所示，其坐标变换由CLARK变换、PARK变换组成。进行坐标变换必须遵循以下两个原则:坐标变换前后的系统电机功率相等；在不同的坐标系下电机绕组所产生的合成磁动势相等。图2电机坐标变换示意图（1）CLARK变换在三相静止绕组A、B、C与两相静止绕组、之间的变换，或称三相静止坐标系与两相静止坐标系之间的变换，称为CLARK变换，简称为3/2变换。图3中绘出了A、B、C与、两个坐标系。为了方便分析起见，取A轴与轴重合。假设三相绕组的每一相有效匝数是3N,两相绕组每一相有效匝数是2N，每一相磁动势等于电流与有效匝数的乘积，对应空间矢量均位于相关的坐标轴上。设磁动势是呈正弦波形分布的，所以由坐标变换的原则可知，当满足三相总磁动势等于两相磁动势时，有:2333233cos60cos60sin60sin60ABCBCNiNiNiNiNiNiNi即三相静止坐标系中各相磁动势在两相坐标系坐标轴上的投影之和分别等于两相坐标系各个轴上的磁动势，或者说，两套绕组瞬时磁动势在、轴上相等，写矩阵形式为:321212103232ABCiiNiiNi考虑变换前后的功率不变，在此前提下，可以证明匝数比为:3223NN令32121212033232C则有121212033232ABCiiiii上式即为CLARK变换，式中32C矩阵称为从三相坐标系变换到两相坐标系的CLARK变换矩阵。（2）PARK变换由两相静止坐标系