基于simulink的異步電機(jī)矢量控制的SVPWM和滯環(huán)調(diào)制對比

導(dǎo)讀： 本期主要介紹異步電機(jī)矢量控制在滯環(huán)CHBPWM調(diào)制和SVPWM調(diào)制下的控制性能對比。

一、引言

應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器通常為電壓源型，它可以根據(jù)所需的設(shè)計參數(shù)來控制輸出電壓。對于交流電機(jī)而言，需要保證其輸出電流為正弦波電流，因為只有在交流電機(jī)繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使其合成的電磁轉(zhuǎn)矩為不含脈動分量的恒定電磁轉(zhuǎn)矩。所以，要對電流采用閉環(huán)控制的方法，這比電壓開環(huán)控制能獲得更好的性能。傳統(tǒng)SPWM控制技術(shù)并未考慮到輸出電流的情況，它主要是使得變壓變頻器的輸出電壓為正弦波。電流滯環(huán)跟蹤控制PWM （CHBPWM），直接控制輸出電流使其接近于正弦波。而異步電動機(jī)為了在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的圓形磁場，從而發(fā)出恒定電磁轉(zhuǎn)矩，所以需要向異步電機(jī)輸入三相交流電源。根據(jù)這一特性，若將逆變器和異步電機(jī)視為整體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作狀態(tài)，其響應(yīng)能力會更好，這種方式又稱為磁鏈跟蹤控制，即電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)。

為了更好地對異步電機(jī)在不同控制策略下的運(yùn)行特性，本文采用Matlab/Simulink軟件設(shè)計了電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)以及電壓空間矢量控制技術(shù)的數(shù)學(xué)模型并加以實(shí)施在異步電機(jī)上，對異步電機(jī)在兩種控制方式下的運(yùn)行特性進(jìn)行對比分析。

二、滯環(huán)和SVPWM調(diào)制策略

2.1 電流滯環(huán)跟蹤控制PWM技術(shù)

滯環(huán)電流控制基本思想就是給定三相電流信號，并且與由電流傳感器實(shí)測的三相電流相比較，以其差值通過滯環(huán)比較器來控制功率開關(guān)使實(shí)際電流值跟蹤上參考電流值。

圖1 滯環(huán)電流跟蹤控制

圖1為滯環(huán)電流跟蹤控制的原理圖，H為滯環(huán)比較器的環(huán)寬。在工作時ic_ref 與ic做差，得到的誤差電流 ic 且始終處于以 0 為中心，H和 -H 為上下限的滯環(huán)內(nèi)。H的設(shè)置是為了避免逆變器開關(guān)狀態(tài)變換的速度過快，在ic_ref的基礎(chǔ)上設(shè)計了上下兩個寬度為h的誤差滯環(huán)。

具體工作過程為：當(dāng)ic_ref- ic ＞ H時，滯環(huán)比較器輸出高電平，驅(qū)動上橋臂的開關(guān)器件S1導(dǎo)通，使ic增大，當(dāng)ic增加到與ic_ref相等時，滯環(huán)比較器仍然輸出高電平，S1保持導(dǎo)通，ic繼續(xù)增大；當(dāng)ic - ic_ref ＞ H時，滯環(huán)比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平信號關(guān)斷S1，并經(jīng)過死區(qū)時間后驅(qū)動下橋臂的開關(guān)S4.但此時S4未必導(dǎo)通，因為ic（負(fù)載電流）并未反向，而是通過續(xù)流二極管D4維持原方向流通，其數(shù)值逐漸減小。

通過滯環(huán)控制，逆變器的實(shí)際輸出電流與給定值的偏差保持在-h~h之間，在給定電流上下做鋸齒狀變化。當(dāng)給定電流為正弦波時，輸出電流也十分接近正弦波。

滯環(huán)電流控制法具有控制精度高，響應(yīng)速度快，電流跟蹤能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是滯環(huán)寬度 H 的選取合適與否，會直接影 響補(bǔ)償電流跟蹤指令電流，進(jìn)而影響諧波補(bǔ)償效果且滯環(huán)電流控制因為電流紋波大，開關(guān)頻率不確定，所以很少被采用。

2.2 電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）

在傳統(tǒng)的PWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常使用六拍階梯波逆變器為交流電機(jī)提供電源。此時的電壓空間矢量運(yùn)動軌跡如圖2所示，三相逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡

圖3 三相逆變器-交流電機(jī)主電路原理圖

逆變器采用的是上、下管換流方式，功率管共有八種工作狀態(tài)。對于這種六拍階梯波的逆變器而言，輸出的每個周期都會出現(xiàn)一次有效工作狀態(tài)且狀態(tài)切換間隔為π／3。為了便于討論將正六邊形電壓矢量轉(zhuǎn)換為放射形式，如圖4所示。各電壓空間矢量間的相位關(guān)系仍然不變，這樣可把逆變器的工作周期劃分為6個扇區(qū)。

圖4 電壓空間矢量的6個扇區(qū)

在一個周期內(nèi)，逆變器開關(guān)狀態(tài)序列為100， 110，111，000，000，111，110，100。在實(shí)際工程中，系統(tǒng)應(yīng)盡量減少開關(guān)狀態(tài)變化是引起的損耗，因此在每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只切換一個開關(guān)器件，以滿足最小的開關(guān)損耗。

綜上可知，SVPWM控制模式的特點(diǎn)為：一個工作周期分為了6個扇區(qū)，為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形使得其控制方式依賴于開關(guān)頻率的設(shè)定。開關(guān)切換合理，損耗較小。每個狀態(tài)的切換以零電壓開始，又以零電壓結(jié)束。采用SVPWM控制方式時，輸出側(cè)的線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，提高了輸出能力。

本節(jié)討論了SVPWM控制技術(shù)的原理基礎(chǔ)，并對其工作特性進(jìn)行了動態(tài)分析，為后面的仿真對比做出了鋪墊。

三、仿真模型搭建

異步電機(jī)定子側(cè)為三相繞組，轉(zhuǎn)子側(cè)為閉合的導(dǎo)電條，二者之間通過對氣隙磁場的耦合作用進(jìn)行工作。因此在對異步電機(jī)進(jìn)行仿真時可以通過坐標(biāo)變換的方式來進(jìn)行解耦以使其具有和直流電機(jī)相似的調(diào)速特性。本文以Matlab/Simulink為仿真工具來對異步電機(jī)的電流滯環(huán)控制以及電壓空間矢量控制方式進(jìn)行對比分析。設(shè)定直流電壓為540V，異步電機(jī)極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)動慣量為0.067kg·m，仿真時長1s。

圖5 基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

圖6 基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

圖7 基于CHBPWM的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

圖8 基于CHBPWM的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

通過圖6和圖8的波形對比，基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩紋波要小很多且在加載和轉(zhuǎn)速突變的情況下，定子電流更趨于正弦。

四、總結(jié)

綜上是對異步電機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行分析，說明電流滯環(huán)控制以及空間矢量控制技術(shù)（SVPWM）的控制原理。使用Matlab/Simulink軟件以上述兩種控制方式對異步電機(jī)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究，實(shí)驗證明：在SVPWM控制方式下的異步電機(jī)的穩(wěn)定性更高、響應(yīng)速度更快。

審核編輯：湯梓紅