王家軍,郭 超,金利勤

(1.杭州電子科技大學自動化學院,浙江杭州310018;2.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司,浙江嘉興314201)

0 引 言

近年來,隨著磁性材料、半導體電功率器件以及控制理論的快速發(fā)展,永磁同步電動機驅動系統(tǒng)以其優(yōu)良的結構特性在中小功率范圍的運動控制中正扮演著越來越重要的角色[1]?？臻g矢量脈寬調制(Space Vector Pu lse Wid th Modulation,SVPWM)技術已經(jīng)成為電壓型逆變器的一個標準控制方法,并廣泛應用于電動機的控制[2]。SVPWM實現(xiàn)時,為了防止直流母線的直通,常常在每個橋臂的上、下兩個功率器件的觸發(fā)信號之間增加一個死區(qū)時間[3]。目前已經(jīng)有許多關于死區(qū)效應補償?shù)难芯縖4],本文沒有通過Matlab/simulink仿真給出一種新穎的死區(qū)時間產(chǎn)生方法,然后給出一些由死區(qū)效應引起的零電流鉗位的仿真結果。

1 空間矢量脈寬調制原理

如圖1所示是三相電壓型逆變器的結構圖,圖1中功率器件共有8種開關模式,相應的電壓空間矢量可用Un(n=1,2,???,8)表示。如圖2所示,6個有效電壓空間矢量(U1-U6)作為基本向量,構成含6個扇區(qū)的封閉六邊形,另外兩個空向量U7(000)和U8(111)用來填充調制周期中的空閑時間。在此向量空間中,任何電壓向量都能被兩個基本向量Un和U(n+1)合成。如圖2中位于第一扇區(qū)的電壓矢量US可以用U1(100)和U2(110)的合成矢量來表示,US為逆變器輸出電壓矢量。

圖1 三相電壓型逆變器

圖2 空間矢量扇區(qū)圖

在應用SVPWM技術時,首先,需要確定要合成的電壓矢量US所在的扇區(qū),計算出該扇區(qū)相鄰兩個基本電壓空間矢量Un、U(n+1)的作用時間t1和t2。然后根據(jù)相鄰電壓矢量作用時間t1和t2,計算開關作用時間ta、tb和tc。最后,將開關作用時間和三角載波比較就得到SVPWM的輸出時序。

(1)判斷需要合成的電壓矢量US的扇區(qū)。

US所在的扇區(qū)與兩相固定坐標系(α-β)上的電壓控制量Uα和Uβ有關。電壓控制量Uα和Uβ與三相定子繞組軸abc上的相電壓Ua、Ub和Uc之間的轉換公式為:

對電壓控制量Uα、Uβ作如下變換:

令Uref1＞0時,A=1,否則A=0;Uref2＞0時,B=1,否則B=0;Uref3＞0時,C=1,否則C=0。設N=A+2B+4C,則扇區(qū)與N的對應關系如表1所示。

表1 基于N的電壓扇區(qū)測定

(2)計算X、Y、Z和電壓空間矢量作用時間t1、t2。

X、Y、Z通過下面的公式計算:

式中,Ts是調制周期,Vdc是直流側電壓值。對于不同的扇區(qū),矢量作用時間t1、t2與X、Y、Z的對應關系如表2所示。

(3)開關作用時間ta、tb、tc的計算。

開關作用時間可以通過taon、tbon和tcon的值來計算,taon、tbon和tcon的計算公式為:taon=(Ts-t1-t2)/4;tbon=taon+t1/2;tcon=tbon+t2/2。開關的作用時間ta、tb、tc和taon、tbon、tcon的對應關系如表3所示。將ta、tb和tc的計算結果與三角載波相比得到SVPWM信號的輸出時序。

表3 各扇區(qū)的開關作用時間

表2 t1和t2的測定

2 逆變器死區(qū)時間的生成方法

生成死區(qū)時間,首先必須考慮的一個問題是怎樣把死區(qū)時間嵌入到SVPWM生成時序中。如圖3所示給出了一種新穎的死區(qū)時間生成方法,圖3中的傳輸延遲模塊用來延遲低電平初始信號。高電平信號減去延遲信號的絕對值就是死區(qū)時間,該死區(qū)時間分別與初始高電平信號、延遲信號進行乘運算,從而嵌入到SVPWM生成時序信號中。

圖3 逆變器死區(qū)時間的生成單元

3 系統(tǒng)設計仿真與分析

永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模塊如圖4所示,包括一個速度PID控制器,兩個電流PID控制器,dq/abc轉換,SVPWM生成,IGBT電壓型逆變器,永磁同步電動機模型和檢測單元。速度環(huán)PID控制器的參數(shù)為P=0.045、I=12、D=0,電流環(huán)PID控制器參數(shù)為P=320、I=100、D=0,IGBT的道通時間是1μs,關斷時間是2μs,dc直流電壓是400V。在以下的2種仿真實驗中,負載轉矩為10N?m。

圖4 永磁同步電機仿真結構圖

(1)第一種情況仿真

死區(qū)時間設置為3μs,給定速度為300r/min,開關切換頻率設置為10kHz,仿真結果如圖5所示。這種帶死區(qū)時間的永磁同步電動機仿真中,電動機轉速跟蹤給定速度的波動大約為0.9%,電磁轉矩跟蹤負載轉矩的波動大約為4%。當電機電流過零點時,這種方案有零電流鉗位時間。

(2)第二種情況仿真

死區(qū)時間為3μs,給定速度為60r/min,開關切換頻率設置為10kHz,仿真結果如圖6所示。從仿真結果中可以看出電機轉速較低時,跟蹤給定速度的波動變大,大約為12%,電磁轉矩的波動也變大,大約為12%。從而得出當給定轉速較低時,死區(qū)效應的影響將比高速時更明顯的結論。

圖5 第1種仿真結果

圖6 第2種仿真結果

4 結束語

該文中給出了SVPWM的詳細設計方案,并設計了一種新穎的生成死區(qū)時間的方法。該文在永磁同步電動機系統(tǒng)中利用帶死區(qū)時間的電壓型逆變器進行了兩種SVPWM仿真,證明了逆變器死區(qū)時間生成方法的正確性和可行性。

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