仲兆準(zhǔn)，鐘勝奎，沈 峰，張運詩，謝光偉

(1．蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院，江蘇蘇州 215021；2．蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021)

0 引言

虛擬儀器的概念是美國國家儀器公司NI于1986年提出的，它是指利用高效靈活的軟件將計算機與各種功能的外部硬件相連接，在計算機上通過事先編寫好的軟件界面，選擇合適的參數(shù)、合適的量程、合適的功能等來控制外部硬件，就像在自己設(shè)計儀器一樣，以此來完成各種測控工作[1-2]。虛擬儀器是未來儀器的發(fā)展方向。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，稱為G語言[3]。將LabVIEW用于編寫控制三相異步電機的SVPWM控制信號程序，用軟件的信號發(fā)生器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的信號發(fā)生器，以此來簡化控制系統(tǒng)的硬件電路，提高測控系統(tǒng)的開發(fā)效率[4]。

1 矢量控制技術(shù)及數(shù)學(xué)模型

矢量控制也叫磁場定向控制。這種策略將交流電機定子電流矢量換算為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，即解耦的過程，使得兩者可以分別獨立控制，這樣控制交流電機從原理上就與控制直流電機相似，從很大程度上降低了系統(tǒng)的控制難度并使控制效果大大提高[5-6]。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

(1)

式中：p0是電機極對數(shù)；Lm是勵磁電感；Lr是轉(zhuǎn)子電感；Ψr是轉(zhuǎn)子磁鏈；ISM是用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的定子電流勵磁分量；IST是定子電流轉(zhuǎn)矩分量；Ψr=LmISM．

只要控制Ψr恒定，也就是保持定子電流勵磁分量ISM恒定，就改變了三相電機固有的非線性的機械特性，將三相感應(yīng)電機等效成了他勵直流電機，獲得了與直流電機一樣的線性機械特性。采用空間矢量在動態(tài)情況下也能時刻將is分解成控制轉(zhuǎn)子磁場的分量iM及平衡轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量iT．

實現(xiàn)這一解耦的過程，就是要將原本在空間上有120°相位差的3個定子電流通過坐標(biāo)變換到空間上相互垂直同步旋轉(zhuǎn)MT軸系下的2個電流分量，其矩陣式如下：

(2)

(3)

變換后在調(diào)速過程中只要維持勵磁分量不變，也就是使磁鏈Ψr、磁通φr不變，只要控制轉(zhuǎn)矩電流分量iT就能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩Te．因此，坐標(biāo)變換使得解耦后的交流異步電機控制與直流電機控制原理相同。

在MT軸系下的三相異步電機的磁鏈、電壓、轉(zhuǎn)矩方程分別為：

(4)

(5)

(6)

Te=-pLm(iTim-iMit)

(7)

式中：iM、iT、im、it分別為定、轉(zhuǎn)子繞組相電流的瞬時值；ωS為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀穜的電角速度；ωf為Ψr相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差角速度。

2 SVPWM原理

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空間電壓矢量脈寬調(diào)制，是以一定的開關(guān)方式來控制三相逆變電路的6個開關(guān)，使之產(chǎn)生接近于理想正弦波形的脈寬調(diào)制波。三相電壓空間矢量的合成空間矢量可表示為：

(8)

由式(8)可知空間矢量U(t)是一個以角頻率ω=2πf逆時針勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，且它的幅值是相電壓有效值的1．5倍。

如何將空間矢量U(t)表示出來，就要用到平均值等效原理。首先介紹一下三相逆變電路中的6個開關(guān)的8種組合狀態(tài)，三相逆變電路圖如圖1所示?，F(xiàn)定義開關(guān)狀態(tài)函數(shù)Ux(Va，Vb，Vc)，Va、Vb、Vc分別表示A相、B相、C相上臂橋開關(guān)的狀態(tài)，也就是V1、V3、V5的開關(guān)狀態(tài)，斷開為0，閉合為1，例如有一個狀態(tài)函數(shù)U1(0，0，1)，則說明U1開關(guān)狀態(tài)是V4，V6，V5導(dǎo)通，由于上下臂橋通斷互補，則V1、V3、V2斷開，此時等效電路如圖2所示。根據(jù)公式：

圖1 三相逆變電路

圖2 U2狀態(tài)的等效電路

(9)

可得，UAN=2Ud/3，UBN=UCN=-Ud/3在空間坐標(biāo)軸上合成空間矢量U1，其幅值等于Ud方向沿A軸方向。按照此規(guī)律可發(fā)現(xiàn)一共有8種開關(guān)狀態(tài)，分別是：U0(0，0，0)、U1(0，0，1)、U2(0，1，0)、U3(0，1，1)、U4(1，0，0)、U5(1，0，1)、U6(1，1，0)、U7(1，1，1)。其中，由于U0是上面3個開關(guān)全部斷開，U7是下面3個開關(guān)全部斷開，它們此時三相輸出電壓為0，故稱為零矢量。其余Ud～U6是非零矢量。每一個開關(guān)狀態(tài)都在空間坐標(biāo)系中表示出來可將坐標(biāo)平面劃分成6個扇區(qū)，如圖3所示。

圖3 電壓空間矢量圖

該理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，在一個開關(guān)周期內(nèi)，任何時刻的電壓矢量可以用逆變器的8個開關(guān)狀態(tài)中相鄰的2個非零矢量和1個零矢量組合表示，即：

Uref×Ts=Ux×Tx+Uy×Ty+U0×T0

(10)

式中：Ux、Uy為2個相鄰的非零矢量的幅值；U0為零矢量的幅值；Ts為采樣周期；Tx、Ty分別為2個非零矢量的作用時間；T0是零矢量的作用時間，這里包含了2個零矢量的作用時間；且Ts=Tx+Ty+T0。

分別控制3個矢量的作用時間來等效任意時刻的電壓矢量，使電壓空間矢量接近圓形軌跡旋轉(zhuǎn)，用逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)組合產(chǎn)生的實際氣隙軌跡來逼近理想圓形，并由兩者的比較結(jié)果來決定開關(guān)狀態(tài)，從而形成脈寬調(diào)制波形。

3 軟件實現(xiàn)

文中的程序是用LabVIEW2010編寫的，整個程序由扇區(qū)判斷、脈沖寬度計算和死區(qū)時間的加入這幾個部分組成。

3．1扇區(qū)判斷模塊

該模塊是分析三相合成空間電壓矢量某一采樣時刻在空間坐標(biāo)系中的位置，判斷該矢量目前處于哪個扇區(qū)，程序中以子VI的形式來調(diào)用該模塊。該子VI有輸入和輸出端各1個，程序使用LabVIEW中的公式節(jié)點結(jié)構(gòu)，并配合類似C語言的if條件語句編寫方式，來實現(xiàn)預(yù)想功能的。

3．2脈沖寬度計算模塊

該模塊是整個程序中最重要的一個部分，它的功能是用來實現(xiàn)計算每相一個采樣周期內(nèi)各個脈沖的寬度及兩個脈沖之間的距離，在程序中也是用子VI的形式來調(diào)用的，該程序采用七段切換法來計算SVPWM波形。該子VI有4個輸入端和3個輸出端。分支選擇端口接扇區(qū)判斷子VI的輸出端；a端口輸入目前空間電壓矢量在空間坐標(biāo)系中的位置，即角位移；端口輸入采樣周期。3個輸出端分別輸出三相SVPWM波在瞬時一個采樣周期內(nèi)單相的脈沖寬度。其程序框圖如圖4所示。

該子VI采用LabVIEW中的條件結(jié)構(gòu)，根據(jù)扇區(qū)的劃分，一共有6個條件分支，分別表示合成電壓矢量在不同扇區(qū)內(nèi)的七段切換法的不同組合。通過公式節(jié)點計算出七段切換法中兩個非零矢量和兩個零矢量的作用時間，用數(shù)組函數(shù)工具-初始化數(shù)組賦予作用時間內(nèi)電平的高低，用數(shù)組函數(shù)工具-插入數(shù)組組合生成半個采樣周期的脈沖波形數(shù)據(jù)，再用數(shù)組函數(shù)工具-反轉(zhuǎn)一維數(shù)組來得到另外半個周期的脈沖波形數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)預(yù)期的功能。

3．3加入死區(qū)時間

由于最終要將生成的波形信號通給三相逆變電路控制上下3對共6個IGBT開關(guān)，若上下2個臂橋同時導(dǎo)通會造成短路，故上下臂橋的控制信號不是單單將上臂橋的信號取反就可以了，需要通過加入死區(qū)時間來防止上述情況。死區(qū)時間的設(shè)置與載波頻率的大小，還與開關(guān)器件的制造工藝有關(guān)，這里在原本脈寬計算子VI的基礎(chǔ)上添加了一個輸入變量-死區(qū)時間。其程序框圖如圖5所示。

圖4 脈寬計算子VI程序框圖

圖5 加入死區(qū)時間的脈寬計算子VI

為了保持原來脈沖的周期及對稱性在每個采樣周期里的單個脈沖的高電平持續(xù)時間上加上2個死區(qū)時間，低電平上減去2個死區(qū)時間，即七段切換法的零矢量U7的持續(xù)時間T7上加1個死區(qū)時間，在零矢量U0的持續(xù)時間T0上減去1個死區(qū)時間，以實現(xiàn)提前關(guān)斷，延時導(dǎo)通防止短路的功能。

3．4運行結(jié)果

通過調(diào)用上面3個模塊，SVPWM信號發(fā)生就可實現(xiàn)，在前面板上輸入控制信號頻率、采樣頻率及死區(qū)時間，運行程序，6路SVPWM信號就在前面板上顯示出來了，如圖6所示。

圖6 前面板6路信號顯示

3．5諧波分析

為了確定用LabVIEW編寫的信號發(fā)生器生成諧波的大小及諧波生成過程中各參數(shù)所起的作用，文中用LabVIEW2010自帶的頻譜測量模塊對其中一個通道的信號進行諧波分析。先分析不同控制信號頻率對諧波的影響，設(shè)采樣頻率為1 000 Hz不變，將控制頻率由10 Hz增加到60 Hz每次增加10 Hz，觀察其頻譜變化；再分析不同采樣頻率對諧波的影響，設(shè)控制頻率為10 Hz不變，觀察采樣頻率分別為500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz下的頻譜。

最終得出如下結(jié)論：(1)隨著控制頻率的不斷增加，諧波含量及皺波增加；(2)隨著控制頻率的不斷增加，諧波含量及皺波增加；(3)各次諧波分量均存在于采樣頻率的整數(shù)倍處；(4)隨著采樣頻率的增大，諧波幅值及皺波減少。

4 結(jié)束語

搭建硬件電路用生成的SVPWM波控制三相異步電機，實驗表明用該方法來控制三相異步電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、

精度高，故虛擬儀器技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合是切實可行的，用LabVIEW編寫SVPWM信號發(fā)生器程序，程序編寫層次清晰，運行穩(wěn)定可靠。可用數(shù)據(jù)采集卡將該程序生成的信號輸出給三相異步電機控制系統(tǒng)，可縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)開發(fā)成本、提高系統(tǒng)的靈活性，因此，虛擬儀器在測控領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]孟祥海，王金金，劉源，等．基于LabVIEW 的柴油機故障診斷虛擬儀器開發(fā)．儀表技術(shù)與傳感器，2011(11)：40-42．

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[5]BROECK H，SKUDELNY HC，STANKE G V．Analysis and realization of A pulse width modulator based on voltage space vector．IEEE Trans．on Power Electronics，1988，24(1)：142-150．

[6]李華德．交流調(diào)速控制系統(tǒng)．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

作者簡介：仲兆準(zhǔn)，講師，博士，主要從事先進過程控制技術(shù)的研究。

E-mail：nustzzz@163．com

鐘勝奎，教授，博士，主要從事冶金和電池的研究。

E-mail：zhongshengkui@suda．edu．cn