永磁同步電機(jī)數(shù)字式變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊川，張利國

（重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)，重慶璧山，402760）

0 引言

在過去的幾十年里, PWM已經(jīng)被廣泛的研究。在文獻(xiàn)中,已經(jīng)研發(fā)和使用許多不同的PWM技術(shù)；其線性調(diào)制范圍廣，開關(guān)損耗小，開關(guān)波形的頻譜總諧波失真（THD）低，易于實(shí)現(xiàn)和計(jì)算時(shí)間更短等已經(jīng)取得成功。過去，大多數(shù)應(yīng)用中基于載波的PWM方法已被廣泛使用。最早的載波PWM調(diào)制信號(hào)是正弦波。然而，對(duì)于正弦三相PWM,相間電壓的線性調(diào)制范圍不能延長。為了克服這個(gè)限制，非正弦載波PWM方法，已經(jīng)出現(xiàn)了采用零序信號(hào)的方法。SPWM是一種非正弦載波PWM方法，采用空間矢量的概念來計(jì)算開關(guān)的占空比而且它是三相PWM轉(zhuǎn)換器最重要方法之一。隨著微控制器的發(fā)展，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)和輸出相間電壓空間矢量的線性調(diào)制范圍是值得注意的特性。微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器相比于以前的模擬域的使用正在逐漸增長。隨著他們的功能的持續(xù)增長，通過在單一芯片上集成更多外圍設(shè)備。他們?nèi)ト〈M設(shè)計(jì)將成為一個(gè)可行的選擇。以前使用模擬技術(shù)控制的產(chǎn)品是單相逆變器，但是當(dāng)今由于微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)點(diǎn)，它有轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字技術(shù)的趨勢(shì)。

1 方案設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)以盛群公司的HT32F1765單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻控制。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路包括電源模塊、控制器模塊、功率控制模塊[1]。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。AC220經(jīng)過整流電路后變?yōu)?18V的直流電；再經(jīng)過三相逆變電路逆變?yōu)槿嘟涣麟娊o永磁同步電機(jī)進(jìn)行供電；采用單片機(jī)HT32F1765對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣；三相逆變電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)模塊后送給逆變橋；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流采樣，并且采用霍爾對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行測(cè)量速度信息，以便于能夠精確控制；顯示模塊分別對(duì)整流輸出電壓、電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示；按鍵可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

2 三相逆變電路設(shè)計(jì)

三相功率變換器被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。運(yùn)用它的主要是基于電力半導(dǎo)體的通斷。而這就造成它會(huì)給供電系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換器的輸出引入電流和電壓諧波。本三逆變電路為電壓型三相逆變電路，在直流側(cè)，通過三個(gè)串聯(lián)的電容來保證電壓是穩(wěn)定不變的，用于抵抗實(shí)際的電壓。在轉(zhuǎn)換器的另一側(cè)，有6個(gè)電力開關(guān)管，它們每一個(gè)都并聯(lián)一個(gè)二極管，這樣做得目的是因?yàn)橛捎谧陨泶嬖跇O間電容，每次電力開關(guān)管的導(dǎo)通后，都會(huì)為極間電容進(jìn)行充電，當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，可能會(huì)由于極間電容里的電將電力開關(guān)管損壞，因此需要為開關(guān)管反向并聯(lián)上一個(gè)續(xù)流二極管，以此來保護(hù)電力開關(guān)管。通過控制這6個(gè)電力開關(guān)管的導(dǎo)通順序就能實(shí)現(xiàn)相位相差120°的三相交流電。而且通過調(diào)制生成的交流電比直流電峰值限制得更少[2]。在這個(gè)電路中，SPWM和SVPWM這兩種調(diào)制技術(shù)都會(huì)被用到。

3 SPWM控制設(shè)計(jì)

SPWM調(diào)制由調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)組成。PWM的運(yùn)算被分成兩種模式。

(1)線性模式：在線性模式中，調(diào)制信號(hào)的峰值小于等于載波信號(hào)的峰值。當(dāng)載波信號(hào)頻率大于20倍調(diào)制信號(hào)頻率，SPWM的增益值G=1。

(2)非線性模式：當(dāng)調(diào)制信號(hào)峰值大于載波信號(hào)峰值，當(dāng)出現(xiàn)超調(diào)時(shí)G<1。六步模式標(biāo)志著非線性模式的結(jié)束。增加了開關(guān)波形總諧波失真的輸出。

如圖2所示為三相PWM逆變器的電路。通常它采用的是雙極控制方式。A,B,C三相的PWM通常被相同的三角載波信號(hào)Vc控制，而且它們的調(diào)制波信號(hào)Vs1, Vs2, Vs3總是相差120度。A,B,C三相的功率開關(guān)器件的控制采用的是同樣的方式。假如這些開關(guān)器件都是理想器件，然后以A相為例。如果Vs1>Vc,一個(gè)關(guān)斷信號(hào)被傳送到上橋臂的開關(guān)器件S1，而且一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)被送到下橋臂的開關(guān)器件S4，輸出電壓即為A相電壓，相對(duì)于直流電流理想的中性點(diǎn)O ，VA0等于Vd/2。如果Vs1

圖2 三相逆變電路

圖3 逆變器的參考電壓和載波電壓，開關(guān)信號(hào)，輸出信號(hào)

4 SVPWM控制設(shè)計(jì)

SVPWM與SPWM的原理和來源有很大不同，但是它們卻是殊途同歸的。SPWM由三角波與正弦波調(diào)制而成，而SVPWM卻可以看作由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成[4]。SVPWM可以分為以下幾個(gè)部分：

(1)扇區(qū)判斷：根據(jù)永磁同步電機(jī)的原理可以知道它的轉(zhuǎn)子是永磁體，三相定子對(duì)稱分布，在空間上互差120°，且采用的是Y型接法。在定子中產(chǎn)生一個(gè)大小恒定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。將這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分為6個(gè)扇區(qū)，不同的扇區(qū)對(duì)應(yīng)不同的值。

A、B、C定義如下：

若Uref1>0,則A = 1，否則為0；

若Uref2>0,則B = 1，否則為0；

若Uref3>0,則C = 1，否則為0；

令N=4C+2B + A,則可以得出扇區(qū)N的位置。

(2)各扇區(qū)各矢量的作用時(shí)間：分析扇區(qū)I矢量關(guān)系，扇區(qū)矢量作用時(shí)長是固定等分圓周，假設(shè)母線電壓為Udc，采樣周期為Ts，矢量U4、U6和零矢量的作用時(shí)間T4、T6和T0可以根據(jù)一下公示很容易的計(jì)算出來。

得出各扇區(qū)中T4和T6分別作用時(shí)間。

(3)根據(jù)作用時(shí)長合成SVPWM波：得到了各扇區(qū)中的矢量作用時(shí)長后，再算出PWM的比較值。

在上式中Ta、Tb、Tc分別是相應(yīng)的比較值，而不同扇區(qū)的比較值不同分配如表1所示。

表1 不同扇區(qū)比較值分配表

5 測(cè)試結(jié)果

如圖4所示，這個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)果是20V直流電源電壓，10kHz的SVPWM開關(guān)頻率采用心形連接的RL負(fù)載（(R=47ohm, L=1.2mH）在圖中給出。

圖4 10kHz仿真結(jié)果

6 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，為電機(jī)控制而專門設(shè)計(jì)的DSP、單片機(jī)等微控制器已逐漸地成為實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字化控制的有力工具。目前，由于這些專用的芯片的推出使得交流調(diào)速逐步打破直流調(diào)速占據(jù)統(tǒng)治地位。現(xiàn)在異步電機(jī)的控制以SPWM控制和SVPWM控制為主，相對(duì)于矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等一系列的復(fù)雜運(yùn)算，SPWM的控制較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)，并且異步電機(jī)在交流調(diào)速中越來越成熟，并在高頻變頻領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。因此，對(duì)SPWM控制技術(shù)的研究具有非常重要的意義。