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1、,感应电机矢量控制中转子参数辨识研究,学号：B20110402 姓名：李政学,目录,直流电动机的调速,SPWM与SVPWM技术以及DSP实现,异步电动机的矢量控制,研究背景,电力电子技术是一门专门研究电能变换的理论、方法及应用的 学科，是集电子技术、控制理论、计算机技术、材料科学、电 磁兼容、传感器技术、热传导技术于一体的新兴交叉学科，自 从其产生到现在的半个多世纪以来，由于它对国民经济的显著 作用，得到了国内外的普遍重视，发展非常迅猛，以至于无论 是在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置性能等方面都与初 期有很大进步，而且应用日益广泛，几乎涉及从发电、储电、 输电到用电的所有领域。,直流电动机
2、的调速,直流电动机是最早出现的电动机，长期以来一直占据着速 度控制和位置控制的统治地位。 良好的线性调速特性 简单的控制性能 高质高效平滑运转的特性,近年来，随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功 率元器件的不断出现，使采用开关功率元件进行脉宽调制 (Pulse Width Modulation ，简称PWM)控制方式已成为绝对主 流。在直流调速控制中，可以采用各种控制器，DSP是其中一 种选择。由于DSP具有高速运算性能，因此可以实现诸如模糊 控制等复杂的控制算法。,传统调速方法 电枢回路串电阻调速 改变电枢电压调速 增大励磁回路外串电阻调速 电压平衡方程： 其中感应电动势：,图1-1
3、直流电动机等效电路,(1-1),(1-2),(1-3),占空比 定宽调频法 调宽调频法 定频调宽法 TMS320LF2407A DSP集成了PWM控制信号发生器，它可以 通过调整事件管理器的定时器控制寄存器来设定PWM工作方 式和频率，通过调整比较值来调整PWM的占空比，通过专用 的PWM输出口输出占空比可调的PWM控制信号。,(a)原理图 (b)输入/输出电压波形 图1-2 PWM调速控制原理和电压波形图,(1-4),变频调速原理 变极调速 (使一半导体的电流方向改变； 变极：4极1500r/min，2极3000 r/min) 变频调速 1. 基频向下变频调速，保持 不变，适用 于恒转矩负载
4、； 2. 基频向上变频调速，电源电压不允许升高，频率 越大，磁通越小，弱磁调速，适用于恒功率负载。,SPWM与SVPWM技术以及DSP实现,(2-1),变频变压(Variable Voltage Variable Frequency )VVVF调速 变频与变压的实现SPWM调制波 将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦的变化规 律。产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进 行比较，用其相交的时刻来作为开关管“开”或“关”的时刻。 自然采样法,图2-1 自然采样法生成SPWM波,非对称规则采样法 1.顶点采样时 2.底点采样时,图2-2 非对称规
5、则采样法生成SPWM波,多载波SPWM调制 (1).基于载波垂直移相SPWM方法 a. 所有载波相位相同的PD调制策略 b. 所有相邻的载波相位相反的APOD调制策略 c. 正载波与负载波相位相反的POD调制策略 (a) PD调制 (b) APOD调制 (c) POD调制,图2-3 多载波谐波消除SPWM调制策略示意图,(2).基于载波水平移相SPWM方法 图2-4 PS调制策略示意图,空间矢量SVPWM脉宽调制,图2-5 三相三电平空间矢量图,三电平空间电压矢量原理,三电平逆变器每桥臂有4个开关器件，引入开关函数 , , ,则应 是三态开关变量（分别定义为0，1，2），对应的输出相电压为 ，
6、 0 ， (为直流回路电压)。故三相三电平逆变器合成电压矢量数为 种，除去冗余电压矢量，有效电压矢量有19种。,（a）基本拓扑结构 （b）简化结构模型 图2-6 三电平逆变器拓扑结构图,三电平空间电压矢量算法 1. 判断电压参考矢量Vr所处的扇区和小三角形区 从图2-7可以看出SVPWM的首要任务，是判断Vr位于 哪个区域及该区域的哪个小三角形，然后就能依此确 定出相应的输出电压矢量。把空间矢量PWM方法的实 现归纳为以下几步，以第一扇区为例： (1) 根据电压矢量的模长计算调制度的大小： ，u 为参考电压矢量幅值，ud为直流母线电压。,(2) 根据参考电压的矢量角判断电压矢量所在的区间：,图
7、2-7 第一个 60区域的电压矢量图,如图2-7所示的第一扇区，就需判断电压矢量 位于第一扇区的A、B、C、D的哪一区域。定义m的边界条件分别为mark1，mark2，mark3；由三角关系可得：,(2-2),通过判断与上述三个边界条件的关系可得到电压矢量 落在哪个区间： 当 时，电压矢量 落于A区，由V0，V1，V2三矢量等效合成。 当 时，电压矢量 落于B区，由V1，V2，V8三矢量等效合成。 当 且 时，电压矢量 落于C区，由V1，V7，V8 三矢量等效合成。 当 且 时，电压矢量 落于D区，由V2，V8 ，V9三矢量等效合成。,2. 确定各合成电压矢量的作用时间 当参考矢量落入某一个三
8、角形区域时，为了在输出得到相应频率的正弦波和减少输出电压的谐波含量，就用组成该三角形的三个矢量合成该参考矢量，根据伏秒等效合成原理，各矢量的作用时间和参考矢量的关系，应满足如下公式： 其中， tx，ty，tz分别为电压空间矢量Vx，Vy，Vz在一个采样周期的作用时间，Ts为采样周期，Vr为参考电压矢量。,(2-3),通常采用最近三矢量法合成电压参考矢量： 当参考矢量 位于三角形区域A中时，用V0，V1，V2来 等效合成；当参考矢量 落于三角形区域B中时，用V1，V2， V8来等效合成；当参考矢量 落于三角形区域C中时，用V1， V7，V8来等效合成；当参考矢量 落于三角形区域D中时， 用V2，
9、V8，V9来等效合成。 分别将： , , , , , , 和 (n=0，1，2，7，8，9)代入式 ( 2-3 ) 可以得到在 A，B，C，D等区域内各矢量的作用时间，如表2-1所示，其他 几个三角形区域各矢量的作用时间的算法雷同。,表 2-1 三电平电压空间矢量调制各空间矢量作用时间表 其中m为调制度，且 ，u 为参考电压幅值，ud为直流 母线电压。,3. 三相 SVPWM 信号的产生 在三电平逆变器SVPWM方法中，为防止同一相上多于两只管子同时导通 和减少开关次数。开关状态的选择通常遵循下面两个原则：1) 同一桥臂不 允许有直接从“2”状态到“0”状态或直接从“0”状态到“2”状态的切换
10、。2) 从 一个开关状态到下一个开关状态的切换，三相桥臂只能有一相有开关动作。 按此原则，采用七段式SVPWM的方法，对图2-7所示的扇区，开关状态的选 择可如表2-2所示。 表2-2 第一扇区开关状态选择表,根据电压矢量作用时间和表2-2矢量作用顺序，下图给出了A 区的三相输出时序图。 三角波与 ta ， tb ， tc 相比较 ， 即可得到图2-8所示三相 SVPWM信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。,图2-8 A区输出电压矢量时序图,根据电压矢量作用时间和表2-2矢量作用顺序，图2-9给 出了A、B、C、D区的三相输出时序图。 (a) A 区输出电压矢量时序图 (b) B 区输出电
11、压矢量时序图,(c) C 区输出电压矢量时序图 (d) D 区输出电压矢量时序图 图2-9 第一象限输出电压矢量时序图 三角波与ta ，tb ，tc相比较,即可得到图2-9所示三相 SVPWM信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。,交流异步电动机变频变压调速系统，由于采用了U/F恒定、 转速开环的控制，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。 但是，对于那些对动静态性能要求较高的应用系统来说，上 述系统还不能满足使用要求，这使我们又想起了直流电动机 的优良的动静态调速特性。能不能使交流电动机调速系统像 直流电动机那样去控制呢?矢量控制方法给了我们一个肯定的 答案。 矢量控制理论(Trans V
12、ector Control)是由德国的F.Blaschke在 1971年提出的。矢量控制法成功地实施后，使交流异步电动机 变频调速后的机械特性以及动态性能都达到了与直流电动机调 压时的调速性能不相上下的程度。,异步电动机的矢量控制,矢量控制的基本思想 一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，通过 两相交流系统作为过渡，可以互相进行等效变换。 矢量控制的基本原理,图3-1矢量控制原理框图,矢量控制的坐标变换 矢量坐标变换必须要遵循以下原则： 应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效； 应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。 Clarke变换和逆变换,图3-2 三相ABC绕组和两相 绕组各相的磁势,Park变换和逆变换,图3-3 定子电流矢量is在 坐标系和M、T坐标系上的投影,MT坐标系是以定子电流角频率 速度在旋转的,三相异步电动机的DSP控制系统 由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用 电流磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与PARK变 换和逆变换的计算。,图3-4 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图,图3-5 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图,Thank You !,
