重庆大学运动控制系统课件ppt 孙跃院长c6-2

笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统运动控制系统第6章6.4变频调速系统脉宽调制(PWM)技术问题的提出早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。•六拍逆变器主电路结构N'N+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2VT1~VT6――主电路开关器件VD1~VD6――续流二极管VT3VT5VT4VT6VT2VT1tOua)b)图6-3Out按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。6.4.1正弦波脉宽调制(SPWM)技术正弦波与PWM波变频器的输出是PWM波形问题是：如何能让逆变器产生PWM波输出呢？PWM变频器硬件结构不变，关键在于控制！思路是：PWM变频器采用PWM信号控制，产生PWM输出。PWM控制器逆变器PWM触发脉冲电压给定频率给定PWM波电压输出如何得到PWM控制信号呢？采用PWM调制技术！1.PWM调制原理期望得到波形：正弦波①调制波：正弦波②载波：三角波③以调制波和载波之交点定位PWM波过零点正弦波脉宽调制技术SPWM技术图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud调制机理介绍比较器调制波载波PWM波比较输出原则：1.逐点比较2.当三角波值大于正弦波值则输出零3.当三角波值小于正弦波值则输出高电平2.SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。（单极式SPWM）如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。（双极式SPWM）•单相桥式PWM逆变电路信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路VT1VT2VT3VT4图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud（1）单极性PWM控制方式（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud3.PWM控制电路模拟电子电路实现采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；数字控制电路实现硬件电路；软件实现。•模拟电子电路调制波载波•数字控制电路不要求由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。4.PWM调制方法载波比——载波（三角波）频率fc与调制（正弦波）信号频率fr之比N。既N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。（1）异步调制异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；fc—载波频率fr—调制波频率当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。fc—载波频率fr—调制波频率（2）同步调制同步调制：N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称；fc—载波频率fr—调制波频率为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。fc—载波频率fr—调制波频率•同步调制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud-2Ud（3）分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；fc—载波频率fr—调制波频率（4）混合调制可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。5.PWM逆变器主电路及输出波形图6-19三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2图6-20三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形uuUN’OtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNttttOturUurVurWucUd23Ud2*6.4.2消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术不要求*6.4.3电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术不要求6.4.4电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）本节提要问题的提出空间矢量的定义电压与磁链空间矢量的关系六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制问题的提出传统SPWM控制目标：产生定子三相对称准正弦电压产生恒定电磁转矩三相对称正弦电流空间圆形旋转磁场交流电机的原理：内部目标终极目标按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作。磁链的轨迹基本思路：磁链跟踪控制电压空间矢量交替使用做法：电压空间矢量PWM控制1.空间矢量的定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。图6-25电压空间矢量合成电压空间矢量•电压空间矢量的相互关系定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位差为120°。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。电压空间矢量的相互关系（续）当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量us就落在该相的轴线上。C0B0A0suuuu同理，可定义定子电流和磁链的空间矢量Is和Ψs2.电压与磁链空间矢量的关系合成空间矢量表示的定子电压方程式：tRddssssΨIu（6-40）式中us—定子三相电压合成空间矢量；Is—定子三相电流合成空间矢量；Ψs—定子三相磁链合成空间矢量。•近似关系当电动机转速不是很低时，忽略定子电阻压降，可以得到：tddssΨu（6-41）tdssuΨ（6-42）或•磁链轨迹当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。tj1eΨmsΨ（6-43）其中Ψm是磁链Ψs的幅值，1为其旋转角速度。由式（6-41）和式（6-43）可得)2π(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjΨΨjΨtu（6-44）结论：当磁链幅值一定时，us的大小与1成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆（磁链矢量顶端扫过的圆）的切线方向。susu•磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。图6-26旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹3.六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场（1）电压空间矢量运动轨迹在常规的PWM变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢？•主电路原理图图6-27三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图•开关工作状态如果，图中的逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表），其中6种有效开关状态；2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关VT1、VT3、VT5全部导通下桥臂开关VT2、VT4、VT6全部导通开关状态表序号开关状态开关代码1VT6VT1VT21002VT1VT2VT31102VT2VT3VT40104VT3VT4VT50115VT4VT5VT60016VT5VT6VT11017VT1VT3VT51118VT2VT4VT6000•开关控制模式对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔/3时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3时刻内则保持不变。（a）开关模式分析设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，其等效电路如图所示。各相对直流电源中点的电压都是幅值为UAO’=Ud/2UBO’=UCO’=-Ud/2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2（b）工作状态100的合成电压空间矢量由图可知，三相的合成空间矢量为u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴（即X轴）。u1uAO’-uCO’-uBO’ABC（c）工作状态110的合成电压空间矢量u1存在的时间为/3，在这段时间以后，工作状态转为110，和上面的分析相似，合成空间矢量变成图中的u2，它在空间上滞后于u1的相位为/3弧度，存在的时间也是/3。u2uAO’-uCO’uBO’ABC（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量u1u2u3u4u5u6u7u8依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，在一个周期中6个电压空间矢量共转过2弧度，形成一个封闭的正六边形。（2）定子磁链矢量端点的运动轨迹电压空间矢量与磁链矢量的关系一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹。对于这个关系，进一步说明如下：以下内容不要求！图6-29六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系设在逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为1，在第一个/3期间，电动机上施加的电压空间矢量为图6-28d中的u1，把它们再画在图6-29中。按照式（6-41）可以写成也就是说，在/3所对应的时间t内，施加u1的结果是使定子磁链1产生一个增量，其幅值|u1|与成正比，方向与u1一致，最后得到图6-29所示的新的磁链，而11Ψut（6-45）112（6-46）依此类推，可以写成的通式iiΨutii1i（6-47）6,2,1i（6-48）总之，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系如果u1的作用时间t小于/3，则i的幅值也按比例地减小，如图6-30中的矢量。可见，在任何时刻，所产生的磁链增量的方向决定于所施加的电压，其幅值则正比于施加电压的时间。AB图6-30磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系4.电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制如前分析，我们可以得到的结论是：如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造。•圆形旋转磁场逼近方法•基本思路图6-3