基于SVPWM的永磁同步电机控制

基于SVPWM的永磁同步电机控制01永磁同步电机及其矢量控制系统02SVPWM控制技术03永磁同步电机双闭环控制系统Content01永磁同步电机及其矢量控制系统010203永磁同步电机的结构永磁同步电机的矢量控制永磁同步电机的数学模型01永磁同步电机及其矢量控制系统永磁同步电动机（PermanetMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）中用永磁体替代普通同步电动机转子中的励磁同步绕组，不需要转子绕组，从而省略掉了励磁线圈以及供应励磁绕组励磁电流的外部电源，电刷以及安装在转子轴上的滑环，也免去了对电刷的定期维护。同传统电动机一致，永磁同步电动机本体由定子和转子两大部分组成。定子与普通感应电动机基本相同，主要由冲有槽孔的硅钢片，三相绕组，机壳及端盖等部分组成。转子用永磁材料制成无明显磁极的隐极式，采用适当的几何结构，使磁势波形的空间分布接近正弦波。按照永磁体在电动机转子上的安装位置，永磁同步电动机根据转子结构可以分为三类：面贴式，插入式和内嵌式。1.1永磁同步电机的结构(a)面贴式(b)插入式(c)内嵌式01永磁同步电机及其矢量控制系统虽然不同的永磁同步电动机转子结构差别很大，但由于永磁材料的使用，永磁同步电动机具有如下共同特点：(1)电动机电磁转矩波动小，转速平稳，动态响应快，过载能力强。(2)高功率因素，高效率。永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，进而得到相对更小的定子电流和定子铜耗；并且永磁同步电动机在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小相应的风摩损耗，使它的效率比同规格的异步电动机提高2~8个百分点。(3)体积小，重量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到了很大提高，与同容量的异步电动机相比，体积和重量都有较大的减少，使其适合应用在很多特殊场合。(4)结构多样化，应用范围广，永磁同步电动机由于转子结构的多样化，产生了特点和性能各异的许多品种。从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航天航空，从简单的电动工具到高科技产品，机会无所不在。(5)可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机比，没有电刷，结构简单，系统的可靠性自然得以提高。1.1永磁同步电机的结构01永磁同步电机及其矢量控制系统在分析永磁同步电动机的数学模型时，为了使分析简化，做如下假设：（1）忽略定、转子铁芯磁阻，不计涡流和磁滞损耗；（2）永磁材料的电导率为零，永磁体内部的磁导率与空气相同；（3）转子上没有阻尼绕组；（4）永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的电枢反应磁场在气隙中均为正弦分布；（5）稳态运行时，相绕组中感应电动势波形为正弦波。（6）定子三相绕组对称且为Y型连接。1.2永磁同步电机的数学模型正弦波永磁同步电机，其电压和磁链方程是一组带有周期性变系数的微分方程，微分方程的系数是随着转子位置的变化而变化的周期函数，属于一种非线性、多变量、强耦合的系统。因此通过坐标变换将电机方程转换为一系列的常系数微分方程，以简化分析便于研究。01永磁同步电机及其矢量控制系统在dq坐标系下正弦波永磁同步电机电压方程为：1.2永磁同步电机的数学模型上式，分别为电机定子磁链在dq坐标下的直轴磁链和交轴磁链，表示如下：drqqsqqrddsddtdiRudtdiRudqqqqfddiLiLd在dq转子同步旋转坐标系下的电磁转矩方程为：qdqdqfdqqdeiiLLipiipT)(2323特殊的：对于表面式PMSM，由于Ld=Lq，磁阻转矩为零。此时：qfeipT01永磁同步电机及其矢量控制系统矢量控制的主要思想是将交流电动机等效模拟为直流电动机，通过坐标变换的方法将定子电流分解为转矩和励磁两个分量，从而实现解耦控制，使交流电动机具有象直流电机一样好的控制特性。因此，对交流电动机转矩控制的关键是对定子电流矢量幅值和相位的控制。矢量控制又被称作磁场定向控制，按照同步旋转参考坐标系定向方式可以分为定子磁场定向控制、转子磁场定向控制和气隙磁场定向控制。因为转子磁场定向控制可以得到自认的解耦控制，其在实际的系统中得到了广泛应用。1.3永磁同步电机的矢量控制02SVPWM控制技术0102SVPWM基本理论SVPWM的算法实现02SVPWM控制技术SVPWM技术,也称作磁通正弦PWM技术,其调制波相当于在原正弦波的基础上叠加了一个三次谐波。其主要思路是从电机的角度出发,采用整流器空间电压矢量的切换以获得幅值恒定的准圆形旋转磁场,从而在不高的开关频率（1-3kHz）条件下,使交流电动机获得了较控制更好的性能。2.1SVPWM基本理论基于SVPWM的三相整流器控制具有如下优点：（1）三相直流电压利用率提高了15.47%,由于直流电压利用率的提高,在相同直流电压条件下,可以提高三相SWPWM整流器网侧电压的设计,相对减少了三相整流器网侧电流,降低了整流器网侧及功率开关管导通损耗,提高了整流器的运行效率；（2）相同的波形品质条件下,SVPWM控制具有较低的开关频率,且平均降低约30%,有效降低了功率开关管的开关损耗：（3）SVPWM控制具有更好的动态性能、更易于数字化实现。因而,SVPWM控制具有很好的研究价值。02SVPWM控制技术2.2SVPWM的算法实现第一步：扇区判断：判断由Uα和Uβ所决定的空间电压矢（Uref）量所处的扇区。123322322UUUUUUUU定义：若U10，则A=1，否则A=0；若U20，则B=1，否则B=0；若U30，则C=1，否则C=0。通过计算：N=4*C+2*B+A1N2N3N4N5N6N02SVPWM控制技术2.2SVPWM的算法实现第二步：计算电压矢量作用时间Tx，Ty，T0：根据扇区I电压矢量合成的过程，则每个矢量的作用时间可以通过Uα和Uβ计算得到：引人三个变量X，Y，Z，计算方法为：60sin60cos222211UTTUUTTUTTUdcsdcsdcsUTUUZUTUUYUTUX/2323/2323/3对于七段式：T7=T0=（Ts-Tx-Ty）/2；对于五段式：T0=Ts-Tx-Ty02SVPWM控制技术2.2SVPWM的算法实现第三步：计算矢量切换点：224/0ybcxabaTTTTTTTT在不同的扇区内将Ta，Tb，Tc，分别赋给比较寄存器CMPR1，CMPR2，CMPR3。TsT0/2T4/2T6/2T7/2T7/2T6/2T4/2T0/201111110001111000011000003永磁同步电机双闭环控制系统双闭环矢量控制系统结构图，由电流环，转速环构成：03永磁同步电机双闭环控制系统其中：速度环为外环，由速度给定与反馈速度进行比较，其差值经过PI调节后得到定子交轴分量iq的给定值；电流环为内环，同时也是双环结构，其给定值分别与经过Clark变换、Park变换的反馈电流值进行比较，并经过PI调节后，输出电压的交、直轴分量(Uq、Ud)，然后在经过Clark反变换、Park反变换，进行SVPWM调制计算出PWM的占空比，从而控制逆变器的输出电压。其中，Clark变换、Park变换已在前面介绍，用到的角度由编码器反馈经过计算后得到。经过变换后，三相定子电流解耦变成两个直流分量iq和id，在实际中矢量控制的目的是使id趋近于零、iq跟踪速度调节器的输出。控制分别由三个PI调节器完成。看观谢谢