仲兆準(zhǔn)，鐘勝奎，沈 峰，張運(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)與各種功能的外部硬件相連接，在計(jì)算機(jī)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(jì)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(jī)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(jī)定子電流矢量換算為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，即解耦的過程，使得兩者可以分別獨(dú)立控制，這樣控制交流電機(jī)從原理上就與控制直流電機(jī)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(dá)式為：

(1)

式中：p0是電機(jī)極對數(shù)；Lm是勵(lì)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(lì)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(lì)磁分量ISM恒定，就改變了三相電機(jī)固有的非線性的機(jī)械特性，將三相感應(yīng)電機(jī)等效成了他勵(lì)直流電機(jī)，獲得了與直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。采用空間矢量在動(dòng)態(tài)情況下也能時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(lì)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(jī)控制與直流電機(jī)控制原理相同。

在MT軸系下的三相異步電機(jī)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(shí)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(gè)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(gè)以角頻率ω=2πf逆時(shí)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(gè)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(gè)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(bǔ)，則V1、V3、V2斷開，此時(shí)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(gè)開關(guān)全部斷開，U7是下面3個(gè)開關(guān)全部斷開，它們此時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)開關(guān)周期內(nèi)，任何時(shí)刻的電壓矢量可以用逆變器的8個(gè)開關(guān)狀態(tài)中相鄰的2個(gè)非零矢量和1個(gè)零矢量組合表示，即：

Uref×Ts=Ux×Tx+Uy×Ty+U0×T0

(10)

式中：Ux、Uy為2個(gè)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(gè)非零矢量的作用時(shí)間；T0是零矢量的作用時(shí)間，這里包含了2個(gè)零矢量的作用時(shí)間；且Ts=Tx+Ty+T0。

分別控制3個(gè)矢量的作用時(shí)間來等效任意時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)

文中的程序是用LabVIEW2010編寫的，整個(gè)程序由扇區(qū)判斷、脈沖寬度計(jì)算和死區(qū)時(shí)間的加入這幾個(gè)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(shí)刻在空間坐標(biāo)系中的位置，判斷該矢量目前處于哪個(gè)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(gè)，程序使用LabVIEW中的公式節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并配合類似C語言的if條件語句編寫方式，來實(shí)現(xiàn)預(yù)想功能的。

3．2脈沖寬度計(jì)算模塊

該模塊是整個(gè)程序中最重要的一個(gè)部分，它的功能是用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算每相一個(gè)采樣周期內(nèi)各個(gè)脈沖的寬度及兩個(gè)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(jì)算SVPWM波形。該子VI有4個(gè)輸入端和3個(gè)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(gè)輸出端分別輸出三相SVPWM波在瞬時(shí)一個(gè)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(gè)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(diǎn)計(jì)算出七段切換法中兩個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量的作用時(shí)間，用數(shù)組函數(shù)工具-初始化數(shù)組賦予作用時(shí)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(gè)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(gè)周期的脈沖波形數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

3．3加入死區(qū)時(shí)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(gè)IGBT開關(guān)，若上下2個(gè)臂橋同時(shí)導(dǎo)通會(huì)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(shí)間來防止上述情況。死區(qū)時(shí)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(jì)算子VI的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)輸入變量-死區(qū)時(shí)間。其程序框圖如圖5所示。

圖4 脈寬計(jì)算子VI程序框圖

圖5 加入死區(qū)時(shí)間的脈寬計(jì)算子VI

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

3．4運(yùn)行結(jié)果

通過調(diào)用上面3個(gè)模塊，SVPWM信號發(fā)生就可實(shí)現(xiàn)，在前面板上輸入控制信號頻率、采樣頻率及死區(qū)時(shí)間，運(yùn)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(gè)通道的信號進(jìn)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(jī)，實(shí)驗(yàn)表明用該方法來控制三相異步電機(jī)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(shí)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(yùn)行穩(wěn)定可靠?？捎脭?shù)據(jù)采集卡將該程序生成的信號輸出給三相異步電機(jī)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(xiàn)：

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[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(jìn)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