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

        2021-11-28 12:20:30楊川張利國(guó)
        電子制作 2021年20期
        關(guān)鍵詞:扇區(qū)同步電機(jī)三相

        楊川,張利國(guó)

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

        0 引言

        在過(guò)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(guò)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(zhǎng)。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(lái)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(zhǎng)。隨著他們的功能的持續(xù)增長(zhǎng),通過(guò)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(guò)整流電路后變?yōu)?18V的直流電;再經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)三個(gè)串聯(lián)的電容來(lái)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(lái)保護(hù)電力開關(guān)管。通過(guò)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(lái)。

        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(zhǎng)合成SVPWM波:得到了各扇區(qū)中的矢量作用時(shí)長(zhǎng)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(yǔ)

        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(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),并且異步電機(jī)在交流調(diào)速中越來(lái)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。

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