现代驰动与控嗣 ＰＷＭ控制策略在ＰＭＳＭ调速系统中的应用与实现 张少华 邹 武郑中华 武汉中船重工集团第７１２研究所（４３００６４） Ａｐｐｌｌｅａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ＰＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ＰＭＳＭ Ｓｐｅｅｄ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＺｈａｎｇＳｈａｏｈｕａ Ｚｏｕ Ｗｕ ＺｈｅｎｇＺｈｏｎｇｈｕａ ７ １ ２恤Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＳＩＣ 摘 要：首先分析了电流滞环跟踪控制与空间矢 量ＰＷＭ控制在ＰＭＳＭ调速系统中的应用优缺点，并在 依据。 ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立了仿真模型，进行了相应的仿真验 证，最后给出了基于ＳＶＰＷＭ控制的ＰＭＳＭ矢量控制的 １ 电流滞环跟踪控制法 图１给出了采用滞环比较方式的ＰＷＭ电流跟 踪控制单相半桥式逆变电路原理图。如图１所示， 实验结果。 关键词：电流滞环跟踪控制空间矢量ＰＷＭ仿真 中图分类号：ＴＭ３０６文献标识码：Ａ ＤＯ！编码：１０．３９６９／ｊ．１ｓｓｎ．１００６－２５０７．２０１１．０１．００５ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ ＰＷＭ ａｎｄ 将给定电流ｉ 与输出电流进行比较的偏差△ 作为 带有滞环特性的比较器输入，通过其输出来控制 功率器件Ｖｌ和Ｖ２的通断。设ｉ的正方向如图ｌ，当ｆ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ ｆｏｒ ｓｈｏｒｔｅｎ）ｉｎ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｗｈｉｌｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｏｎｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ＰＭＳＩｖｌ ｖｅｃ・ ｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｕｐｏｎ ＳＶＰＷＭ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． 为正时，Ｖ１导通，则ｆ增大；ＶＤ２续流导通时，则碱 小。当沩负时，Ｖ２导通，则ｆ的绝对值增大；Ｖ Ｄｌ续 流时，则 的绝对值减小。这样，通过环宽为２ＡＩ 的滞环比较器的控制，ｆ就在ｉ ＋△／，ｈｉ’．Ａ帕ｑ范围 内，呈锯齿状地跟踪指令电流ｉ‘，见图２。 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ ＰＷＭ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ＳＶＰＷＭ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 在永磁同步电机控制中，无论电磁转矩还 是磁场均受控于电机的定子电流，可以认为，定 子电流的控制效果直接影响调速系统的性能。 故而，矢量控制最终表现为对电机三相定子电流 的控制，电机的内环电流控制器依靠ＰＷＭ技术 将调节器输出的电压指令信号转变为三相ＰＷＭ 信号驱动逆变器，从而控制电机的三相定子电 流。本文在介绍常用的ＰＷＭ控制方法同时，结合 图１ 电流滞环跟踪控制的逆变电路图 具备代表意义的电流滞环跟踪控制与空间矢量 ＰＷＭ控制来分析不同的ＰＷＭ技术产生的电流控 制效果，进而为选择合适的ＰＷ Ｍ调制策略提供 ・图２ １４・２０１１年第１期《电机技求》 峨 萤 Ｂ 滞环控制具有硬件电路简单，电流响应快， 并对负载及参数变化不敏感。但这种方法中的滞 环宽度一般固定，因此开关频率不固定。如图２ 所示【ｌＪ＇忽略定子阻抗，在一个滞环周期内，Ｖ１导 通，Ｖ２关断时有： ＾ｆ ＥｍｓｉｎｏＪｓｔ－０．５Ｕｄ 一Ｌ— 即：△ ＝ Ａ ｉＬ ｍＳｌｎ∞ｓｆ—Ｕ．）Ｕｄ Ｖ１关断，Ｖ２导通时有： △ Ｅｍ ｉｎ∞ｓ ５ 即：△Ｔ２＝—Ｅｍｓｉｎａ）ｓ—ｔ＋Ｏ．５Ｕｄ 由ＡＴ＝ＡＴＩ＋ＡＴ２得： 厂： １１／４Ｕｄ２－ Ｅｍ ２ｓｉｎ２ｏｏｓ：—ｔ （１） ——一＿△ 三 由式（１）可知，逆变器的开关频率与电流波 动幅值成反比，即与环宽成反比，环宽越小，开 关频率越高，实际电流值越接近给定电流。此 时，电流追踪性能越好，在环宽一定的条件下，电 机运行时的反电势是导致逆变器开关频率变化 的根本原因，故本法在反电动势较大（高速）时 电流控制的效果不明显。为解决这些不足，又先 后提出了固定开关频率的Ｄｅｌｔａ调制法以及为解 决在有限采样频率下实现电流有效控制而提出 的电流预测控制和无差拍控制的思想，这些新的 控制思想已与磁通闭环ＰＷ Ｍ（空问矢量ＰＷＭ控 制）控制非常接近了ｃ ２ 空间矢量ＰＷＭ控制 经典的ＳＰＷＭ控制主要着眼于使逆变器输 出电压尽量接近正弦波。也就是说，希望输出 的ＰＷＭ电压波形的基波成份尽量大，谐波成份 尽量小。至于电流波形，则还会受负载参数的影 响。然而，交流电机需要输出三相正弦电流的最 终目的是在空问产生圆形旋转磁场，从而产生 恒定的电磁转矩。因此，可以将逆变器和电机视 为一体，按照跟踪圆形旋转磁场的方法来控制 现代驱动与控嗣 ＰＷＭ电压，也即电压空间矢量控制。由于该控制 方法把逆变器与电机看成一个整体来处理，所得 的模型简单，便于微处理器实时控制，并具有转 矩脉动小、噪声低和电压利用率高等优点，因而 得到了广泛的应用ｆ２＿３】。 三相电压型逆变器的上、下桥臂开关状态互 为补充，规定上桥臂导通为１，下桥臂导通为０，则 三相逆变器三相导通时共有８种开关状态模式。 为了使逆变器输出的电压矢量接近圆形，并最终 获得圆形的旋转磁通，必须利用逆变器的输出电 压的时间组合，形成多边形的电压矢量规矩，使 之更接近圆形，这就是空间矢量ＰＷＭ原理的根 本出发点。任一电压空间矢量组合的时间分配要 依据伏秒原则与时间总和恒定原则，以图３第３扇 区的任一给定矢量 沩例，有： ｆ Ｕ４Ｔ４４－Ｕ６Ｔ６＝ ｆＴ ，＾、 ｛【Ｔ１＋Ｔ２４－ Ｔｏ＝ｒ厂 式中： 、 一两个相邻的工作电压矢量； 乃、死一相对应的电压矢量作用时间； 为了补偿参考矢量的旋转频率，还需要插入 零矢量 或 ， 为 或 的作用时间。 ＳＶＰＷＭ的算法文献较多，本文直接给出空 间矢量ＰＷＭ的实现步骤如下： （１）给定电压矢量所在扇区判断； （２）汁算相邻矢量作用时问 、Ｔ２； （３）电压矢量切换点的确定。 ３ 电压空间矢量图 ３ 两种ＰＷＭ控制策略的应用仿真 在仿真模型的建立过程中，电机模块、电机 参数测量模块采用ＳｉｍｕｌｉｎｋＩ具箱中ＳｉｍＰｏｗｅｒ一 《电机技术》２０１１年第１期・ｌ５・ 现代趣动与控嗣 Ｓｙｓｔｅｍｓｌ￣带的永磁电机模型和测量模型。基于 电流滞环跟踪控制的ＰＭＳＭ矢量控制仿真总体 ≤１００ ５Ｏ ０ ｒ ０： ＿一一一一一一＿ ｝］ １ 一５０ 模型如图４。基于ＳＶＰＷＭ控制的电机矢量控制 喜－ｌ００ ｝Ｊ．．． ． ． ．．．．．．．Ｌ．．．．． ． ．．．．．． ．．．．．．．．．．．． ．』．．．． ．．．．．．．．．．Ｌ．．．．． 一—ｔ 系统的仿真模型如图５。 图４基于电流滞环跟踪控制的ＰＭｓＭ矢量控制仿真模型 图５基于空问矢量ＰｗＭ控制策略的ＰＭＳＭ矢量控制仿真模型 转速给定为３１４ｒ／ｍ ｉｎ，０．０４ｓ突加负载的条件 下＇基于电流滞环跟踪控制的三相电流ｉ 、 ｉｃ的 输出波形与相对应的空间矢量ＰＷＭ控制策略下 的三相电流ｆ ｆｂ、ｆ。输出波形分别如图６和图７， 输出的ｄｑ轴电流波形如图８和图９，输出转矩波形 分别如图１０和图ｌ１。 ～ 一 ’ ｆ４ ｛ １１１，《 … 一” Ｊ 。。 Ｌ— — 高 —奇— ——高 ＿Ｉ） ｔ，ｓ 图６电流滞环跟踪控制下三相电流ｉ 、ｆｂ、ｉｃ的输出波形 ｌ５ １０ 矗 ｓ 茎 。 … 。５ ．１０ ０ ００１ ０ ０２ ０ ０３ ０ ０４ ０ ０５ ０ ０６ Ｊ 图７ ＳＶＰＷＭ控制策略下三相电流ｉ 、 ｉｃ的输出波形 ・１６・２０１１年第１期《电机技术》 摹 ３０ ２０ １０ ． －２０ ０ ０ ０ｌ ０ ０２ ０ ０３ ０ ０４ ００５ ００６ ｔ ｓ 图８电流滞环跟踪控制—Ｆｄ、ｑ轴电流输出波形 ｌ００ ５Ｏ 。 芒－５０ 薯ｍｏ 孳 ５ｏ ０ ｆ 图９ ＳＶＰＷＭ控制策略—Ｆｄ、ｑ轴电流输出波形 ｜， 图ｌＯ流滞环跟踪控制下的转矩波形 图１ １ ＳＶＰＷＭ控制策略下的输出转矩波形 对比图６与图７，图８与图９，图１０与图ｌｌ，相对 应于电流滞环跟踪控制与空间矢量ＰＷＭ控制策 略下的电流波形与电机输出转矩波形，可以明显 看出空间矢量ＰＷＭ控制策略下的输出波形要比 电流滞环跟踪控制的输出波形变化平滑、波形纯 正、电流畸变较小。电流滞环跟踪控制的电流畸 变较大、纹波大、对系统的整体性能影响较大。 但在突加负载时电流滞环跟踪控制的抗扰动性 能突出，而由上分析可知，采用空间矢量ＰＷＭ控 制方法的逆变器实际开关次数较少，最大开关电 流较低，开关损耗较小，直流母线电压利用率更 沁圣‰２ 呙。 现代驱动与控嗣 ４ 基于ＳＶＰＷＭ的ＰＭＳＭ矢量控制系统 的实现 ＳＶＰＷＭ的ＤＳＰ实现方法为通过ＴＭＳ３２０ＬＦ ２４７Ａ的通用定时器ＴｌＭＥＲ１来产生一定周期的 三角波载波，再通过设置全比较单元的１６位寄 Ｖ一…Ｔ一 图１３ ２ｏｏｏ￣／分给定下速度波形图 存器ＣＭＰＲ１、ＣＭＰＲ２和ＣＭＰＲ３的值在相应时 刻产生Ｐ Ｗ Ｍ波输出电平从而获得３相６路互补的 ＰＷＭ波，这样通过在电流采样周期定时计算改 变ＣＭＰＲＸ（ｘ＝ｌ，２，３）的值即可以得到期望的 ＰＷＭ波形。基于ＳＶＰＷＭ的永磁同步电机的矢 量控制系统如图１ ２ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ｆ， 『＼ ．如 ６０ ７０ 图１４ ２０００－￣／分给定下电机转矩波形 ．ｉ ｉ． ＤＳＰ控制模块 孽 十 本文介绍了两种具有代表性的ＰｗＭ控制策 略在ＰＭｓＭ矢量控制系统中的应用，通过仿真手 段来对比分析了不同ＰｗＭ控制策略在ＰＭｓＭ控 制系统应用中的优点及不足。结果表明：空间矢 量ＰＷＭ控制策略转矩脉动小、噪声低、电压利 嚆Ｉ ＩＩ 叫外部中斯模块ｌ 固 —Ｉ Ｉ吲 感 ｌ 圆圃圃一 — 部存储 匝 ｔ—Ｉ堑壅墅Ｉ 用率高等优点，较电流滞环跟踪控制在ＰＭ ｓ Ｍ 矢量控制中有明显的优越性，最后构建了基于 ｓＶＰｗＭ的ＰＭｓＭ矢量控制的实验平台，验证了 图１２基于ＳＶＰＷＭ的永磁同步电机的矢量控制系统 系统选用的电机是松下公司的永磁同步电机 ＭＳＭＡＯ１２Ａ１Ｇ，其额定三相电压为８４Ｖ、额定电 空间矢量ＰｗＭ控制策略性能的优越性，能满足 商ｌ生能电机控制系统的要求。 参 考 文 献 流１．０Ａ、输出功率０．１ｋＷ、额定频率为２００ＨＺ、额 定转速３０００ｒ／ｍｉｎ。在给定转速为２０００ｒ／ｍｉｎ的情 况下用示波器观察电机的输出，空载情况下得到 的电机转速与转矩图形分别如图１３和图１４。 从输出的测试波形上可以看出，电机的实际 转速输出波形与仿真结果比较相符，转速脉动小 于５．０％。电机的起动转矩波形开始超调比较大， ２００３，４． １李永东．交流电机数字控制系统［ＭＩ．北京：机械工业出版社， ２谢宝昌，任永德．电机的ＤＳＰ控制技术及其应用［Ｍ］．北京：北京 航空航天大学出版社，２００５，３． ３ Ｓｈｅｎｇ ｍｉｎｇ Ｌｉ，Ｃａｐｓｔｏｎｅ Ｌｏｎｇｙａ Ｘｕ Ａ ＤＳＰ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ ＭｏｄｕｌａｔＩｏｎｓ［Ｊ】． ＩＥＥＥ，２００３，５． ４陈伯时．电力拖动自动控制系统【Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００ｌ 但最终的转矩波形脉动比较小。 （收稿日期：２０１Ｏ－０３—２２） ５ 结论 作者简介：张少华，男，１９８１年生，河南信阳人，硕士，主要研究方 向为工１Ｉ 自动化．电机控制。 《电机技术》一欢迎读者・订阅本刊・惠赐佳作・ 《电机技术》２０１１年第１期・ｌ７・