通往电．潦 ２０１０年５月２５日第２７卷第３期术 Ｍａｙ ２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．３ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 文章编号：１００９—３６６４（２０１０）０３—０（１７６—０３ 童 瓣誉 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 （武汉巾船重］＿集团第７１２研究所，湖北武汉４３００６４） 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，最后给出了基于电流滞环跟踪控制与ＳＶＰＷＭ控制的ＰＭＳＭ矢量控制的实 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：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ＰＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ＰＭＳＭ Ｓｐｅｅｄ Ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｓｈａｏ ｈｕａ ．ＺＯＵ Ｗｕ ．ＺＨＥＮＧ Ｚｈｏｎｇ－ｈｕａ （Ｗｕｈａｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ＣＳＩＣ，Ｗｕｈａｎ，４３００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ ＰＷＭ ａｎｄ ｓｖｐｗｒｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｆｏｕｎｄｅｄ ｉｎ ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｔｏ ｃｏｎｆｉｒｍ ｉｔ．Ｉ．ａｓｔｌｙ，Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＰＭＳＭ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ ＰＷＭ ａｎｄ ＳＶＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｖｐｗｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０引 言 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，结合具备代表意义的电流滞环跟踪控制与空问矢 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ＰＷＭ调制策略提供依据。 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［ ，忽略定子 阻抗，在一个滞环周期内，Ｖ 导通，Ｖ２关断时有： 图１ 电流滞环跟踪控制的逆变电路图 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。图２给出了其输出电流 波形图。如图１所示，将给定电流ｉ 与输出电流ｉ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ＶＪ和 的通断。设ｉ的正方向如 图２所示。当ｉ为正时，ｖ１导通，则ｉ增大；Ⅵ 续流导 通时，则ｉ减小。当ｉ为负时， 导通，则ｉ的绝对值增 大；Ⅵ）ｌ续流时，则ｉ的绝对值减小。这样，通过环宽为 ２Ｍ的滞环比较器的控制，ｉ就在ｉ ＋ 和ｉ ～ 的范 围内，呈锯齿状地跟踪指令电流ｉ 。 滞环控制具有硬件电路简单，电流响应快，并对负 收稿日期：２０１０ ０４—２７ 作者简介：张少华（１９８１一），男，河南信阳人，硕士，主要研究方 向：工业自动化，电机控制。 ・７６・ 图２滞环控制的指令电流和输出电流 ＥｍＳｉ ５ 一Ｌ ｌ￣／Ｊ ＡＴ 一 Ｖｌ关断，Ｖ２导通时有 Ｅｎ 件０．５Ｕ（】＝Ｌ 即 一 由ＡＴ二＝＝△丁１＋△丁２ 通馋电潦 】－： ２０１０年５月２５日第２７卷第３期 张少华等：ＰＷＭ控制策略在ＰＭＳＭ调速系统中的应用与实现 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．３ 得厂一 １一巡 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，开关频率厂越高，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 定的条件下，电机运行时的反电势是导致逆变器开关 一量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Ｕ ｒ为例，有 “ ／ 一…～ Ｉ 、 ／、 ¨。） 、 频率变化的根本原因。故本方法在反电动势较大（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 ＰＷＭ（空间矢量ＰＷＭ控制）控制非常接近了。 ＼、 Ｉ ｌ… ， ， Ｊｆ， ＼ １） ＼｝／ —＿－Ｌ——— ≥ 一 ／ ，、“ｆｌ【Ｉ）＿ ｃ（００１、 …～一 （１０１） Ｃ 图３电压空间矢量图 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 形的基波成分尽量大，谐波成分尽量小。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间产生圆形旋转磁场， 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、电压利 用率高等优点，因而得到了广泛的应用ｌ２】． 。１ 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 ＋Ｔ＋ ，＝＝＝ Ｔ 丁｝ ｆ ｃ２ ～ 式中， 与 为两个相邻的工作电压矢量，丁４、 为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Ｕ．．或 ， 为Ｕ 或 的作用时问。 ＳＶＰＷＭ的算法文献较多，本文直接给出空问矢 量ＰＷＭ的实现步骤如下： （１）给定电压矢量所在扇区判断； （２）计算相邻矢量作用时间丁 、Ｔ。； （３）电压矢量切换点的确定。 ３两种ＰＷＩＶｌ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Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱中ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ自带 的永磁电机模型、测量模型。基于电流滞环跟踪控制的 ＰＭＳＭ矢量控制仿真总体模型如图４。基于ＳＶＰＷＭ 控制的电机矢量控制系统的仿真模型如图５。 转速给定为３１４ ｒａｄ／Ｓ，０．０４ ｓ突加负载的条件 图４基于电流滞环跟踪控制的ＰＭＳＭ矢量控制仿真模型 下，基于电流滞环跟踪控制的 相电流ｉ 、ｉ 、ｉ 的输 对比图６与图７，图８与图９，图１０与图１１，相对 出波形与相对应的空间矢量ＰＷＭ控制策略下的三相 电流ｉ ｉ 、ｉ。输出波形分别如图６、图７所示。输出的 咖轴电流波形如图８、图９所示，输出转矩波形分别如 图１０、图１ １所示。 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 通缱电．潦技】Ｉ： ２０１０年５月２５日第２７卷第３期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１ ０，Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．３ 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。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高。 图５基于空间矢量ＰＷＭ控制策略的ＰＭＳＭ矢量控制仿真模型 Ｉ 胁 ＭＳ 图６ 电流滞环跟踪控制下三相电流波形 ｓ 图１０电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 图７ ＳＶＰＷＩＶｌ控制策略下三相电流波形 ４ 结 论 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 策略有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等优点，较 电流电流滞环跟踪控制在ＰＭＳＭ矢量控制中有明显 的优越性，能满足高性能的电机控制系统的要求。 参考文献： ［１］李永东．交流电机数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００３． ｆ 图８电流滞环跟踪控制下ｄ、口轴电流输出波形 ［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． ［３２ Ｓｈｅｎｇ ｍｉｎｇ Ｌｉ，Ｃａｐｓｔｏｎｅ Ｌｏｎｇｙａ Ｘｕ．Ａ ＤＳＰ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ－Ｌｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ 图９ ＳＶＰＷＭ控制策略下ｄ，ｑ轴电流输出波形 Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，２００３，（５）：１１５—１１８． ［４］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００１．