基于SVPWM双闭环异步电机调速系统的设计

公茂法 刘建平 马立国 王静静 田宝进

（山东科技大学信息与电气工程学院，山东 青岛 266590）

直流电机调速方便是因为产生转矩的电枢电流和产生磁通的定子电流，在空间位置是固定的，可以独立控制。而异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统[1-2]。如果异步电机采用磁链跟随控制首先将电机方程转换到一个与转子磁链同步旋转的坐标系d，q 坐标系，在恒定转子磁链的条件下，该坐标系的控制变量与转轴之间存在线性关系。把交流电机方程变换到磁场坐标系，相当于建立直流电机模型，产生转矩的电流分量与产生磁通的电流分量互不影响，对异步电机模型的转矩和磁链进行了解耦[3]。

本文根据空间矢量调制跟随磁链的思想，通过转速和电流采样，并通过TMS320F28335 为控制芯片进行变量转换，以及对系统各模块进行监测和控制。其中电机供电系统引入Zeta 电路[4]，提高系统的对负载和电网电压扰动的适应能力。

1 双闭环控制在异步电机调速的应用

根据电机三相合成空间磁势，应用电力电子器件开断调节输出电压矢量使其合成向量逼近电机的圆形空间磁势，从而调节调节电机的转矩。这种方法称为磁链的轨迹调制法即SVPWM 控制[5-6]。

由于转速和电流在系统中较容易取得，选择电流和转速作为反馈信号，不仅能提高调速精度，硬件设计也能得到简化。本文以电流转速作为反馈数据进行异步电机调速。系统整体调速控制电路如1 图所示。

图1 双闭环异步电机调速图

框图中各模块的作用是：

1）SVPWM 模块。主要作用是由DSP 芯片变换输入参数，并按照参数依据空间矢量算法调制输出PWM 触发逆变器中ΙGBT。

2）AC-AC 模块。主要作用是基于ΙGBT 设计的变压变频电路。

3）ACR 模块。主要作用是防止电网波动给电机绕组造成影响，利用PΙ 调节算法及时、无静差的在电网波动的时调整定子电流大小保持转矩一定。

4）ASR 模块。主要作用是实现转速无静差的调节。模块中加入PΙ 算法和限幅控制器，有效地使电机在负载变动或电网电能质量波动时准确的恢复给定转速。

5）极性检测模块。判别电机的正反转实现电机的分区控制。

2 系统设计及其各模块的说明

系统整体设计如图2所示，交流电网先经过不可控整流电路变换成直流电，直流电经DC/DC 调压送至由SVPWM 算法控制的逆变模块给异步电机供电。

图2 电机控制整体结构图

系统主要部分作详细说明如下：

1）泵升电压保护电路

（1）在整流电路和DC/DC 模块之间加延迟开关和电抗器并联的目的是防止电网断路器合闸时的过电流将整流二极管烧坏。

（2）在电网上并联GTO 和水泥电阻串联组成的电路目的是当电机处于反馈电能状态时，二极管整流电路无法将电能反馈给电网，而此时电能集中在电容两端且必须尽快释放；因此当泵升电压产生时，及时触发GTO 导通，使囤积在电容两端的能量尽快消耗到电阻上。

2）DC/DC 模块

电压型逆变器，可等效降压型的逆变器；当电机的额定电压很大时，供电电压达不到额定要求，因此在逆变器的输入端加上一个DC/DC 调压电路，使其输入电压得到调节。设计中加一个Zeta 电路，使系统具有更强的电网和负载适应能力。

3）ΙGBT 的保护电路

（1）过流保护。通常电力电子器件的过电流保护需要集中保护协调配合，但最为普遍和简单的是熔断器保护。此外，过电流主要是由短路现象产生，桥式逆变器中，当上下桥臂ΙGBT 触发时间不当会造成短路，系统解决此短路的方案是在TMS320F28335触发的PWM 波中设置死区时间，防止造成的短路问题。

（2）过压保护。针对系统换相过电压进行了保护，即当并联的续流二极管结束后，全控型器件不能立即关断而要承受较大的反向电流，而当开关器件真正恢复阻断能力时电流急剧减小，使得电路的杂散电感产生很大的电压，夹在开关器件两端会烧坏器件，因此为缓冲这种反向电流，电路设置RC串联电路防止过电压烧坏器件。

（3）高温保护。当ΙGBT 温度升高时，其通态压降会呈下降趋势，并有可能在某一特定的通态电流下，随温度的变化其通态压降保持基本不变的特性。但如果环境温度过高时，会造成ΙGBT 的栅极失控；因此在逆变的辅助电路中，若电机的温度超过设置的阈值就启动上方的散热风扇对逆变模块进行散热、冷却处理。

3 SVPWM 控制策略及IGBT 分配时间计算

3.1 SVPWM 控制策略

空间矢量调制是根据三相电压的合成电压调制的，它区别于采样调制、正弦脉宽（幅）调制的原理。与PWM、SPWM 调制的优缺点见表1。

表1 3 种调制策略对比表

调速需要进行对电流和频率的协调控制，又因异步电动机只通过定子供电，因此调速时应保持磁通恒定。总之，异步电机可以看成一个电压和角频率的输入系统与磁链和转子角速度的输出系统。而转子的磁链和转子电流又有确定的关系式；频率又能通过变换成转速。

调速首先应对异步电机数学模型进行降阶和解耦。采用矢量变换控制思想[7]，具体方案如图3所示。

图3 矢量变换控制结构图

图3中的各种坐标变换的最终目的是使逆变器的输出电压空间矢量分布近似逼近磁链的空间分布。即通过触发ΙGBT 的时间和导通顺序控制电机定子电压的大小和相位，因此为方便理论分析引入ΙGBT 的开关函数。

3.2 IGBT 分配时间的计算

对于广泛使用的三相两电平PWM 逆变器，采用8 个开关状态定义相应的空间矢量为有效电压空间矢量和零空间矢量构 成了逆变器的输出电压。在一个采样周期内，输出电压矢量理论上为

式中，t0,t1,… ,t7分别为承担的时间，有效空间矢量将空间分成6个扇区， 两个零矢量依据时间分配调节输出电压的幅值。假设在第一扇区，参考电压可写作：

图4 空间矢量分布的扇区规划图

根据图4及正弦定理可得：

求得：

根据在第一扇区内时间关系可得零空间矢量承担的时间是

以同样的原理可求得个扇区中ΙGBT 分配的时间如表2所示。

表2 空间矢量各扇区分配的时间

在一个开关管周期Tf内调节零矢量的作用时间T0，可以调节输出电压的大小和相位。只要保证开关时间满足所计算的分配时间，就能有较好的输出。同时考虑开关损耗的问题，优化选择的导通顺序。如果三相逆变器输出频率为50Hz，那么每个扇区分配的时间是1/(50×6)s，而每个扇区中开关动作两次，所以开关频率为600Hz。DSP 计算ΙGBT 分配时间流程如图5所示。

图5 反馈三相电压与开关函数关系计算流程图

4 仿真结果及说明

本文借助Matlab 对系统进行仿真[8-9]，在power- siumlink 中建立坐标变换模块、扇区选择模块、ΙGBT时间计算分配模块、变流电路模块和离散SVPWM 脉冲发生器模块、PLL 和PLL 离散模块、建立PΙ 带限幅的ASR 和ACR 模块、滤波环节、异步电机模块等，搭建仿真电路。图6为DC/DC 的ΙGBT 触发宽度为0.5 时输出的电压波形和图7电机稳定运行时电压和电流仿真曲线。由仿真图可以得到结论，双闭环控制系统输出电流纹波较少，输出转矩较为稳定。

图6 Zeta 输出电流电压仿真图

图7 电机定子电压电流仿真图

5 结论

本文结合直流电机电流转速双闭环的控制思想，依据空间矢量调速策略，基于TMS320F28335 对异步电机调速系统进行了设计。文章对电网供电质量有较大波动的影响和不同额定负载的要求，对电机的供电系统进行改进，提出在不可控整流与逆变之间加入Zeta 电路的设计方案，提高系统的整体电压适应能力。文章还对电压型逆变器中ΙGBT 分配时间进行了计算并给出了相关模型设计框图。文章最后应用Matlab 对双闭环SVPWM 控制的异步电机调速系统进行了仿真，仿真结果表明设计的合理性和可行性。

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