基于SVPWM的異步電機位置伺服控制系統研究與仿真

引言

在交流電機變頻調速中pwm控制已經(jīng)得到了日益廣泛的應用，其中經(jīng)典的正弦脈寬調制(spwm)，它主要著(zhù)眼于使逆變器輸出的電壓盡量接近正弦波，使pwm電壓波的基波成分盡量大，諧波成分盡量小，但是該方法僅僅是一種近似，抑制諧波的能力有限。而電壓空間矢量脈寬調制(svpwm)是把逆變器和電機視為一體，控制電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場(chǎng)。它能夠明顯地減少逆變器的輸出電壓的諧波成分及電動(dòng)機的諧波耗損，降低了轉矩的脈動(dòng)。本文根據矢量控制和svpwm調制原理，建立了仿真模型，并對仿真中的關(guān)鍵問(wèn)題和仿真結果進(jìn)行了分析。

系統仿真模型的建立

基于svpwm的矢量控制模型

圖1為位置伺服控制系統框圖，該系統通過(guò)clarke變換和park變換將檢測到的三相定子電流變換成同步旋轉坐標系下的直流分量id、iq作為電流反饋。給定位置與位置反饋的偏差值經(jīng)過(guò)p調節器，輸出作為用于轉速控制的轉速輸入，位置環(huán)的輸出與反饋轉速的偏差經(jīng)pi調節器，輸出作為用于轉矩控制的電流q軸分量，和通過(guò)變換計算的電流d軸分量，與電流反饋的偏差經(jīng)pi調節器分別輸出q、d同步旋轉坐標軸下的電壓分量vq、vd、vq、vd再經(jīng)過(guò)park逆變換轉換成兩相靜止坐標系下的電壓分量vα、vβ。最后采用svpwm技術(shù)產(chǎn)生pwm控制信號來(lái)控制逆變器。

根據svpwm矢量控制的原理，在matlab/simulink下建立系統的仿真模型，如圖2所示。整個(gè)仿真模型主要由電機本體模塊、逆變器模塊、svpwm生成模塊、矢量變換模塊、轉子磁鏈位置觀(guān)測模塊等幾部分組成。為了使仿真模型更加接近于實(shí)際系統，仿真模型中的電機和逆變器模型采用matlab/simulink中simpowersystems模塊中的模型，相當于實(shí)際系統中的硬件部分。而其他模型是利用simulink中各個(gè)基本模塊搭建起來(lái)的子系統，并通過(guò)封裝技術(shù)將其封裝而成，在實(shí)際系統中可以利用軟件實(shí)現。

位置、轉速及電流pi調節器

在系統中有四個(gè)pi調節器，分別是位置p調節器，轉速pi調節器，轉矩電流pi調節器，勵磁電流pi調節器。這四個(gè)pi調節器的輸出都需要限幅，其中位置調節器輸出的限幅值為電機能夠輸出的最大轉速，轉速調節器輸出的限幅值為電機能夠輸出的最大轉矩，兩個(gè)電流pi控制器的限幅為電壓空間矢量的最大電壓。另外，這四個(gè)pi調節器參數的設置是關(guān)系到系統能否穩定的關(guān)鍵，也是系統仿真調試時(shí)的難點(diǎn)。因為四個(gè)pi調節器是相互關(guān)聯(lián)的任何一個(gè)調節器參數的變化都會(huì )引起系統的不穩定。對于這四個(gè)pi控制器參數的調試經(jīng)驗非常重要，首先根據經(jīng)驗確定四個(gè)pi控制器參數的大致范圍;然后在這一范圍內慢慢調，一般情況下外環(huán)即位置環(huán)的p參數對系統的影響較為明顯，所以一般情況下pi參數的調節順序為先外環(huán)(位置)后內環(huán)(電流環(huán))，先比例系數后積分系數。

仿真實(shí)驗中，通過(guò)反復的調試，最后得到的各個(gè)pi參數如下：

位置p調節器kp=20;

轉速pi調節器kp=10，ki=5;

轉矩電流pi調節器kp=200，ki=70;

勵磁電流pi調節器kp=200，ki=70。

svpwm生成模塊

svpwm生成模塊是該仿真系統中的關(guān)鍵部分，該模塊以電壓矢量?jì)上囔o止坐標系的分量vα、vβ作為輸入內部給以開(kāi)關(guān)周期tpwm信號，其內部通過(guò)電壓矢量區間判斷，根據輸入量產(chǎn)生x、y、z，然后計算功率器件導通時(shí)間，再由區間信號及導通時(shí)間產(chǎn)生的svpwm脈沖信號控制逆變器的工作模式，結構如圖3所示。

仿真結果及分析

仿真參數為三相異步電機額定電壓400v，頻率為50hz，rr=1.395ω，rs=1.405ω，l1r=0.005839h，l1s=0.005839h，lm=0.1722h，電機極對數p=2，電機額定功率pn=4kw，轉動(dòng)慣量j=0.0131kg·m2。仿真結果如圖4所示。

結語(yǔ)

仿真結果表明，在帶負載情況下，系統具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性，能很快達到穩定運行狀態(tài)，也證明本文中設計的位置伺服矢量控制系統的可行性。