導(dǎo)讀： 本期主要介紹異步電機矢量控制在滯環(huán)CHBPWM調(diào)制和SVPWM調(diào)制下的控制性能對比。

一、引言

應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器通常為電壓源型，它可以根據(jù)所需的設(shè)計參數(shù)來控制輸出電壓。對于交流電機而言，需要保證其輸出電流為正弦波電流，因為只有在交流電機繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使其合成的電磁轉(zhuǎn)矩為不含脈動分量的恒定電磁轉(zhuǎn)矩。所以，要對電流采用閉環(huán)控制的方法，這比電壓開環(huán)控制能獲得更好的性能。傳統(tǒng)SPWM控制技術(shù)并未考慮到輸出電流的情況，它主要是使得變壓變頻器的輸出電壓為正弦波。電流滯環(huán)跟蹤控制PWM （CHBPWM），直接控制輸出電流使其接近于正弦波。而異步電動機為了在電機內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的圓形磁場，從而發(fā)出恒定電磁轉(zhuǎn)矩，所以需要向異步電機輸入三相交流電源。根據(jù)這一特性，若將逆變器和異步電機視為整體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作狀態(tài)，其響應(yīng)能力會更好，這種方式又稱為磁鏈跟蹤控制，即電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)。

為了更好地對異步電機在不同控制策略下的運行特性，本文采用Matlab/Simulink軟件設(shè)計了電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)以及電壓空間矢量控制技術(shù)的數(shù)學(xué)模型并加以實施在異步電機上，對異步電機在兩種控制方式下的運行特性進行對比分析。

二、滯環(huán)和SVPWM調(diào)制策略

2.1 電流滯環(huán)跟蹤控制PWM技術(shù)

滯環(huán)電流控制基本思想就是給定三相電流信號，并且與由電流傳感器實測的三相電流相比較，以其差值通過滯環(huán)比較器來控制功率開關(guān)使實際電流值跟蹤上參考電流值。

圖1 滯環(huán)電流跟蹤控制

圖1為滯環(huán)電流跟蹤控制的原理圖，H為滯環(huán)比較器的環(huán)寬。在工作時ic_ref 與ic做差，得到的誤差電流 ic 且始終處于以 0 為中心，H和 -H 為上下限的滯環(huán)內(nèi)。H的設(shè)置是為了避免逆變器開關(guān)狀態(tài)變換的速度過快，在ic_ref的基礎(chǔ)上設(shè)計了上下兩個寬度為h的誤差滯環(huán)。

具體工作過程為：當ic_ref- ic ＞ H時，滯環(huán)比較器輸出高電平，驅(qū)動上橋臂的開關(guān)器件S1導(dǎo)通，使ic增大，當ic增加到與ic_ref相等時，滯環(huán)比較器仍然輸出高電平，S1保持導(dǎo)通，ic繼續(xù)增大；當ic - ic_ref ＞ H時，滯環(huán)比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平信號關(guān)斷S1，并經(jīng)過死區(qū)時間后驅(qū)動下橋臂的開關(guān)S4.但此時S4未必導(dǎo)通，因為ic（負載電流）并未反向，而是通過續(xù)流二極管D4維持原方向流通，其數(shù)值逐漸減小。

通過滯環(huán)控制，逆變器的實際輸出電流與給定值的偏差保持在-h~h之間，在給定電流上下做鋸齒狀變化。當給定電流為正弦波時，輸出電流也十分接近正弦波。

滯環(huán)電流控制法具有控制精度高，響應(yīng)速度快，電流跟蹤能力強等優(yōu)點。但是滯環(huán)寬度 H 的選取合適與否，會直接影 響補償電流跟蹤指令電流，進而影響諧波補償效果且滯環(huán)電流控制因為電流紋波大，開關(guān)頻率不確定，所以很少被采用。

2.2 電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）

在傳統(tǒng)的PWM變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常使用六拍階梯波逆變器為交流電機提供電源。此時的電壓空間矢量運動軌跡如圖2所示，三相逆變器—異步電機調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運動軌跡

圖3 三相逆變器-交流電機主電路原理圖

逆變器采用的是上、下管換流方式，功率管共有八種工作狀態(tài)。對于這種六拍階梯波的逆變器而言，輸出的每個周期都會出現(xiàn)一次有效工作狀態(tài)且狀態(tài)切換間隔為π／3。為了便于討論將正六邊形電壓矢量轉(zhuǎn)換為放射形式，如圖4所示。各電壓空間矢量間的相位關(guān)系仍然不變，這樣可把逆變器的工作周期劃分為6個扇區(qū)。

圖4 電壓空間矢量的6個扇區(qū)

在一個周期內(nèi)，逆變器開關(guān)狀態(tài)序列為100， 110，111，000，000，111，110，100。在實際工程中，系統(tǒng)應(yīng)盡量減少開關(guān)狀態(tài)變化是引起的損耗，因此在每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只切換一個開關(guān)器件，以滿足最小的開關(guān)損耗。

綜上可知，SVPWM控制模式的特點為：一個工作周期分為了6個扇區(qū)，為了使電機旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形使得其控制方式依賴于開關(guān)頻率的設(shè)定。開關(guān)切換合理，損耗較小。每個狀態(tài)的切換以零電壓開始，又以零電壓結(jié)束。采用SVPWM控制方式時，輸出側(cè)的線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，提高了輸出能力。

本節(jié)討論了SVPWM控制技術(shù)的原理基礎(chǔ)，并對其工作特性進行了動態(tài)分析，為后面的仿真對比做出了鋪墊。

三、仿真模型搭建

異步電機定子側(cè)為三相繞組，轉(zhuǎn)子側(cè)為閉合的導(dǎo)電條，二者之間通過對氣隙磁場的耦合作用進行工作。因此在對異步電機進行仿真時可以通過坐標變換的方式來進行解耦以使其具有和直流電機相似的調(diào)速特性。本文以Matlab/Simulink為仿真工具來對異步電機的電流滯環(huán)控制以及電壓空間矢量控制方式進行對比分析。設(shè)定直流電壓為540V，異步電機極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)動慣量為0.067kg·m，仿真時長1s。

圖5 基于SVPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真

圖6 基于SVPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

圖7 基于CHBPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真

圖8 基于CHBPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真波形變化情況

通過圖6和圖8的波形對比，基于SVPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩紋波要小很多且在加載和轉(zhuǎn)速突變的情況下，定子電流更趨于正弦。

四、總結(jié)

綜上是對異步電機的工作特點進行分析，說明電流滯環(huán)控制以及空間矢量控制技術(shù)（SVPWM）的控制原理。使用Matlab/Simulink軟件以上述兩種控制方式對異步電機的仿真結(jié)果進行分析研究，實驗證明：在SVPWM控制方式下的異步電機的穩(wěn)定性更高、響應(yīng)速度更快。

審核編輯：湯梓紅