PWM控制策略在PMSM调速系统中的应用与实现

     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， 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。

　　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PWM 调制策略提供依据。

　　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△I 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V1 和V2 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； VD2 续流导通时， 则i 减小。当i 为负时，V2 导通，则i 的增大； VD1 续流时， 则i 的减小。这样， 通过环宽为2   的滞环比较器的控制， i 就在i*+ △I 和i*-△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， V1 导通， V2 关断时有:

图1  电流滞环跟踪控制的逆变电路图

　图2  滞环控制的指令电流和输出电流

　　

　　V1 关断， V2 导通时有：

　　得：

　　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f 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。

　　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。

　　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Us f 为例， 有：

　　式中， U4 与U6 为两个相邻的工作电压矢量， T4 、T6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U0 或U7 ， T 0 为U0 或U7 的作用时间。

　　SV PWM 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) 计算相邻矢量作用时间T1、T 2 ；( 3) 电压矢量切换点的确定。

图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。

图4  基于电流滞环跟踪控制的PMSM矢量控制仿真模型

　图5  基于空间矢量PWM控制策略的PMSM矢量控制仿真模型

　　转速给定为314 rad/ s， 0. 04 s突加负载的条件下， 基于电流滞环跟踪控制的三相电流ia、i b、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i a、ib、ic 输出波形分别如图6、图7 所示。输出的dq 轴电流波形如图8、图9 所示， 输出转矩波形分别如图10、图11 所示。

　　对比图6 与图7， 图8 与图9， 图10 与图11， 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。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， 开关电流较低， 开关损耗较小， 直流母线电压利用率更高。

图6  电流滞环跟踪控制下三相电流波形

图7  SVPWM控制策略下三相电流波形

图8  电流滞环跟踪控制下d、q 轴电流输出波形

图9  SVPWM控制策略下d、q 轴电流输出波形

图10  电流滞环跟踪控制下的转矩波形

图11  SVPWM 控制策略下的输出转矩波形

　　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。