1、無速度傳感器矢量控制和空間矢量脈寬調制( SVPWM)的基本原理2010年8月6日異步電機無速度傳感器矢量控制系統研究劉和平，王強，余銀輝，劉  平（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室）  摘要：分析了無速度傳感器矢量控制和空間矢量脈寬調制( SVPWM)的基本原理，提出了帶補償的電壓模型磁鏈及轉速估算方法。該方法考慮到了積分誤差和定子電阻，并能在全速度范圍內得到較好的磁通及轉速估計。利用TMS320F2808實現了異步電機無速度傳感器矢量控制系統，給出了系統硬件和軟件設計方案。試驗結果表明系統具有良好的動靜態性能和穩定性。關鍵詞：SVPWM；異步

2、電機；無速度傳感器；帶補償的電壓模型；全速度范圍中圖分類號：TM343    文獻標志碼：A    文章編號：1001-6848(2010)07-0069-04O引  言    在異步電機控制系統中，為滿足離性能控制的要求，需采用速度閉環控制，因此要測量異步電機轉速。傳統的電機轉速測量裝置多采用測速發電機或光電數字脈沖編碼器，它增加了控制系統成本，存在安裝與維護上的困難，并使系統易受干擾，降低了系統可靠性，且不適用于惡劣環境。隨著空間矢量脈寬調制( SVPWM)技術和數字信號處理器( DSP)的

3、出現及發展，使得復雜的轉速估算及控制算法得以實現，因此異步電機無速度傳感器矢量控制系統的研究正逐步深入。本文針對異步電機無速度傳感器矢量控制算法中傳統的電壓和電流磁鏈估計模型的缺點，提出了新的帶補償的電壓模型磁鏈及轉速估算法。并基于DSP TMS320F2808實現了異步電機無速度傳感器矢量控制系統。1 SVPWM原理    SVPWM足將逆變器和電動機看成一個整體，建立逆變器開關模式和電機電壓空間矢量的內在聯系，通過控制逆變器的開關模式，使電機的定子電壓空間矢量沿圓形軌跡運動，從而明顯降低轉矩脈動，與傳統的SPWM相比，其開關器件的開關次數可以減少,1/3，直流

4、電壓的利用率可提高百分之15，能獲得較好的諧波抑制效果，且易于實現數字化控制。  常用的三相電壓源逆變主電路結構如圖1所示。    三相逆變器共有8種開關狀態（上橋臂導通開關狀態為1，下橋臂導通開關狀態為0，從而對應8種基本空間電壓矢量，其中兩個是零電壓矢量(O0、O111)，另外6個基本電壓空間矢量（Uo，U60，U120，U180，U24O，U300）在空間互差60度，對于任意電壓空間矢量可以由相鄰的兩個基本電壓空間矢量（Ux，UX+60）和兩個零電壓空間矢量(O0、O111)按平行四邊形法則合成得到，如圖2所示。   

5、2無速度傳感器矢量控制策略    無速度傳感器矢量控制策略取消了具有低可靠性等缺點的速度傳感器，而是利用容易測量得到的電機定子電壓、電流等電信號，通過一定的算法獲得電機的轉速。問題的關鍵在于如何快速估算得到轉速的信息，且保持較高的控制精度，滿足實時控制的要求。為此，設計了以下控制系統，其原理框圖如圖3所示。2.1轉子磁鏈估計    在轉子磁場定向的矢量控制系統中，轉子磁鏈的準確估計和控制是影響電機控制性能的關鍵因素之一。轉子磁鏈估算有電壓模型和電流模型兩種。傳統的電壓模型法算法簡單，受電機參數變化影響小，但是低速時觀測精確度較低，而且

6、純積分環節的誤差積累和漂移問題嚴重；傳統的電流模型法不涉及純積分項，其觀測值是漸近收斂的，低速的觀測性能強于電壓模型法，但是高速時不如后者，而且受轉子時間常數影響較大，常需進行實時辨識才能保證磁鏈觀測精確度。  本文將電壓模型和電流模型結合起來估算轉子磁鏈，對電流模型計算的磁鏈進行PI運算，再用PI運算的結果補償電壓模型的磁鏈，通過調節PI參數的值，使得在高速時電壓模型起主要作用，低速時使電流模型起主要作用，從而克服了電壓模型和電流模型的缺點，提高了估算的準確性。    轉子磁場定向控制中，在兩相旋轉坐標系和兩相靜止坐標系中的電流模型轉子磁鏈方程分別如式

7、(2)、式(3)所示：    在兩相靜止坐標系下，根據電流模型轉子磁鏈計算電流模型定子磁鏈：    然后根據補償電壓和反電動勢的積分得到電壓模型中的定子磁鏈：  補償電壓計算公式如式(6)所示：    選擇合適的比例增益Kp和復位時間T1，使得低速情況下由電流型計算出來的磁鏈是主要的，而電壓型中的反電動勢在轉速低的時候很小（轉速為O時反電動勢幾乎為O），而高速時，電壓型中的反電動勢是主要的，電壓模型計算出的轉子磁鏈為主。  根據電壓模型定子磁鏈可以計算得到電壓模型轉子磁鏈：2.2轉速估

8、計    無速度傳感器矢量控制系統的轉速根據磁鏈估計模型輸出的轉子磁鏈進行估計得到。磁鏈矢量關系如式(9)所示：同步轉速和轉差角頻率分別如式(10)(11)所示：3系統實現    基于SVPWM原理和無速庋傳感器矢量控制原理，選用TMS320F2808作為核心控制器設計了控制系統的硬件和軟件。3.1硬件設計    采用低壓大電流功率MOSFET并聯結構，提高系統的過流能力，并降低了系統成本。    采用IR21363S作為PWM驅動芯片，IR213 63S是功率MOSFET和

9、ICBT專用驅動芯片，有三個獨立的高壓側和低壓側輸出信號，可以同時輸出六路PWM信號，而只需要一個直流工作電源，PWM工作頻率可達500 kHz，具有欠壓和過流保護功能，故障時可以自動關閉全部PWM輸出，同時輸出故障信號，DSP檢測到該故障信號，關閉PWM輸出，從而提供了雙重功率保護功能。  采用霍爾和磁環配合檢測異步電機兩相電流，通過電阻分壓方式檢測直流母線電壓，并通過RC濾波電路濾波，降低了系統成本，提高了AD采樣的準確性和系統工作的可靠性。  通過CAN與觸摸屏液晶進行相互通信，將要顯示的數據傳送到液晶顯示，通過觸摸屏在線修改相關參數并傳送到DSP，從而實現系統的人機

10、交互功能。    硬件整體框圖如圖4所示。3.2軟件設計    系統軟件采用C語言編寫，主要包括主程序和定時器下溢中斷子程序，具體程序流程圖如圖5所示。4實驗結果    本系統的實驗是采用48 V電池組（8節鉛酸電池串聯）作為供電電源，實驗所用電機為一臺4Y接法電機上進行的，該電機參數為：額定功率5 kW，額定電壓33 V，額定定子相電流115.3 A，定子空載相電流56.7 A，額定頻率120 Hz，定子電阻0. 00255，轉子電阻0.00086，定子漏抗Xl為0. 0068，轉子漏抗X2為0.0114，勵磁電抗Xm為0 2479。    實驗得到定子相電流、線電壓波形如圖6所示，轉子磁鏈波形如7所示，帶載起動時的估計轉速與實際轉速波形如圖8所示。5結論  異步電機無速度傳感器矢量控制算法中的磁鏈估計