基于SVPWM的異步電機位置伺服控制系統(tǒng)研究與仿真

引言

在交流電機變頻調(diào)速中pwm控制已經(jīng)得到了日益廣泛的應(yīng)用，其中經(jīng)典的正弦脈寬調(diào)制(spwm)，它主要著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(diào)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(zhuǎn)磁場。它能夠明顯地減少逆變器的輸出電壓的諧波成分及電動機的諧波耗損，降低了轉(zhuǎn)矩的脈動。本文根據(jù)矢量控制和svpwm調(diào)制原理，建立了仿真模型，并對仿真中的關(guān)鍵問題和仿真結(jié)果進行了分析。

系統(tǒng)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(tǒng)框圖，該系統(tǒng)通過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(zhuǎn)坐標(biāo)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p調(diào)節(jié)器，輸出作為用于轉(zhuǎn)速控制的轉(zhuǎn)速輸入，位置環(huán)的輸出與反饋轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器，輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流q軸分量，和通過變換計算的電流d軸分量，與電流反饋的偏差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器分別輸出q、d同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下的電壓分量vq、vd、vq、vd再經(jīng)過park逆變換轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓分量vα、vβ。最后采用svpwm技術(shù)產(chǎn)生pwm控制信號來控制逆變器。

根據(jù)svpwm矢量控制的原理，在matlab/simulink下建立系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。整個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(zhuǎn)子磁鏈位置觀測模塊等幾部分組成。為了使仿真模型更加接近于實際系統(tǒng)，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(dāng)于實際系統(tǒng)中的硬件部分。而其他模型是利用simulink中各個基本模塊搭建起來的子系統(tǒng)，并通過封裝技術(shù)將其封裝而成，在實際系統(tǒng)中可以利用軟件實現(xiàn)。

位置、轉(zhuǎn)速及電流pi調(diào)節(jié)器

在系統(tǒng)中有四個pi調(diào)節(jié)器，分別是位置p調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩電流pi調(diào)節(jié)器，勵磁電流pi調(diào)節(jié)器。這四個pi調(diào)節(jié)器的輸出都需要限幅，其中位置調(diào)節(jié)器輸出的限幅值為電機能夠輸出的最大轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的限幅值為電機能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩，兩個電流pi控制器的限幅為電壓空間矢量的最大電壓。另外，這四個pi調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置是關(guān)系到系統(tǒng)能否穩(wěn)定的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)仿真調(diào)試時的難點。因為四個pi調(diào)節(jié)器是相互關(guān)聯(lián)的任何一個調(diào)節(jié)器參數(shù)的變化都會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。對于這四個pi控制器參數(shù)的調(diào)試經(jīng)驗非常重要，首先根據(jù)經(jīng)驗確定四個pi控制器參數(shù)的大致范圍;然后在這一范圍內(nèi)慢慢調(diào)，一般情況下外環(huán)即位置環(huán)的p參數(shù)對系統(tǒng)的影響較為明顯，所以一般情況下pi參數(shù)的調(diào)節(jié)順序為先外環(huán)(位置)后內(nèi)環(huán)(電流環(huán))，先比例系數(shù)后積分系數(shù)。

仿真實驗中，通過反復(fù)的調(diào)試，最后得到的各個pi參數(shù)如下：

位置p調(diào)節(jié)器kp=20;

轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器kp=10，ki=5;

轉(zhuǎn)矩電流pi調(diào)節(jié)器kp=200，ki=70;

勵磁電流pi調(diào)節(jié)器kp=200，ki=70。

svpwm生成模塊

svpwm生成模塊是該仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，該模塊以電壓矢量兩相靜止坐標(biāo)系的分量vα、vβ作為輸入內(nèi)部給以開關(guān)周期tpwm信號，其內(nèi)部通過電壓矢量區(qū)間判斷，根據(jù)輸入量產(chǎn)生x、y、z，然后計算功率器件導(dǎo)通時間，再由區(qū)間信號及導(dǎo)通時間產(chǎn)生的svpwm脈沖信號控制逆變器的工作模式，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)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(shù)p=2，電機額定功率pn=4kw，轉(zhuǎn)動慣量j=0.0131kg·m2。仿真結(jié)果如圖4所示。

結(jié)語

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