三电平SVPWM的研究及其仿真.docx
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三电平SVPWM的研究及其仿真
(2014届)
本科毕业设计(论文)资料
题目名称:
三电平SVPWM的研究及其仿真
学院(部):
电气与信息工程学院
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
xxx
班级:
xxxxxxx
学号xxcxxxxx
指导教师姓名:
xxxxxxx
职称xxxx
最终评定成绩:
2014届
本科毕业设计(论文)资料
第一部分毕业论文
(2014届)
本科毕业设计(论文)
学院(部):
xxxxxxxxxxxxxx
专业:
xxxxxxxxxxxxxx
学生姓名:
xxxxx
班级:
xxxxxx
学号xxxxxxx
指导教师姓名:
xxxx
职称xxxxx
最终评定成绩
2014年5月
摘要
此篇论文在参考了大量资料后对空间矢量脉宽调制技术进行了有理论有仿真的论述,充分发掘了此技术在现实生活中的重要性,是我们实现对永磁同步电机控制优化的重要辅助。
本文先从理论上对空间矢量脉宽调制技术进行了充分的说明然后对理论通过MATLAB/SIMULINK进行了仿真,在之后的波形图中我们可以看见空间脉宽矢量调节技术对于圆形磁场的建立,对于电机的控制都起到了良好的效果。
而永磁同步电机有者占用空间小,适用领域广等优点,桎梏其发展的永磁体材料稀少也由钕铁硼永磁材料的出现而得到化解。
我国有着丰厚的稀土资源对于永磁同步电机的发展有着得天独厚的优势,所以我们应该对永磁同步电机的控制也要有相应的技术基础,毕竟无法控制的电机就是一块金属罢了。
通过MATLAB/SIMULINK的仿真我们也可以以简单的方式获得一些不简单的控制结果,看到空间脉宽矢量调节技术是一种非常好的控制永磁同步电机的的方法。
关键词:
永磁同步电机控制,空间脉宽矢量控制,MATLAB/SIMULINK仿真
ABSTRACT
Thispaperinreferencetoalargeamountofinformationonthespacevectorpulsewidthmodulationtechnologyweredescribedwiththeoreticalsimulation,Fullyexploretheimportanceofthistechnologyinthereallife,Isourimportantauxiliaryoptimizedcontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor,Thisarticlefirstfromthetheoryofspacevectorpulsewidthmodulationtechnologymakeastatement,ThenthetheoryofsimulationbyMATLAB/SIMULINK,Wecanseeinthewaveformfigureafterspacepulsewidthfortheestablishmentofthecircularmagneticfieldvectorcontroltechnology,Forthecontrolofthemotorhasplayedagoodeffect,Thepermanentmagnetsynchronousmotorhasasmallfootprint,widefieldofapplication,etc,Constraintsofthedevelopmentofpermanentmagnetmaterialscarcealsoberesolvedbytheemergenceofndfebpermanentmagnetmaterials,Ourcountryhasrichrareearthresourceforthedevelopmentofpermanentmagnetsynchronousmotorhasauniqueadvantage,soweshouldcontrolofpermanentmagnetsynchronousmotoralsoshouldhavecorrespondingtechnicalfoundation,unabletocontrolthemotor,afterall,isapieceofmetal.ThroughMATLAB/SIMULINKsimulationwecanalsogetsomeinasimplewayisnotasimplecontrolasaresult,seespacepulsewidthvectorcontroltechnologyisaverygoodcontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor.
Keywords:
Permanentmagnetsynchronousmotorcontrol,spacevectorcontrolpulsewidth,MATLAB/SIMULINK
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
1.1永磁同步电机简介1
1.2永磁同步电机分类1
1.3永磁同步电机的控制方式简介2
1.4永磁同步电机的发展前景2
1.5主要内容3
第2章空间脉宽矢量调节技术SVPWM4
2.1空间脉宽矢量调节技术SVPWM的发展简况4
2.2空间脉宽矢量调节技术SVPWM介绍4
2.3空间矢量脉宽调制SVPWM法则推导过程7
2.3.1空间矢量脉宽调制7段式8
2.3.2空间矢量脉宽调制5段式9
2.4合成矢量Uref所处扇区N的判断11
2.5本章小结12
第3章MATLAB/simulink简介13
3.1MATLAB简介13
3.2Simulink简介14
3.3本章小结15
第4章三电平SVPWM的研究及其在PMSM的应用16
4.1永磁同步电机矢量控制的模型16
4.2建模及仿真16
4.3仿真结果及分析20
结论22
参考文献24
致谢25
第1章绪论
1.1永磁同步电机简介
永磁同步电机是一种结构比较简单,占用空间小、整体重量轻、能量损耗小、能量利用率高的同步电机,和直流电机比比起来,永磁同步电机没有直流电机的换向器和电刷,不会出现换向器损坏而使电机无用的问题,也不会因电刷的磨损而要定期维护;和异步电动机比起来,永磁同步电机由于不需要无功励磁电流,因而效率和功率因数都较高,力矩惯量比较大,定子电流损耗小,定子电阻损耗小,而且转子的参数可以进行测量、电机的控制性能好;但永磁同步电机与异步电机相比成本较高、起动不易;永磁同步电机和普通同步电动机相比省去了励磁装置,结构更简单,因而效率有所提高。
而在永磁同步电机的控制方面矢量控制系统能够实现精度高、动态性能好、调速或定位的大范围控制。
其中就包括空间脉宽矢量调节技术。
1.2永磁同步电机分类
在永磁同步电动机中,由于电机的转子铁芯磁钢的形状不同,使得转子磁场的空间分布分为了正弦波和梯形波两种;因而,当转子在旋转的时候,产生于定子上的反电动势波形也出现了正弦波和梯形波两种。
这就形成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上不尽相同,于是为了区别它们各自组成的永磁同步电动机交流调速系统,人们习惯称正弦波永磁同步电动机组成的交流调速系统为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统;而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统则由于类似于直流电动机系统的原理和控制方法,所以把这种系统称为无刷直流电动(BLDCM)调速系统;结构的不同就会带来不同的控制方法,这在电机中都是一种很普遍的现象;前面说到了永磁同步电机的转子铁芯磁钢形状不同,所以永磁同步电动机转子磁路结构也就不同,可以推知电动机的运行特性、控制系统等也不会相同。
而本文则主要论述的是正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统。
当然就算只是PMSM它也有三种一种是永磁体放在转子内的称为内磁式永磁同步电动机;另一种把永磁体放在转子表面叫做外磁式永磁同步电动机;还有一种是将永磁体嵌入或部分嵌入的,被称为嵌入式永磁同步电动机。
而本文之所以主要论述PMSM的原因就是在于BLDCM的转矩脉动和铁心损耗都较大,在低速直接驱动的应用场合中,PMSM的性能比BLDCM要电动机优越得多,所以尽管BLDCM比PMSM控制简单,成本低,检测简单,但很显然PMSM的性价比更高。
1.3永磁同步电机的控制方式简介
我们知道电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的,由于其中直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°可以独立调节;但是交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直,只是互相影响。
因此交流电动机的转矩控制性能较差。
目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制和解耦控制,恒压频比控制是利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压进行控制,控制方式简单但是精确度不高,要高的精确度就要解耦;矢量控制是将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量,使这两个分量相互垂直,独立,然后分别进行调节,就可以以获得像直流电动机一样良好的动态特性。
但是这种方法调节、控制和计算都不方便。
需进行复杂的坐标变换,当然这在matlab的强悍处理能力下得到这些很容易;矢量控制对电动机参数的依赖性很大;直接转矩控制采取定子磁链定向的方法,利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节,具有结构简单,转矩响应快等优点。
看起来非常好,但是这种技术还不成熟在好多方面不能达到相应的要求,计算量也很大。
1.4永磁同步电机的发展前景
对永磁同步电机有了一定的了解后,我们会发现今后的永磁同步电机领域会有很大的成长空间和价值,首先就是永磁同步电机它有更高的综合节能效果:
永磁同步电动机无需励磁电流进行激磁,直接由永磁体激磁,所以可以显著提高功率因数,可以达到1甚至达到容性;而且它的定子电流小,所以其定子铜耗当然小;而且转子是无铜耗的而三相异步电动机的转子绕组损耗却大约约占去了总损耗的20~30%,因而永磁同步电机的发热量低,甚至都可以不需要风扇来散热,无风摩耗也就不高,这样方方面面的叠加起来后永磁同步电动机一般就比同规格异步电动机效率要高出2~8%,并且在很宽的负载变动范围内始终保持有高的效率及功率因数,尤其是在轻载运行时节能效果更佳。
很明显这符合国家的节约型社会的方针。
其次永磁同步电机可满足一些大型的工业应用,例如在一些需大的起动转矩和最大转矩倍数的特殊场合,然而常规异步电动机的起动转矩倍数和最大转矩倍数会达不到要求,若要达到要求,则需选择更大容量的异步电动机,而回归到了正常运行状态后,异步电动机就又在轻载运行了,效率和功率因数就会显得低。
当设计为油田抽油机具有异步起动能力的永磁同步电动机时,起动转矩倍数有3.6倍以上,而效率可达94%,功率因数有0.95,可以看出此种电机又满足了负载动态时大转矩的要求,又具有很高的节能效果。
然后永磁同步电机还可以满足低速直接驱动的要求,因为低速直接驱动可以提高控制的精度,可以减小电机振动的噪声,还可以大转矩驱动的需求,所以近年对低速电动机的需求也日益增加,对电机的控制要求也日益精确,像那种于电梯拖动的永磁同步曳引机的转矩提高了十几倍,而且没有了庞大的齿轮箱,直接通过曳引轮拖动轿厢,这使得振动和噪声都明显减小了,使得电梯更平稳更有安全感。
永磁同步电机还可以满足多极高功率因数的需求,随着人们对永磁同步电机的关注度越来越高,所以永磁同步电动机的应用范围越来越广,包括了多极电机。
多极电机定、转子铁心轭部高度非常小,电机体积小,铁心材料用量就节约了许多。
多极电机的定子端部长度也比较小,定子铜耗也就小了,发热也就减少了、效率也就提高了。
对于高功率密度的需求永磁同步电机也可以满足。
舰船、车辆的电机空间有限,电动机就要有高功率密度、高转矩密度;而永磁同步电动机无需激磁绕组省下了大量的空间,而永磁同步电机中的钕铁硼材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力,可以提供很高的磁负荷Bδ,缩小电机尺寸。
传统电机的齿槽结构约束着磁负荷和电负荷,过高的磁负荷将减小放置绕组的空间,阻碍高功率密度的实现,由于永磁同步电动机比异步电动机更容易实现磁场矢量控制,因此近年来永磁同步伺服电动机系统在高精度数控机床、机器人等高科技设备中应用广泛。
并且我国稀土资源非常丰富,是世界其它各国储量的4倍,而稀土材料是永磁材料的主要成分,由此我想中国之所以五千年的文化可以连绵不绝,文字象形写意,而不是一些字母靠着逻辑关系表达意思,和中国的资源丰富有很大的关系,或者这就是风水好吧。
我国稀土资源的优势,足以大力推动永磁同步电动机系统的应用和研究,对节能和现代化是具有重大战略意义的。
1.5主要内容
SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法,是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波,能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。
空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同,它是从三相输出电压的整体效果出发,着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。
本课题拟研究三电平SVPWM的研究及MATLAB建模仿真建模。
第2章空间脉宽矢量调节技术SVPWM
2.1空间脉宽矢量调节技术SVPWM的发展简况
1971年德国西门子公司的F.Blaschke提出矢量控制原理,而后人们在其理论应用方面进行了深入研究。
在1981年西门子公司研制了世界第一台4220KW交流变频同步电机调速系统[1]。
而在1983年钕铁硼永磁材料研发出来后,因其优秀的磁特性,低廉的成本和充足的能量来源而使各工业国对永磁电机投入了大量精力研发,因而永磁同步电机的控制调速技术理论体系发展一日千里,包括空间脉宽调制SVPWM技术。
2.2空间脉宽矢量调节技术SVPWM介绍
这个世界唯一不变的就是变,所以变化的磁场能产生变化的力和变化的点若是利用得好,就可以产生规律的可利用的电流;而空间脉宽调制SVPWM技术就是一种能够很好的控制永磁同步电机的旋转磁场;其原理如下:
SVPWM理论基础是平均值等效原理,即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。
在某个时刻,电压矢量旋转到某个区域中,可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。
两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加,从而控制各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转,通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆,并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM波形[2]。
逆变电路如图2-1示。
设直流母线侧电压为Udc,逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC,其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上,可以定义三个电压空间矢量UA(t)、UB(t)、UC(t),它们的方向始终在各相的轴线上,而大小则随时间按正弦规律做变化,时间相位互差120°。
假设Um为相电压有效值,f为电源频率,则有:
(2-1)
其中,
,则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)就可以表示为:
(2-2)
可见U(t)是一个旋转的空间矢量,它的幅值为相电压峰值的1.5倍,Um为相电压峰值,且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量,而空间矢量U(t)在三相坐标轴(a,b,c)上的投影就是对称的三相正弦量[3]。
图2-1逆变电路
由于逆变器三相桥臂共有6个开关管,为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量,特定义开关函数
为:
(2-3)
(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个,包括6个非零矢量U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量U0(000)、U7(111)。
各种组合下的空间电压矢量[4]列表如下:
表2-1开关状态与相电压和线电压的对应关系
Sa
Sb
Sc
矢量符号
线电压
相电压
Uab
Ubc
Uca
UaN
UbN
UcN
0
0
0
U0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
U4
Udc
0
0
1
1
0
U6
Udc
Udc
0
0
1
0
U2
0
Udc
Udc
0
1
1
U3
0
Udc
Udc
0
0
1
U1
0
0
Udc
1
0
1
U5
Udc
0
Udc
1
1
1
U7
0
0
0
0
0
0
图2-2八个电压矢量图
其中非零矢量的幅值相同(模长为2Udc/3),相邻的矢量间隔60°,而两个零矢量幅值为零,位于中心。
在每一个扇区,选择相邻的两个电压矢量以及零矢量,按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量,即:
(2-4)
或者等效成下式:
(2-5)
其中,Uref为期望电压矢量;T为采样周期;Tx、Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间;其中U0包括了U0和U7两个零矢量。
式(2-5)的意义是,矢量Uref在T时间内所产生的积分效果值和Ux、Uy、U0分别在时间Tx、Ty、T0内产生的积分效果相加总和值相同[5]。
由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压,其旋转速度是输入电源角频率,等效旋转电压的轨迹将是如图所示的圆形。
所以要产生三相正弦波电压,可以利用以上电压向量合成的技术,在电压空间向量上,将设定的电压向量由U4(100)位置开始,每一次增加一个小增量,每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成,如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量,从而达到电压空间向量脉宽调制的目的[6]。
2.3空间矢量脉宽调制SVPWM法则推导过程
三相电压给定所合成的电压向量旋转角速度为
,旋转一周所需的时间为
;若载波频率是
,则频率比为
。
这样将电压旋转平面等切割成
个小增量[7],亦即设定电压向量每次增量的角度是:
g=
(2-6)
假设欲合成的电压向量Uref在第Ⅰ区中第一个增量的位置,如图下图所示,欲用U4、U6、U0及U7合成,用平均值等效可得:
(2-7)
图2-3电压空间向量在第I区的合成与分解
在两相静止参考坐标系(α,β)中,令Uref和U4间的夹角是θ,由正弦定理可得:
(2-8)
因为|U4|=|U6|=2Udc/3,所以可以得到各矢量的状态保持时间为:
(2-9)
式中m为SVPWM调制系数,
。
[7](调制比=调制波基波峰值/载波基波峰值)。
而零电压向量所分配的时间为:
T7=T0=(TS-T4-T6)/2(2-10)
或
T7=(TS-T4-T6)(2-11)
得到以U4、U6、U7及U0合成的Uref的时间后,接下来就是如何产生实际的脉宽调制波形。
在SVPWM调制方案中,零矢量的选择是最具灵活性的,适当选择零矢量,可最大限度地减少开关次数,尽可能避免在负载电流较大的时刻的开关动作,最大限度地减少开关损耗。
一个开关周期中空间矢量按分时方式发生作用,在时间上构成一个空间矢量的序列,空间矢量的序列组织方式有多种[8],按照空间矢量的对称性分类,可分为两相开关换流与三相开关换流。
下面对常用的序列做分别介绍。
2.3.1空间矢量脉宽调制7段式
以减少开关次数为目标,将基本矢量作用顺序的分配原则选定为:
在每次开关状态转换时,只改变其中一相的开关状态。
并且对零矢量在时间上进行了平均分配,以使产生的PWM对称,从而有效地降低PWM的谐波分量。
当U4(100)切换至U0(000)时,只需改变A相上下一对切换开关,若由U4(100)切换至U7(111)则需改变B、C相上下两对切换开关,增加了一倍的切换损失。
因此要改变电压向量U4(100)、U2(010)、U1(001)的大小,需配合零电压向量U0(000),而要改变U6(110)、U3(011)、U5(100),需配合零电压向量U7(111)。
这样通过在不同区间[9]内安排不同的开关切换顺序,就可以获得对称的输出波形。
2.3.2空间矢量脉宽调制5段式
对7段而言,发波对称,谐波含量较小,但是每个开关周期有6次开关切换,为了进一步减少开关次数,采用每相开关在每个扇区状态维持不变的序列安排,使得每个开关周期只有3次开关切换,但是会增大谐波含量。
2.4扇区判断
空间矢量调制的第一步是判断由Uα和Uβ所决定的空间电压矢(Uref)量所处的扇区。
假定合成的电压矢量落在第I扇区,可知其等价条件如下:
0 以上等价条件再结合矢量图几何关系分析,可以判断出合成电压矢量。 表2-2Uref落在第X扇区的充分必要条件,得出下表: 扇区 落在此扇区的充要条件 I Uα>0,Uβ>0且Uβ/Uα< Ⅱ Uα>0,且Uβ/|Uα|> Ⅲ Uα<0,Uβ>0且-Uβ/Uα< Ⅳ Uα<0,Uβ<0且Uβ/Uα< Ⅴ Uβ<0且-Uβ/|Uα|> Ⅵ Uα>0,Uβ<0且-Uβ/Uα< 若进一步分析以上的条件,有可看出参考电压矢量Uref所在的扇区完全由Uβ, Uα-Uβ,- Uα-Uβ三式决定,因此令: (2-12) 再定义,若U1>0,则A=1,否则A=0;若U2>0,则B=1,否则B=0;若U3>0,则C=1,否则C=0。 可以看出A,B,C之间共有八种组合,但由判断扇区的公式可知A,B,C不会同时为1或同时为0,所以实际的组合是六种,A,B,C组合取不同的值对应着不同的扇区,并且是一一对应的,因此完全可以由A,B,C的组合判断所在的扇区。 为区别六种状态,令N=4*C+2*B+A,则可以通过下表计算参考电压矢量Uref所在的扇区。 表2-3N值与扇区对应关系表 N 3 1 5 4 6 2 扇区号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 采用上述方法,只需经过简单的加减及逻辑运算即可确定所在的扇区,对于提高系统的响应速度和进行仿真都是很有意义的。 2.5本章小结 空间脉宽矢量控制以纯数学的角度来研究的话就是有这么复杂。 各种矩阵变化,各种公式这就留给那些精英人士去讨论吧。 本章详细表达了空间脉宽矢量调节的原理和方法,经过这样的转化变化后就可以通过空间矢量脉宽调制技术来控制永磁电机了。 虽然过程有点复杂,但是它的控制效果不会差。 在下章的MATLAB中就可以由软件自动完成这一过程,就
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- 电平 SVPWM 研究 及其 仿真