三相异步电机的矢量控制系统

VOL. 38 NO. 3MAY 2018

2018年5月JOURNAL OF HUBEI ENGINEERING UNIVERSITY

三相异步电机的矢量控制系统

李瑾

(南昌工程学院机械与电气工程学院，江西南昌330099)

摘要：在分析矢量控制原理的基础上，基于转子磁场定向矢量控制，提出了 一种以TMS320LF2407A型

DSP为控制核心，利用SVPWM技术构成的异步电机矢量控制系统，给出了系统的硬件结构框图。用MAT- LAB 软件对该 矢量控制系统进行仿真实验，结果表明，采用 本文所用的控制策略控制效果较好， 完全能够使异 步电机获得跟直流电机同样优良的调速性能。

关键词：异步电机；矢fi控制；转子磁场定向；仿真中图分类号：TM343.2

文献标志码：A

文章编号：2095 -4824(2018)03-0085-03

交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强 耦合的多变fi系统，对它的转速控制不如直流电 机那样方便，本文给出了一个按转子磁场定向的 异步电机矢量控制系统，在电机的转矩控制中应 用矢S控制技术，并用SVFWM技术来减小电流谐 波，使异步电机的调速性能跟直流电机一样优良。

2坐标变换公式

坐标变换必须保证变换前后系统屮由电流所

产生的旋转磁动势以及电动机的功率不变。

(i) 3s/2s 变换la

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1矢量控制策略

矢量控制的基本思想是把异步电机的定子三

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(1)

(ii) 2s/2r 变换

相电流经坐标变换，得到两个直流111流，进而按照 直流电机的控制方法来实现磁场和转矩的独立控 制，再由直流电机的控制M经坐标反变换，实现对 异步电机磁场和转速的解耦控制[1]。常用的矢量 控制策略有按转子磁场定向，定子磁场定向和气 隙磁场定向，由于对磁链的观测在采用转子磁场 定向方式时比后两种方式要简单得多，不耑专门 的解耦器就能实现电流的励磁分量和转矩分量的 完全解耦[2]，因此本文采用转子磁场定向的矢量 控制策略，即将旋转坐标系的M轴定向于转子磁 通必方向上，则转子磁通0,.的T轴分fi等于0。 如果保持氓不变，则有转矩正比于定子电流的T 轴分量（转矩分量），砍仅受定子电流的M轴分

S(励磁分fi)控制。

⑵

式中：0,为MT两相旋转坐标系中M轴与ct|3两 相静止坐标系中a轴间的夹角。

3矢量控制的实现

矢fi控制系统主电路采用SVPWM型逆变

器，将SVPWM调制波信号送到逆变电路中功率 器件IGBT的栅极以控制它们的导通和关断状 态。SVPWM控制技术是以保证被控电机获得圆 形旋转磁场为着眼点，具体实现方法是通过对逆 变器中功率器件的开通和关断状态进行正确切换 所产生的磁链矢量来追踪理想磁链IM1。跟SPWM

收稿日期：2018-03_20

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51667015)作者简介：李

瑾（1974-),女，湖北武汉人，南昌工程学院机械与电气工程学院副教授，硕士。

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李瑾

技术相比，采用SVPWM技术能使直流电压利用 率提高大约15 %、功率器件的切换次数减少约 30%，且能够得到更优的电流谐波抑制效果[3]。

图1是系统的硬件结构框图，其主电路采用 交一直交电压型变频器，包括整流电路、滤波环 节

和

IGBT

逆变器。控制部分以

TMS320LF2407A型DSP控制器为核心，由于该

芯片引脚多，不易焊接，这里采用合众达公司的 2407A简易开发板—

EVM板。DSP负责整个

系统的控制和具体的箅法实现，如各相电压、电流 的采样，根据采样得到的数据计算电机的转速和 位置，运用矢量控制算法得到六路SVPWM波 形，经光耦隔离后控制逆变器中的开关器件1GBT 等。检测环节包括电流、直流母线电压、转速的检 测，其中检测到的电压与电流信号送到

TMS320LF2407A的A/D转换模块，转速信号

(光电编码器的输出脉冲）送到2407A内部EV模 块中的QEP电路。利用该高性能的2407A芯 片，使控制系统中的复杂控制算法可以顺利地实 时执行，从而确保系统控制达到精度要求。

图丨系统硬件结构框图

4系统仿真实验

运用Matlab/Simulink软件，按照先SVP-

WM模块再整个矢S控制系统的顺序进行建模

和仿真，具体如下：4.1 SVPWM 模块

SVPWM模块包括期望的电压矢S所在扇区

的确定，基本电压矢燈作用时间计算，开关切换时 间计算，SVPWM波形生成共四个子模块，SVP-

WM仿真模型如图2所示。

运用该SVPWM模块对SVPWM调制波进

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图2 SVPWM仿真模型

行仿真，将频率50 Hz,电压有效值为220 V的三 相交流电经3s/2s变换后输人图2所示的SVP-

WM模块。设置PWM周期TPWM 0.0001 s,

直流母线电压VDC= 540 V，图3和图4分别是 两相参考电压U„、UP与开关切换时间Tc^hTw、

的波形。

图3两相参考电压波形

图4

开关切换时间波形

两相参考电压A和由三相线电压经过

3s/2sS换得到，从图3可看出U■和Uti都是频 率为50 Hz的正弦波。图4中开关切换时间

TOTl，T^，Tw都是正常的三相马鞍波，其幅值为

采样周期TPWM的1/2,表明本文中建立的

SVPW M模块及其控制方法是正确可行的。

4.2系统仿真

对整个矢S控制系统进行仿真实验，设置异

三相异步电机的矢量控制系统

步电机参数如F:额定功率150 W,额定电压380

V，额定转速 1420 r/min, cos电机空载起动，在t = 1 s时突加额定负载，所得定 子A相电流的波形如图5所示。由图5可见，在

t = 0.1~l s电机空载时的稳定运行阶段，定子电

流有效值约0. 18 A，等于额定电流0.34 A的 0.53倍，可见空载电流在合理范围内。t=l s时 加额定负载，达到稳态时，k的有效值约0.32 A, 与额定值近似相等。

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图5

定子A相电流波形

电机空载时，初始给定转速为1300 r/min,在 ().5s时转速给定突变为8()0 r/min,图6和图7分 别是得到的电机转速和电磁转矩的仿真波形。

图6中，电机转速的波形平滑，响应非常快，转 速能在0.05 s内从初始给定值1300 r/min降到新 的给定值，B|I 800 r/min,并稳定在800 r/min。

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时间/秒

图6

转速波形（给定转速突变）

从图7可看出电机起动转矩约1.7 N • m，等 于额定转矩值的1.7倍，可见起动转矩也在合理 范围内，而且在给定转速突变之后又重新稳定时 电机电磁转矩的稳态值几乎无变化。

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时间/秒

图7

电磁转矩波形（给定转速突变）

由以上仿真结果看出，该系统能够实现磁通

和转矩的完全独立控制，动态响应非常快，具有较

好的控制效果。

5 结语

本文给出了一个以2407A型DSP为控制核 心，基于转子磁场定向矢S控制策略，利用SVP-

W M技术构成的异步电机矢量控制系统，仿真实

验得到的波形表明，采用本文所述的控制策略可 使异步电机获得跟直流电机同样优良的性能。

f参考文献―

r 1 ]

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黄少瑞，郝润科，朱军，等.基于DSP的异步电机 SVPWM控制技术实现[J].电气自动化，2010, 32 i(5) ： 19 _ 22 -

(责任编辑：熊文涛)

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