基于SVPWM的異步電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)研究與仿真

引言

在交流電機(jī)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(jī)視為一體，控制電機(jī)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(dòng)機(jī)的諧波耗損，降低了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。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(duì)仿真中的關(guān)鍵問題和仿真結(jié)果進(jìn)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(jì)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(hào)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(gè)仿真模型主要由電機(jī)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(shí)際系統(tǒng)，仿真模型中的電機(jī)和逆變器模型采用matlab/simulink中simpowersystems模塊中的模型，相當(dāng)于實(shí)際系統(tǒng)中的硬件部分。而其他模型是利用simulink中各個(gè)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(shí)際系統(tǒng)中可以利用軟件實(shí)現(xiàn)。

位置、轉(zhuǎn)速及電流pi調(diào)節(jié)器

在系統(tǒng)中有四個(gè)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(lì)磁電流pi調(diào)節(jié)器。這四個(gè)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(jī)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(jī)能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)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(gè)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(shí)的難點(diǎn)。因?yàn)樗膫€(gè)pi調(diào)節(jié)器是相互關(guān)聯(lián)的任何一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)的變化都會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。對(duì)于這四個(gè)pi控制器參數(shù)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)非常重要，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定四個(gè)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(duì)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?yàn)橄韧猸h(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(shí)驗(yàn)中，通過反復(fù)的調(diào)試，最后得到的各個(gè)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(lì)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(hào)，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(jì)算功率器件導(dǎo)通時(shí)間，再由區(qū)間信號(hào)及導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生的svpwm脈沖信號(hào)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(jī)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(jī)極對(duì)數(shù)p=2，電機(jī)額定功率pn=4kw，轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)載情況下，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性，能很快達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，也證明本文中設(shè)計(jì)的位置伺服矢量控制系統(tǒng)的可行性。