一种磁链轨迹跟踪的PWM方法及其特性分析(2013年)资源-CSDN文库

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第

卷第

期

2013

年

月

电机与控制学报

ELECTRIC

MACHINES

AND

CONTROL

l. 17

No.6

June 2013

一种磁链轨迹跟踪的

PWM

方法及其特性分析

吴德会，

柳振凉，

夏晓吴，

张忠远

(厦门大学机电工程系，福建厦门

361005)

摘

要:提出一种基于磁链轨迹跟踪策略的电动机变频调速方法。该方法不通过空间也压矢量的

合成，而直接通过实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆轨迹，再由跟踪的结果决定逆变器的开关状态模

式，从而实现，对脉冲宽度调制

(PWM)

波的调制输出。对该方法的基本原理进行推导，给出具体的

控制策略，并对其产生的

PWM

波形特性进行系统分析。仿真及物理实验结果表明，该方法幅度调

制比可达到

，电压利用率与空间矢量脉宽调制

(SVPWM)

方法相同，比正弦波脉宽调制

(SPWM)

提高

15.47%

;同时验证了其跟踪误差上限的存在性，为进一步分析该方法精确度提供了定量依

据。该方法为变频调速的底层实现提供了另一种可行的途径。

关键词:磁链;轨迹跟踪;逆变器;电压利用率;脉冲宽度调制

中固分类号;

242;

273

文献标志码

文章编号;

∞

'7-449X(2013

)06-0107-10

PWM

method

ux linkage trajectory tracking and

analysis

its characteristics

De-hui

LIU

Zhen-lia

吨

XIA

Xiao-hao

ZHANG

Zhong-yuan

(Department

Electronic

Mechanical

Engineeri

吨，

Xiarnen

University

Xiarnen

361005

China)

Abstract:

A frequency control underlying implementation of induction motor was suggested based on flux

linkage

哉

jectory

tracking.

changing the operate mode of inverter, the actual flux linkage was pro-

duced

tracking the reference flux linkage circle , and the corresponding pulse width modulation

( PWM) waveform was also generated.

e basic theoretical computing equation was deduced, a specific

control strategy was suggested

, and the characteristics of the

PWM

waveform generated was analyzed.

Simulations and experimental results

show

出

the modulation index is up to 1 , and the voltage utilization

same as SVPWM , while

15.47%

higher than SPWM. Furthermore , the existence of error upper limit

was verified

, which provides a quantitative basis for further analysis of the accuracy.

Key

words:

flux linkage;

traject

。可

tracking;

inverter; voltage utilization; pulse width modulation

。

号|

-昌

电子器件构成变频器

[1)

使用脉冲宽度调制(

pulse

width modulation

PWM)

方法产生电压幅值及频率

可变驱动电源

[2)

。目前，基于空间矢量的磁场定向

在现代变压变频调速中，通常使用全控型电力

收稿日期:

2012

-11 -23

基金项目:国家自然科学基金

(51177141)

;福建省自然科学基金

(20IOJ013IO)

;中央高校基本科研业务项目

(0620ZK1007

)

作者简介:吴德会(1

975

一)

，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电气工程及机电装备;

柳振凉(1

988

一)

，男，硕士研究生，研究方向为有限元分析、机电工程;

夏晓吴

(1987

一)

，男，硕士研究生，研究方向为无损检测、控制工程;

张忠远(1

988

一)

，男，硕士研究生，研究方向为元损检测、机电工程。

通讯作者:吴德会

108

电机与控制学报

第

卷

控制

(field

- oriented control,

FOC)

[3]

、直接转矩控

制

( direct torque control , DTC)

[4]

等己经成为交流驱

动的主要研究方向，他们都力求使交流电机的控制

性能接近或达到线性效果

[5]

。这些热点研究主要

是集中在变频调速的上层控制方式，但在变频调速

的底层实现方式上，其手段主要分为两大类

[6]

即

正弦波脉冲宽度调制法

(sinusoidal

pulse width mod-

ulation

SPWM)

与磁链跟踪型

PWM

法

[7]

。

正弦波

PWM

法是从供电电源的角度出发，着

眼于如何产生一个调频调压的三相对称正弦波电

源，其典型的作法是让一个基准正弦波与载波三角

波相交，由二者的交点决定出变频器的开关模式，形

成

SPWM

波。其他多种

PWM

方法，只要是从获得

三相对称的正弦波电源着眼的，一般均可以认为是

SPWM

的派生实现

[8]

。磁链跟踪型

PWM

法，则是

从电机本身的角度出发，着眼于是如何使电机获得

一个圆磁场。目前该类方法主要是利用逆变器开关

模式组合成期望的空间电压矢量，再由该电压矢量

使电机定子磁链按圆形轨迹移动。这是一种通过电

压矢量作用的间接磁链跟踪策略，空间矢量脉宽调

制

(space

vector PWM ,

SVPWM)

就是此类方法的典

型案例

[9]

。

那么，在变频调速的底层实现层面，是否也可以

不考虑空间电压矢量的合成，而直接通过逆变器开

关状态在电机定子上产生的磁链来逼近圆形轨迹?

从原理上看，这是一种用电机定子实际磁链矢量来

跟踪基准磁链圆轨迹，由跟踪的结果决定逆变器的

开关状态模式，从而形成

PWM

波的策略，因此称之

为直接磁链轨迹跟踪策略[叫。

目前关于磁链跟踪

PWM

控制的相关研究，其

实现层面多是采用空间电压矢量合成的间接跟踪策

略，而直接利用逆变器开关状态对基准磁链圆进行

跟踪的研究还比较鲜见[

11]

。本文就基准磁链圆跟

踪的原理进行推导，给出眼踪具体实施步骤，并就磁

链轨迹跟踪策略生成

PWM

波的特性进行系统分

析;通过硬件实验来验证所提方法的有效性和可

行性。

磁链轨迹跟踪原理

1.1

基本思路

三相

U-v-

轴系对称的正弦参考电压

ref

通常满足

ref

=Ji

叫叶[卡仆

[

cos

∞

叫

0ωs

(1)

式中

为参考相电压的有效值

;/为频率。

不妨设电机负载的磁链模型为/(

)，若将该

参考电压

ref

作用于电机负载，则在电机定子内部

产生的参考磁链

为

=/(

ref)

0 ( 2 )

典型的逆变器结构如图

所示[口]。图中，负载

为星形连接的异步电机(三相对称感性)负载

，

为

直流侧母线电压

，

为

个功率开关器件。与

SVPWM

方法类似，引人开关函数

、

和

来分

别代表逆变器中

个桥臂的开关状态，并记上桥臂

导通且下桥臂关断为

状态，反之为

状态。

个

桥臂

、

和

进行状态组合可形成

个基本工

作状态矢量，记为

。这里

称为状态标记符，简

记为

000

(或

111

)、

100

、

110

、

010

、

011

、

001

和

101

。

其中，

000

和

111

状态被视为同一种状态，统称为零

矢量，其他

种状态矢量称为非零矢量。

图

三相逆变结构示意固

Fig. 1 A schematic structural

view

of three-phase inverter

很明显，三相逆变器实际输出

PWM

电压矢量

OUI

[矶

，

UwJ

是状态矢量

的函数，记

OUI

U(r)

，

由式

(2)

可知，将

out

作用于电机负载产

生实际磁链

=/(

U(r))

。

假设逆变器当前的状态矢量为

，

并保持该状

态在采样周期

Ât

内不变。那么在该时间段内，电机

负载实际磁链

的增量

Aψ

可表示为

￠

=jf;;L

〕

44yA

缸

式中

，

m(r)

为逆变器状态

的函数，称为磁链增量

模型。

由

)可知，若逆变器采样周期

Ât

固定，则电

机负载实际磁链增量

fP仅与逆变器状态

有关。

通过对逆变器状态

的选择可使电机负载的磁链

增量

唱。在一定范围内变化。

理想的正弦参考电压

，" f

在电机负载内部产生

参考磁链

，如果通过连续的一组逆变器开关模式，

使负载电机产生的实际磁链

接近参考磁链

，那

么此时逆变器的

PWM

输出

叫就达到与

ref

相当

的效果。基于上述思路，本文提出一种磁链轨迹跟

踪的

PWM

生成方法，就是以参考磁链

为基准，通

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