永磁同步电机数字式变频调速系统设计

杨川，张利国

（重庆机电职业技术大学，重庆璧山，402760）

0 引言

在过去的几十年里, PWM已经被广泛的研究。在文献中,已经研发和使用许多不同的PWM技术；其线性调制范围广，开关损耗小，开关波形的频谱总谐波失真（THD）低，易于实现和计算时间更短等已经取得成功。过去，大多数应用中基于载波的PWM方法已被广泛使用。最早的载波PWM调制信号是正弦波。然而，对于正弦三相PWM,相间电压的线性调制范围不能延长。为了克服这个限制，非正弦载波PWM方法，已经出现了采用零序信号的方法。SPWM是一种非正弦载波PWM方法，采用空间矢量的概念来计算开关的占空比而且它是三相PWM转换器最重要方法之一。随着微控制器的发展，易于数字实现和输出相间电压空间矢量的线性调制范围是值得注意的特性。微控制器和数字信号处理器相比于以前的模拟域的使用正在逐渐增长。随着他们的功能的持续增长，通过在单一芯片上集成更多外围设备。他们去取代模拟设计将成为一个可行的选择。以前使用模拟技术控制的产品是单相逆变器，但是当今由于微控制器和数字信号处理器的优点，它有转变为数字技术的趋势。

1 方案设计

本方案设计的永磁同步电机变频调速系统以盛群公司的HT32F1765单片机为控制核心，实现永磁同步电机的变频控制。整个控制系统的硬件电路包括电源模块、控制器模块、功率控制模块[1]。具体结构框图如图1所示。AC220经过整流电路后变为318V的直流电；再经过三相逆变电路逆变为三相交流电给永磁同步电机进行供电；采用单片机HT32F1765对整流电路的输出进行实时采样；三相逆变电路驱动信号由单片机经过隔离驱动模块后送给逆变桥；当电机运行时实时对电机进行电流采样，并且采用霍尔对永磁同步电机进行测量速度信息，以便于能够精确控制；显示模块分别对整流输出电压、电机运行电流、电机转速进行显示；按键可以控制电机转速。

图1 系统框图设计

2 三相逆变电路设计

三相功率变换器被广泛的应用在工业领域。运用它的主要是基于电力半导体的通断。而这就造成它会给供电系统和转换器的输出引入电流和电压谐波。本三逆变电路为电压型三相逆变电路，在直流侧，通过三个串联的电容来保证电压是稳定不变的，用于抵抗实际的电压。在转换器的另一侧，有6个电力开关管，它们每一个都并联一个二极管，这样做得目的是因为由于自身存在极间电容，每次电力开关管的导通后，都会为极间电容进行充电，当开关管断开时，可能会由于极间电容里的电将电力开关管损坏，因此需要为开关管反向并联上一个续流二极管，以此来保护电力开关管。通过控制这6个电力开关管的导通顺序就能实现相位相差120°的三相交流电。而且通过调制生成的交流电比直流电峰值限制得更少[2]。在这个电路中，SPWM和SVPWM这两种调制技术都会被用到。

3 SPWM控制设计

SPWM调制由调制信号和载波信号组成。PWM的运算被分成两种模式。

(1)线性模式：在线性模式中，调制信号的峰值小于等于载波信号的峰值。当载波信号频率大于20倍调制信号频率，SPWM的增益值G=1。

(2)非线性模式：当调制信号峰值大于载波信号峰值，当出现超调时G<1。六步模式标志着非线性模式的结束。增加了开关波形总谐波失真的输出。

如图2所示为三相PWM逆变器的电路。通常它采用的是双极控制方式。A,B,C三相的PWM通常被相同的三角载波信号Vc控制，而且它们的调制波信号Vs1, Vs2, Vs3总是相差120度。A,B,C三相的功率开关器件的控制采用的是同样的方式。假如这些开关器件都是理想器件，然后以A相为例。如果Vs1>Vc,一个关断信号被传送到上桥臂的开关器件S1，而且一个导通信号被送到下桥臂的开关器件S4，输出电压即为A相电压，相对于直流电流理想的中性点O ，VA0等于Vd/2。如果Vs1

图2 三相逆变电路

图3 逆变器的参考电压和载波电压，开关信号，输出信号

4 SVPWM控制设计

SVPWM与SPWM的原理和来源有很大不同，但是它们却是殊途同归的。SPWM由三角波与正弦波调制而成，而SVPWM却可以看作由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成[4]。SVPWM可以分为以下几个部分：

(1)扇区判断：根据永磁同步电机的原理可以知道它的转子是永磁体，三相定子对称分布，在空间上互差120°，且采用的是Y型接法。在定子中产生一个大小恒定的旋转磁场带动转子连续旋转。将这个旋转磁场分为6个扇区，不同的扇区对应不同的值。

A、B、C定义如下：

若Uref1>0,则A = 1，否则为0；

若Uref2>0,则B = 1，否则为0；

若Uref3>0,则C = 1，否则为0；

令N=4C+2B + A,则可以得出扇区N的位置。

(2)各扇区各矢量的作用时间：分析扇区I矢量关系，扇区矢量作用时长是固定等分圆周，假设母线电压为Udc，采样周期为Ts，矢量U4、U6和零矢量的作用时间T4、T6和T0可以根据一下公示很容易的计算出来。

得出各扇区中T4和T6分别作用时间。

(3)根据作用时长合成SVPWM波：得到了各扇区中的矢量作用时长后，再算出PWM的比较值。

在上式中Ta、Tb、Tc分别是相应的比较值，而不同扇区的比较值不同分配如表1所示。

表1 不同扇区比较值分配表

5 测试结果

如图4所示，这个执行系统的结果是20V直流电源电压，10kHz的SVPWM开关频率采用心形连接的RL负载（(R=47ohm, L=1.2mH）在图中给出。

图4 10kHz仿真结果

6 结语

随着电力电子技术的发展，数字控制是电机控制技术发展的必然趋势，为电机控制而专门设计的DSP、单片机等微控制器已逐渐地成为实现电机数字化控制的有力工具。目前，由于这些专用的芯片的推出使得交流调速逐步打破直流调速占据统治地位。现在异步电机的控制以SPWM控制和SVPWM控制为主，相对于矢量控制需要进行坐标转换等一系列的复杂运算，SPWM的控制较为简单，容易实现，并且异步电机在交流调速中越来越成熟，并在高频变频领域占主导地位。因此，对SPWM控制技术的研究具有非常重要的意义。