基于空間矢量脈寬調(diào)制方法的自控式永磁同步電動機控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)
王禮鵬， 張化光， 侯利民， 劉秀種， 韓杰
（東北大學(xué)信息與科學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽11 0004）
摘要：研究了永磁同步電動機( pmsm)的特點，主要對空間矢量脈寬嗣制(svpwm)方法進行了理論研究和數(shù)字化實現(xiàn)，并把該調(diào)制方法應(yīng)用到22 kw的面貼式pmsm的調(diào)速控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用h=0的控制方式，理論分析及試驗表明，svpwm算法易于數(shù)字化實現(xiàn)，應(yīng)用到pmsm的控制系統(tǒng)中，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)和調(diào)速性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；空間矢量脈寬調(diào)制；數(shù)字信號處理器
中圖分類號：tm 303. 3：tm 351文獻標志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0032-05
o 引 言
面貼式永磁同步電動機( pmsm)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩／重量比高、轉(zhuǎn)動慣量低、易于維護等特點，目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、航空航天等領(lǐng)域。近年來，隨著永磁材料性能和電力電子器件性價比的不斷提高，微機控制技術(shù)和電機制造工藝的迅猛發(fā)展，以pmsm為動力核心的驅(qū)動系統(tǒng)逐漸受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。本文采用ti公司的電機控制專用芯片dsp2812，采用高性能的靜態(tài)cmos技術(shù)，主頻達150 mhz，使得指令周期縮短為6. 67 ns，提高了控制器的實時控制能力。
在文獻[1-3]的理論基礎(chǔ)上，通過數(shù)字信號處理器(dsp)和硬件電路來完成空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)方法的數(shù)字化實覡，并把該方法應(yīng)用到pmsm的調(diào)速系統(tǒng)中。文獻[4]采用旋轉(zhuǎn)變壓器來計算轉(zhuǎn)子位置角，通過給定子注入已知大小和方向的直流電進行轉(zhuǎn)子初始定位；文獻[5]采用先進行轉(zhuǎn)速開環(huán)控制然后過渡到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的方法。與文獻[4]和文獻[5]比較，該系統(tǒng)采用日本多摩川公司的增量式光電編碼器進行轉(zhuǎn)子初始定位和角度計算，其中u、v、w信號進行轉(zhuǎn)子初始角度估計，a、b、z脈沖信號進行轉(zhuǎn)子角度計算，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，可一次性完成速度閉環(huán)控制。
此外，與傳統(tǒng)的增量式pid控制器不同的是：本文采用了對增量進行限幅的方法，使得起動電流很小，減少了起動時大電流對電機的沖擊，延長了電機的使用壽命。
1svpwm原理及數(shù)字化實現(xiàn)
根據(jù)svpwm的基本原理，首先需要知道參考電壓矢量uref所在的區(qū)間位置，然后利用所在區(qū)間的相鄰兩電壓矢量和零矢量來合成參考電壓矢量。
svpwm算法的基本步驟如下：(1)判斷空間矢量所在的扇區(qū)；(2)計算相鄰兩開關(guān)電壓矢量作用的時間；(3)根據(jù)開關(guān)電壓矢量作用時間合成三相pwm信號。
經(jīng)過理論分析，uref所在扇區(qū)可以根據(jù)uα和uβ來得到，為此定義：
再定義三個變量a、b、c，如果ua >0，則a=1，否則4a=o；如果ub>0，則b=l，否則b=o；如果uc>0，則c=l，否則c=o，空間矢量所在扇區(qū)可表示為：n=4c +2b十a(chǎn)�；臼噶靠臻g分布和切換狀態(tài)如圖l所示。
對于任意的空間矢量uref，假設(shè)位于第ⅲ扇區(qū)，把它沿相鄰兩個空間矢量u4、u6方向分解。根據(jù)平均值等效原理．并按照直流斬波器的pwm方法，設(shè)pwm的周期為t0在，內(nèi)，璣導(dǎo)通的時間為t4，u6導(dǎo)通的時間為t6零矢量的作用時間為t0，可得到式(1):
將參考電壓矢量uref在二維靜止坐標系投影，得到兩個空間矢量uα和uβ，從圖2中可以得到：
從式(2)可以求得：
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