基于空間矢量脈寬調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
（東北大學信息與科學工程學院，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)，并把該調制方法應用到22 kw的面貼式pmsm的調速控制系統(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)，應用到pmsm的控制系統(tǒng)中，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應和調速性能。
關鍵詞：永磁同步電動機；空間矢量脈寬調制；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)具有結構簡單、體積小、效率高、轉矩／重量比高、轉動慣量低、易于維護等特點，目前廣泛應用于數(shù)控機床、機器人、航空航天等領域。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，微機控制技術和電機制造工藝的迅猛發(fā)展，以pmsm為動力核心的驅動系統(tǒng)逐漸受到國內外的普遍關注。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，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制(svpwm)方法的數(shù)字化實覡，并把該方法應用到pmsm的調速系統(tǒng)中。文獻[4]采用旋轉變壓器來計算轉子位置角，通過給定子注入已知大小和方向的直流電進行轉子初始定位；文獻[5]采用先進行轉速開環(huán)控制然后過渡到轉速閉環(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子初始定位和角度計算，其中u、v、w信號進行轉子初始角度估計，a、b、z脈沖信號進行轉子角度計算，從而實現(xiàn)轉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)計算相鄰兩開關電壓矢量作用的時間；(3)根據(jù)開關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)。基本矢量空間分布和切換狀態(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pwm的周期為t0在，內，璣導通的時間為t4，u6導通的時間為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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