关键词：无速度传感器；空间矢量脉宽调制；矢量控制；数字信号处理器
Abstract: This paper presents a SVPWM control method in speed sensorless vector control system. Ac- cording to that a digital motor drive system based on TMS320F240 is given. Also the improved rotor flux estimation model and the adaptive speed estimation model are built separately. The experiment results with the induction motor prove this control method can achieve better performance.
Key words: speed sensorless; SVPWM; vector control(FOC) ; DSP
1 引言
在异步电机变频调速系统中，为了达到高精度的转速闭环控制及磁场定向的需要，必不可少的要在电机轴上安装速度传感器，使其应用受到工作环境和使用条件等方面的限制，并在一定程度上降低了调速系统的可靠性。因此无速度传感器矢量控制系统由于调速范围宽、速度响应快而成为高性能变频调速领域中最受重视的课题之一。本文从矢量控制理论出发，重点讲述了空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的控制方法，并借助以DSP为核心的调速装置进行了控制实验，取得了令人满意的结果。
2 SVPWM的控制策略
空间电压矢量PWM法以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单，便于DSP实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点。[2]
2．1 SVPWM的基本原理
图1绘出了三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图，为使电机对称工作，必须三相同时供电。如把上桥臂器件导通用“1”表示，下桥臂器件导通用“0”表示，并依ABC相序依次排列，则根据逆变器各桥臂开关状态的不同，可以得到如图2所示的8个基本空间电压矢量。其中非零电压矢量
相位不同的新的空间电压矢量，最终构成一组等幅不同相位的空间电压矢量，从而形成尽可能逼近圆形的旋转磁场。
2．2 SVPWM的控制算法
从图2可看出，通过这些基本的空间矢量可以将整个空间划分成6个扇区。考虑图中所示的参
3 无速度传感器矢量控制系统的构成
系统采用基于转子磁场定向的矢量控制方法，根据上述的控制思想，可得如图3所示的结构框图。该系统采用PI自适应法估计速度，用改进电压型转子磁链模型估算转子磁链，其中ASR、ATR和AΨR均采用PI控制。主回路采用交一直一交电压型逆变器提供电机电压，控制回路以TI公司的DSP(TMS320F240)为核心，并配以驱动、隔离、保护等电路，保证了系统的安全运行。
3．1 转子磁链观测器
转子磁链估算的方法有很多种，从简单准确和易于实现的角度出发，可采用改进的电压型转子磁链的估算模型，其原理如下。
在α-β坐标系下，由定子电压方程和磁链方程可推导出：
实质上此转子磁链观测器是一纯积分器，其优点是：算法简单；算法受电机参数(转子电阻)变化影响小；不需转速信息。但同时也存在缺点：低速时，随着定子电阻压降作用明显，测量误差淹没了反电动势e，使得观测精度降低；纯积分环节的误差积累和漂移问题严重，可能导致系统失稳。为了克服其缺陷，在这种转子磁链观测器中用一阶惯性滤波环节代替反电动势的纯积分环节，而惯性环节
这种算法结构简单，有一定的自适应能力，其结构如图5所示。其中以不含有真实转速的转子磁链方程及坐标变换方程作为参考模型，以含有待辨识转速的PI自适应率作为可调模型，以定子电流转矩分量作为比较输出量，采用比例积分自适应率进行速度估计。
3．3 SVPWM的实现
形。在SVPWM的过程中，为减小功率管的开关及谐波损耗，在确定的空间扇区内，相邻的两个非零基本空间矢量及两个零矢量的触发顺序是惟一确定的。图6是输出空间矢量在扇区3时的PWM波形，当DSP的通用定时器1的计数值与全比较单元值相同时，产生的状态匹配信号进入波形发生单元，经对称PWM发生器、死区单元和逻辑控制单元输出PWM信号。
4 实验结果及结论
图9所示的实验波形验证了该控制方法的有效性，采用SVPWM产生的三相电流的谐波失真小，且当PWM调制频率很高时可明显降低开关损耗，从而获得高精度的调速控制性能，是一种较为理想的矢量控制实现方案。
参考文献
[1] 韩安太。刘峙飞，黄海．DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]．北京：清华大学出版社，2003．
[2] 李永东．交流电机数字控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2002．
[3] Zhou K L and Wang D W. Relationship between SPACe – vector Modulation and Three - phase Cartier - based PWM: A Comprehensive Analysis[J]. IEEE Trans. On Ind. Electr. ,2002,49(1) : 186-196.
[4] Broeck H W V D, Skudelny H - C. Analysis and realization of a pulsewidth modulator based on voltage space vector. IEEE Trans. On Industry Application, 1988,24(1) : 142-149.
[5] TMS320F/C240 DSP Controller Reference Guide[Z]. Texas Instruments, 1999.
[6] Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor Using TMS320F240[Z]. Texas Instruments. 1999.
