控制与应用技术ｌ ＥＭＣ矗 电毋乙与控制应用２０１３，４０（３） 基于电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的 异步电动机间接矢量控制 王永杰’， 陈伟华 （１．上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海２０００９３； ２．上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海２０００６３） 摘要：介绍了电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的控制方式，分析了其在电动机矢量控制应用中的优点；结 合异步电动机间接矢量控制的思想，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立了基于电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的 异步电动机间接矢量控制仿真模型。仿真结果表明该调速系统具有优良性能。 关键词：异步电动机；电流滞环跟踪；间接矢量控制：仿真 中图分类号：ＴＭ ３０１．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—６５４０（２０１３）０３－００２０－０４ Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＷＭ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ Ｌｏｏｐ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇｆｉｅ ，ＣＨＥＮ Ｗｅｉｈｕａ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｌｏｏｐ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ，ｂｕｉｌｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｌｏｏｐ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｌｏｏｐ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引 言 矢量控制算法实现了异步电动机转矩和磁通 能不仅受电机转子参数的影响，还受电机定子参 数的影响，导致系统的鲁棒性变差。（２）由于电 动机为感性负载，采用输出电压作为被控量，负载 电流和转矩不能得到快速响应。利用电流滞环跟 踪的电流型ＰＷＭ逆变器可有效克服上述缺点。 的解耦控制，可用来获得高性能的交流调速系统。 其中，转速闭环、磁链开环的间接矢量控制方法结 构简单，磁场定向精度受电机参数影响较小，在很 本文在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下，建立了基于电 流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的异步电动机间接矢 多场合中得到了应用。在设计异步电动机间接矢 量控制系统时，逆变器的类型直接影响到系统的 调速性能，故逆变器类型的选择尤为重要。经常 使用的ＳＰＷＭ电压型逆变器有以下两个缺点： （１）矢量控制方程得到的是电机定子电流的励磁 量控制的仿真模型，结合实际电机参数进行了仿 真，仿真结果验证了该方法的优点。 １ 电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的 分量和转矩分量，为了获得驱动逆变器的脉冲，需 要将相应的电流分量转化为电压分量，转化过程 控制原理及其优点 １．１ 电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的控制原理 中必须要用到电机定子参数，因此调速系统的性 电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器控制原理如图 ２０一 迫币乙．号｝控制应用２０１３．４０（３） １所示。逆变器通过检测负载电流ｉ，并与给定电 流ｉ 比较，获得偏差信号△，，偏差信号经滞环比 较器Ｈ１、Ｈ２，当偏差超过滞环比较器的环宽时， 改变逆变器开关状态，且当ＶＴ１导通时，负载电 流增加，ＶＴ２导通时负载电流下降。 图１ 电流滞环跟踪型逆变器原理 电流和逆变器驱动脉冲波形如图２所示，在ｔ 时刻，ＶＴ１导通、ＶＴ２关断，负载电流增加；到 时 刻，ｉ＞ｉ ＋△，，Ｈｌ输出负电平、Ｈ２输出正电平， ＶＴ１关断、ＶＴ２导通，电流ｉ下降；到ｔ 时刻，ｉ＜ ｉ 一△Ｊ，Ｈ２输出负电平、Ｈｌ输出正电平，ＶＴ２关 断、ＶＴ１导通，负载电流又开始上升。如此周而复 始，逆变器输出电流ｉ将随给定电流ｉ 的波形作锯 齿形变化。滞环控制器的环宽△，越小，逆变器输 出电流跟踪给定的效果就越好，但是逆变器的开关 频率将提高，开关损耗也更大，通常根据给定电流 的大小和控制精度来确定滞环比较器的环宽。 ＶＴ１ 、， ，二二］口［＝］［二］口口亡 图２跟踪控制电流和逆变器脉冲波形 １．２ 电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器的优点 在采用电流滞环跟踪型逆变器的异步电动机 矢量控制系统中，通过２ｒ／３ｓ坐标变换，把控制器 计算好的定子电流励磁分量 和转矩分量 变 换成定子所需三相电流 二 ，并将 三 作为电流跟 踪逆变器的给定量，电机实际定子电流 与其比 控制与应用技术；ＥＭＣＡ 较获得驱动逆变器的脉冲，最后实现定子电流ｉ 。 对 的跟踪，同时也实现了电动机磁通和转矩的 解耦控制。上述过程中不需要将电流量转化为电 压量，因此不会用到电机定子参数，提升了系统的 鲁棒性。同时，采用电流滞环跟踪控制，负载电流 和转矩能得到快速响应，提升了系统的动态性。 ２ 异步电动机的矢量控制方程及系 统结构 ２．１异步电动机的矢量控制方程 矢量控制的思路是以产生相同的旋转磁动势 为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定 子交流电流通过坐标变换等效成两相同步旋转坐 标系（ｄ－ｑ）上的直流电流，并分别加以控制，实现 磁通和转矩的解耦控制，以达到直流电机的控制 效果。在两相同步旋转坐标系下，按转子磁场定 向，可得电动机的矢量控制方程为 ：ｎ （１） ｒ ｉｓ （２） … ㈩ 式中：ｒｏ——电磁转矩； ｎ ——电机极对数； ——由坐标系下定子与转子同轴等效绕 组间的互感； ＪＬ ——ｄｑ坐标系下转子绕组自感； ——。由坐标系下定子电流转矩分量； ——转子磁链； ——由坐标系下定子电流励磁分量； Ｐ——微分算子，Ｐ＝ｄ／ｄｔ； ——转子电磁时间常数，Ｔｒ＝Ｌ ／Ｒ ； ——转子电阻； ——转差角速度。 由式（２）可知， 与 为一阶线性关系，为了 获得足够的电磁转矩和有效利用电机铁心，在异 步电动机控制中，常采用恒磁通控制，在系统稳定 时由 Ｐ＝０，可得 ＝Ｌｍｉ ，可见 完全由 决 定；在保持磁通不变的条件下，由式（１）可知，电 磁转矩 完全由 控制。这样就实现了转矩和 磁通的解耦控制。可以根据控制理论，通过控制 控制与应用技术＿Ｅ呻队 电札与柱制应用２０１３，４０（３） ｇｓｄ ｉ 两个变量实现磁通和转矩的控制。算出ｉ ｉ ｓｑ两个变量后，需经过２ｒ／３ｓ变换才能得到电动 机所需的三相定子电流，在坐标变换中用到的转 子磁场定向角度０可由式（４）算出： ｒ ， 、 量。定子电流励磁分量由磁链给定获得；转速调 节器输出为转矩信号 ，结合计算出的磁链分量 确定定子电流转矩分量。转子磁场定向由矢 量控制方程保证。 ０ Ｊ（ｎ ∞＋ ）ｄ 式中： ——电机转子机械角速度。 ２．２ 间接矢量控制的结构图 （４） ３ 仿真模型的建立 电流滞环跟踪脉冲发生器模块如图４所示， 由求偏差模块和滞环比较器组成，并将其整合到 一本文采用的间接矢量控制结构如图３ 所示。 个子系统中。 ＨＯ 图３间接矢量控制结构 图４滞环脉冲发生器模块 系统采用转速闭环、磁链开环控制，由转速给 定、磁链给定、转速ＰＩ调节器、函数运算、两相／三 相坐标变换等模块构成。图中带 号的量为给定 转速调节模块、函数计算模块、坐标变换模块 也以子系统的形式给出。整个系统仿真模型如 图５所示。 定子磁链轨迹 图５系统仿真模型 电扎再控制应用２０１３，４０（３） ４ 仿真参数设置及仿真结果分析 ４．１仿真参数设置 仿真用的电机参数如下：３８０ Ｖ，５０ Ｈｚ，４极； 额定功率Ｐ ＝１９．６ ｋＷ；额定转矩ＴＮ＝ １３０ Ｎ－ｍ；定子电阻Ｒ ＝０．４３５ ｎ；转子电阻Ｒ ＝ ０．８１６ ｎ；电机互感Ｌ ＝０．０６９ Ｈ；定子漏感Ｌ１ ＝ ０．００２ Ｈ；转子漏感Ｌ ＝０．００２ Ｈ；电机转动惯量 Ｊ＝０．１９ ｋｇ・ｍ 。 系统主电路由三相交流电源、全桥整流电路、 ＩＧＢＴ逆变器组成，其中三相交流电源为３８０ Ｖ、 ５０ Ｈｚ，满足电机额定电压要求。滞环比较器环宽 设为０．３５；磁链给定为０．８３ Ｗｂ；电动机初始速度 设为５００ ｒ／ｍｉｎ。空载起动，在０．１５ Ｓ突加负载 ５０ Ｎ・ｍ，０．３ Ｓ电机转速给定变为１Ｏ ０００ ｒ／ｍｉｎ。 经反复试算后，转速ＰＩ调节器中 整定为 ２４０、Ｋ１整定为５。仿真时间为０．５ Ｓ。仿真结果如 图 ８ 图６～图１０所示。 图６转速响应 图７转矩响应 控制与应用技术；ＥＭＣＡ ２００ １００ ０ —１００ ２００ ０．２ ０．３ ０ ４ ０ ５ ｓ 定子三相电流 ２００ １００ ０ —１０Ｏ ０ 一２００ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ｓ 图 ９ 转子三相电流 磁链／Ｗｂ 图１０定子磁链轨迹 ４．２仿真结果分析 电动机的转速响应曲线表明：电动机空载起 动，不到０．１ Ｓ就能跟踪给定转速５００ ｒ／ｍｉｎ，且几 乎没有超调量；在０．１５ Ｓ突加负载５０ Ｎ・ｍ时， 转速几乎没有下降；在０．３ Ｓ时，系统转速给定由 ５００ ｒ／ｒａｉｎ变为１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，经过不到０．１ Ｓ的调 节最终稳定在１ ０００ ｒ／ｒａｉｎ。 电动机的转矩响应曲线表明：当电动机处于 动态调节过程中时，电动机输出最大电磁转矩 １８０ Ｎ・ｍ，保证了系统的快速响应；当电动机处于 稳态时，电动机电磁转矩就等于负载转矩。 （下转第２９页） 一２３— ，ｔｇ札与控制应用２０１３，４０（３） 控制与应用技术ｉ ＥＭＣＡ （上接第２３页） 电动机定子电流和转子电流波形表明：系统 直接以电流作为被控量，在动态过程中，不仅调节 电流的幅值、频率，还调节电流的相位。 电动机的磁链轨迹表明：尽管系统采用磁链 仿真验证了由其构成的异步电动机间接矢量控制 系统具有优良的动、静态性能。在高性能交流调 速系统中可选择此方案。 开环控制，但由于电流滞环逆变器的存在，使电机 定子电流有效跟踪给定电流，使磁链轨迹成规则 圆形，确保了恒磁通控制。 【参考文献】 ［１］ 陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２００３． ［２］ 洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的 ５ 结 语 本文分析了电流滞环跟踪型ＰＷＭ逆变器在 ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６． ［３］林渭勋．现代电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００６． 电动机矢量控制应用中的优点，并通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 收稿日期：２０１２—０９—２１ —２９—
