基于SVPMW的矢量控制交流电机PWM调制技术仿真研究

引言

随着变频调速技术的不断发展，交流电机中PWM控制技术日益普及。其中，经典的正弦脉宽调制（SPWM）技术，致力于使逆变器输出电压尽可能地接近正弦波形，提高PWM电压波的基波成分，降低谐波成分。然而，这种近似方法对谐波的抑制能力有限。相较之下，电压空间矢量脉宽调制（SVPMW）技术将逆变器和电机作为一个整体进行控制，实现电机产生恒定幅值的圆形旋转磁场。该方法显著降低了逆变器输出电压的谐波成分和电动机的谐波损耗，减少了转矩的波动。本文基于矢量控制和SVPMW调制原理，构建了仿真模型，并深入分析了仿真过程中的关键问题及结果。皖南电机

系统仿真模型的构建

基于SVPMW的矢量控制模型

图1展示了位置伺服控制系统的结构框图，该系统通过Clarke变换和Park变换，将检测到的三相定子电流转换为同步旋转坐标系下的直流分量id和iq，作为电流反馈。给定位置与位置反馈的偏差经P调节器处理，输出用于转速控制的信号；位置环输出与反馈转速的偏差经PI调节器处理后，输出用于转矩控制的电流q轴分量和通过变换计算的电流d轴分量。这些分量与电流反馈的偏差经PI调节器分别输出q、d同步旋转坐标轴下的电压分量vq、vd，再经Park逆变换转换为两相静止坐标系下的电压分量vα、vβ。*终，利用SVPMW技术生成PWM控制信号，以控制逆变器。

依据SVPMW矢量控制原理，在Matlab/Simulink环境下构建了系统仿真模型，如图2所示。该模型主要由电机本体模块、逆变器模块、SVPMW生成模块、矢量变换模块、转子磁链位置观测模块等组成。为使仿真模型更贴近实际系统，电机和逆变器模型采用Matlab/Simulink中SimpowerSystems模块的模型，相当于实际系统中的硬件部分。其他模型则利用Simulink基本模块搭建的子系统，并通过封装技术实现，以便在实际系统中通过软件实现。

位置、转速及电流PI调节器

系统中共有四个PI调节器，包括位置PI调节器、转速PI调节器、转矩电流PI调节器和励磁电流PI调节器。安徽皖南电机这四个调节器的输出均需限幅，其中位置调节器的限幅值为电机*大输出转速，转速调节器的限幅值为电机*大输出转矩，两个电流PI调节器的限幅为电压空间矢量的*大电压。此外，这四个PI调节器的参数设置是系统稳定性的关键，也是仿真调试的难点。由于四个PI调节器相互关联，任何参数的变化都可能引起系统不稳定。安徽皖南电机因此，调试经验至关重要。首先，根据经验确定四个PI控制器参数的大致范围，然后在该范围内逐步调整。皖南电机价格表通常，外环（位置环）的P参数对系统影响较大，因此调节顺序一般为先外环（位置）后内环（电流环），先比例系数后积分系数。

仿真实验中，通过反复调试，*终得到的各个PI参数如下：

- 位置PI调节器：kp=20；

- 转速PI调节器：kp=10，ki=5；

- 转矩电流PI调节器：kp=200，ki=70；

- 励磁电流PI调节器：kp=200，ki=70。

SVPMW生成模块

SVPMW生成模块是仿真系统的核心部分，该模块接收电压矢量两相静止坐标系的分量vα、vβ作为输入，内部提供开关周期tpwm信号。通过电压矢量区间判断，根据输入量产生x、y、z，然后计算功率器件导通时间，再由区间信号及导通时间产生SVPMW脉冲信号，以控制逆变器的工作模式，结构如图3所示。皖南电机

仿真结果及分析

仿真参数设定为三相异步电机额定电压400V，频率50Hz，rr=1.395Ω，rs=1.405Ω，l1r=0.005839H，l1s=0.005839H，lm=0.1722H，电机极对数p=2，电机额定功率pn=4kW，转动惯量j=0.0131kg·m2。仿真结果如图4所示。

结语

仿真结果表明，在负载条件下，系统表现出优异的动态跟踪性能，能迅速进入稳定运行状态，验证了本文设计的位置伺服矢量控制系统的可行性。