4.2.3電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術(shù)

SPWM控制技術(shù)：

以輸出電壓近似正弦波為目標(biāo)，

電流波形則因負(fù)載的性質(zhì)及大小而異。

交流電動機對電流要求：

穩(wěn)態(tài)時在電動機繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不產(chǎn)生脈動，因此以正弦波電流為控制目標(biāo)更為合適。電流跟蹤PWM的控制方法是：

在原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能?！鱥A

常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤PWM控制（CurrentHysteresisBandPWM——CHBPWM）。

具有電流滯環(huán)跟蹤PWM控制的PWM變壓變頻器的

A

相控制原理圖示于下圖。1、電路結(jié)構(gòu)電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。圖4－14(a)電流滯環(huán)跟蹤控制時，A相電流與電壓波形

采用電流滯環(huán)跟蹤控制時，變壓變頻器的電流波形與PWM電壓波形如圖4-14。

（1）在t0時刻

iA<i*A，且

iA＝i*A

-

iA

≥

h

滯環(huán)控制器HBC輸出電平由負(fù)變正，上橋臂功率開關(guān)器

件VT1導(dǎo)通輸出電壓為正，使

iA增大，當(dāng)iA增大到與i*A相等

時，雖然

iA＝0

但HBC仍保持正電平輸出

VT1保持導(dǎo)通，使iA

繼續(xù)增大2、工作原理h（2）直到t=t1時刻

達(dá)到iA

=

i*A+h，即：

iA

=

i*A

–

iA

=–

h

使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC輸出負(fù)電平，關(guān)斷VT1

并經(jīng)延時后驅(qū)動VT4，但此時VT4不能導(dǎo)通。h原因是：

由于電機繞組的電感作用，

電流iA

不能突然反向。因此，通過二極管VD4續(xù)流，

VT4受反向鉗位而不能導(dǎo)通。

輸出電壓由+0.5Ud變?yōu)?0.5Ud。

此后，iA

逐漸減小。（3）直到t

=

t2時

iA

=

iA*－h(huán)

到達(dá)滯環(huán)偏差的下限值，

使HBC再翻轉(zhuǎn)，又重復(fù)使VT1導(dǎo)通。

這樣，VT1與VD4交替工作，

使輸出電流iA快速跟隨給定值iA*

兩者的偏差始終保持在

±

h

范圍內(nèi)

穩(wěn)態(tài)時iA*為正弦波，iA在iA*上下作鋸齒狀變化，輸出電流

iA

接近正弦波。

以上分析了給定正弦波電流iA*正半波的工作原理。

負(fù)半波的工作原理與正半波相同，只是VT4與VD1交替工作。3、

三相電流跟蹤型PWM逆變電路分析（1）電路原理圖+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5為分析簡便作如下假定：

(1)忽略開關(guān)死區(qū)時間，認(rèn)為同一橋臂上、下兩個開關(guān)器件的“開”與“關(guān)”是瞬時完成；

(2)考慮到器件允許開關(guān)頻率較高，認(rèn)為在一個周期內(nèi)，三相感應(yīng)電動勢基本不變。（2）電壓平衡方程式A相電壓方程式：（3）電流表達(dá)式解上式，可得A相電流表達(dá)式：同理可解得B、C相電流表達(dá)式?！鱥A（4）分析①

當(dāng)

t

=

t0

時初始電流：A相由下橋臂導(dǎo)通切換至上橋臂導(dǎo)通，

此時或

電流

iA上升

iA+-②當(dāng)

t

=

t1

時A相由上橋臂導(dǎo)通切換至下橋臂導(dǎo)通，

電流

iA下降或

此時

△iA-+

iA

③當(dāng)

t

=

t2

時A相又由下橋臂導(dǎo)通切換至上橋臂導(dǎo)通，

過程同①,完成一個開關(guān)周期?！鱥A

iA+-（5）變頻器的開關(guān)周期（T=TUP+TDOWN）

電流上升時間：tUP=t1-t0

電流下降時間：tDOWN=t2

–t1

對上述兩個時間，由前面兩個iA(t)

超越方程，難以精確求得。若忽略電阻R，近似認(rèn)為電流呈線性變化。對于A相電壓方程：則iA的上升段：（1）由電流波形可以寫出：hh（2）①求tUP因為：幅值最大

所以：電流上升的最短時間為：由（1）式與（2）式相等整理得：②求tDOWN同理在t2-t1時間段，可求得與（1）式和（2）式相應(yīng)的表達(dá)式，整理得：因為：絕對幅值最大

所以：電流下降的最短時間為：③求開關(guān)周期T和最小周期Tmin

將tUP、tDOWN

代入右式：T=tUP+tDOWN

可得最小開關(guān)周期Tmin為：④求相應(yīng)最大開關(guān)頻率fmax(4-48)(4-49)總結(jié)：電流滯環(huán)跟蹤控制

1．電子開關(guān)頻率

f

與環(huán)寬

2h

成反比；

2．f

不是常數(shù)，與感應(yīng)電動勢和給定電流的變化有關(guān)；

3．穩(wěn)態(tài)時，感應(yīng)電動勢和給定電流的變化率按正弦函數(shù)周期地變化，開關(guān)

f也隨之呈正弦函數(shù)周期地變化。

4．精度與2h有關(guān)，也受器件開關(guān)頻率制約。

（1）當(dāng)2h選得較大時，開關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；

（2）當(dāng)2h選得較小時，電流跟蹤性能好，但開關(guān)頻率卻增大了；

（3）原則：在開關(guān)頻率允許前提下，盡可能選擇較小的環(huán)寬。5．

優(yōu)點：精度高、響應(yīng)快、易于實現(xiàn)

缺點：開關(guān)器件的開關(guān)頻率不定

克服方法：采用恒定開關(guān)頻率電流控制器

6．增加速度外環(huán)。4.2.4電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)

（或稱磁鏈跟蹤控制技術(shù)）本節(jié)提要問題的提出空間矢量的定義電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系PWM逆變器基本輸出電壓矢量正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場期望電壓空間矢量的合成與SVPWM控制SVPWM控制的定子磁鏈

問題的提出

（1）經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。（2）電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進了一步。電動機控制要求：

然而交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”。

下面的討論將表明，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。實現(xiàn)空間圓形旋轉(zhuǎn)磁場----磁鏈跟蹤控制：1.空間矢量的定義

交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示。圖4-16電壓空間矢量

ABC

（1）電動機A、B、C三相定子繞組的軸線在空間靜止互差1200

（2）定子電壓空間矢量：

uA0、uB0、uC0的方向始終處于各相繞組的軸線上，相位互相錯開120°。uA0uB0uC0-uA0

而大小則隨時間按正弦規(guī)律脈動，

②合成空間矢量：圖4-16電壓空間矢量

ABCuA0uB0uC0

由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量us是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。uC0uB0us

ω1

當(dāng)電源頻率不變時，合成空間矢量us以電源角頻率1

為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量us就落在該相的軸線上。某一時刻三相定子電壓幅值狀態(tài)

合成電壓矢量us

公式表示為：

三相定子電壓空間矢量：（4-51）

與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和定子磁鏈的空間矢量is

和Ψs。（4-52）

2.

電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)異步電動機的三相對稱定子繞組由三相電壓供電時，對每一相都可寫出一個電壓平衡方程式。

要求三相電壓平衡方程式的矢量和，可用

合成空間矢量的定子電壓方程式表示：（4-55）

式中：

us

—

定子三相電壓合成空間矢量；

Is

—定子三相電流合成空間矢量；Ψs—定子三相磁鏈合成空間矢量。（1）近似關(guān)系

當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降所占的成分很小，可忽略不計。

則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為：

（4-56）

（4-57）

或

（2）

磁鏈軌跡

當(dāng)電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。

這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示：（4-58）

其中：Ψs

----定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝的幅值（恒定）

φ----定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g初始角度

ω1----與電源頻率相一致的旋轉(zhuǎn)角速度將式（4-58）對t求導(dǎo)可得：上式表明：

當(dāng)磁鏈幅值

ψm一定時,電壓空間矢量us的大小與角速度ω1成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，

ω1（4-59）

ψsus

us=ω1ψm（3）磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關(guān)系

如圖所示：（1）當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。

圖4-17旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運動軌跡（3）因此，電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。

（2）若將電壓空間矢量參考點放在一起，則電壓空間矢量的運動軌跡亦是個圓。

3.PWM逆變器基本輸出電壓矢量（1）主電路原理圖三相逆變器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖

A橋臂（符號sA描述）：sA=1上橋臂VT1導(dǎo)通下橋臂VT4關(guān)斷sA=0上橋臂VT1關(guān)斷

下橋臂VT4導(dǎo)通

B橋臂（符號sB描述）：sB=1上橋臂VT3導(dǎo)通下橋臂VT6關(guān)斷sB=0上橋臂VT3關(guān)斷

下橋臂VT6導(dǎo)通

C橋臂（符號sC描述）：sC=1上橋臂VT5導(dǎo)通下橋臂VT2關(guān)斷sC=0上橋臂VT5關(guān)斷

下橋臂VT2導(dǎo)通

（2）開關(guān)工作狀態(tài)

圖中的PWM逆變器每個橋臂為1800導(dǎo)通型，功率開關(guān)共有8種工作狀態(tài)。

其中：

6種有效開關(guān)狀態(tài)；

2種無效狀態(tài)（因為逆變器這時并沒有輸出電壓）：

上橋臂開關(guān)：

VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通即：（sA，sB，sC）=（1，1，1）

下橋臂開關(guān)：

VT2、VT4、VT6全部導(dǎo)通

即：（sA，sB，sC）

=（0，0，0）開關(guān)狀態(tài)表（3）開關(guān)控制原理與模式分析

①合成矢量表達(dá)式說明：①

②雖然O與O'電位不等，但合成電壓矢量表達(dá)式相等。②工作狀態(tài)100的合成電壓空間矢量

設(shè)開關(guān)狀態(tài):

(sA，sB，sC)

=(1，0，0)

這時：VT6、VT1、VT2

導(dǎo)通

其等效電路如圖所示:O+-iCiAiBidVT1VT6VT2Ud2Ud2O'ABC則：

各相對直流電源中點的電壓幅值為：

三相的合成空間矢量為u