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2023-06-23
跟踪性PWM控制技术简介
【摘要】：电压空间矢量PWM控制方式就是以标准的圆形旋转磁场作为参照来确定逆变器的开关状态，从而实现脉宽调制的。
跟踪性PWM技术是从电动机的角度出发，着眼点是使电动机获得理想电流或磁场，它的控制方法是在原来主回路的基础上采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，使实际电流接近正弦波。
1.电流滞环跟踪PWM控制技术
上一节介绍的SPWM控制技术是以逆变器输出电压近似正弦波为目的的。而对于交流电动机，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为只有在交流电动机绕组中通入三相平衡的正弦电流，才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉冲分量。
电流滞环跟踪PWM控制的指导思想是，引入电流闭环控制，让实际电流的瞬时值实时地与标准的正弦波进行比较，根据比较结果来决定脉冲宽度的上升沿和下降沿，从而使变频器的输出电流无限接近于正弦波。电流滞环跟踪控制A相的原理图如图6-11所示，其中电流控制器采用带滞环的比较器（HBC），其回环宽度为2h。
2.电压空间矢量PWM控制技术
电流滞环跟踪PWM控制是直接控制输出电流波形，使其近似为正弦波，虽然比控制输入电压尽量为正弦波前进了一步，但是对交流电动机来说，输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。电压空间矢量PWM控制方式就是以标准的圆形旋转磁场作为参照来确定逆变器的开关状态，从而实现脉宽调制的。因为是通过控制电压的空间矢量来实现的，故称为电压空间矢量PWM（SVPWM）控制。
图6-11 电流滞环跟踪控制A相原理图
图6-12 电流滞环控制时的A相电流波形和电压波形
1）电压空间矢量的定义及与磁通的关系
交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在图6-13中，A、B、C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间上互差120°。三相定子相电压uAO、uBO、uCO分别加在三相绕组上，uAO、uBO、uCO分别为
图6-13 电压空间矢量
式中：Um为线电压幅值。三相合成矢量为
将式（6-11）代入式（6-12），整理后有
由式（6-13）可以看出对于三相正弦交流电压，它的瞬时空间电压矢量是一个以ω1为电气角速度旋转的空间矢量，对应不同的时刻，它处在不同的位置，矢量端点的轨迹是一个圆。
电压的时间积分是磁链，对瞬时空间电压矢量进行积分得到磁链空间矢量为
当异步电动机使用正弦电压供电时，气隙磁场是圆形旋转磁场，磁场矢量轨迹处在以一定速度均匀旋转的圆上，电动机的转矩没有脉动。若按此思路，如果变频器在进行PWM控制时，使其产生的磁通轨迹近似为圆且均匀移动，便可以达到同样的目的。
2）电压空间矢量分布
如图6-14所示为三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图，图中逆变器采用180°导电型。定义图中的六个功率开关的工作状态为：
上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断——定义为1；
下桥臂开关器件导通、上桥臂开关器件关断——定义为0。
图6-14 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图
功率开关器件共有8种工作状态，按照A、B、C相序依次排列分别为000、100、110、010、011、001、101、111，与这8种工作状态相对应的合成空间矢量分别为u0、u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7，其各自的空间位置如何？下面以110状态为例进行讨论。
工作状态为110时，VT1、VT3、VT2导通，VT4、VT6、VT5关断，可得三相电压为
代入式（6-12），则有
同理可得
其中u0（000）、u7（111）为无效工作状态，因为逆变器这时并没有输出电压，故称为“零矢量”。由此可见，8种工作状态中只有6种状态是有效的。
电压空间矢量的分布如图6-15所示。可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分为6个区域，称为“扇区”，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ来表示，每个扇区对应的时间均为π/3。
3）磁链轨迹控制
如前所述，电压矢量的积分是磁链矢量，按图6-14选择电压空间矢量，使磁链的轨迹在圆上，这就是磁链轨迹控制。实现磁链轨迹控制需要解决两个问题。
①如何选择电压矢量。
②如何确定所选择的开关状态的持续时间。
如果逆变器在π/3时间间隔内，只改变一个桥臂上下开关器件的通断状态，则磁链轨迹为正六边形，如图6-16所示。按式（6-14）可得磁链增量为
说明在π/3所对应的时间Δt内，施加u1的结果是使定子磁链Ψ1产生一个增量ΔΨ1，磁链增量的方向为电压矢量的方向，增量的幅值正比于施加电压的时间Δt。最后得到新的磁链Ψ2为
图6-15 电压空间矢量的分布
图6-16 六边形磁链轨迹控制图
图6-17 逼近圆形的磁链增量轨迹
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