MATLAB的SVPWM(电压空间矢量脉宽调制)控制算法的仿真 第2页
第1章 绪论
1.1课题研究的背景及其发展前景
1.1.1课题研究的背景原文请找腾讯752018766辣-文^论,文.网
http://www.751com.cn电动机是电能向机械能转换的能量载体。在工业、农业、交通运输以及日常生活中广泛地应用着电机传动。其中对很多机械有调速的要求，一方面是为了满足运行、生产和工艺的要求，从而提高生产效率，保证产品质量；另一方面是为了减少运行损耗、节约能量。由此产生了电机调速技术即电气传动技术，它可分为直流电气传动和交流电气传动两大类。与直流电动机相比交流电动机尤其是鼠笼异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠和效率较高等优点，但很长一段时期内其调速性能却无法和直接调速系统相媲美，其根本原因是交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。因此在20世纪的大部分年代里，由于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。20世纪70年矢量控制技术的提出及实用化，使得交流调速系统的性能和直流系统调速相媲美，从而使交流调速技术发生了质的飞跃。在矢量控制之后又提出了磁场定向控制、自适应控制、非线性控制、直接转矩控制和智能控制等先进控制策略，推动了交流电气传动技术不断地向前发展。随着科学技术的不断进步，电力电子学、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理(DSP)、传感器技术、计算机技术和网络技术等技术的发展为交流电气传动技术发展提供硬件保障；仿真软件(如MATLAB)和计算机辅助设计(CAD)的出现使高效、快捷地仿真和分析成为可能；控制理论的发展是先进交流调速控制策略的涌现提供了理论依据。今天，交流电气传动技术已发展成为多门新技术、多门新学科相交叉的新兴学科。
由于控制简单，长期以来在要求较高的场合，直流电机一直占主导地位。但它存在一些固有的缺点，例如电刷、换向器易损耗，需要经常文护，换向器会产生火花，限制了电机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的工作场合。而交流电机特别是感应电机则没有上述缺点和限制，转子惯量较小，动态响应更好。一般而言，同样体积的交流电机的输出功率比直流电机提高10-70%。此外，交流电机容量可以制造得更大，达到更高的转速和电压。交流电机虽然结构较简单，其控制却比较复杂。交流异步电机价格便宜，运行可靠，但不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速，且需要吸收滞后的励磁电流，功率因数和效率都较低。相比较而言，永磁同步电机具有以下优点[1]：
(1) 效率高。永磁同步电机用永磁体取代电磁场，无励磁损耗。由于损耗小，发热低，因此效率也高；
(2) 机械特性较硬。对于因负载变化引起的电机转矩的扰动具有较强的承受力；
(3) 电机的转速与电源频率间保持准确的同步关系。控制电源频率就能控制电机转速。在电源频率不变动的情况下转速不会改变，即使电压幅值波动或负载变动都会运转在同步转速，这种特性非常适用在高精度定转速的负载场合。
正因为永磁同步电机具有如此优异的特性，同时，随着上世纪80年代稀土钕铁硼(Nd-Fe-B)作为高性能永磁材料的诞生和先进控制策略的研究应用，使永磁同步电机得到迅速发展。目前，永磁同步电机己经在各个领域得到了广泛应用。美国GE等公司批量制造出用于计算机外存储器的音圈电机及永磁汽车起动电机；德国西门子公司经过十多年的努力，采用多种结构，研制成功用于化纤工业的高速永磁电机和用于交流调速的IUA3系列永磁同步电机。另外，混凝土搅拌机、轮船推进机、冰箱空调中的制冷机、计算机硬盘驱动器电机、豪华轿车用起动电机、机器人控制等，尤其是数控机床的主轴伺服系统也越来越多的采用永磁同步电机。我国拥有世界上80%以上的稀土资源，稀土磁性材料发展十分迅速，从技术装备水平和生产规模上看，在世界范围内都己具有相当份量，2004年将稳定占据世界市场的60%以上份额，永磁电机将大有作为。
根据控制信号的不同，永磁同步电机可以分为两种。一种是基于方波驱动的永磁同步电机，又称为无刷直流电机，简称为BLDCM；一种是基于正弦波驱动的永磁同步电机，简称为PMSM。本文将以后一种即PMSM作为研究对象。
1.1.2永磁材料的发展
永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钻、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代衫钻1:5，第二代杉钻2:17和第三钕铁硼。80年代初出现的钕铁硼稀土永磁材料，具有高的剩磁感应强度、高的矫顽力和高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用[2]。它的不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂覆处理。2004年一种新型稀土永磁材料——一钕铁氮也在我国实现了产业化并具有自主知识产权。
1.1.3电力电子器件和微处理器的发展
交流调速技术的重大变革是以电力电子器件的发展为先导的。电力半导体器件是以美国1958年生产硅整流管(SR)、1958年生产晶闸管(SCR)为起始点逐渐发展起来的。经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管(SCR)为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频、中频、高频不断提高。GTR的工作频率一般在2KHz以下，而IGBT可工作10-20KHz之间。
在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在-起的复杂模块。近年来，功率器件的发展更趋向于智能化和集成化，集驱动、保护、逻辑等单元为一体的智能功率模块IPM也进入实用化阶段。可以说，这些新型电力电子器件的发展给高性能交流调速技术的研究奠定了坚实的物质基础。
20世纪70年代出现的微处理器(Micro-processor)使得计算机在自动控制系统中发挥了极为重要的作用，微处理器即计算机的中央处理单元(CPU)和控制单元的集成，它配上一定的存储器、I/O接口和其它外设，就可构成自动控制系统的通用控制器。原文请找腾讯752018766辣-文^论,文.网http://www.751com.cnDSP则是近年来出现的一种高速专用的微处理器，其主要特点是采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器；并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。片内还集成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，并且它有完整的开发和调试工具，开发周期短，使得DSP在控制领域的应用倍受关注。二十世纪九十年代后期，国外公司推出了专用于电机控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320C/F24x系列、Analog Devices公司的ADMC4xx系列，在高速DSP内核基础上，增加了带死区功能的三相PWM发生器、光电编码器输入接口、丰富的I/O和中断资源，为全数字化交流电机控制系统提供了功能强大的控制器。
随着大规模集成电路技术和微处理器技术的飞速发展，这些高性能的微处理器和控制器，尤其是高速信号处理器的出现，使得研制全数字化的高性能交流传动系统成为现实。目前，电气传动领域正在由模拟系统向数字化系统发展。
1.1.4控制策略的发展
控制策略和方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前通用变频器输出电压在380-650V，输出功率在0.75-400kW，工作频率在0-400Hz，它的主电路采用交一直一交电路。变频器控制方式主要经历以下几种方式。
(1) 恒压频比控制方式：它根据异步电机等效电路确定的线性 进行变频调速。其特点是：控制电路结构简单、成本较低。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态控制。控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高。上一页 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] 下一页
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