探索基于SPWM的异步电机无速度传感器矢量控制

基于SPWM的异步电机无速度传感器矢量控制。

在电机控制领域，基于SPWM（正弦脉宽调制）的异步电机无速度传感器矢量控制技术犹如一颗璀璨的明珠，正逐渐成为众多工程师和研究人员关注的焦点。今天，咱们就来深入探究一番。

一、SPWM技术简述

SPWM的核心思想，简单来说，就是利用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形，来驱动逆变电路中的功率开关器件，从而得到期望的正弦输出电压。

下面咱们来看一段简单的Python代码示例，模拟生成一个简易的SPWM波（这里只是为了简单示意原理，实际应用中会复杂得多）：

import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 定义参数 fs = 10000 # 采样频率 fc = 50 # 载波频率 fr = 50 # 调制波频率 Am = 1 # 调制波幅值 Ac = 2 # 载波幅值 t = np.linspace(0, 1, fs) # 时间向量 modulating_wave = Am * np.sin(2 * np.pi * fr * t) # 调制波 carrier_wave = Ac * np.sin(2 * np.pi * fc * t) # 载波 spwm_wave = np.where(modulating_wave > carrier_wave, 1, -1) # SPWM波生成 plt.plot(t, modulating_wave, label='Modulating Wave') plt.plot(t, carrier_wave, label='Carrier Wave') plt.plot(t, spwm_wave, label='SPWM Wave') plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Amplitude') plt.legend() plt.show()

代码分析：首先我们定义了采样频率fs、载波频率fc、调制波频率fr以及它们各自的幅值Am和Ac。通过np.linspace创建时间向量t，然后分别生成调制波modulatingwave和载波carrierwave。最后通过比较调制波和载波的大小，利用np.where函数生成了SPWM波spwm_wave，并使用matplotlib库将它们可视化展示出来。从这里我们能直观看到SPWM波是如何通过调制波和载波比较产生的。

二、异步电机无速度传感器矢量控制

传统的矢量控制需要速度传感器来获取电机的转速信息，这不仅增加了系统成本，还降低了系统的可靠性。而异步电机无速度传感器矢量控制技术就是要摆脱对速度传感器的依赖，通过其他方式来估算电机的转速。

它的基本原理是基于异步电机的数学模型，利用电机的电压、电流等容易测量的物理量，通过一些算法来推算出电机的转速和转子磁链等信息。例如常用的滑模观测器法，通过构建滑模观测器对电机的状态进行观测。

基于SPWM的异步电机无速度传感器矢量控制。

下面是一段简单的滑模观测器算法实现的伪代码（同样为简化示意）：

// 定义电机参数 float R_s; // 定子电阻 float L_s; // 定子电感 float L_m; // 互感 float L_r; // 转子电感 float p; // 极对数 // 定义状态变量 float x_hat[3] = {0, 0, 0}; // 估计状态变量 float i_s_alpha, i_s_beta; // 定子电流在alpha, beta坐标系分量 // 滑模观测器增益 float k1, k2, k3; while (true) { // 获取测量的定子电流 get_current(&i_s_alpha, &i_s_beta); // 滑模观测器更新 float v_s_alpha, v_s_beta; // 定子电压在alpha, beta坐标系分量 get_voltage(&v_s_alpha, &v_s_beta); x_hat[0] += (1 / L_s) * (v_s_alpha - R_s * i_s_alpha - L_m / L_r * x_hat[2]) * dt; x_hat[1] += (1 / L_s) * (v_s_beta - R_s * i_s_beta - L_m / L_r * x_hat[3]) * dt; x_hat[2] += (p * omega_hat * x_hat[3] - (R_r / L_r) * x_hat[2] + (R_r * L_m / L_r) * i_s_alpha) * dt; x_hat[3] += (-p * omega_hat * x_hat[2] - (R_r / L_r) * x_hat[3] + (R_r * L_m / L_r) * i_s_beta) * dt; // 符号函数处理 float s1 = x_hat[0] - i_s_alpha; float s2 = x_hat[1] - i_s_beta; x_hat[0] += k1 * sign(s1) * dt; x_hat[1] += k2 * sign(s2) * dt; // 转速估计 omega_hat = x_hat[2] * x_hat[3] / (x_hat[2] * x_hat[2] + x_hat[3] * x_hat[3]); }

代码分析：这段伪代码首先定义了电机的相关参数以及滑模观测器的状态变量。在循环中，通过获取测量的定子电流和电压，根据异步电机在alpha - beta坐标系下的数学模型更新估计的状态变量。这里利用了符号函数来处理滑模面，最后根据估计的状态变量计算出电机的转速omega_hat。实际应用中，还需要对算法进行优化，比如考虑如何削弱抖振等问题。