畢業(yè)設(shè)計(jì)感應(yīng)電動機(jī)磁場定向矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）感應(yīng)電動機(jī)磁場定向矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真*燕 山 大 學(xué)2012 年 6月 摘 要由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，異步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在快速發(fā)展之中。經(jīng)過最近十幾年的應(yīng)用開發(fā)，交流異步電動機(jī)的變頻調(diào)速性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。目前廣泛研究應(yīng)用的異步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。本文采用異步電動機(jī)的矢量控制調(diào)速技術(shù)，具有動態(tài)響應(yīng)快、低速性能好和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。矢量控制思想是將交流電動機(jī)模型等效成直流電動機(jī)模型加以控制，利用坐標(biāo)變換理論，將非線性、強(qiáng)耦合的交流電機(jī)模型解耦，把交流電

2、動機(jī)定子電流矢量分解為兩個分量：勵磁電流分量，轉(zhuǎn)矩電流分量。通過對這兩個矢量分別控制，從而實(shí)現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的分別控制。本文設(shè)計(jì)了一個帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力快和抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)有助于提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的解耦性能。 運(yùn)用matlab的工具軟件simulink對矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明了本設(shè)計(jì)的合理性。關(guān)鍵詞 異步電機(jī)；矢量控制；磁場定向abstractas a result of the limitation of direct-current speed control modulation and the superiority

3、of alternating speed control modulation and the unceasing development of computer technology and electric power device, the frequency conversion velocity modulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. after the application and development in the past 10 years, the frequency

4、 conversion velocity modulation performance of asynchronous motor can be comparable with the direct current velocity modulation system.at present, the asynchronous motor frequency control, vector control and direct torque check etc. are in detailed studies. this paper uses the modulation method of a

5、synchronous motor, which has the dynamic response quickly and low-speed performance and wide velocity modulation scope.vector control is developed based on the idea that the controlling means of induction motor can be equivalent to the dc motor，the induction motor mathematic model that is high nonli

6、near and complex coupling can be separated by coordinate transformation theory，stator current can be decomposed into excitation current component and the torque current component, then the magnetic field and torque can be separately controlled by controlling the two current componentsthis paper desi

7、gned flux regulator, torque regulator and speed regulator, constituting the inner ring with torque of speed, closed-loop flux vector control system.to improve the system dynamic response and anti-jamming capability, the torque of the inner ring helps to improve the speed and flux decoupling of the c

8、losed-loop control system performance. it has applied the simulink tool software in matlab to carry on the simulation to the vector control system and the simulation results show that the rationality of the design.keywords asynchronous motor； vector control；magnetic field direction目錄摘要iabstractii目錄i

9、v第1章 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.3 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要控制策略41.3.1 基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略51.3.2 基于動態(tài)模型的控制策略51.4 論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排7第2章 異步電動機(jī)矢量調(diào)速原理82.1 引言82.2 異步電動機(jī)矢量調(diào)速的實(shí)質(zhì)82.3 異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)92.4 矢量控制系統(tǒng)常用方案及比較102.4.1 矢量控制系統(tǒng)常用的方案102.4.2 控制方案的比較112.5 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型122.5.1 三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型122.5.2 坐標(biāo)變換152.5.3 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的異步電機(jī)模型192.6

10、異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制202.6.1 矢量控制的基本思路202.6.2 矢量控制的磁場定向212.6.3 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的數(shù)學(xué)模型212.6.4 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方程232.7 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測252.7.1 轉(zhuǎn)子磁鏈的獲取方法252.7.2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型262.8 電流追蹤型逆變器工作原理272.9 本章小結(jié)30第3章 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析313.1 仿真系統(tǒng)的模型及參數(shù)313.2 系統(tǒng)模塊及仿真分析323.2.1 系統(tǒng)模塊簡介323.2.2 仿真波形分析353.3 本章小結(jié)40結(jié)論41參考文獻(xiàn)42致謝44附錄1 文獻(xiàn)綜述45附錄2 開題報告5

11、1附錄3 中期報告58附錄4 英文文獻(xiàn)翻譯70附錄5 英文文獻(xiàn)原文72第1章 緒論直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀(jì)先后誕生。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動，從單機(jī)傳動到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢己表明，它在控制性能方面完全可以和直流傳動相媲美，并已在大多數(shù)場合取代了直流傳動系統(tǒng)1。1.1 課題研究的背景及意義二十世紀(jì)中期以來，全球范圍內(nèi)的能源消費(fèi)量大幅增長，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界

12、第二大能源消費(fèi)國，能源消費(fèi)總量約占世界能源消費(fèi)總量的11。與此同時，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與能源約束的矛盾也日益突出，能源價格一路攀升，許多行業(yè)都受到了不同程度的影響。而且，我國能源利用的質(zhì)量很低，能源浪費(fèi)情況嚴(yán)重。一次能源轉(zhuǎn)換電能的比例和電力占終端能源消費(fèi)的比例過低，作為能源消耗大國之一，在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。在用電系統(tǒng)中，電動機(jī)為主要的動力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會生活等各個方面。我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80，成為用電量最多的電氣設(shè)備。我國各類應(yīng)用電機(jī)中交流電動機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動機(jī)加以利用

13、的，80以上為0.55220kw以下的中小型感應(yīng)電動機(jī)，可見交流電動機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位2。但是在如此龐大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模中，未經(jīng)變頻調(diào)速控制的交流電機(jī)拖動系統(tǒng)如此之多，這樣所造成的能源浪費(fèi)就大得驚人，由此可見，提高能源的有效利用率在我國已經(jīng)顯得非常迫切。因此，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面將有很大的發(fā)展空間，所以感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動機(jī)的調(diào)速性能對提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。

14、所以需要高性能的交流調(diào)速理論和技術(shù)才能滿足當(dāng)今的調(diào)速要求，但是感應(yīng)電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性時變參數(shù)系統(tǒng)，很難通過外加信號準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，矢量控制應(yīng)運(yùn)而生，矢量控制以磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制4。自20世紀(jì)70年代至今，矢量控制理論及應(yīng)用技術(shù)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展和實(shí)踐，形成了當(dāng)今在工業(yè)生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1、矢量控制發(fā)展現(xiàn)狀歐洲是矢量控制技術(shù)的誕生地，其研究水平一直走在世界的前列。在80年代中期到90年代初期的歐

15、洲電力電子會議(epe)論文集中，涉及到矢量控制的論文占有很大比例，在這當(dāng)中，德國siemens公司、aachen技術(shù)大學(xué)電力電子和電氣傳動研究院和德國braunchweig技術(shù)大學(xué)w.leorthard、r.gabriel、g.heinemann等教授更是為矢量控制的應(yīng)用做出了突出貢獻(xiàn)，在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了許多重大進(jìn)展，促進(jìn)了矢量控制的實(shí)用化。矢量控制核心理論的提出與以dsp為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進(jìn)步，并輔以現(xiàn)代控制理論，這幾大因素的結(jié)合給電氣傳動領(lǐng)域帶來了深刻的變革。數(shù)字信號處理器(dsp)的高速運(yùn)算能力使矢量控制尤其是1983年r.k.jo

16、enen提出的無速度矢量控 (sensorless vector control，svc)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，這就為性能更優(yōu)的svc方案的實(shí)施提供了物質(zhì)保證。而igbt的進(jìn)一步發(fā)展也為svc的應(yīng)用提供了更好的舞臺，igbt除了提高功率器件的開關(guān)速度，igbt還允許迅速地調(diào)整電機(jī)的工作電壓。這使帶寬相當(dāng)高的無速度矢量控制成為可行，并能快速、高精度地控制轉(zhuǎn)速(velocityprofiling)與定位。svc的實(shí)現(xiàn)吸引了產(chǎn)業(yè)界人士的廣泛關(guān)注，toshibage、yaskawa等公司于1987年分別發(fā)表了研究成果，95年后，siemens、yaskawa、toshibage、rockwell、

17、mistubishi、fuji等知名公司紛紛推出自己的svc控制產(chǎn)品，控制特性也在不斷提高，無速度傳感器矢量控制向高性能通用變頻器邁出了一大步。進(jìn)入20世紀(jì)以來，矢量控制的研究仍在如火如荼地進(jìn)行，德國、日本和美國依然走在世界的前列，但這三個國家各有千秋。日本在研究無速度傳感器方面較為先進(jìn)，主要應(yīng)用于通用變頻器上：美國的研究人員在電機(jī)參數(shù)識別方面研究比較深入，并且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等一些最新的控制技術(shù)應(yīng)用到這方面，在ieee的會議和期刊上發(fā)表了許多文章。而德國在將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于大功率系統(tǒng)方面的實(shí)力很強(qiáng)，siemens公司已開始將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動電力機(jī)車等兆瓦級功率場合。隨著具

18、有強(qiáng)大處理能力的數(shù)字信號處理器的推出，實(shí)現(xiàn)該控制方式所需要的高魯棒性、自適應(yīng)的參數(shù)估計(jì)以及非線性狀態(tài)觀測成為可能，新的無速度傳感控制方案不斷推出siemens、yaskawa、toshiba ge、rockwell、mistubishi、fuji等知名公司紛紛推出自己的svc控制產(chǎn)品(本文所指svc均針對感應(yīng)電機(jī))，控制特性也在不斷提高。svc目前已在印刷、印染、紡機(jī)、鋼鐵生產(chǎn)線、起重、電動汽車等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在高性能交流驅(qū)動中占有愈來愈重要的地位，mitsubishi公司的高級磁通矢量控制代表了最新的無速度傳感器控制技術(shù)，西門子公司的se6300、mitsubishi公司的a740、fuj

19、i公司的vg7s、安川公司的g7、艾默生公司ev6000、科比公司combivertf5等均為無速度傳感器矢量控制變頻的典范，在世界上處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)森蘭、匯川、英威騰、普傳等公司也相繼推出了高性能矢量變頻器，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機(jī)參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。上海艾帕電力電子公司更是率先開發(fā)出無速度傳感器控制的高性能級聯(lián)式高壓變頻器。作為國內(nèi)最大的變頻器制造商，森蘭從做v/f控制的變頻器

20、開始，逐步完善和提高變頻技術(shù)，通過多年的技術(shù)實(shí)踐，積累和對國外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收，已經(jīng)能夠開發(fā)出具有先進(jìn)水平轉(zhuǎn)子磁鏈定向，磁通觀測采用自校正算法的矢量控制變頻器，實(shí)現(xiàn)磁場和力矩的完全解耦，做到1hz200%額定轉(zhuǎn)矩，即使在零頻也有100%轉(zhuǎn)矩。如sb80系列變頻器。由此可見，盡管國內(nèi)與國外變頻技術(shù)上相比還有差距，但已經(jīng)縮小了4。2、矢量控制發(fā)展趨勢現(xiàn)在，有無采用無速度傳感器技術(shù)已經(jīng)成為高性能通用變頻器和一般變頻器的分水嶺。交流驅(qū)動器開發(fā)的一個重點(diǎn)是如何將驅(qū)動器與電機(jī)有機(jī)地結(jié)合在一起，開發(fā)出更低成本、高可靠性、高性能“驅(qū)動模塊”?；谶@一思路，為進(jìn)一步減小成本、提高可靠性，電機(jī)相電流傳感器進(jìn)行了

21、深入的研究，開發(fā)人員在如何省去軸側(cè)傳感器以及特別是高性能無速度傳感器矢量控制(svc)的實(shí)現(xiàn)吸引了各國研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，并已成為未來驅(qū)動控制研究的熱點(diǎn)3。在未來無速度傳感器的矢量控制的動靜態(tài)特性進(jìn)一步提高，在逆變器、電機(jī)的模型、電機(jī)的磁路飽和、繞組肌膚效應(yīng)、逆變器的非線性和參數(shù)的變化方面還要進(jìn)一步的研究，在更精確的電機(jī)模型基礎(chǔ)上低速轉(zhuǎn)矩脈動更小，穩(wěn)定精度進(jìn)一步提高，對負(fù)載的擾動響應(yīng)更快，對電機(jī)參數(shù)變化的穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。未來的發(fā)展還體現(xiàn)在高速處理器和外設(shè)上。此外，無速度傳感器矢量控制方式下的多機(jī)運(yùn)行以及在高功率低速運(yùn)行的應(yīng)用也將成為未來的發(fā)展方向。3、現(xiàn)代一些技術(shù)的發(fā)展，推動著交流調(diào)速技術(shù)的

22、快速前進(jìn)。電力電子技術(shù)為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；微處理器和數(shù)字信號處理器技術(shù)為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段和保證；pwm控制技術(shù)具有輸出接近正弦波和輸入功率因數(shù)高的特點(diǎn)，對于交流調(diào)速是極為難得，它有利于簡化結(jié)構(gòu)，改善性能和提高效率，該技術(shù)是電機(jī)驅(qū)動控制的核心技術(shù)之一。1.3 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要控制策略目前為止，關(guān)于交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略大體可分為基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略和基于動態(tài)模型的控制策略。1.3.1 基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略1、轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻控制變壓變頻控制以電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程為推導(dǎo)基礎(chǔ)，以控制電機(jī)的氣隙磁通幅值恒定為目標(biāo)，具有控制簡單、容易實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)性能指標(biāo)在大多數(shù)場合都

23、能滿足需求等特點(diǎn)，目前市場上通用變頻器大多采用這種方式。但開環(huán)的變壓變頻控制并不能真正實(shí)現(xiàn)動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩控制2313。2、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，電動機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。由于這些方法只依據(jù)穩(wěn)態(tài)模型，只能按電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行控制，不能控制任意兩個磁場的大小和相對位置，故轉(zhuǎn)矩控制性能差。交流電動機(jī)的磁場都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，彼此相

24、對靜止，要控制轉(zhuǎn)矩，必須控制兩磁場的大小和相對位置。要改善轉(zhuǎn)矩控制性能，必須對定子電壓或電流實(shí)施矢量控制，既控制大小，又控制方向。因此如何在動態(tài)過程中控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵。1.3.2 基于動態(tài)模型的控制策略要獲得高動態(tài)性能，必須依據(jù)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。交流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈。因此必須對模型進(jìn)行解耦。1、矢量控制策略1971年，德國西門子公司的fblaschke提出異步電機(jī)的矢量控制技術(shù)，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。矢量控制技術(shù)以經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換的電機(jī)的動態(tài)模型為基礎(chǔ)，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換技術(shù)實(shí)

25、現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，使得交流電機(jī)在理論上能像直流電機(jī)一樣分別對勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動態(tài)性能。矢量控制技術(shù)使高性能交流調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，使其獲得了巨大的發(fā)展空間。但是，矢量控制需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈的具體位置，同時為了使電機(jī)工作在合理的工作狀態(tài)下，磁鏈幅值也必須加以控制。而磁鏈一般不直接檢測，因此在矢量控制系統(tǒng)中用電機(jī)參數(shù)計(jì)算出磁鏈的位置角或利用磁鏈觀測器觀測磁鏈。這些方法都與電機(jī)參數(shù)有關(guān)，而在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)參數(shù)會隨著環(huán)境溫度和勵磁條件的變化，在一定范圍變動。這將嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了解決這類問題，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用現(xiàn)代

26、控制理論，如模型參考自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波等，對電機(jī)參數(shù)(定、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)動慣量等)進(jìn)行動態(tài)辨識?？刂破骼贸跏蓟膮?shù)進(jìn)行在線校正并不困難，真正的難點(diǎn)是在系統(tǒng)運(yùn)行時如何利用電機(jī)參數(shù)對控制器參數(shù)進(jìn)行正確跟蹤。很多學(xué)者提出了各種各樣的矢量控制方案，例如，有人提出在低速采用間接矢量控制，而在高速運(yùn)行時轉(zhuǎn)換為直接矢量控制。2、直接轉(zhuǎn)矩控制策略(dtc)在1986年，德國的depenbrock教授和日本的高橋熏分別提出異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩(dtc)方法20。該方法只是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，其磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。直接轉(zhuǎn)

27、矩控制的一個顯著特點(diǎn)是定子磁場定向，一般采用電壓模型來估計(jì)定子磁鏈。目前在低速時一般采用電流模型來觀測定子磁鏈，電流模型雖然穩(wěn)定性比電壓模型好些，而且不受轉(zhuǎn)子電阻變化的影響，但仍然存在著因轉(zhuǎn)子參數(shù)誤差和轉(zhuǎn)速測量誤差引起的磁鏈觀測誤差，為了有效解決上述問題，文獻(xiàn)提出了一個定子磁鏈自適應(yīng)觀測方法，能有效地辨識對磁鏈估計(jì)帶來直接影響的兩個參數(shù)：定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，從而真正有效地估計(jì)定子磁鏈。為了正確辨識定子磁鏈，文獻(xiàn)20提出了一種在線辨識定子電阻的方法，它從電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，經(jīng)過各種數(shù)學(xué)變換和運(yùn)算，計(jì)算出rs。高動態(tài)性能的交流傳動系統(tǒng)都需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，所需要的轉(zhuǎn)速反饋信號來自與電機(jī)同軸的速度傳

28、感器。為了獲得準(zhǔn)確而且可靠的轉(zhuǎn)速信號，速度傳感器必須經(jīng)過精確的安裝和妥善的維護(hù)，在條件不好的工業(yè)現(xiàn)場上常常不易做到。此外，在低速時要獲得準(zhǔn)確無干擾的轉(zhuǎn)速信號也并非易事。因此，取消速度傳感器而仍能獲得良好的控制性能，便成為眾所矚目的研究與開發(fā)課題。1.4 論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本文以異步鼠籠感應(yīng)電動機(jī)為研究對象，從電動機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)出發(fā)，分析了異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以及矢量控制的原理，建立了異步電動機(jī)的矢量調(diào)速控制系統(tǒng)。并進(jìn)行了仿真分析。主要研究內(nèi)容包括：1、異步電動機(jī)的矢量調(diào)速控制原理。本文分析了異步電動機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，著重分析了按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理。2、為了更好的了解

29、矢量控制的原理，本文進(jìn)行了坐標(biāo)變換的仿真分析。3、異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的主電路。本文闡述了異步電動機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，并具體分析了電流追蹤型逆變器的pwm控制原理。4、轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測。為了做到磁場的準(zhǔn)確定向，本文采用了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的電流模型，為方便進(jìn)一步的研究，搭建了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的仿真模型，并進(jìn)行仿真分析。5、異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真研究和分析。本文使用matlab中的simulink仿真環(huán)境建立了異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析。第2章 異步電動機(jī)矢量調(diào)速原理2.1 引言 矢量控制系統(tǒng)是建立在異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上

30、的，因此必須首先分析異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。本章采用的是異步鼠籠電動機(jī)，首先介紹了異步電動機(jī)的矢量調(diào)速控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)之上闡述了按轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的實(shí)現(xiàn)。2.2 異步電動機(jī)矢量調(diào)速的實(shí)質(zhì)電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要目的就是控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，然而轉(zhuǎn)速是由電動機(jī)轉(zhuǎn)矩來改變的，所以，我們先從電動機(jī)轉(zhuǎn)矩來分析電動機(jī)控制的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵。任何一個機(jī)電傳動、伺服系統(tǒng)，在工作中都要服從運(yùn)動的基本方程式： 其中，j為機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量，為轉(zhuǎn)子的角速度，te為電磁轉(zhuǎn)矩，tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由(2-1)式可知，電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩te，除用以克服負(fù)載的制動轉(zhuǎn)矩tl外，其余部分就是用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子角加速度的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。若要對一個

31、機(jī)電系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行有效的控制，就必須控制系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩te-tl。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl的變化規(guī)律已知的條件下，這就必須對電動機(jī)的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制。因此，歸根結(jié)底，要提高調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是要看控制其轉(zhuǎn)矩的能力。從產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的角度來看，異步電動機(jī)另一種電磁轉(zhuǎn)矩公式為： 式中ct為轉(zhuǎn)矩常數(shù)?？梢钥闯鲭姶呸D(zhuǎn)矩是由氣隙磁場和轉(zhuǎn)子電流的有功分量相互作用產(chǎn)生的。即使氣隙磁場保持恒定，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不但與轉(zhuǎn)子電流的大小有關(guān)而且還與轉(zhuǎn)子電流的功率因數(shù)角有關(guān)。它隨電流的頻率，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率而變。更何況電動機(jī)的氣隙磁場是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生的，隨負(fù)載的變化，磁通也要發(fā)生變化。因而在動態(tài)過程中要

32、準(zhǔn)確的控制異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就顯得比較困難。但因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁通，這樣式(2-2)就變?yōu)檫@種形式和直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式非常相似，如果能保持轉(zhuǎn)子磁通的恒定，轉(zhuǎn)子磁通的恒定包括磁通相位和幅值恒定兩個方面。這樣控制轉(zhuǎn)子電流就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩?；谶@種方法提出了一種以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法。2.3 異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)異步電動機(jī)的矢量控制是以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，達(dá)到對交流電動機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的，從而獲得了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示：圖2-1 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的主

33、電路采用了電流追蹤型逆變器。在控制電路中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器atr的給定值，ar為磁鏈調(diào)節(jié)器，磁鏈觀測環(huán)節(jié)采用按轉(zhuǎn)子磁場定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈的模型結(jié)構(gòu)。將在下文中詳細(xì)闡述。atr和ar的輸出分別為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量。和經(jīng)過2r/3s變換后得到定子電流的給定值，并通過電流滯環(huán)控制電動機(jī)定子的三相電流。2.4 矢量控制系統(tǒng)常用方案及比較2.4.1 矢量控制系統(tǒng)常用的方案1、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方案轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的出發(fā)點(diǎn)是，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。在運(yùn)行狀態(tài)突變的動態(tài)過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩之所以出現(xiàn)偏差，是因?yàn)殡姍C(jī)中出現(xiàn)了暫態(tài)電流，它阻礙著運(yùn)行狀態(tài)的突變，

34、影響了動作的快速性。如果在控制過程中，能使電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子或氣隙磁場中一個始終保持不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就和穩(wěn)態(tài)工作時一樣，主要由轉(zhuǎn)差頻率決定8。這樣考慮轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)態(tài)方程式，從轉(zhuǎn)子磁通直接得到定子電流d軸分量，通過對定子電流的有效控制，形成了轉(zhuǎn)差矢量控制，從而避免了磁通的閉環(huán)控制，不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子的磁鏈的幅值和相位。該控制方法是用轉(zhuǎn)差率和測量的轉(zhuǎn)速相加后積分來計(jì)算磁通相對于定子的位置。結(jié)構(gòu)簡單，所能獲得的動態(tài)性能基本上可以達(dá)到直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平。2氣隙磁場定向矢量控制方案氣隙磁場的定向控制是將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于氣隙磁場的方向，此時氣隙磁場的q軸分量為零。如果保持氣隙磁通d軸分量恒定，轉(zhuǎn)矩

35、直接和q軸電流成正比。因此，通過控制q軸電流，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬時控制，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。3、定子磁場定向矢量控制方案定子磁場定向的矢量控制方法，是將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸放在定子磁場方向上，此時，定子磁通的q軸分量為零，如果保持定子磁通恒定，轉(zhuǎn)矩直接和q軸電流成正比，從而控制電機(jī)。定子磁場定向控制使定子方程大大簡化，從而有利于定子磁通觀測器的實(shí)現(xiàn)。然而此方案在進(jìn)行磁通控制時，不論采用直接磁通閉環(huán)控制，還是采用間接磁通閉環(huán)控制，均須消除耦合項(xiàng)的影響。因此，需要設(shè)計(jì)一個解耦器，對電流進(jìn)行解耦12。4、轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法是在磁場定向矢量控制方法中，把d，q坐標(biāo)系放在同

36、步旋轉(zhuǎn)磁場上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場的方向重合，磁勢轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零。只需檢測出定子電流的d軸分量即可以觀測轉(zhuǎn)子磁通幅值。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。因此稱定子電流的d軸分量為勵磁分量，定子電流的q軸分量為轉(zhuǎn)矩分量。在忽略反電動勢引起的交叉耦合項(xiàng)以后，可由電壓方程d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制12。2.4.2 控制方案的比較1、轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方案轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，思路清晰，不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，所能獲得的動

37、態(tài)性能基本上可以達(dá)到直流雙環(huán)控制的水平，然而間接磁場定向控制中對轉(zhuǎn)子時間常數(shù)比較敏感，當(dāng)控制器中這個參數(shù)不正確時，計(jì)算出的轉(zhuǎn)差頻率也不正確，得出的磁通旋轉(zhuǎn)角度將出現(xiàn)偏差，即出現(xiàn)定向不準(zhǔn)的問題。因此這種控制方法不適合于高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)12。 2、定子磁場定向的矢量控制方案定子磁場定向的矢量控制方案，在一般的調(diào)速范圍內(nèi)可利用定子方程作磁通觀測器，非常易于實(shí)現(xiàn)且不包括對溫度變化非常敏感的轉(zhuǎn)子參數(shù)，可達(dá)到相當(dāng)好的動靜態(tài)性能，同時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對簡單。然而低速時，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，致使反電動勢測量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。定子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)適用恒功率調(diào)速

38、和于大范圍弱磁運(yùn)行的情況12。3、氣隙磁場定向矢量控制方案氣隙磁場定向系統(tǒng)中磁通關(guān)系和轉(zhuǎn)差關(guān)系中存在耦合，需要增加解耦器，這使得它比轉(zhuǎn)子磁通的控制方式要復(fù)雜，但具有一些狀態(tài)能直接測量的優(yōu)點(diǎn)，比如氣隙磁通。同時電機(jī)磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故基于氣隙磁通的控制方式更適合于處理飽和效應(yīng)7。4、轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案轉(zhuǎn)子磁場定向的控制方案，缺點(diǎn)是磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子磁通的檢測精度受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的影響較大，一定程度上影響了系統(tǒng)的性能。但優(yōu)點(diǎn)是它達(dá)到了磁通電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量兩者的完全解耦控制，無需增加解耦器，控制方式簡單，具有較好動態(tài)性能和控制精度1516。比較上述三種方案，轉(zhuǎn)子磁場定向的

39、矢量控制是最佳的方案，所以本文采用了轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案。2.5 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型矢量控制系統(tǒng)是建立在異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，因此必須首先分析異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。2.5.1 三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)本質(zhì)上是一個高階、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。這是因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)的變頻調(diào)速需要進(jìn)行電壓(或電流)和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓(或電流)和頻率兩個獨(dú)立的輸入變量。輸出變量中除轉(zhuǎn)速外，還應(yīng)包括磁通，因此，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個多變量系統(tǒng)。而電壓(電流)、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響，主要的耦合是繞組之間的互感聯(lián)系。另外，在異步電動機(jī)中，磁通乘電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘

40、磁通得到感應(yīng)電動勢，由于它們都是同時變化的，在數(shù)學(xué)模型中就會有兩個變量的乘積項(xiàng)，因此，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是非線性的高階系統(tǒng)21。無論電動機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線型的還是鼠籠型的，都將它等效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定予側(cè)，折算后的每相繞組匝數(shù)都相等。這樣，實(shí)際電動機(jī)就被等效為圖2-2所示的三相異步電動機(jī)的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線a，b， c在空間是固定的，故定義為三相靜止坐標(biāo)系。設(shè)a軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子以速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組軸線為a，b，c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子a軸和定子a軸間的電角度差為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機(jī)慣例和右手螺旋定則。這時，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述的電壓方程

41、、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成。在研究異步電動機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時，常做如下假設(shè)22:(1)、忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱(在空間互差120電角度)，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；定子a，b，c及三相轉(zhuǎn)子繞組a，b，c在空間對稱分布，各相電流和及不計(jì)；(2)、忽略磁路飽，各繞組的自感和互感都是恒定的；(3)、忽略鐵心損耗；(4)、不考慮溫度和頻率的變化對電動機(jī)參數(shù)的影響。1、電壓方程圖2-2 三相異步電動機(jī)的物理模型將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子代替微分符號 式中：，和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值； ，定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值； ，相繞組的全磁鏈； ，定轉(zhuǎn)子繞組的電阻。2、磁鏈方程寫

42、成矩陣形式為： 式中：定子磁鏈為：轉(zhuǎn)子磁鏈為：定子電流為：轉(zhuǎn)子電流為：定子自感矩陣：轉(zhuǎn)子自感矩陣： 定子、轉(zhuǎn)予之間的互感矩陣：其中： 定子漏感 轉(zhuǎn)子漏感 定轉(zhuǎn)子最大互感3、電磁轉(zhuǎn)矩方程 按照機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，可求出電磁轉(zhuǎn)矩t的表達(dá)式為： 4、運(yùn)動方程：2.5.2 坐標(biāo)變換從上節(jié)分析來看，時變電感矩陣是導(dǎo)致電機(jī)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜的主要因素，因此必須在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上對這個數(shù)學(xué)模型加以簡化，才能達(dá)到系統(tǒng)解耦的目的，實(shí)現(xiàn)高性能的諷速控制。矢量控制技術(shù)的基礎(chǔ)就是利用坐標(biāo)變換建立起旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)矢量模型。利用坐標(biāo)變換理論建立異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型時，首先進(jìn)行3/2靜止坐標(biāo)變換，將定、轉(zhuǎn)子變量由與各自繞組相對靜止

43、的三相坐標(biāo)軸系轉(zhuǎn)換到兩相直角坐標(biāo)軸系上；然后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將定、轉(zhuǎn)子變量歸結(jié)到相對于定子繞組以同步角速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系上，從而簡化了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。1、三相兩相靜止坐標(biāo)變換三相/兩相靜止(3s/2s)坐標(biāo)變換是將異步電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子的變量分別由相對靜止的三相坐標(biāo)系中變換到兩相直角坐標(biāo)系中。圖2-3為交流電機(jī)的3s/2s等效變換圖。圖2-3 3s/2s等效變換圖每個坐標(biāo)軸上的磁動勢分量都可以由在此軸上的電流與匝數(shù)的乘積來表示。取軸與軸重合，三相坐標(biāo)系上電機(jī)每相繞組有效匝數(shù)是，兩相坐標(biāo)系上繞組每相有效匝數(shù)為。設(shè)磁動勢波形為正弦分布，則為方便求取反變換，需在兩相系統(tǒng)上增加一項(xiàng)零軸磁動勢，

44、定義為：將式和寫為矩陣形式，得其中：為三相坐標(biāo)系變換到二相坐標(biāo)系得變換陣。在滿足變換前后電機(jī)功率不變的原則，且電壓和電流選取相同的變換陣時，,。當(dāng)電機(jī)的三相繞組是星型不帶零線接法時，整理得電流變換式：以上變換公式具有普遍性，同樣可以應(yīng)用于電壓和磁鏈的變換。為了滿足不同參考坐標(biāo)系的各個參量的分析，還需要找出不同參考坐標(biāo)系的變換方程，下砥介紹從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換公式。2、兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換圖2-4表示了從兩相靜止坐標(biāo)系，到兩相同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，的變換。圖2-4 2s/2r等效變換圖中靜止坐標(biāo)系的兩相電流，和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個直流電流，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。由于各個繞組

45、匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示，即可以標(biāo)示為。合成磁動勢以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量，的長短保持不變，這相當(dāng)于在,坐標(biāo)軸繞組通直流電流。但是,軸是靜止的，軸上分量隨著,時間變化。由圖2-2，有2.5.3 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的異步電機(jī)模型異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換以簡化分析和運(yùn)算過程。對建立在三相靜止abc坐標(biāo)系上的電機(jī)模型，首先作3s/2s將其變換到兩相靜止坐標(biāo)系上，進(jìn)而再作2s/2r變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，即由坐標(biāo)系。這樣便得到兩相系下的簡化數(shù)學(xué)模型。取軸的旋轉(zhuǎn)速度等于定子頻率的同步角速度，轉(zhuǎn)子角速度為，軸相對于轉(zhuǎn)子的角速度為-=，即轉(zhuǎn)差。規(guī)定軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)?/p>

46、量的方向，軸垂直于矢量方向，由于本身就是以同步速旋轉(zhuǎn)的矢量，所以，。在按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型由電壓方程，磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程組成。1、電壓方程2、磁鏈方程式中，坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，；坐標(biāo)系定子等效兩相繞組的自感，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，。3、轉(zhuǎn)矩方程因此異步電動機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上數(shù)學(xué)模型和矩陣表示為：電壓方程中出現(xiàn)了零元素，所以減少了多變量之間的耦合關(guān)系，使電機(jī)模型得到簡化，而且轉(zhuǎn)矩方程也與直流機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程非常近似。在矢量控制中采用的就是這種數(shù)學(xué)模型。2.6 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制2.6.1 矢量控制的基本思路經(jīng)過三相靜止到兩

47、相靜止(3s/2s)和兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的(2s/2r)變換后，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型就和直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型很相似，如果觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一同旋轉(zhuǎn)，他所看到的就是一臺直流電動機(jī)，可以將異步電動機(jī)等效成直流電動機(jī)，圖2-5中虛線方框部分，它表示異步電動機(jī)，從整體上看，它的外部輸入為abc三相輸入，轉(zhuǎn)速為輸出，從內(nèi)部來看，經(jīng)過三相/兩相變換，變成一臺由，輸入，轉(zhuǎn)速輸出的直流電動機(jī)。既然異步電動機(jī)通過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動機(jī)，那么，模仿直流電動機(jī)的控制方式，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能控制異步電動機(jī)了。所構(gòu)想的結(jié)構(gòu)圖如圖2-5。圖2-5中繪定信號和反饋信號經(jīng)過類似于直

48、流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號和電樞電流的給定信，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到，再進(jìn)過三相兩相變換得到，。把這三個電流控制信號和由控制器直接得到的頻率控制信號加到帶電流控制的變頻器上，就可以輸出所需的三相變頻電流。在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)交換器與電動機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)相抵消，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，2/3變換器和電動機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，則圖2-7虛線內(nèi)部的環(huán)節(jié)可以完全刪去，剩下的部分就和直流調(diào)速系統(tǒng)非常相似了。這樣的矢量控制交流調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性應(yīng)該完全能夠于直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美了。圖2-5 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖2.6.2 矢量控制的磁

49、場定向矢量控制的磁場定向：在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓方程式所依據(jù)的的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系只是做了兩軸垂直和旋轉(zhuǎn)角速度的規(guī)定。然而，對矢量控制的另一個關(guān)鍵問題就是對坐標(biāo)系的軸系取向加以確定，這個步驟稱為定向。選擇電動機(jī)某一旋轉(zhuǎn)磁場軸作為特定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸就叫做磁場定向24。磁場定向軸的選擇有三種：轉(zhuǎn)予磁場定向、定子磁場定向、氣隙磁場定向。在按轉(zhuǎn)子磁場定向時轉(zhuǎn)子磁鏈的表達(dá)形式最簡單且能實(shí)現(xiàn)了定予電流轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量的真正解耦，使得可以向控制直流電動機(jī)一樣控制異步電動機(jī)而定予磁場定向、氣隙磁場定向兩種定向方式要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量的解耦，需要構(gòu)造復(fù)雜的解耦器。鑒于上述原因，本文采用轉(zhuǎn)子磁場定向方式。2.6.3

50、 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)變換所取異步電動機(jī)以旋轉(zhuǎn)的d軸不像同步電動機(jī)中的軸，同步電動機(jī)的軸具有確切的幾何概念和物理概念，而異步電動機(jī)的軸相對于定轉(zhuǎn)子都在運(yùn)動，不具備幾何概念，物理概念也不清晰。所以可以進(jìn)一步規(guī)定它的方向，使它具備一定的物理含義，將使方程進(jìn)一步簡化。對坐標(biāo)系作進(jìn)一步規(guī)定：規(guī)定軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈的方向并稱之為軸，超前于它的軸稱為軸，這樣兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為,坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁場定向的坐標(biāo)系，則異步電動機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型：1、電壓方程為：2、磁鏈方程為：3、電磁轉(zhuǎn)矩為：由于軸取在的軸線上，顯然有：，。也就是說：將式，代入式則電壓矩陣方程為： 上式3，4行出

51、現(xiàn)了0元素，減少了多變量之間的耦合關(guān)系，使模型得到簡化。由求得，由求得代入得電動機(jī)轉(zhuǎn)矩方程為：4、運(yùn)動方程式中：轉(zhuǎn)子電氣旋轉(zhuǎn)角速度； 轉(zhuǎn)動慣量； 負(fù)載轉(zhuǎn)矩。以上式即為異步電動機(jī)在mt坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型，也就是按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。2.6.4 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方程對于異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子短路，端電壓則電壓方程為：磁鏈方程為：在矢量控制系統(tǒng)中，被控制量是定子電流，因此，必須從數(shù)學(xué)模型中找出定子電流的兩個分量與其他物理量的關(guān)系。由式得：則將式代入式 得：或式中，為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)。式表明轉(zhuǎn)子磁鏈僅由產(chǎn)生，而與和轉(zhuǎn)子電流無關(guān)，故稱為定子電流的勵磁分量。該式還表明，和之間

52、的傳遞函數(shù)是一個一階慣性環(huán)節(jié)，其含義但是：當(dāng)勵磁分量突變時，的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電動機(jī)勵磁繞組的慣性的作用是一致的。式和式表明當(dāng)定子電流的勵磁分量突變引起的變化時，當(dāng)即在轉(zhuǎn)子中感生轉(zhuǎn)子電流勵磁分量，阻止的變化，使只能按時間常數(shù)的指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，因而，即的穩(wěn)態(tài)值由唯一決定。軸上的定子電流和轉(zhuǎn)子電流的動態(tài)關(guān)系式滿足式：此式說明：如果突然變化，立即跟著變化，沒有什么慣性，這是因?yàn)榘崔D(zhuǎn)子磁場定向后在軸上不存在轉(zhuǎn)子磁通的緣故。再看式轉(zhuǎn)矩方程式，可以認(rèn)為是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量。當(dāng)不變時，即不變時，如果變化，轉(zhuǎn)矩立即隨之成正比的變化，沒有任何滯后。從電動機(jī)基本方程的第四行可以求得：

53、結(jié)合并考慮，可得：以上式，為矢量控制的控制方程式?？偠灾?，由于坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁場定向，在定子電流的兩個分量之間實(shí)現(xiàn)了解耦，唯一決定磁鏈，則只影響轉(zhuǎn)矩，與直流電動機(jī)中的勵磁電流和電樞電流相對應(yīng)，大大簡化了交流異步電動機(jī)的控制問題。2.7 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般和定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁鏈及其夾角有關(guān)。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必須先檢測和控制磁鏈。為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電動機(jī)鐵心，在允許的電流作用下，盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，加快系統(tǒng)的過渡過程，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時對磁鏈(或磁通)進(jìn)行控制。因?yàn)楫?dāng)磁鏈(或磁通)很小時，即使電流很大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩也很小。何況由于物理?xiàng)l件限定，電流總是有限的。因此，

54、磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要。為了改善矢量控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，使磁鏈在動態(tài)過程基本保持恒定不變，所以采取磁鏈閉環(huán)。磁場定向控制是調(diào)速控制中的關(guān)鍵，異步電動機(jī)的勵磁回路是非獨(dú)立的，定子繞組輸入的電流包含轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量兩部分，這給異步電動機(jī)的控制帶來很大的困難。如果按轉(zhuǎn)子磁場的定向控制，則需要知道轉(zhuǎn)子磁場的大小和位置，只有這樣才能將定子電流解耦。2.7.1 轉(zhuǎn)子磁鏈的獲取方法 轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測和獲取方法一般有兩種：1、直接法 轉(zhuǎn)子磁鏈信息的獲得，最初采用的直接檢測氣隙磁鏈的方法，一種是在電動機(jī)槽內(nèi)部埋設(shè)探測線圈，另一種是利用貼在定子內(nèi)表面的霍爾元件或其他磁敏元件。從理論上說這種方法應(yīng)該比較準(zhǔn)確，但

55、實(shí)際上，埋設(shè)線圈和敷設(shè)霍爾元件都會遇到不少工藝和技術(shù)問題，而且在一定程度上破壞了電動機(jī)的機(jī)械魯棒性。同時由于齒槽的影響，使檢測信號中含有大量的脈動分量，并且電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低越嚴(yán)重。另一類特殊的闖題將會在閉合轉(zhuǎn)子槽電動機(jī)(籠型異步電動機(jī)的典型結(jié)構(gòu)之一)中出現(xiàn)，這是由于此時轉(zhuǎn)子漏電感強(qiáng)烈地依賴于轉(zhuǎn)子電流，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)子電流比較小的時候，如果不采取適當(dāng)措施，磁通檢測誤差會相當(dāng)大，由于受到工程和技術(shù)條件的限制，難以實(shí)現(xiàn)。2、間接法 又稱模型法，即通過檢測交流電動機(jī)的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等物理量然后通過轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型實(shí)時計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的模值和空間位置?，F(xiàn)在隨著微機(jī)運(yùn)算技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)時計(jì)算對硬件設(shè)備的要

56、求己經(jīng)不再是最主要的問題。所以，采取間接法進(jìn)行的矢量控制成為當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中比較常見的辦法。2.7.2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型利用能夠?qū)崪y的物理量的不同組合，可以獲得多種轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型。借助異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出轉(zhuǎn)子的磁鏈，常用的方法有電壓模型法，電流模型法，組合模型法和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)模型法。由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)模型法計(jì)算量小，實(shí)時性好，所以本文采用了按轉(zhuǎn)子磁場定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型。設(shè)轉(zhuǎn)子的角頻率為，由上一章的矢量控制方程知：轉(zhuǎn)差角頻率為： 同步角頻率為： 轉(zhuǎn)子磁鏈角為：結(jié)合式通過檢測定子三相電流在經(jīng)過3/2變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系電流，在按轉(zhuǎn)子磁場定向后，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換得到在mt旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流，。然后利用磁場的定向方程式可以獲得轉(zhuǎn)差信號和轉(zhuǎn)子磁鏈模值信號。把和實(shí)際測得的轉(zhuǎn)速信號相加求得定子同步角頻率信號，然