課程設(shè)計異步電動機電流滯環(huán)矢量控制系統(tǒng)

1、 現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)題 目異步電動機采用電流滯環(huán)控制型PWM控制技術(shù)的矢量控制系統(tǒng)學 院專業(yè)班級學 號姓 名指導(dǎo)教師II摘要異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成，為非線性，所以控制起來極為不便。異步電機的模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個磁通間的耦合。如果把異步電動機模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡單模型，就可以模擬直流電動機的控制模型來控制交流電動機。本文研究了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制的設(shè)計方法，通過坐標變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型，然后仿照直流電動機的控制方法控制電磁

2、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到異步電動機所需的三相定子電流，然后利用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制技術(shù)，在三相定子坐標系中完成電流閉環(huán)控制，實現(xiàn)對異步電動機轉(zhuǎn)速控制，完成按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計，并用MATLAB進行仿真。關(guān)鍵字：異步電動機、直流電動機、電流滯環(huán)跟蹤PWM控制、MATLAB仿真目 錄摘要I第1章 緒論11.1 課題研究背景及現(xiàn)狀11.2 交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況11.3課題研究的主要內(nèi)容3第2章異步電動機的數(shù)學模型及矢量控制原理42.1整體方案設(shè)計原理42.2仿真模型各個模塊介紹52.2.1坐標變換52.2.2兩相靜止-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）62.2.

3、3旋轉(zhuǎn)角度的計算72.2.4磁鏈的計算82.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）82.2.6 轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器（APR）92.3異步電動機矢量控制原理9第3章 電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)113.1電流滯環(huán)跟蹤控制原理113.2 滯環(huán)寬度分析123.3電流滯環(huán)跟蹤控制的特點133.4電流滯環(huán)控制型PWM變頻器14第4章仿真模型搭建與結(jié)果分析154.1電機參數(shù)的設(shè)定154.2仿真結(jié)果16致謝18參考文獻19武漢理工大學現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)課程設(shè)計說明書第1章 緒論1.1 課題研究背景及現(xiàn)狀自從電氣化時代開始以來，電動機就成為重要的動力來源。直流電機拖動系統(tǒng)和交流電機拖動系統(tǒng)在19世紀中期先后誕生

4、。直流電機由于勵磁磁場和電樞磁場完全解耦，這樣可以根據(jù)調(diào)速性能的要求，按照經(jīng)典控制理論的方法獨立設(shè)置調(diào)節(jié)器，分別對勵磁磁場和轉(zhuǎn)矩進行控制，因此直流調(diào)速系統(tǒng)會有良好的調(diào)速性能，調(diào)速平滑且易于控制，在高性能電氣傳動領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。1.2 交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況在20世紀的大部分年代里，約占整個電力拖動容量80%的不變速拖動系統(tǒng)都采用交流電機直接拖動，占電力拖動容量20%的高性能可調(diào)速拖動系統(tǒng)則采用直流電機拖動，這似乎已經(jīng)成為一種舉世公認的格局。但由于直流電機存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用機械換向器和電刷，使它具有難以克服的固有缺點，如造價高、維護難、壽命短、存在換向火花和電磁干擾，因此直流電機的最高轉(zhuǎn)速、

5、單機容量和最高電壓都受到一定的限制。事實上，從 20世紀30年代起，不少國家就開始進行無換向器電機控制系統(tǒng)的研究，但由于條件限制，進展不大，而交流電機特別是鼠籠式異步電機制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、可以實現(xiàn)高壓大功率及高速驅(qū)動，適合在惡劣環(huán)境下工作，所以工業(yè)界和學術(shù)界一直致力于高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，至20世紀60年代，交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)己有多種方案問世，主要有以下兩種：（1）轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻控制（U/f）變壓變頻控制以異步電機的穩(wěn)態(tài)方程為推導(dǎo)基礎(chǔ)，以控制異步電機的氣隙磁通幅值恒定為目標，具有控制簡單、容易實現(xiàn)、靜態(tài)性能指標在大多數(shù)場合都能滿足需求等特點，目前市場上通用變頻器大多采用這

6、種方式，但轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻控制并不能真正實現(xiàn)異步電機拖動動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩控制。（2）轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制比U/f控制方式有了較大的提高，但轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立，在動態(tài)中磁通不會恒定，這會影響調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)性能，一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合。在要求異步電機轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，異步電機除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當大的瞬態(tài)電流，由于瞬態(tài)電流的影響，異步電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。由于這種方異步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計及其PI控制器參數(shù)優(yōu)化研究法只依據(jù)異步電機的穩(wěn)態(tài)模型

7、，因此只能按異步電機穩(wěn)態(tài)運行規(guī)律進行控制，不能控制任意磁場的大小和相對位置，特別是沒有進行動態(tài)磁通控制，對系統(tǒng)的控制只是粗略的，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制性能差。綜上所述，盡管在此期間提出的一些方案（如轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)）能夠在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)異步電機平滑調(diào)速，但是由于其系統(tǒng)控制規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推導(dǎo)出的，完全沒有考慮動態(tài)情況及過渡過程，在系統(tǒng)設(shè)計時，不得不做出較多的假設(shè)、忽略較多因素才能得出一個近似的傳遞函數(shù)，這就使得設(shè)計結(jié)果與實際相差較大，調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定性、啟動、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方面的性能不能令人滿意，在數(shù)控機床、機器人等需要高動態(tài)性能的調(diào)速場合，就不能勝任了。針對

8、上述異步電機調(diào)速方案的缺點，國外許多專家學者經(jīng)過多年的潛心研究，提出了現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的矢量控制理論，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。矢量控制理論是1971年初由德國西門子公司的 F.Blasschke 等人首先提出，其核心思想是考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的參數(shù)時變系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標，通過Clark和Park變換簡化數(shù)學模型，就可以實現(xiàn)定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，使得異步電機在理論上能像直流電機一樣分別對勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進行獨立控制，從而可以獲得同直流電機一樣良好的調(diào)速性能。近幾十年來，隨著電力電子

9、技術(shù)、PWM變頻技術(shù)、微處理器、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，矢量控制理論使得高性能異步電機調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并獲得了廣泛的應(yīng)用。在異步電機矢量控制系統(tǒng)中，只規(guī)定了坐標系之間的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，實際使用時，根據(jù)坐標定向的不同，有氣隙磁場定向、定子磁場定向、轉(zhuǎn)子磁場定向等不同的方案。（1）氣隙磁場定向矢量控制方案氣隙磁場的定向控制就是將旋轉(zhuǎn)坐標系的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。如果保持氣隙磁通的d軸分量恒定，轉(zhuǎn)矩直接和定子電流q軸分量成正比。因此通過控制q軸分量，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬時控制，從而達到控制異步電機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的目的。（2）定子磁場定向矢量控制方案定子磁場的定向控制就是將旋轉(zhuǎn)坐標

10、系的d軸定向于定子磁場的方向，此時定子磁場的q軸分量為零。如果保持定子磁通的d軸分量恒定，轉(zhuǎn)矩直接和定子電流q軸分量成正比，同樣可通過控制定子電流q軸分量來控制異步電機動態(tài)轉(zhuǎn)矩。定子磁場定向控制使定子方程大為簡化，有利于定子磁通觀測器的實現(xiàn)。但此方案在進行磁通控制時，不管采用直接磁通閉環(huán)控制還是間接磁通閉環(huán)控制，均需要消除耦合項的影響，因此需要設(shè)計一個解耦器對電流進行解耦。（3）轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制方案轉(zhuǎn)子磁場的定向控制就是將d、q坐標系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，將異步電機的轉(zhuǎn)子磁通作為旋轉(zhuǎn)坐標系的d坐標軸。若忽略由反電動勢引起的交叉耦合，只需檢測出定子電流的d軸分量，就可以觀測轉(zhuǎn)子磁通幅值。轉(zhuǎn)子磁

11、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軸分量就可以實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制。此時稱定子電流的d軸分量為勵磁分量，定子電流的q軸分量為轉(zhuǎn)矩分量?？捎呻妷悍匠痰膁軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。1.3課題研究的主要內(nèi)容本文主要研究和設(shè)計了按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)。首先闡述了異步電機矢量控制系統(tǒng)的基本原理，通過對轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)的理論和學習，按照工程設(shè)計法設(shè)計了按轉(zhuǎn)子磁場定向異步電機矢量控制系統(tǒng)的磁通調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并進行了調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，同時采用了電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)，實現(xiàn)電流快速

12、跟隨給定值，建立了系統(tǒng)的仿真模型，最終完成了異步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計。全文共分四章：第 1 章為緒論部分，闡述了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況及課題研究的主要內(nèi)容。第 2 章闡述了課題設(shè)計的主要思想和矢量控制系統(tǒng)的基本原理。另外將設(shè)計過程中所用到的各個模塊進行了詳細的講解，說明設(shè)計的理論依據(jù)。第3章介紹了電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)的基本原理，及在本次課題研究中的應(yīng)用。第4章在MATLAB中搭建異步電動機矢量控制系統(tǒng)的模型，及其simulink仿真結(jié)果的分析。第2章異步電動機的數(shù)學模型及矢量控制原理異步電動機是一個多輸入變量和多輸出變量的系統(tǒng),定子和轉(zhuǎn)子間通過磁鏈互親關(guān)系進行能量轉(zhuǎn)換,這就使異步電動機是一個

13、高階、非線性、強親合的多變系統(tǒng)。為了實現(xiàn)良好的調(diào)速性能,對異步電動機建立數(shù)學模型。同時七十年代發(fā)展建立的矢量控制理論也為現(xiàn)代調(diào)速控制理論奠定了基礎(chǔ)。在研究異步電動機數(shù)學模型時,一般要作以下假設(shè):1、定子轉(zhuǎn)子三相繞組對稱分布,在空間上互差120電角度,所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦均勾分布,忽略諧波;2、磁路不飽和,各繞組的自感、互感為線性;3、不計鐵心損耗;4、忽略頻率、溫度變化對電機參數(shù)的影響。2.1整體方案設(shè)計原理本次設(shè)計內(nèi)容是異步電機的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效的直流電機模型，然后模仿直流電動機控制策略設(shè)計控制系統(tǒng)。因為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交

14、坐標系是旋轉(zhuǎn)dq正交坐標系的一個特例，因此在接下來的分析中，采用的是在mt坐標系下進行數(shù)據(jù)的處理和模型的搭建。提到矢量控制，從它的基本思想我們可以了解到，設(shè)計的過程中需要進行坐標變換，包括三相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)（3s/2r）、兩相旋轉(zhuǎn)/三相靜止（2r/3s），經(jīng)過變換之后就得到等效的直流電動機模型，然后就可以按照控制直流電動機的方式控制異步電機，也就是需要對電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行控制，而影響電磁轉(zhuǎn)矩的因素包括轉(zhuǎn)子磁鏈的波動，所以添加了轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后達到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值。通過以上的

15、分析表明，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈所引起的轉(zhuǎn)矩變化，但是這種調(diào)節(jié)只有當轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用，為了改善動態(tài)性能，采用轉(zhuǎn)矩控制方式，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出增加除法環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)輸出為定子電流轉(zhuǎn)矩分量，用除法環(huán)節(jié)消去對象中固有的乘法環(huán)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈的動態(tài)解耦。在MATLAB中搭建的模型如圖2-1所示：圖2-1MATLAB中搭建仿真模型整個過程首先在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中計算定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定值，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s和2/3變換得到iA*、iB*、iC*，通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電機所需要的三相定子電流。此外，得到三相電流給定值后，采用電流滯環(huán)控制型

16、PWM變頻器，在三相定子坐標系中完成電流閉環(huán)控制。2.2仿真模型各個模塊介紹在研究矢量控制時,定義了三種坐標系:三相靜止坐標系(ABC)、兩相靜止坐標系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系。三種坐標系都有相對應(yīng)的異步電動機的數(shù)學模型,并且可以通過坐標變換互相轉(zhuǎn)換。異步電動機三項原始動態(tài)模型相當復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難，在實際應(yīng)用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐標換。異步電動機數(shù)學模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因為有一個復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程，他們體現(xiàn)了異步電動機的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。因此，要簡化數(shù)學模型，需從電磁耦合關(guān)系入手。2.2.1坐標變換控制系統(tǒng)中存在兩個坐標變換:兩相靜止坐標系到

17、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系的變換,稱為Park變換。坐標變換的原則是變換前后的總功率不變。三相繞組A、B、C和兩相繞組、之間的變換，稱作三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱3/2變換。C3/2是三相坐標系變換到兩相坐標系的電流變換陣，根據(jù)變換前后產(chǎn)生相同的磁動勢的原則和變換前后功率不變的原則，可以得到：C3/2=231-12-12032-32 （2-1）如果從兩相坐標系變換到三相坐標系，簡稱2/3變換:C2/3=2310-1232-12-32 （2-2）考慮到實際異步電機的三相繞組為不帶中線的對稱繞組，沒有零軸電流，并且滿足,于是三相坐標系與兩相坐標系之間的電流變換可進一步簡化為： ii=32

18、0122iAiB （2-3）相應(yīng)的逆變換： iAiB=230-1612ii （2-4）2.2.2兩相靜止-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）圖2-2 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標系與磁動勢空間關(guān)系在圖2-2中，兩相交流電流和兩個直流電流，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。由圖2-3可見，之間有下列關(guān)系: idiq=cossin-sincosii=C2s/2rii （2-5）兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換矩陣為： C2s/2r=cossin-sincos （2-6）兩相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換矩陣是: C2r/2s=cos-sinsincos （2-7）然而在，MATLAB仿真的過程中，

19、我們將上述的公式進行了合并得到了從三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換公式。具體的變換模塊如圖2-3所示：圖2-3 3S/2R變換模塊同理可以得到其反變換（2r/3s）的轉(zhuǎn)換公式。具體的變換模塊見圖2-4圖2-4 2R/3S變換模塊2.2.3旋轉(zhuǎn)角度的計算從上面的敘述中我們可以知道，不論是兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)還是其反變換都要有旋轉(zhuǎn)角度，那么根據(jù)旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子磁鏈和在dq坐標系下 iq的關(guān)系以及轉(zhuǎn)角方程可知道其計算模塊如圖2-5：w1=w+LmTrriqw1=ddt （2-8）圖2-5 旋轉(zhuǎn)角度的計算其中，具體的參數(shù)是從電機參數(shù)給定輸入得到的。2.2.4磁鏈的計算從原理圖中可知，當轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動的時候，將

20、影響電磁轉(zhuǎn)矩，進而影響電動機轉(zhuǎn)速。此外在上述的旋轉(zhuǎn)角度的計算中也用到了轉(zhuǎn)子磁鏈值，所以對于磁鏈的控制也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其計算公式為：r=LmTrs+1id （2-9）在MATLAB中為其搭建的模型也就不言而喻了（如圖2-6所示），其中Lm、Tr的值也是來自于所用的電機參數(shù)。圖2-6 磁鏈計算2.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的目的是為了是轉(zhuǎn)速等于給定值，實際上它是通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響最后達到平衡，但是這種調(diào)節(jié)只有在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用，為了改善動態(tài)性能，可以采用轉(zhuǎn)矩控制方式，常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種：轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加除法環(huán)

21、節(jié)。該設(shè)計中使用的是帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用的是PI調(diào)節(jié)器，其輸出為轉(zhuǎn)矩給定Te*，除以轉(zhuǎn)子磁鏈r，得到電流轉(zhuǎn)矩分量給定iq*，由于某種原因使r減小時，通過除法環(huán)節(jié)可以使iq*盡可能的保持保持電磁轉(zhuǎn)矩不變。如圖2-7所示圖2-7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR至于電流轉(zhuǎn)矩分量給定的計算是根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩表達式：Te*=npLmLriq*r （2-10）在MATLAB中搭建的模型如圖2-8所示，其中所需的參數(shù)同樣來自電機給定參數(shù)。圖2-8 電流轉(zhuǎn)矩分量給定值計算模塊2.2.6 轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器（APR）當轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動時，將影響電磁轉(zhuǎn)矩進而影響轉(zhuǎn)速，在前一節(jié)中我們提到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩

22、分量，而轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，兩者同時作用，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對轉(zhuǎn)矩的影響，最后達到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。該調(diào)節(jié)器同樣采用的是PI調(diào)節(jié)器，其輸出為定子勵磁分量id*給定.圖2-9 轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器APR2.3異步電動機矢量控制原理20世紀70年代,德國科學家F.Blacschke等提出感應(yīng)電機磁場定向控制原理，經(jīng)過長期的研究和實踐,磁場定向控制理論日益成熟和完善,并已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用最多的高動態(tài)性能控制方案是按轉(zhuǎn)子磁場方向定向的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制的基本思想是模擬直流電動機的特點對異步電動機進行控制。直流電動機輸出電磁轉(zhuǎn)矩公式：Te=CMI （2-1

23、1）式中CM為電動勢常數(shù)， I為電樞電流，為氣隙磁通。I和在空間上是兩個互相垂直的參數(shù)。由勵磁電流If產(chǎn)生，這就意味著這兩個參數(shù)在空間上是解耦的,可以分別獨立調(diào)節(jié)控制。若將異步電動機放在一個同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標系上進行控制。將同步旋轉(zhuǎn)坐標系d軸固定在某個磁場方向，稱之為M軸；相對應(yīng)的q軸稱之為T軸。將定子三相電流分解成M軸上的ism和T軸上的ist，它們分別是定子電流在同步參考坐標系上的勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。在矢量控制下， ism相當于直流電動機的勵磁電流If，ist相當于直流電動機的I，因此能使異步電動機具有直流電動的調(diào)速性能?？刂频臅r候，將ism和ist作為控制信號,通過等效變換,可以

24、得到等效的定子三相電流iA、iB、iC。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系上的數(shù)學模型是同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系模型的一個特例。通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，和定子的勵磁電流分量無關(guān)，按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電動機矢量控制可以實現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩電流的解耦。矢量控制技術(shù)的最初方案就是如此。該控制系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)達到了完全解耦，缺點是磁通閉環(huán)控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子磁通檢測精度受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)影響較大,在一定程度上影響電機的調(diào)速性能。第3章 電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPW

25、M)控制技術(shù)是一種常用的電流閉環(huán)控制方法，采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路具有硬件電路簡單，電流響應(yīng)快，并且不需要載波，輸出的電壓波形中不含特定頻率的諧波。SPWM控制技術(shù)以輸入電壓接近正弦波為目的，電流波形則因負載的性質(zhì)及大小而異。然而對于交流電機來說，應(yīng)該保證為正弦波的是電流，穩(wěn)態(tài)時在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更為合適。CHBPWM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。電流跟蹤控制的精度與

26、滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。在實際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的寬度。電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高、響應(yīng)快，且易于實現(xiàn)，但功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率不定。為了克服這個缺點，可以采用具有恒定開關(guān)頻率到的電流控制器，或者局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對電流波形都會產(chǎn)生影響。3.1電流滯環(huán)跟蹤控制原理現(xiàn)在以A相電流滯環(huán)跟蹤控制為例，其控制結(jié)構(gòu)圖如下圖 3-1 所示：圖3-1電流跟蹤控制A相原理圖其中電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為h，將給定電流ia*與輸出電流ia進行比較，電流偏差ia超過±0.5h 時，經(jīng)滯環(huán)控制器（HBC）控制逆變器 A

27、 相上、下橋臂的功率開關(guān)器件動作。B、C兩相的原理圖均與此相同。設(shè)比較器的滯環(huán)寬度為h，當輸出電流ia比給定電流ia*大時，且誤差大于0.5h時，滯環(huán)比較器輸出負電平，驅(qū)動開關(guān)器件VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，使實際電流減小。當減小到與給定電流相等時，滯環(huán)比較器仍保持負電平輸出，VT1保持關(guān)斷，實際電流繼續(xù)減小，直到誤差大于0.5h時，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，輸出正電平信號，開關(guān)器件VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，使實際電流增大，一直增大到帶寬的上限。以上過程重復(fù)進行，這樣交替工作，實際電流與給定電流的偏差保持在-0.5h-+0.5h 之間，并在給定電流上下作鋸齒狀變化，達到跟蹤電流的目的。3.2 滯環(huán)寬度分析采用

28、電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM波形，如下圖 3-2所示：圖3-2 電流滯環(huán)跟蹤控制時的電流波形圖3-2給出了在給定正弦波電流半個周期內(nèi)的輸出電流波形和相應(yīng)的相電壓波形?？梢钥闯觯诎雮€周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動變化，不論在的上升段還是下降段，它都是指數(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)和電機的反電動勢有關(guān)。電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系如圖3-3所示：圖3-3 電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系由上圖可知逆變器的開關(guān)頻率與電流波動幅值成反比，即與環(huán)寬成反比， 環(huán)寬越小，開關(guān)頻率f越高，實際電流值越接近給定電流，此時電流追蹤性能越好。圖3-4 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形因此，輸出相電壓波形呈PWM

29、狀，但與兩側(cè)窄中間寬的SPWM波相反，兩側(cè)增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應(yīng)該調(diào)整一下電壓波形。電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對矛盾的因素，實用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。3.3電流滯環(huán)跟蹤控制的特點電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應(yīng)快，且易于實現(xiàn)。但受功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的限制，僅在電機堵轉(zhuǎn)且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開關(guān)頻率都未得

30、到充分利用。為了克服這個缺點，可以采用具有恒定開關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對電流波形都會產(chǎn)生影響。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM交流電路有以下特點：（1）硬件電路簡單；（2）屬于實時控制方式，電流反應(yīng)快；（3）不需要載波，輸出電壓波形中不含有特定頻率的諧波分量；（4）和計算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時輸出電流中高次諧波含量較多；（5）屬于閉環(huán)控制，這是各種跟蹤型PWM交流電路的共同特點。3.4電流滯環(huán)控制型PWM變頻器通過上述單相控制原理的介紹，電流帶滯環(huán)控制型的PWM變頻器的工作原理就也就顯而易見了，圖3-5為本次設(shè)計所用的電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，圖中relay為滯環(huán)比較器，當比較器的輸入大于正的閥值時，比較器輸出為1；比較器輸入小于負的閥值時，比較器的輸出為0。即產(chǎn)生相應(yīng)的PWM來控制電機的轉(zhuǎn)動。配合第二章中提到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)能夠正常的運轉(zhuǎn)，最終達到控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，也就意味著實現(xiàn)了對異步電機的控制。圖3-5 電流滯環(huán)控制型的PWM變頻器仿真模塊第4章仿真模型搭建與結(jié)果分析經(jīng)過前面的理論分析，各個模塊的搭建，本章將第二章的各個模塊進行組合完成本次課題研究的MATLAB仿真模型的搭建，