基于MATLAB交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、摘要異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速時(shí)因轉(zhuǎn)差功率不變而無(wú)附加能量損失的優(yōu)點(diǎn)，因此，變頻調(diào)速是一種性能優(yōu)良的高效調(diào)速方式。本文以MATLAB為仿真工具，介紹了Simulink中的仿真模塊，研究了交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，分析了變頻器的構(gòu)成和工作原理，并據(jù)此對(duì)逆變電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。首先對(duì)調(diào)速系統(tǒng)仿真所需要的各種電力系統(tǒng)模塊做了簡(jiǎn)要的介紹，說(shuō)明了逆變器的工作原理，在此基礎(chǔ)上用MATLAB/Simulink軟件分別對(duì)各種電路模塊進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了實(shí)際中廣泛應(yīng)用的交-直-交變頻器的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究，在此基礎(chǔ)上建立電機(jī)模型，進(jìn)行矢量控制設(shè)計(jì)，以帶轉(zhuǎn)矩

2、內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制的方法對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,由仿真結(jié)果可以看出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高，表明此建模方法是可行和有效的。關(guān)鍵詞：MATLAB/Simulink 變頻調(diào)速 逆變器 仿真ABSTRACTWith the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because

3、of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed.This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the resea

4、rch and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the in

5、verter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of A

6、C motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to itThe simulation result of the model shows the speed of dyna

7、mic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effectiveKey words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation緒論隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求快速增長(zhǎng)，如何有效地節(jié)能也成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。變頻調(diào)速技術(shù)除了可以改善生產(chǎn)工藝等優(yōu)越性外，其最大的特點(diǎn)就是節(jié)能。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，各種大功率半導(dǎo)體器件的相繼出現(xiàn)，促使交

8、流調(diào)速技術(shù)飛躍進(jìn)步，變頻調(diào)速已成為發(fā)展趨勢(shì)。早期的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法，如采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、籠型異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速，在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在上世紀(jì)20年代就已被人們認(rèn)識(shí)，但受到元器件的限制，當(dāng)時(shí)只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于技資大，效率低，體積大而未能推廣。20世紀(jì)50年代中期，晶閘管的研制成功，開(kāi)創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。由于晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等一系列優(yōu)點(diǎn)，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速，比上述兩種調(diào)速方式效率更高，性能

9、更好，在過(guò)去的幾十年里變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展非?？?，從主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率開(kāi)關(guān)器件及驅(qū)動(dòng)到數(shù)字信號(hào)處理器、控制策略均獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步；控制對(duì)象從異步電機(jī)到無(wú)刷直流、正弦同步電機(jī)、磁阻同步電機(jī)到伺服同步電機(jī)，變頻調(diào)速技術(shù)的控制性能不斷提升，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)角落。能源的有效利用關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。中國(guó)經(jīng)濟(jì)目前處在高速增長(zhǎng)的階段，對(duì)能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。根據(jù)有關(guān)調(diào)查研究，我國(guó)2003年的電能消耗中，6070%為動(dòng)力電；而在總?cè)萘扛哌_(dá)5.8億kw的電動(dòng)機(jī)總?cè)萘恐?，卻只有不到2000萬(wàn)kw的電動(dòng)機(jī)是采用變頻調(diào)

10、速控制的。國(guó)家目前大力提倡推廣變頻調(diào)速技術(shù)，改造現(xiàn)有落后設(shè)備，提高生產(chǎn)、加工過(guò)程的效率，降低能源消耗；在過(guò)去的幾年內(nèi)中國(guó)變頻器的市場(chǎng)保持著1215的增長(zhǎng)率，這個(gè)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了近幾年的gdp增長(zhǎng)水平，而且至少在未來(lái)的5年內(nèi)保持著10以上的增長(zhǎng)率。是與PLC、組態(tài)以及控制方法結(jié)合產(chǎn)身的效果研究及應(yīng)用，變頻技術(shù)必將會(huì)隨著其他軟硬件和控制技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)更功能和更加廣闊前景。1交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況電氣傳動(dòng)可分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類。按照電動(dòng)機(jī)的類型不同，電氣傳動(dòng)又分為直流和交流傳動(dòng)兩大類。直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)就已誕生，但當(dāng)時(shí)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是不調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性

11、能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以它在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，但與此同時(shí)，由于直流電機(jī)換向困難，還會(huì)產(chǎn)生火花，壽命短，要經(jīng)常維護(hù)，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜的交流電機(jī)獲得人們的青睞，并對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，高性能交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，交流調(diào)速系統(tǒng)有逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)。1.1電力電子器件現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展分不開(kāi)的，以電力為對(duì)象的電子技術(shù)稱為電力電子技術(shù)。它是一門利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)膶W(xué)科，是現(xiàn)代電子學(xué)的一個(gè)重要分支。電力電子電路由電力

12、電子器件、變流電路和控制電路組成，其中電力電子器件是基礎(chǔ)。最初的電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。后來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料力學(xué)、電機(jī)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前，電力電子技術(shù)成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。20世紀(jì)50年代，電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來(lái)的晶閘管，因其工作可靠、壽命長(zhǎng)、體積小、開(kāi)關(guān)速度快，而在電力電子電路中得到廣泛應(yīng)用。70年代初期，已逐步取代了汞弧閘流管。80年代，普通晶閘管的開(kāi)關(guān)電流已達(dá)數(shù)千安，能承受的正、反向工作電壓達(dá)數(shù)千伏。在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)電力電子技術(shù)

13、發(fā)展的需要，又開(kāi)發(fā)出門極可關(guān)斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件，以及單極型MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。目前，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、小體積、集成化、智能化、低損耗、易觸發(fā)、好保護(hù)等方向發(fā)展。1.2變流技術(shù)電力電子電路以電力電子器件為核心，通過(guò)不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的變換和控制。電力變換通?？煞譃樗拇箢悾唇涣髯冎绷鳎ˋC-DC）、直流變交流（DC-AC）、直流變直流（DC-DC）和交流變交流（AC-AC），變流電路的基本轉(zhuǎn)換形式如圖1-1所示。整流（AC-DC）逆

14、變（DC-AC）斬波（DC-DC）交交變頻（AC-AC）圖1-1 變流電路的基本轉(zhuǎn)換形式在實(shí)際生活中的交流調(diào)速系統(tǒng)里，應(yīng)用最廣泛的是交-直-交變頻器，它是由AC-DC、DC-AC兩類基本的變流電路組合而成，先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，因此這類電路又稱為間接交流變流電路。目前最常用的、發(fā)展最快的變頻器是脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器。1.3變頻調(diào)速的控制方式變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展, 前者屬于開(kāi)環(huán)控制, 后兩者屬于閉環(huán)控制, 正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制.1.V/F控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率、極對(duì)數(shù)有關(guān), 改變頻率就可平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速

15、. 但頻率上升或下降可能會(huì)引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足現(xiàn)象，所以在改變頻率的同時(shí)， 需調(diào)節(jié)定子電壓，使氣隙磁通維持不變、電機(jī)效率不下降, 這就是V/F控制. V/F控制簡(jiǎn)單, 通用性優(yōu)良, 但因是開(kāi)環(huán)控制, 調(diào)速精度低、范圍小，只能用在調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合。2.轉(zhuǎn)差頻率控制由電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)知, 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通、轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系為：只要保持氣隙磁通一定，控制轉(zhuǎn)差頻率就能控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制利用速度檢測(cè)器檢出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后以電機(jī)速度與轉(zhuǎn)差頻率的和給定逆變器的輸出頻率，其控制精度和過(guò)電流的抑制等特性較V/ F控制都有所提高，但沒(méi)有考慮電機(jī)電磁慣性的影響，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

16、仍沒(méi)得到控制, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果仍不理想。3.矢量控制矢量控制是在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電機(jī)的電樞電流的量和勵(lì)磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電機(jī)一樣的優(yōu)良性能，它適用于要求快速響應(yīng)或?qū)ζ饎?dòng)、制動(dòng)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。4.直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的變頻調(diào)速是目前正在發(fā)展的調(diào)速方式，它無(wú)需像矢量控制那樣進(jìn)行復(fù)雜的矢量變換運(yùn)算，直接由定子空間矢量分析三相電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并決定其控制量. DTC能夠用開(kāi)環(huán)方式對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制。1.4MAT

17、LAB/Simulink仿真介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，是用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，是面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的方便的仿真工具。Simulink與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于其與用戶交互的接口基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語(yǔ)言的編程上，它有兩個(gè)顯著的功能：Simu和L

18、ink，對(duì)所需系統(tǒng)的模型圖能夠進(jìn)行方便的建模、仿真與分析，從而使一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)模型的建立和仿真變得直觀，更重要的是，Simulink能夠用MATLAB自身的語(yǔ)言或者C語(yǔ)言，根據(jù)S函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式，寫(xiě)成自定義的功能模塊，因此，它具有很強(qiáng)的擴(kuò)充能力，同時(shí)也能夠調(diào)用.mdl文件類型的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)與其集成應(yīng)用的目的，所以，有些應(yīng)用軟件會(huì)提供.mdl文件的S函數(shù)，以便能夠通過(guò)DDE與其傳遞數(shù)據(jù)。Simulink的主要特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)工作，即畫(huà)出系統(tǒng)圖的同時(shí)就可得到相應(yīng)的語(yǔ)言代碼，對(duì)系統(tǒng)的控制、信號(hào)處理和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的算法都可以通過(guò)開(kāi)發(fā)模塊圖自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果可在MATLAB工作空間中輸出。Simulink支持連續(xù)與

19、離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線性與非線性系統(tǒng)，及具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，以仿真較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)。2逆變電路的建模與仿真在電器設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或者控制任務(wù)的電路被稱為主電路，電力電子器件是指可以直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，可以將電力電子器件分為三類：通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為半控型器件，比如晶閘管；通過(guò)控制信號(hào)既能控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全控型器件，比如絕緣柵雙極晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管；不能通過(guò)控制信號(hào)來(lái)控制其通斷的電力電子器件

20、被稱為不可控器件，比如電力二極管。在逆變電路中，在由斷態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，無(wú)論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，就可以使其開(kāi)通，但是從通態(tài)到斷態(tài)轉(zhuǎn)移的情況就不同，全控型器件可以通過(guò)對(duì)門極的控制使其關(guān)斷，而對(duì)于半控型器件的晶閘管來(lái)說(shuō)，就不能通過(guò)對(duì)其門極的控制使其關(guān)斷，必須利用外部條件或其他措施才能使其關(guān)斷，這增加了控制的復(fù)雜性，增大了裝置的體積、重量，因此，在直-交變流電路中一般采用全控型器件，而由于IGBT具有響應(yīng)快速、高輸入阻抗、低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，在變頻器中廣泛應(yīng)用，因此，將IGBT作為本設(shè)計(jì)中逆變電路的主要開(kāi)關(guān)器件。直流-交流變換稱為逆變，是指將頻

21、率為零的直流電壓變換為頻率不為零的交流電壓。逆變器采用雙向可控電力電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成能夠改變負(fù)載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開(kāi)關(guān)，切換負(fù)載電壓方向，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)的切換周期可以改變交流電能的頻率。本章對(duì)直流-交流變換的基本原理，對(duì)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的SPWM逆變電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。2.1絕緣柵雙極型晶體管IGBT的通斷是由門極電壓來(lái)控制，當(dāng)IGBT集射極電壓為正且大于開(kāi)啟電壓，同時(shí)門極加正電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)IGBT門極施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，IGBT關(guān)斷。由IGBT的工作原理可知，IGBT模塊是一個(gè)受門極信號(hào)控制的半導(dǎo)體器件。圖標(biāo)、符號(hào)如圖2-1所

22、示。圖2-1 IGBT元件的圖標(biāo)、符號(hào)由IGBT的圖標(biāo)可見(jiàn)，它有兩個(gè)輸入和輸出。第一個(gè)輸入C和輸出E對(duì)應(yīng)于絕緣柵雙極型晶體管的集電極（C）和發(fā)射極（E）；第二個(gè)輸入g為加在門極上的Simulink邏輯控制信號(hào)，第二個(gè)輸出m用于測(cè)量輸出向量。2.2三相橋式逆變電路的基本原理逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2-2所示，可以看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖2-2 三相電壓型橋式逆變電路和單相半橋、全橋逆變電路相同，

23、三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在任意瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。2.3正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，利用面積等效原理，將電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去。當(dāng)這種脈沖的寬度按照正弦規(guī)律變換而和正弦波等效的PWM波形，也稱SP

24、WM波形。下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，如圖2-3所示。把圖中的正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和響應(yīng)的正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，就得到2-3所示的脈沖序列，這就是SPWM波。圖2-3 SPWM原理及輸出波形圖2-3 SPWM原理及輸出波形2.4三相SPWM逆變器的建模與仿真正弦波脈寬調(diào)試逆變器屬于電壓型逆變器，

25、電子開(kāi)關(guān)采用絕緣柵雙極型晶體管。SPWM采用等腰三角波電壓作為載波型號(hào)，正弦波為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)正弦波電壓與三角波電壓信號(hào)相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。三相逆變橋選用了PowerSystem模塊庫(kù)中的“Universal Bridge”模塊，如圖2-4所示；脈沖信號(hào)選用SimpowerSystem中的PWM Generator模塊，如圖2-5所示。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不選擇內(nèi)部方式時(shí)，模塊Signal端應(yīng)輸入一個(gè)正弦參考信號(hào)。當(dāng)PWM發(fā)生器模塊被用于觸發(fā)單相（一橋臂）、單相橋式（二橋臂）變換器時(shí)，變換器的輸入端可輸入單相正弦參考信號(hào)；當(dāng)PWM發(fā)生器模塊被用于觸發(fā)單個(gè)或兩個(gè)三相變換器（三橋臂）橋時(shí)

26、，變換器的輸入端需要輸入一個(gè)三相正弦參考信號(hào)。當(dāng)選擇內(nèi)部調(diào)制信號(hào)時(shí)，模塊Signal端的輸入可以懸空，不接信號(hào)。模塊輸出可以以四種方式工作，分別輸出2、4、6、12路觸發(fā)，用于觸發(fā)單相半橋、單相橋式和三相橋式中的全控型器件。圖2-4 三相逆變橋模塊圖2-5 脈沖信號(hào)模塊三相SPWM逆變電路的仿真模型如圖2-6所示。圖2-6 三相SPWM逆變電路的仿真模型點(diǎn)擊示波器模塊觀察將直流逆變成交流電能的過(guò)程，可以得到輸出波形。圖2-7 三相橋式逆變電路輸出電流仿真波形變頻器有兩種工作方式，即交流-交流和交流-直流-交流，在生活中廣泛應(yīng)用的就是后者，本章就對(duì)其進(jìn)行討論，變頻器先將固定頻率和電壓的交流電能整

27、流為直流電能，再將直流電能變換為頻率和電壓符合要求的交流電能，以供負(fù)載使用。因此，變頻器是由整流器、濾波器、和逆變器組合而成的變流裝置。圖3-1所示為變頻器的構(gòu)成原理框圖。變頻器將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可以是可控的，根據(jù)變頻器調(diào)整輸出電壓的方法而定，濾波器讓脈動(dòng)的直流量變成平直的直流量，可以對(duì)直流電壓濾波，也可以對(duì)直流電流濾波，根據(jù)負(fù)載的使用要求和變頻器的控制方式而定。變頻器主要完成兩項(xiàng)電能的變換功能：一是改變對(duì)負(fù)載的供電頻率；而是改變對(duì)負(fù)載的供電電壓。因此，變頻器的原理就是指其變頻、調(diào)壓的原理和方法。變頻器改變輸出電能頻率的功能是由逆變器完成的，圖3-2所

28、示為單相變頻器主電路原理圖。逆變器是由雙向可控電力電子開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4組成。當(dāng)S1和S4導(dǎo)通、S2和S3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上得到左正右負(fù)的電壓；當(dāng)S2和S3導(dǎo)通、S1和S4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上得到左負(fù)右正的電壓。如果這個(gè)過(guò)程按一定規(guī)律進(jìn)行，那么負(fù)載上就可獲得一個(gè)交變電壓，調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)切換導(dǎo)通和關(guān)斷的周期就可以改變負(fù)載上交變電壓的頻率。圖2-8 三相橋式逆變電路輸出電流仿真波形阻感性負(fù)載單相橋式逆變電路由于電感的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流變化的反作用，電流不能突變，體現(xiàn)在負(fù)載輸出波形上就是輸出電流不能突變，因此接近正弦波上面對(duì)逆變電路建立了Simulink模型的仿真，結(jié)果與理論分析完全一致。因此，可以總結(jié)出

29、逆變器的變頻工作原理為：用雙向可控電力電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成能夠改變負(fù)載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開(kāi)關(guān)，切換負(fù)載電壓方向，將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)的周期便可改變交流電能的頻率。3變頻器的設(shè)計(jì)仿真3.1變頻器的基本概念變頻器有兩種工作方式，即交流-交流和交流-直流-交流，后者在生活中得到廣泛應(yīng)用，本章就對(duì)其進(jìn)行討論.變頻器先將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，再將直流電能變換為頻率和電壓符合要求的交流電能，以供負(fù)載使用。因此，變頻器是由整流器、濾波器、和逆變器組合而成的變流裝置。圖3-1所示為變頻器的構(gòu)成原理框圖。交流輸入整流器濾波器逆變器交流輸出圖3-1 變頻器構(gòu)成原

30、理框圖變頻器將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可以是可控的，根據(jù)變頻器調(diào)整輸出電壓的方法而定，濾波器讓脈動(dòng)的直流量變成平直的直流量，可以對(duì)直流電壓濾波，也可以對(duì)直流電流濾波，根據(jù)負(fù)載的使用要求和變頻器的控制方式而定。變頻器主要完成兩項(xiàng)電能的變換功能：一是改變對(duì)負(fù)載的供電頻率；二是改變對(duì)負(fù)載的供電電壓。因此，變頻器的原理就是指其變頻、調(diào)壓的原理和方法。變頻器改變輸出電能頻率的功能是由逆變器完成的，圖3-2所示為單相變頻器主電路原理圖。逆變器是由雙向可控電力電子開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4組成。當(dāng)S1和S4導(dǎo)通、S2和S3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上得到左正右負(fù)的電壓；當(dāng)S2和S3導(dǎo)通、

31、S1和S4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上得到左負(fù)右正的電壓。如果這個(gè)過(guò)程按一定規(guī)律進(jìn)行，那么負(fù)載上就可獲得一個(gè)交變電壓，調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)切換導(dǎo)通和關(guān)斷的周期就可以改變負(fù)載上交變電壓的頻率。整流器濾波器負(fù)載-+S1S1S4S3圖3-2 單相變頻器主電路原理圖因此可以總結(jié)出，逆變器的變頻工作原理為：用雙向可控電力電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成能夠改變負(fù)載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開(kāi)關(guān)，切換負(fù)載電壓方向，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)的切換周期就可以改變交流電能的頻率。3.2交-直-交變頻電路的建模與仿真整流部分的設(shè)計(jì)如圖3-3所示，三相橋式全控整流電路通過(guò)對(duì)兩組橋臂晶閘管元件的有序控制，可構(gòu)成電源系統(tǒng)對(duì)負(fù)載

32、供電的6條整流回路。每一整流回路中含有2只晶閘管元件，1只為共陰極組的某相元件，另一只則應(yīng)為共陽(yáng)極組的另一相元件。三相整流橋選用了PowerSystem模塊庫(kù)中的Universal Bridge模塊，其中功率器件選用晶閘管，經(jīng)脈沖觸發(fā)器與三相整流橋的脈沖輸入端相連接，給三相整流橋提供觸發(fā)脈沖。圖3-3 整流器電路仿真圖交-直-交變頻電路經(jīng)過(guò)整流和逆變之后，帶動(dòng)三相異步電機(jī)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)中采用了三相繞線式異步電機(jī)，如圖3-4所示，A、B、C表示定子的三個(gè)端口，a、b、c表示轉(zhuǎn)子的三個(gè)端口，Tm端口為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與“常數(shù)”模塊相連接，當(dāng)此值為正數(shù)時(shí)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)；若常數(shù)為負(fù)數(shù)，則電機(jī)為發(fā)電機(jī)。

33、輸出端口m表示測(cè)量端。調(diào)試過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置非常重要，若Tm為0表示電機(jī)工作在空載狀態(tài)；若Tm過(guò)大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)反向無(wú)窮大。調(diào)試時(shí)應(yīng)先以空載運(yùn)行，再適當(dāng)逐漸帶負(fù)載。圖3-4 三相異步電機(jī)模塊圖標(biāo)圖3-5 交直交變頻電路的仿真設(shè)計(jì)交-直-交變頻電路的仿真設(shè)計(jì)如圖3-5所示，仿真結(jié)果如圖3-5、3-6所示圖3-5電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖圖3-6 電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子電流波形圖由圖可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，無(wú)超調(diào)。在仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)，輸出電壓的電壓波形在調(diào)制深度M不同時(shí)穩(wěn)定性不同，這是由于輸出的電壓是由SPWM波形的調(diào)制深度M來(lái)決定的，IGBT每次導(dǎo)通與關(guān)斷都會(huì)有固定長(zhǎng)度的延時(shí)，而當(dāng)M選取較小時(shí)，IGBT在每

34、周期中導(dǎo)通的時(shí)間也就越少，延時(shí)戰(zhàn)友的比例也就相對(duì)也多，這表現(xiàn)在輸出電壓上就是振幅不穩(wěn)定。4矢量控制調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真在進(jìn)行交流調(diào)速仿真過(guò)程中，會(huì)遇到各種相關(guān)方向研究，尤其是參數(shù)辨識(shí)的時(shí)候，使用simulink里面的電機(jī)模型是不方便的，因?yàn)槠淠Ｐ碗姍C(jī)的參數(shù)是不能變化的（如定子轉(zhuǎn)子電阻電感），如果想對(duì)各個(gè)參數(shù)的具體作用有比較直觀的了解，就必須自己搭建電機(jī)模型。異步電動(dòng)機(jī)具有高階、非線性、強(qiáng)耦合和多變量的性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從其動(dòng)態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案，矢量控制就是基于動(dòng)態(tài)模型的高性能的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方案之一。本設(shè)計(jì)將逐漸

35、對(duì)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制進(jìn)行詳細(xì)介紹。4.1 建立異步電機(jī)模型異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用的是二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）下異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。首先建立坐標(biāo)系的異步電動(dòng)機(jī)仿真模型，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換就可得到坐標(biāo)系下的異步電動(dòng)機(jī)模型。4.1.1 坐標(biāo)變換異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)變換。矢量變換是簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜模型的重要數(shù)學(xué)方法，是交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)。矢量變換包括三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換，兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，以及直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的變換等

36、。不同坐標(biāo)系中電動(dòng)機(jī)模型等效的原則是：在不同坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)相等，變換前后總功率不變。（1）三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換(簡(jiǎn)稱3/2變換)在交流電動(dòng)機(jī)中三相對(duì)稱繞組通以三相對(duì)稱電流可以在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在功率不變的條件下，按磁動(dòng)勢(shì)等效的原則，三相對(duì)稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以用兩相對(duì)稱繞組來(lái)等效。三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系描述出了ABC和 兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量，按照磁動(dòng)勢(shì)相等的等效原則，三相合成磁動(dòng)勢(shì)與兩相合成磁動(dòng)勢(shì)相等，故兩套繞組磁動(dòng)勢(shì)在、 軸上的投影都應(yīng)相等，因此經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)換算，可得兩相正交坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱2/3變換）的

37、變換矩陣 （4-1）在前述條件下，電壓和磁鏈的變換陣與電流變換陣相同。（2）兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換(簡(jiǎn)稱2s/2r 變換)兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來(lái)，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角速度,則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換,稱為兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止變換，簡(jiǎn)稱2s/2r 變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等。、和、之間存在下列關(guān)系： 1-2寫(xiě)成矩陣形式，得 （4-2）式(4-2)中，為坐標(biāo)系 軸與坐標(biāo)系軸之間的夾角。則兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為 （4-

38、3）對(duì)(4-3)式進(jìn)行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的變換矩陣為： （4-4）電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣與電流旋轉(zhuǎn)變換陣相同。4.1.2 建立dq坐標(biāo)系下電機(jī)模型（1）動(dòng)態(tài)模型數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的異步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為 （4-5）磁鏈方程為 （4-6）轉(zhuǎn)矩方程為 （4-7）運(yùn)動(dòng)方程為 （4-8）以上式中定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，定子等效兩相繞組間的自感，轉(zhuǎn)子等效兩相繞組間的自感，相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)角速度，極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（2）以為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的異步電動(dòng)機(jī)具有四階電壓方程和

39、一階運(yùn)動(dòng)方程，因此需要選取五個(gè)狀態(tài)變量?？蛇x的狀態(tài)變量共有九個(gè)，這九個(gè)變量分為五組：轉(zhuǎn)速；定子電流和；轉(zhuǎn)子電流和；定子磁鏈和；轉(zhuǎn)子磁鏈和。轉(zhuǎn)速作為輸出變量必須選取，其余的四組變量可以任意選取兩組，定子電流可以直接檢測(cè)，應(yīng)當(dāng)選為狀態(tài)變量，剩下的三組均不可直接檢測(cè)或檢測(cè)十分困難，考慮到磁鏈對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行很重要，可以在定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈中任選一組。在此次設(shè)計(jì)中以為狀態(tài)變量。狀態(tài)變量= T （4-9） 輸入變量= T （4-10）輸出變量= T （4-11） 考慮到籠形轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的，則，消去、，經(jīng)整理后可得到狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)矩方程（4-12） 式電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù)，；轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，。轉(zhuǎn)矩方程 （4-1

40、3）輸出方程= T （4-14）4.2 異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想式通過(guò)坐標(biāo)變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。由于變換的是矢量，所以這樣的坐標(biāo)變換也可稱做矢量變換，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)或按轉(zhuǎn)子磁量定向控制系統(tǒng)。4.2.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程在旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，如果令軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，此時(shí)的坐標(biāo)系也可稱作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱坐標(biāo)系，此時(shí)，軸改稱軸，軸

41、改稱軸。轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量的空間角度為，它與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為 （4-15）由于軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希虼?（4-16）為了保證軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還必須使 （4-17）得到按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)臺(tái)方程（4-18） 由式（4-18）第三行得導(dǎo)出坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度 （4-19）坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差定義為轉(zhuǎn)差角頻率 （4-20）得到坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 （4-25）按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型是同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系模型的一個(gè)特例。通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅有定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電

42、流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦，而且還降低了微分方程組的階次。根據(jù)式（4-15）、式（4-18）、式（4-20）和式（4-21），可得到如圖4-1所示的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖4-1 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中，F(xiàn)ie為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量的空間角度。4.2.2 異步電動(dòng)機(jī)模型仿真驗(yàn)證圖4-1顯示的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型。為了驗(yàn)證異步電動(dòng)機(jī)模型的正確性和可行性，可對(duì)其進(jìn)行開(kāi)環(huán)仿真驗(yàn)證，如圖4-2所示。圖4-2 異步電動(dòng)機(jī)模型開(kāi)環(huán)仿真圖其中，三相電壓幅值為380V，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為20N·m；2r/2s變換和2/3變換見(jiàn)下節(jié)圖4-11

43、、圖4-12所示，3/2變換和2s/2r變換與之類似，在此不作詳細(xì)陳述。其輸出波形如圖4-3、4-4所示。圖4-3電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速輸出圖圖4-4 三相電流輸出圖從以上兩幅圖可以看出，以上異步電動(dòng)機(jī)模型推到的正確性和可行性。4.2.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想和特點(diǎn)在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流、，通過(guò)3/2變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流和，再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電流和，如下圖所示。圖4-5 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換及等效直流電動(dòng)機(jī)模型從整體上看，輸人為A、B、C三相電流，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)3/2變換和2s/2r變換，變成

44、了一臺(tái)由和為輸入、輸出的直流電動(dòng)機(jī)。既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動(dòng)勢(shì))的空間矢量，所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖4-6所示。圖中的給定和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換得到和，再經(jīng)過(guò)2/3變換得到、和。然后通過(guò)電流閉環(huán)的跟隨控制，所輸出的就是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的三相定子電流。圖4-6 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯

45、后，并認(rèn)為電流跟隨控制的近似傳遞函數(shù)為1，且2/3變換與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)相抵消，反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換2s/2r相抵消，則圖4-5中虛線框內(nèi)的部分可以刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了?？梢韵胂螅@樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。4.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的方式4.3.1 電流閉環(huán)控制方式按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，但需要電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值。在本設(shè)計(jì)中，電流閉環(huán)控制方式的實(shí)現(xiàn)方法如圖4-7所示。圖4-7 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在

46、圖4-7中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，ACMR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器，ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，F(xiàn)BS為轉(zhuǎn)速傳感器。4.3.2 轉(zhuǎn)矩控制方式當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí)，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)電路的轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響最后達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。然而，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量來(lái)抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)所引起的電磁轉(zhuǎn)矩變化，但這種調(diào)節(jié)只有當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用。為了改善動(dòng)態(tài)性能，本次設(shè)計(jì)在電流閉環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上，又加入了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，此時(shí)，系統(tǒng)又可

47、稱為矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式，實(shí)現(xiàn)方法如圖4-8所示。圖4-8 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。4.4 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真根據(jù)上述異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型和矢量控制系統(tǒng)的基本原理，按圖4-1和圖4-8建立仿真模型，可得到如下圖所示的整個(gè)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真圖。圖4-9 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真圖其中，Psi表示，SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，不僅達(dá)到相同的仿真效果，還大大地減小了仿真計(jì)算時(shí)間，減輕了對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和內(nèi)存容量的要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器AR，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR，定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器ACMR，定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器ACTR，均采用帶有積分和輸出

48、限幅的PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無(wú)靜差輸出，幾個(gè)調(diào)節(jié)器模塊中的內(nèi)部構(gòu)成如下圖所示。圖4-10 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s模塊的內(nèi)部構(gòu)成如下圖所示。圖4-11 反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s結(jié)構(gòu)圖2/3模塊的內(nèi)部構(gòu)成如下圖所示。圖4-12 2/3變換結(jié)構(gòu)圖其中，f(u)為函數(shù)自定義模塊。4.4.1 仿真調(diào)試與參數(shù)設(shè)定本次仿真中，按要求異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min，經(jīng)變換可得rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩N·m，mH，mH，kg·m2。如圖3-4所示，給定值Wb，rad/s，為恒值輸入；負(fù)載轉(zhuǎn)矩N·m，為階躍輸入。通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)得到了穩(wěn)定的輸出波形。此時(shí)，各個(gè)調(diào)

49、節(jié)器的參數(shù)分別為：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：Kp=40，Ti=35，LimitH=20，LimitL=-20；轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器AR：Kp=50，Ti=110，LimitH=10，LimitL=-10；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR：Kp=20，Ti=100，LimitH=30，LimitL=-30；定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器ACMR：Kp=50，Ti=110，LimitH=20，LimitL=-20；定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器ACTR：Kp=10，Ti=100，LimitH=300，LimitL=-300。其中，Kp和Ti分別為PI調(diào)節(jié)器中的參數(shù)，如圖4-3所示；LimitH和LimitL分別為PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅最大、最小值。4.4.2 仿真結(jié)果與分析(1)電機(jī)定子側(cè)的電流（Ism&Ist）電機(jī)定子側(cè)的電流Isd&Isq仿真結(jié)果如圖4-13所示。圖4-13 電機(jī)定子側(cè)的電流（Ism&Ist）仿真圖系統(tǒng)在t=5s時(shí)突加負(fù)載。由仿真結(jié)果可知:空載起動(dòng)時(shí)，定子電流勵(lì)磁分量Ism基本穩(wěn)定不變，突加負(fù)載后，雖有微小波動(dòng)但基本保持穩(wěn)定；空載起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩分量Ist迅速上升至幅值，并以此幅值起動(dòng)電機(jī)，電機(jī)起動(dòng)后隨即減小至0，突加負(fù)載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運(yùn)行。(2)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(Te)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te的仿真結(jié)果如圖4-14所示。圖4-14 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(Te)仿真圖結(jié)果表明，