【正文】 二代電力電子器件GTR(Giant Transistor)、GTO(Gate Turn Off thyristor)、VDMOSIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等制造的變頻裝置可以在性價(jià)比上與直流調(diào)速裝置相媲美。隨著大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化的電力電子器件的出現(xiàn)，第三代電力電子器件成為90年代制造變頻器的主流產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代末開始進(jìn)入第四代發(fā)展期，其主要器件有高壓IGBT(HVIGBT)、IGCT(insulated Gate Controlled Transistor)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)、SGCT(Symmetrical Gate Commutated Thyristor)。由于GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進(jìn)入第三代以來，GTR器件已經(jīng)被淘汰不再使用。進(jìn)入第四代以后，GTO器件也正在被逐步淘汰。第四代電力電子器件的模塊化智能化更加成熟。（2）脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻器裝置的性能，適用于各類交流調(diào)速系統(tǒng)。為交流調(diào)速技術(shù)的普及發(fā)揮了重要的作用。脈寬調(diào)制技術(shù)種類很多，并且還在不斷地發(fā)展中，現(xiàn)有的這些技術(shù)可以基本分為四類:等寬PWM法、正選PWM法(SPWM)、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法。PWM技術(shù)可服了相控技術(shù)的所有弊端，使得交流電動機(jī)定子得到了接近正弦波形的電壓和電流，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出效率。（3）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展為交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用提供了技術(shù)手段和保證。交流調(diào)速技術(shù)最開始應(yīng)用多為模擬電子電路組成，近些年由于微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，特別是以單片機(jī)和數(shù)字信號處理器DSP為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展促使交流電機(jī)控制系統(tǒng)快速走向數(shù)字化控制時代。在現(xiàn)在的許多領(lǐng)域，全數(shù)字化的變頻調(diào)速系統(tǒng)己經(jīng)在大量應(yīng)用。數(shù)字化的控制方式為交流調(diào)速系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)點(diǎn)。比如，復(fù)雜控制中大量的控制運(yùn)算等都可以由微控制器解決，沒有微機(jī)高速計(jì)算的支持，很多控制方法是無法實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在以單片機(jī)、數(shù)字信號處理器(DSP)、精簡指令集計(jì)算機(jī)和高級專用集成電路為主要代表的微處理器正在快速發(fā)展，并且不斷推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。（4）矢量變換控制(以下簡稱VC)技術(shù)的誕生和發(fā)展為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。交流電動機(jī)是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的被控對象，采用了參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解禍，實(shí)現(xiàn)了將交流電動機(jī)的控制過程等效為直流電動機(jī)的控制過程。這就使得交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)逮系統(tǒng)成為可能。實(shí)踐證明，采用矢量控制方法的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直流調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制原理的出現(xiàn)也促進(jìn)了其它控制方法的產(chǎn)生，如多變量解耦控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂频确椒?。七十年代初期，西門子公司的F Blashke和W Flotor提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定子電流按轉(zhuǎn)子磁鏈空間方向分解成為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，這樣就可以達(dá)到對交流電機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的。得到了類似于直流電機(jī)的模型，1980年，日本ANabas教授和山村昌教授提出轉(zhuǎn)差矢量控制系統(tǒng)，標(biāo)志著矢量控制理論的初步形成。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是80年代中期提出的又一轉(zhuǎn)矩控制方法，它的設(shè)計(jì)思路是把電機(jī)和變頻器作為一個整體去控制，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此DTC無需對定子電流進(jìn)行解耦，不需要復(fù)雜的矢量變換計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)簡單，目前也是矢量控制研究的一個重要分支。同時各國學(xué)者也致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用定子電流、電壓等容易檢測的物理量對電機(jī)的速度進(jìn)行在線估計(jì)以取代速度傳感器。從而進(jìn)一步拓展變頻器的適用范圍。無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)必須保證速度估算的實(shí)時性，以滿足實(shí)時控制的要求?？偟膩碚f，由于電力電子器件的飛速發(fā)展，各種價(jià)格便宜，性能優(yōu)越的微處理器芯片的不斷涌現(xiàn)如：適合運(yùn)動控制的16位高檔單片機(jī)以及德州儀器的TMS240X系列DSP芯片，促進(jìn)了交流調(diào)速系統(tǒng)從模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。運(yùn)算速度的提高以及各種針對運(yùn)動控制的片內(nèi)資源的豐富性使得以前看來無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的控制算法變得簡單起來，各種控制用微處理器的運(yùn)算速度的提高，片內(nèi)資源的日益豐富，集成度的提高無一不促進(jìn)交流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化?？梢哉f數(shù)字化將成為控制技術(shù)的發(fā)展方向。第三節(jié) 異步電機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展　　上個世紀(jì)70年代，F(xiàn)Blaschke等人提出了“感應(yīng)電動機(jī)磁場定向的控制原理”，美國的PCCustman和AAClark申請專利“感應(yīng)電動機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，這二者構(gòu)成了矢量控制的理論基礎(chǔ)。 矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準(zhǔn)確地輸入異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。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。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調(diào)整（AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實(shí)用化并取得良好的效果。第四節(jié) 本文的意義及主要工作異步電機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是目前已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用的高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。這兩種方案作為高性能的調(diào)速系統(tǒng)，都能實(shí)現(xiàn)較高的靜、動態(tài)性能，但兩種系統(tǒng)的具體控制方法不一樣，因而具有不同的特色和優(yōu)缺點(diǎn)，除了普遍適用于高性能調(diào)速以外，又各有所側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域。針對目前變頻器技術(shù)的兩種技術(shù)“矢量控制”及“直接轉(zhuǎn)矩控制”，上海大學(xué)的陳伯時教授在《交流變頻傳動控制的發(fā)展》的報(bào)告中，就兩種控制原理進(jìn)行了深入的對比，得出了技術(shù)本身并無本質(zhì)差別、各有優(yōu)缺點(diǎn)的結(jié)論。對比直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，矢量變換控制系統(tǒng)有可連續(xù)控制、調(diào)速范圍寬等顯著優(yōu)點(diǎn)，且多年來在簡化矢量變換控制系統(tǒng)方面亦己獲滿意的結(jié)果，為此矢量變換控制系統(tǒng)仍不失為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。　　本文的主要工作： （1）對矢量控制技術(shù)的原理做詳細(xì)闡述，逐步引出矢量變頻控制技術(shù)對電機(jī)的控制方法，并說明矢量控制方法是如何對電動機(jī)的狀態(tài)方程進(jìn)行解耦的。 （2）通過引入自適應(yīng)控制算法，依據(jù)正實(shí)誤差理論建立矢量控制中轉(zhuǎn)子磁鏈的自適應(yīng)觀測模型，并給出一種自適應(yīng)算法模型。 （3）應(yīng)用做MATLAB的系統(tǒng)仿真工具SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)研究，通過計(jì)算機(jī)仿真給出系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，依據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行分析討論。第二章　異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)建模分析交流電機(jī)的模型種類繁多。在對交流電機(jī)進(jìn)行暫穩(wěn)態(tài)分析時，交流電動機(jī)的數(shù)李模型要建立在某個坐標(biāo)系上，所以坐標(biāo)系的選擇就尤為重要。適當(dāng)?shù)倪x擇坐標(biāo)系會使得模型更加簡便，而且模型分析更容易、更能準(zhǔn)確地控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。自從1899年勃朗臺爾(Blondel)提出雙反應(yīng)理論及1918年福提斯庫(Fortescue)提出對稱分量法，到派克(Park)提出旋轉(zhuǎn)變換及顧毓琇(Ku)提出復(fù)數(shù)分量變換以來，交流電機(jī)分析理論日漸成熟。由于坐標(biāo)變換即線性變換，是不改變系統(tǒng)的物理特性的，所以在實(shí)時控制系統(tǒng)中，我們可以通過坐標(biāo)變換使得三相電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析和控制大大簡化。第一節(jié)　三相電機(jī)的模型分析三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是由其物理特性決定，它是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。一、三相異步電機(jī)的動態(tài)電磁關(guān)系三相感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子如果為繞線式的，要先對轉(zhuǎn)子進(jìn)行繞組歸算，將轉(zhuǎn)子參數(shù)歸算到定子側(cè)；如果轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，應(yīng)先對轉(zhuǎn)子進(jìn)行繞組歸算，將其等效為三相繞線式轉(zhuǎn)子，然后再將參數(shù)歸算到定子側(cè)。于是，三相異步電機(jī)的物理模型結(jié)構(gòu)滿足以下條件： （1）電動機(jī)磁路是線性的，不計(jì)磁飽和的影響； （2）電機(jī)定、轉(zhuǎn)子三相繞組在結(jié)構(gòu)上完全對稱，不計(jì)邊緣效應(yīng)；（3）忽略齒槽影響，氣隙磁動勢在空間中正弦規(guī)律分布；（4）不計(jì)鐵心損耗。見圖21所示為三相異步電動機(jī)的模型結(jié)構(gòu)示意圖，其中，字母S代表定子，R代表轉(zhuǎn)子。圖21 三相異步電機(jī)模型如果取定、轉(zhuǎn)子各電磁量的正方向符合電機(jī)法則，則異步電機(jī)的基本電磁關(guān)系可以出以下方程表示：u=Ri+pψ （21）　　 式中　　 　　 　　　　其中，下標(biāo)s代表定子，r代表轉(zhuǎn)子?！　≡诖磐ū磉_(dá)式中，各子向量和子矩陣分別表示為：　　 　　　　 　　　　 式中，usa、usb、usc、ura、urb、urc為三相電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電壓；　 　isa、isb、isc、ira、irb、irc為三相電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電流；　　　Ψsa、Ψsb、Ψsc、Ψra、Ψrb、Ψrc為三相電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈；　　　Lss、Lrr為三相電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組自感；　　　Ms、Mr為三相電機(jī)定、轉(zhuǎn)子互感；Msr為三相電機(jī)定轉(zhuǎn)子互感；　　　Lsr為隨轉(zhuǎn)子位置變化的三相定轉(zhuǎn)子互感矩陣。　　由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，Lsr、Lrs中的角度也在不斷的變化，電機(jī)電壓u和轉(zhuǎn)矩Tem方程分別為： 　　　 （22） 　　　　　 　 （23）二、坐標(biāo)變換原理的應(yīng)用通過觀察初步建立的異步電機(jī)基本電磁關(guān)系式(21)~(23)，我們可以看到異步電機(jī)的電磁關(guān)系是非常復(fù)雜的，又由于電感系數(shù)是隨著時間變化的，因此，利用這些方程來研究電機(jī)的運(yùn)行是非常困難的。所以，對這些方程進(jìn)行簡化的工作是非常必要的。由“任何線性變換均不改變系統(tǒng)的物理本質(zhì)”和能量守恒定律得知，要進(jìn)行的變換前后能量和物理本質(zhì)不會發(fā)生變化。通過數(shù)學(xué)計(jì)算可知系數(shù)矩陣可以通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換矩陣C使其簡化，也就是對角化。變換矩陣C必為正交矩陣。另外，兩相電機(jī)和三相電機(jī)一樣，也同樣可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。這就為我們提供了三相電機(jī)向兩相電機(jī)變換的依據(jù)。設(shè)等效兩相電機(jī)模型為圖22所示。N1SβMN2SσSaSlSα圖22 等效兩相電機(jī)模型等效兩相電機(jī)的定子繞組為Sɑ、Sβ，其中NN3分別為兩相和三相電機(jī)繞組的有效匝數(shù)，等效的條件是氣隙中產(chǎn)生的磁通相當(dāng)，即B2m=B3m。 由B2m=B3m得到： (24)將式(24)寫成矩陣形式并考慮零軸分量后得到變換矩陣[C]1 (25)這個變換矩陣滿足我們進(jìn)行的變換要求，即Clark變換。對矩陣進(jìn)行規(guī)格化(單位化)就可以求得系數(shù)N3/N2,和x 　　代入后得到C (26)Concordia變換矩陣：is=CisN　　對于Lr、Lsr、Lrs和電壓電流做同樣的變換。這些變換相當(dāng)于在定子和轉(zhuǎn)子上分別用兩相繞組代替三相繞組，因此變換并沒有完全消去矩陣中的時變量系數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算仍然不方便，所以還需要做進(jìn)一步變換。在這里我們直接引入旋轉(zhuǎn)變化。假設(shè)電機(jī)氣隙中產(chǎn)生的磁動勢相同，我們就可以通過旋轉(zhuǎn)變換把轉(zhuǎn)子上的變量移到定子上來分析。變換中得到一個變換矩陣B，當(dāng)推廣B變換到任意坐標(biāo)軸上的時候，我們就可以得出廣義派克方程：派克方程電壓表達(dá)式為：　　 (27)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：　　 (28)考慮到零軸分量后從三相電壓變換到dq軸的電壓變換矩陣即為派克(Park)變換：　　 (29)在廣義派克方程中，γ角是未確定的，即dq軸是可以放在定子上，也可以放在轉(zhuǎn)子上，還可以放在旋轉(zhuǎn)磁場上，或者某一變量如電壓、電流或者磁通(定子磁通、轉(zhuǎn)子磁