【正文】 別由相對(duì)靜止的三相坐標(biāo)系中變換到兩相直角坐標(biāo)系中。轉(zhuǎn)子 a軸和定子 A軸間的電角度差 ? 為空間角位移變量。這是因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(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(gè)獨(dú)立的輸入變量。定子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)適用恒功率調(diào)速和于大范圍弱磁運(yùn)行的情況 [12]。只需檢測(cè)出定子電流的 d軸分量即可以觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁通幅值。 2．氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制方案 氣隙磁場(chǎng)的定向控制是 將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 d軸定向于氣隙磁場(chǎng)的方向，此時(shí)氣隙磁場(chǎng)的 q軸分量為零。 ATR和 AψR(shí)的輸出分別為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量 *sti 和勵(lì)磁分量 *smi 。但因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁通 2 m 2cos? ? ?? ，這樣式 (22)就變?yōu)?22coseTT C i ?? 這種形式和直流電動(dòng)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(gè)方面。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(duì)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制。 異步電動(dòng)機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真研究和分析。并進(jìn)行了仿真分析。直接轉(zhuǎn)矩控制的一個(gè)顯著特點(diǎn)是定子磁場(chǎng)定向，一般采用電壓模型來(lái)估計(jì)定子磁鏈。而磁鏈一般不直接檢測(cè)，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(cè)器觀測(cè)磁鏈。因 此如何在動(dòng)態(tài)過(guò)程中控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。 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)模型的控章 1章 緒論 5 制策略和基于動(dòng)態(tài)模型的控制策略。 矢量控制發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)在，有無(wú)采用無(wú)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。而德國(guó)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(kāi)始將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動(dòng)電力機(jī)車等兆瓦級(jí)功率場(chǎng)合。在 80年代中期到 90年代初期的歐洲電力電子會(huì)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(guó) SIEMENS公司、 Aachen技術(shù)大學(xué)電力電子和電氣傳動(dòng)研究院和德國(guó) Braunchweig技術(shù)大學(xué) 、 ，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。我國(guó)各類應(yīng)用電機(jī)中交流電動(dòng)機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)加以利用的， 80％以上為 ~220KW以下的中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，可見(jiàn)交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 [2]。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(dòng)領(lǐng)域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬(wàn)千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)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(dòng)。目前廣泛研究應(yīng)用的異步電動(dòng)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。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)矢量 分別控制， 從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的 分別 控制 。與此同時(shí)，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(jià)格一路攀升，許多行業(yè)都受到了不同程度的影響。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。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(tái)， IGBT除了提高功率器件的開(kāi)關(guān)速度， IGBT還允許迅速地調(diào)整電機(jī)的工作電壓。 國(guó)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(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。 在未來(lái)無(wú)速度傳感器的矢量控制的動(dòng)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(dòng)更小，穩(wěn)定精度進(jìn)一步提高，對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)響應(yīng)更快，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng) 。 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(dòng)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。因此必須對(duì)模型進(jìn)行解耦。為了解決這類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，如模型參考自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波等，對(duì)電機(jī)參數(shù) (定、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等 )進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí)。 高動(dòng)態(tài)性能的交流傳動(dòng)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(hào)來(lái)自與電機(jī)同軸的速度傳感器。 為了更好的了解矢量控制的原理，本文進(jìn)行了坐標(biāo)變換的仿真分析。本章采 用的是異步鼠籠電動(dòng)機(jī)，首先介紹了異步電動(dòng)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(chǎng)定向矢量控制的實(shí)現(xiàn)。 可以看出電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙磁場(chǎng) m? 和轉(zhuǎn)子電流的有功分量 22cosi ? 相章 1章 緒論 9 互作用產(chǎn)生的。 異步電動(dòng)機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng) 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制是以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，達(dá)到對(duì)交流電動(dòng)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(dòng)態(tài)性能。在運(yùn)行狀態(tài)突變的動(dòng)態(tài)過(guò)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，影響了動(dòng)作的快速性。 定子磁場(chǎng)定向矢量控制方案 定子磁場(chǎng)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(chǎng)方向上，此時(shí)，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)。在忽略反電動(dòng)勢(shì)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]。 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方案 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(cè)精度受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響較大，一定程度上影響了系統(tǒng)的性能。另外，在異步電動(dòng)機(jī)中，磁通乘電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于它們都是同時(shí)變化的，在數(shù)學(xué)模型中就會(huì)有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)，因此，異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是非線性的高階系統(tǒng) [21]。在研究異步電動(dòng)機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時(shí)，常做如下假設(shè) [22]: (1)、 忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱 (在空間互差 120電角度 )，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)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(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響。6 0。 Oθsφ φ ω1i β i α di ssF( )i di qi di qi di qc o s φ s i n φ c o s φ s i n φ 圖 24 2s/2r等效變換 圖中靜止坐標(biāo)系的兩相電流 i? ， i? 和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)直流電流 di ， qi產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 1? 旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) sF 。規(guī)定 d 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?r? 的方向， q 軸垂直于矢量 r? 方向，由于 r? 本身就是以同步速旋轉(zhuǎn)的矢量，所以， dr r??? ， 0qr? ? 。圖 25中繪定信號(hào)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) *ti 和電樞電流的給定信 *mi ，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換 1VR? 得到 *i? ， *i? 再進(jìn)過(guò)三相兩相變換得到 *Ai ，*Bi ， *Ci 。在按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈的表達(dá)形式最簡(jiǎn)單且能實(shí)現(xiàn)了定予電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的真正解耦，使得可以向控制直流電動(dòng)機(jī)一樣控制異步電動(dòng)機(jī)．而定予磁場(chǎng)定向、氣隙磁場(chǎng)定向兩種定向方式要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的解耦，需要構(gòu)造復(fù)雜的解耦器。 異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方程 對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子短路，端電壓 0rm rtuu??則 電壓方程為： 111100000S S S m m smsms S S m m ststm r r rms m s r r rtR L P L L P L iuL R L P L L P iuL P R L P iL L R i??????? ? ?? ? ? ???? ? ? ??? ?? ? ? ??? ?? ? ? ??? ?? ? ? ????? ? ? ? ? (2 29)? 磁鏈方程為： 000000000s m smsms m ststm r rmrmm r rtL L iL L iL L iL L i???? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ??? ?? ? ? ???? ? ? ????? ? ? ? ? (2 30)? 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(gè)分量與其他物理量的關(guān)系。當(dāng) smi不變時(shí)，即 r? 不變時(shí)，如果 sti 變化，轉(zhuǎn)矩 eT 立即隨之成正比的變化，沒(méi) 有任何滯后。因此，磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要。 間接法 又稱模型法，即通過(guò)檢測(cè)交流電 動(dòng)機(jī)的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等物理量然后通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的模值和空間位置。把 s? 和實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào) ? 相加求得定子同步角頻率信號(hào) 1? ，然后再對(duì)1? 進(jìn)行積分就可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈的瞬時(shí)位置信號(hào) ? ， ? 就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的定向角。借助異步電動(dòng)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。 轉(zhuǎn)子磁鏈的獲取方法 轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測(cè)和獲取方法一般有兩種： 直接法 轉(zhuǎn)子磁鏈信息的獲得，最初采用的直接檢測(cè)氣隙磁鏈的方法，一種是在電動(dòng)機(jī)槽內(nèi)部埋設(shè)探測(cè)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。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必須先檢測(cè)和控制磁鏈。 式 (2 32)? 和式 (2 34)? 表明當(dāng)定子電流的勵(lì)磁分量 smi 突變引起 r? 的變化時(shí)，當(dāng)即在轉(zhuǎn)子中感生轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量 rmi ，阻止 r? 的變化，使 r? 只能按時(shí)間常數(shù) rT 的指數(shù)規(guī)律變化。對(duì) dq 坐標(biāo)系作進(jìn)一步 規(guī)定：規(guī)定 d 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈的方向并稱之為 M 軸，超前于它 90 的 q 軸稱為 T 軸，這樣兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為 M ,T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的坐標(biāo)系， 則異步電動(dòng)機(jī)在 MT 坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型： 電壓方程為： 1111sd sdS S S m msq sqs S S m mrd rdm s m r r s rrq rqs m m s r r ruiR L P L L P LL R L P L L PL P L R L P LL L P L R L P????????? ? ?? ? ? ???? ? ? ????? ? ? ??? ? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ? (2 21)? 磁鏈方程為： 00000000sd sdSmsq sqSmrd rdmrrq rqmriLLiLLiLLiLL????? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? (2 22)? 電磁轉(zhuǎn)矩為： ()e p m st rm sm rtT n L i i i i?? (2 23)? 由于 M 軸取在 r? 的軸線上，顯然有： rm r??? ， 0rt?? 。 等 效 直流 電 動(dòng)機(jī) 模 型V R3 / 2電 流 控制 變 頻器2 / 3V R 1控 制 器ω θ ~θ ω 1 i ti mi α i β i A i B i C i A i B i C * * * i α i β * * i ti m* * + 反 饋 信 號(hào)給 定 信 號(hào) 圖 25 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 矢量控制的磁場(chǎng)定向 矢量控制的磁場(chǎng)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 dq? 只是做了兩軸垂直和旋轉(zhuǎn)角速度的規(guī)定。在矢量控制中采用的就是這種數(shù)學(xué)模型。由圖 22，有 2 / 2c o s s in= s in c o s ddrsqqiii Ci???? ? ? ? ??? ?? ?? ? ? ??? ??????? ? ? ? ? (2 16)? 章 2章 異步電動(dòng)機(jī)矢量調(diào)速原理 19 兩相 同步 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的異步電機(jī)模型 異步電動(dòng)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(jiǎn)化分析和運(yùn)算過(guò)程。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(shí)， 32