【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 M 信號(hào)用以控制功率器件的開關(guān)狀態(tài)，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的 PWM 信號(hào)輸出， PWM 調(diào)制在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。 由于 PWM 調(diào)制可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。正弦 PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM 技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) (如 ABBACS1000系列和美國(guó) ROBICON公司的完美無(wú)諧波系列等 )。而優(yōu)化 PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率 (THD)最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 年代至 80 年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過(guò) 5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善， PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。因其能減少這種噪聲，因此得廣泛應(yīng)用。正因?yàn)槿绱思词乖?IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合， PWM 仍然有其特殊的價(jià)值 (DTC 控制即為一 例 )。另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)?PWM 技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路。 基于電機(jī)控制理論的通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，其發(fā)展的趨勢(shì)大致為 : 1 主控一體化。例如日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一塊芯片上的DIPIPM(即雙列直插式封裝 )的研制己經(jīng)完成并推向市場(chǎng)，一種使逆變功率和控制電路達(dá)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 到一體化、智能化和高性能化的 HVIC(高耐壓 IC)SOC(System on Chip)的概念已被用戶接受。 2小型化。變頻器的小 型化除了出自支撐部件的封裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化以外，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展己成為小型化的重要原因。 低電磁噪音化。今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，主要做法是在變頻器輸入 側(cè)加交流 電抗器或有源功率因數(shù)校正 (Active Power Factor Correction。 APFC)電路，改善輸入電流波形，降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋 采取 電流過(guò)零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在3050MHz 時(shí)的噪聲可降低 1520dB。 4專用化。 通用變頻器中出現(xiàn)專用型產(chǎn)品是近年來(lái)的事。其目的是更好發(fā)揮的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重機(jī)負(fù)載，交流電梯，恒壓供水、機(jī)傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車牽引等專用變頻器。 5系統(tǒng)化。作為發(fā)展趨勢(shì)，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能型發(fā)展。最近，日本安川電機(jī)提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為“ Damp。Mamp。C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因此 可 見，今后變頻器的高速響應(yīng)和高性能將是基本條件。 當(dāng)前異步電機(jī)調(diào)速總體控制 方案中， V/F 控制方式是最早實(shí)現(xiàn)的調(diào)速方式。方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變輸出電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，根據(jù)電機(jī)參數(shù)，設(shè)曲線，其可靠性高。但是，由于其屬于速度開環(huán)控制方式，調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域由于定子電阻的壓降不容忽視而使電壓調(diào)整難，不能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速 力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難 %的精度，所以采用這種 V/F 控制的通用變頻器異步電機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于求不高的場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械，若要開 發(fā)高性能專用變頻控制系統(tǒng)，此方式不能滿足系統(tǒng)要求。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 矢量控制 矢量控制是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)變頻系統(tǒng)應(yīng)用的主流，它是通過(guò)分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型壓、電流等變量進(jìn)行 解耦 而實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，矢量控制系統(tǒng)可以分度反饋的控制系統(tǒng)和不帶速度反饋的控制系統(tǒng)。矢量控制變頻器可以分別電動(dòng)機(jī) 的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè) 值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 轉(zhuǎn)速精 度約等于 %，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。采用矢量變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高 的效果。其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : (l)可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，因此調(diào)速范圍很寬廣 ； (2)可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行較為精確控制 ； (3)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快 ； (4)電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好。 帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖較好，但是畢竟它需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器，己經(jīng)降低了異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高的特點(diǎn)。況且，在某些情況下，由于電動(dòng)機(jī)本身或環(huán)境的因素?zé)o法安裝速度傳感器。系統(tǒng)增加了反饋電路和其他輔助環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機(jī)率。因此，對(duì)于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動(dòng)態(tài)品 質(zhì)要求不是特別高的條件場(chǎng)合，往往采用無(wú)速度傳感器矢量變頻開環(huán)控制異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 直接轉(zhuǎn)矩控制 除以上兩種調(diào)速方式之外，國(guó)際學(xué)術(shù)界比較流行的電機(jī)控制方案研究還有致力于直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對(duì)象，通過(guò)控制定子磁場(chǎng)向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。下面對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制在各個(gè)方面上進(jìn)行對(duì)比。 單從原理上分析，直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制沒(méi)有太大的區(qū)別。矢量控制通過(guò)定子電流采樣，進(jìn)而進(jìn)行解禍，對(duì)影響電機(jī)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的電流分量分別控制。而直接轉(zhuǎn)矩控制方式根據(jù)原理公式，由 電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的關(guān)系，通過(guò)控制定子磁場(chǎng)，控制轉(zhuǎn)矩輸出，其測(cè)量量為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的性能主要與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有關(guān)，所以其異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 控制方式比較直接，定子磁場(chǎng)的觀測(cè)類似于矢量控制中的定子磁鏈的觀測(cè)方法，因此其低速時(shí)由于定子電阻的影響，性能不高，與直接電流閉環(huán)的矢量控制方式相似。直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量的獲得也是分別控制 8個(gè)逆變開關(guān)狀態(tài)。這兩種控制方式同樣與電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)是否精確有關(guān)，矢量控制方式中，磁鏈角和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)控制性能的影響比較大，而直接轉(zhuǎn)矩控制方式主要是定子電阻的辨識(shí)，因?yàn)槎ㄗ与娮柚苯佑绊懥硕? 子磁 鏈的觀測(cè)，從而直接影響了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度。在參考文獻(xiàn)，對(duì)兩種控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，從仿真的結(jié)果對(duì)電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)以及電機(jī)參數(shù)的敏感度等性能做了詳細(xì)的分析，從結(jié)論中，可以看到，矢量控制在轉(zhuǎn)矩性能控制以及電機(jī)參數(shù)的敏感度上占了一定的優(yōu)勢(shì)，而直接轉(zhuǎn)矩控制在磁場(chǎng)控制性能上有一定的異步電機(jī)矢量控制研究?jī)?yōu)勢(shì)，而且直接轉(zhuǎn)矩控制由于省略了大部分的坐標(biāo)變換，比矢量控制在計(jì)算量上較為化。直接轉(zhuǎn)矩控制是上世紀(jì) 80 年代在德國(guó)才興起控制技術(shù)，其應(yīng)用還不是很成熟。有待于進(jìn)一步對(duì)其工程化推廣。 綜合比較以上幾種典型控制 方式以及考慮到實(shí)際因素，本論文選擇有傳感器的轉(zhuǎn)閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在以后的工作中，再逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的矢量變換的調(diào)速系統(tǒng)以其他面向不同工礦條件下的控制方案。 由于 PWM 變換器具有功率因數(shù)高，調(diào)制簡(jiǎn)單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓變頻以及抑制諧 波 的特點(diǎn)，因此，得到了廣泛的工程應(yīng)用。在電機(jī)控制中，對(duì)于精度或者動(dòng)態(tài)應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，可以 使用 六階階梯波調(diào)制方法控制，這種方法將電機(jī)磁 空間 分為個(gè)區(qū)域，通過(guò)不斷的變換功率管的導(dǎo)通次序，產(chǎn)生在空間的階躍形的磁場(chǎng)。此方法的點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大， 不 適合于高精度場(chǎng)合應(yīng)用，相 對(duì)于這種方法的缺點(diǎn)，工程技術(shù)應(yīng)用最多的就是 SPWM調(diào)制，即正弦調(diào)制。它根據(jù)電網(wǎng)正弦電壓的要求產(chǎn)生正弦的轉(zhuǎn)磁通 ，從而使控制性 能大大提高。在以往的 SPWM 正弦調(diào)制中，模擬電路采用得多的是通過(guò)振蕩電路，產(chǎn)生正弦波和三角波，再通過(guò)比較器來(lái)確定橋臂的導(dǎo)通與 關(guān) 或者是通過(guò)正弦波產(chǎn)生芯片來(lái)控制功率管，如 HEF4752 和 SLE4520。而對(duì)數(shù)字電路說(shuō)，則可以根據(jù)微處理器性能的差異選擇不同的波形產(chǎn)生方法。對(duì)速度比較慢的處理來(lái)說(shuō)，可以應(yīng)用表格法來(lái)產(chǎn)生，這種方法將要輸出的脈沖寬度以數(shù)據(jù)表格的形式存放內(nèi)存或者外部擴(kuò)展 ROM 塊中，通過(guò) 實(shí)時(shí)讀取表格中參數(shù)值，就可以輸出產(chǎn)生正弦波對(duì)晶振頻率較高的處理器，可以采用實(shí)時(shí)采樣輸出異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 的方法，計(jì)算下一周期理想輸出的形脈寬。一般來(lái)說(shuō)有自然采樣和規(guī)則采 樣，派生出來(lái)了對(duì)稱和不對(duì)稱規(guī)則采樣等，在基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外一些研究人員也提出了在算法上的改進(jìn)。由于本論文不涉及到這些控方法，因此也不一一做詳細(xì)介紹。 隨著數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的 SPWM 調(diào)制方式己經(jīng)逐漸被現(xiàn)在起的SVPWM(Space Vector Pulse width modulation)調(diào)制方式所取代 ， SVPWM 調(diào)制式將電壓矢量作為一個(gè)控制對(duì)象 ，在控制電壓幅值大小的同時(shí)，控制電壓向量的方向?qū)Σ煌瑺顟B(tài)電壓向量的綜合，達(dá)到輸出所需電壓向量的目的。 鑒于我們平常學(xué)習(xí)接觸的調(diào)制方式，對(duì) SVPWM 了解不是很多，所以 在本系統(tǒng) 主電路中 選用了電流滯環(huán)控制型逆變器 ， 主要由滯環(huán)脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的逆變器組成， 具體的性能以及實(shí)現(xiàn)方法將在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)章節(jié)中介紹。 異步電機(jī)矢量控制是基于磁場(chǎng)定向的方法，其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜，要確定最佳的控制方案，必須對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)特性進(jìn)行充分的研究。以下主要介紹最常用的控制策略。 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理 : 交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其夾角有關(guān)，要控制好轉(zhuǎn)矩，必須精確檢測(cè)和控制磁通，在此種控制方式中，檢測(cè)出定子電流的 d軸分量，就可以觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電流的 q軸分量 成正比，忽略反電動(dòng)勢(shì)引起的交叉藕合 可以由電壓方程 d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通， q 軸分量控制轉(zhuǎn)矩，目前大多數(shù)變頻系統(tǒng)是使用此種控制方法的，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解禍，但是其最大的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁通的觀測(cè)受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響。 轉(zhuǎn)差率矢量控制原理 : 如果使電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子或氣隙磁場(chǎng)中一個(gè)保持不變， 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就由轉(zhuǎn)差率主要決定。 因此，此方法主要考慮轉(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(guò)對(duì)定子電流的有效控制，形成了轉(zhuǎn)差矢量控制，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，用轉(zhuǎn)差率和量測(cè)的轉(zhuǎn)速相加后積分來(lái)計(jì)算磁通相對(duì)于定子的位置，但此種方法主要應(yīng)用在低速系統(tǒng)中，而且系統(tǒng)性能同異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 樣受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響。 氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理 : 除了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制以外，還有一些控制系統(tǒng)使用的是氣隙磁場(chǎng)的定向控制，此種方法比轉(zhuǎn)子磁通的控制方式要復(fù)雜，但其利用了氣隙磁通易于觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，保持氣隙磁通的恒定，從而使轉(zhuǎn)矩與 q 軸電 流成正比，直接對(duì) q軸電流控制，達(dá)到控制電機(jī)的目的。 定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理 : 由于轉(zhuǎn)子磁通的檢測(cè)容易受電機(jī)參數(shù)影響，氣隙磁通的檢測(cè)需要附加一些額外的檢測(cè)器件等弊端，國(guó)內(nèi)外興起了定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，此種方法是通過(guò)保持定子磁通不變，控制與轉(zhuǎn)矩成正比的 q軸電流，從而控制異步電機(jī)矢量控制研究電機(jī)，但是，此種方法和氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制一樣，需要對(duì)電流進(jìn)行解禍，而且定子電壓作為測(cè)量 量 ，容易受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。 從以上幾種電機(jī)控制方案來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)差率的矢量控制只考慮了轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)態(tài)方動(dòng)態(tài)效果太差，不適合于高性 能的電機(jī)控制系統(tǒng)，而氣隙磁場(chǎng)控制和定子磁場(chǎng)控制都有實(shí)現(xiàn)電量的完全 解耦 ，因此需要增加 解耦 控制器，針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，選擇 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制 。 對(duì)于此方案的最大缺點(diǎn) :轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)估測(cè)受電機(jī)參數(shù)影響較大，要在電機(jī)控制方案上給予補(bǔ)償。本論文主要對(duì)采用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方案設(shè)計(jì)做一比較系統(tǒng)的描述。 全文共分為 五 章 : 第一章為緒論，介紹了課題的意義、變頻器的發(fā)展方向以及與本論文相關(guān)技術(shù)的展動(dòng)態(tài)。 第二章為電機(jī)模型，介紹了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及為簡(jiǎn)化模型的各個(gè)坐標(biāo)變換理和公式實(shí)現(xiàn)。 第三章為矢量控制系 統(tǒng)原理，介紹控制系統(tǒng)方案選擇，通過(guò)對(duì)各種不同的電機(jī)控方案，選擇合適的滿足本系統(tǒng)性能要求的控制方案。在確定了系統(tǒng)的總體方案后，對(duì)不同的控制方式以及實(shí)現(xiàn)方式，選擇調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)方式。 第 四 章為 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真及其結(jié)果 分析 ，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線、電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 仿真曲線和電機(jī) 轉(zhuǎn) 矩輸出等各種仿真曲線。 第 五 章為本文結(jié)論。 2 建立矢量控制數(shù)學(xué)模型 眾所周知，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由于非線性參量的存在而異常復(fù)雜，對(duì)交流電機(jī)模型進(jìn)行分析，需要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。國(guó)內(nèi)外許多專家都提出了感應(yīng)電機(jī)在 不同坐標(biāo)系變換下的數(shù)學(xué)模型，其中使用較多的有電機(jī)三相坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)的三相參量各代表一坐標(biāo)。還有兩相靜態(tài)坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)各個(gè)參量以靜態(tài)參量處理，除此外，根據(jù)不同控制要求，將靜態(tài)坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸置于某一特定運(yùn)動(dòng)參量上，則可以得到跟隨其變化的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。為了分析方便，需要在各個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行等效變換，本章隨后將對(duì)一般常用的等效變化做一個(gè)詳細(xì)的分析。異步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)定子三相繞組 A， B， C在空間固定，轉(zhuǎn)子繞組 a， b， c 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 建立圖 所示的坐標(biāo)系及電機(jī)模型。 圖 三相坐標(biāo)系及異步電機(jī)模型 三相坐標(biāo)系 ABC在空間固定，定子繞組建立在此坐標(biāo)系上。三相坐標(biāo)系 abc是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17