【文章內(nèi)容簡介】 ??????????????=00000000smsmmrmrLLLLLLLL????????sdsqrdrqiiii?????????????? 。 ……………………………………… () ()e p m sd rd sd rqT n L i i i i?????????????????? () 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時 ,應(yīng)有 rd r??? , 0rq? ? 即得 : me p sq rrLT n iL ?? ………………………………………………………… () 1 rsd rmTpi L ??? ………………………………………………………… () 1 mr sdrL iTp? ? ? ………………………………………………………… () ms sqrrL iT? ?? ……………………………………………………… () 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 18 1? 為同步轉(zhuǎn)速， ω 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ， ω s 為轉(zhuǎn)差角速度 ， u 為電壓， ψ 為磁鏈 ， i 為電流 ， R 電阻， L 為電感， pn 為極對數(shù) ， rT 為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)， dPdt?為微分因子， s 表示定子 ,r 表示轉(zhuǎn)子 ,d 表示 d 軸 ,q 表示 q 軸 , m 表示同軸定 ,轉(zhuǎn)子間的互感。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。逆變器采用電壓型 ,整流側(cè)輸出為理想直流電壓 ,故圖中用直流電壓源表示 ,逆變器輸出的三相電流給異步電動機(jī)供電。該系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速、磁鏈的閉環(huán)控制 ,且轉(zhuǎn)速、磁鏈調(diào)節(jié)器均為 PI 調(diào)節(jié)器。圖中上標(biāo) *的控 制量為指令值 ,其余為實際值。將角速度指令 *? 和? 的偏差信號送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ,輸出轉(zhuǎn)矩 *eT , 磁鏈指令 *r? 和 r? 的偏差信號送入磁鏈調(diào)節(jié)器 , 輸出定子電流 *sdi 由矢量控制基本方程式可求出*sqi ,sdi ,sqi , r? , s? .經(jīng)過一系列坐標(biāo)變換后 , 可得到三相電流指令 *ai ,*bi ,*ci ,與反饋三相電流 ai ,bi ,ci 相比較 ,經(jīng)過脈沖發(fā)生器將輸出信號送給 IGBT 逆變器達(dá)到變頻調(diào)速的目的。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 19 4 使用 MATLAB建立模塊 MATLAB 眾所周知，電力系統(tǒng)是一個大規(guī)模、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，而且在國民經(jīng)濟(jì)中有非常重要的作用，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃和設(shè)計的重要工具。因此電力系統(tǒng)仿真軟件的功能特性對于提高研究、設(shè)計的效率和可信性有重要作用。將數(shù)字實時仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和 電力系統(tǒng)融合在一起，形成電力系統(tǒng)實時仿真技術(shù)，國外對于這一領(lǐng)域有一定的研究，并處于領(lǐng)先的地位。例如，加拿大的實時仿真裝置（ RTDS），其功能強(qiáng)大，模型詳細(xì)精確，實時性能好，但由于體積龐大、造價高以及維護(hù)困難等原因不利于實時仿真技術(shù)的推廣普及。電力系統(tǒng)仿真軟件主要用來進(jìn)行潮流計算、電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真等。在眾多的仿真軟件里，此次畢業(yè)設(shè)計選擇的是 Math Works 公司開發(fā)的科學(xué)與工程計算軟件 MATLAB。 MATLAB 是高性能、通用的科學(xué)與工程計算軟件，它功能強(qiáng)大，在電氣、化工、制造、醫(yī)療等多個行業(yè)均有應(yīng) 用。被稱為第四代計算機(jī)語言的 MATLAB，一所以如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，它使人們無須直接對計算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作，利用其豐富的函數(shù)資源， MATLAB 最突出的特點就是簡潔，他用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN語言的冗長代碼。從分析研究的角度講，我們使用這種 SIMULINK 模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細(xì)節(jié)而且能讓用戶清晰地了解各種器件，系統(tǒng)。系統(tǒng)將的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 20 基于 MATLAB 矢量控制變頻調(diào)速 系統(tǒng)模型的建立 在 的 SIMULINK 環(huán)境下，利用 豐富的模塊庫，在分析交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設(shè)計框圖如圖 所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括： 交流異步電機(jī)本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊和電壓逆變模塊 。通過這些功能模塊的有機(jī)整合， 就可在 MATLAB/SIMULINK 中搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。 圖 MATLAB 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)圖 MATLAB 仿真三要素：系統(tǒng) ，模型，計算機(jī) 5 個步驟：布局，連線，設(shè)置元器件參數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)并運(yùn)行仿真上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 21 模型，查看仿真結(jié)果。 各模塊的組成 變頻器 變頻器組成：整流單元，高容器電容，逆變器，控制器。 變頻器是利用 電力 半導(dǎo)體器件的通斷作用將 工頻 電源變換為另一 頻率 的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、 變頻調(diào)速 、提高運(yùn)轉(zhuǎn) 精度 、改變功率因數(shù)、過流 /過壓 /過載保護(hù)等 功能 。 變頻器的 主電路 大體上可分為兩類：電壓型是將 電壓源 的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是 電容 ；電流型是 將 電流源 的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是 電感 。 變頻器工作原理 主電路是給 異步電動機(jī) 提供調(diào)壓調(diào) 頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類 :電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的 “ 整流器 ” ，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的 “ 平波回路 ” ，以及將直流功率變換為交流功率的 “ 逆變器 ” 。 逆變器 同整流器相反，逆變器是將直流功 率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使 6 個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出。以電壓型 PWM 逆變器為例示出 開關(guān)時間 和電壓波形。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 22 控制 電路 是給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的 “ 運(yùn)算電路 ” ，主電路的 “ 電壓、電流檢測電路 ” ，電動機(jī)的 “ 速度檢測電路 ” ，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的 “ 驅(qū)動電路 ” ，以及逆變器和電動機(jī)的 “ 保護(hù)電路 ” 組成。 （ 1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 （ 2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 （ 3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路 隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 （ 4）速度檢測電路 :以裝在異步電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器 (TG、 PLG等 )的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 5）保護(hù)電路 :檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 速度控制模塊 速度控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單 ， 如圖 ， 單輸入：參考轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值，單輸出：參考電磁轉(zhuǎn)矩 Te 。其中， Ki 為 PI控制器中 P（比例）的參數(shù)， K/Ti 為 PI 控制 器中 I（積分）的參數(shù)，Saturation 飽和限幅模塊可將輸出的參考電磁轉(zhuǎn)矩的幅值限定在要求范圍內(nèi)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 23 圖 速度控制模塊結(jié)構(gòu)框 轉(zhuǎn)矩計算模塊 根據(jù)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式 12 Tep LT n i i??? ? ……………………………………………………… () 式中： n p—— 電機(jī)極對數(shù)； q —— 角位移 進(jìn)行 abc/dq 坐標(biāo)變換，可得電磁轉(zhuǎn)矩計算方程式為： ()me p sq rd sd rqrLT n i iL ????……………………………………………… () 可建立圖 所示的轉(zhuǎn)矩計算模塊，模塊輸入為兩相相電流 sdi 和 sqi 、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈 rd? 和 rq? ，通過加乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號 Te 。同時根據(jù)運(yùn)動方程式el pJ duTT n dt??，由電磁轉(zhuǎn)矩 Te 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 lT ，通過加乘、積分環(huán)節(jié)，即可得到轉(zhuǎn)速信號 r? ，求得的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過積分就可得到轉(zhuǎn)子位置信號。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 24 圖 轉(zhuǎn)矩計算模塊結(jié)構(gòu)框圖 電壓逆變模塊 電壓逆變模塊實現(xiàn)的是逆變器功能，輸入為位置信號 ? 和電流滯環(huán)控制模塊給出逆變控制信號，輸出為三相相電壓 aU ， bU ， cU 。該模塊采用 中 SimPowerSystem 提供的通用逆變模塊搭建，只需 3 對 IGBT 功率開關(guān)器件，反向并聯(lián)續(xù)流二極管，根據(jù)電流滯環(huán)控制模塊給出的導(dǎo)通信號，控制 6 個開關(guān)器件順序?qū)ê完P(guān)斷，從而產(chǎn)生三相相電壓輸出。 帕克變換模塊 帕克變換模塊（見圖 ）實現(xiàn)的是參考相電流的 dq/abc 變換，即dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下兩相參考相電流向 abc 靜止坐標(biāo)系下三相參考 相電流的轉(zhuǎn)換，由方程式實現(xiàn)： * * ** * ** * *c o s sinc o s( 1 2 0 ) sin ( 1 2 0 )c o s( 1 2 0 ) sin ( 1 2 0 )a d qb d qc d qi i ii i ii i i????????? ? ? ?? ? ? ?……………………… () 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 25 圖 帕克變換模塊結(jié)構(gòu)框圖 park 逆變換 ： 將 3 相交流電流投影到 2 維空間里，來反映他們的特質(zhì)。像控制直流電機(jī)那樣控制交流電機(jī)通過解耦 脈沖寬度調(diào)制 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用 微處理器 的數(shù)字輸出來對 模擬電路 進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 PWM 控制技術(shù) 以其控制簡單 ,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為 電力電子技術(shù) 最廣泛應(yīng)用的控制方式 ,也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限 ,結(jié)合 現(xiàn)代控制理論 思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 26 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號 電平 進(jìn)行數(shù)字 編碼 的方法。通過高分辨率 計數(shù)器 的使用， 方波 的 占空比 被 調(diào)制 用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。 PWM 信號 仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么 完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。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)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進(jìn)行編碼。 多數(shù)負(fù)載 (無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 )需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 許多微控制器內(nèi)部都包 含有 PWM 控制器。例如， Microchip 公司的 PIC16C67 內(nèi)含兩個 PWM 控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行 PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： (1） 設(shè)置提供調(diào)制方波的片上 定時器 /計數(shù)器的周期 。 (2） 在 PWM 控制寄存器中設(shè)置接通時間 。 (3） 設(shè)置 PWM 輸出的方向，這個輸出是一個通用 I/O 管腳 。 (4） 啟動定時器 。 (5） 使能 PWM 控制器 。 脈 沖寬度調(diào)制優(yōu)點 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到 被控系統(tǒng) 信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行 數(shù)模轉(zhuǎn)換 。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 27 聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1時，也才能對