【導讀】直流電動機的控制模型來達到控制交流電動機的目的。以電子電流的幅值、相位和。無延時的轉(zhuǎn)矩響應。在分析三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理和三相異步電機的。數(shù)學模型、坐標變換的基礎上，深入研究了轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的基本原理，換仿真模型以及基于矩陣變換的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真模型。制方式可以使交流電機也能達到與直流電機相媲美的控制效果。制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設計方法。并采用MATLAB進行仿真設計。

　　

【正文】 了間接磁場定向控制方法的不足之處。該模型和電機轉(zhuǎn)速沒有關(guān)系，適合于無速度傳感器控制系統(tǒng)。但這種模型有它自身的缺點：（ 1）低速時，定子電阻壓降變化的影響較大，適 合于中、高速范圍?？梢允褂媒M合模型解決低速不準確問題，低速時采用間接方法，高速時采用直接方法。但要處理好交接速度的處理，一般交接速度 n≤ 15%nN。（ 2）積分初試化和直流偏量會帶來積分漂移。可以將積分器換成低通濾波器，同時由低通濾波器產(chǎn)生的相位滯后和幅值偏差需要用轉(zhuǎn)子磁鏈的參考值補償。 根據(jù)以上兩種磁鏈觀測的方法分析，在有速度傳感器的控制系統(tǒng)中適合采用間接磁場定向控制方法。 （三） 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng) 、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子磁場定向控制的本質(zhì)是轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr 和電磁轉(zhuǎn)矩 Te 的解耦控 制，所以分別對這兩個變量進行控制。通過在磁鏈控制器、轉(zhuǎn)矩控制器中將 Ψr*和 ωr*與計算得到的磁鏈 Ψr 和反饋的 ωr 進行比較實現(xiàn)磁鏈、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)由給定轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制計算得到給定電壓。給定電壓在靜止坐標系上的兩個分量為 Uα、 Uβ。 Uα、 Uβ和直流電壓 Udc、采樣周期 Ts 作為 SVPWM 控制的輸入量， SVPWM 控制的輸出為控制逆變器開關(guān)管 IGBT 的觸發(fā)脈沖。直流電壓通過逆變器得到幅值和相位可控的交流電供給異步電機，實現(xiàn)變頻調(diào)速。系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)速和磁鏈雙閉環(huán)控制，包含轉(zhuǎn)速 、磁鏈、ism、 ist 四個閉環(huán)控制和電 壓前饋補償環(huán)節(jié)，磁鏈觀測器得到轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、幅角和同步轉(zhuǎn)速。圖 為異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)框圖。 –25– 坐 標變 換S V P W M逆 變 器轉(zhuǎn) 子 磁鏈 觀 測器坐 標變 換轉(zhuǎn) 速 P I 調(diào) 節(jié)器磁 鏈 P I 調(diào) 節(jié)器函 數(shù) 發(fā) 生 器*r? r?*eT*stir?** 23restmrLTipL ??*r? r?*smi** rsmmiL??*r?stUP I 調(diào) 節(jié) 器1?1?1?r?P I 調(diào) 節(jié) 器 saisbismistismisti? ?? *smU39。smU39。stU++39。1st s smU L i??39。1st s i39。1s m s s tU L i????sU ?sU ?dcUvectTB R Tstismistir? 圖 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)框圖 轉(zhuǎn)速閉環(huán)由給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速比較后進行 PI 調(diào)節(jié)得到電磁轉(zhuǎn)矩的給定值，給定電磁轉(zhuǎn)矩和反饋磁鏈由公式 ** 23 rest mrLTi PL ?? 計算得到給定 t 軸電流 ist*，弱磁時受到磁鏈信號的影響。 ist*和反饋 t 軸 電流 ist 比較后通過 PI 調(diào)節(jié)后加上電壓前饋補償 Ust′得到給定 t 軸電壓 Ust*。 磁鏈閉環(huán)控制由電機反饋角速度 r? 通過函數(shù)發(fā)生器得到給定轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr，給定轉(zhuǎn)子磁 Ψr*和反饋轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr 比較后經(jīng) PI 調(diào)節(jié)和公式 **1rsm mi L ?? 計算得到給定 m軸電流 ism*， ism*和反饋 m 軸電流 ism比較后通過 PI 調(diào)節(jié)加上電壓前饋補償 Usm′得到給定 m 軸電壓 Usm*。 Ust*和 Usm*通過坐標變換得到給定電壓在靜止坐標系上 的分量Usα、 Usβ。 –26– 函數(shù)發(fā)生器首先由電機反饋角速度 ω r 經(jīng) 30rn ??? 計算的到電機反饋轉(zhuǎn)速 n。對n 取絕對值，然后限幅，限幅的下限是額定轉(zhuǎn)速，上限是無窮大。這樣無論電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，當電機的轉(zhuǎn)速絕對值小于額定轉(zhuǎn)速時，取額定轉(zhuǎn)速，當電機轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時，取實際值。電機的額定轉(zhuǎn)速乘以電機初始磁鏈除以電機轉(zhuǎn)速限幅之后的值得到轉(zhuǎn)子磁鏈給定值。這樣當電機轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速限幅值為額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈為初始值，當電機轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速限幅值為電機實際轉(zhuǎn)速的絕對值， 轉(zhuǎn)子磁鏈為初始值乘以小于 1 的系數(shù)，實現(xiàn)弱磁控制，電機轉(zhuǎn)速越大，弱磁越強。 （四） 本章小結(jié) 本章通過坐標變換的方法將 三相靜止坐標系上 的 數(shù)學模型 變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上，采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法，使交流電機調(diào)速的動態(tài)性能 更好，在此基礎上提出了 轉(zhuǎn)子磁場定向下的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng) [2123]。 四、 控制系統(tǒng)仿真分析 （一） MATLAB/Simulink 軟件介紹 MATLAB 是適用于電力電子電路及系統(tǒng)仿真的專用仿真軟件，提供了“ SimpowerSystems”是電力電子系統(tǒng)的理想仿真工具。 Simulink 是 MATLAB 的軟件擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它有 MATLAB 的區(qū)別在于基于與用戶的接口是 windows 的模塊化圖形輸入，其結(jié)果是用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的搭建，擴展語音的編程。它將各種功能子程序模塊化，提供完善的部件模型，可以進行簡單的操作就可以完成系統(tǒng)的仿真模型。在設計完異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)之后，需要運用 MATLAB 軟件對其進行仿真分析，證明其正確性和有效性 [24]。 –27– （二） 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)仿真 控制系統(tǒng)仿真模型：系統(tǒng)框圖包括轉(zhuǎn)速控制模 型，磁鏈控制模型， SVPWM 模型和三電平逆變器模型，直流電壓給定，異步電機模型。系統(tǒng)仿真模型如圖 所示。 圖 系統(tǒng)仿真模型 仿真參數(shù)如下： 電機功率 P： 110KW； 電機額定線電壓 U： 325V； 電機額定線電流 I： 233A； 電機定子電阻 Rs： ? ； 電機定子漏感 Lls： ； 電機轉(zhuǎn)子電阻 Rr： ? ； 電機轉(zhuǎn)子漏感 Llr： ； 電機互感： ； 電機轉(zhuǎn)矩： kgm2； 電機頻率： 60Hz； 磁鏈初始值： ； 外環(huán)調(diào)節(jié)周期： 2ms； 內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)周期： ； 磁鏈限幅： 0— ； 轉(zhuǎn)矩限幅： 1170Nm— 1150Nm； 電壓限幅： 280V— 280V； 電流限幅： 655A— 655A； 直流電壓 Udc： 500V； 仿真結(jié)果如下： –28– （ 1）電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形如圖 所示，系統(tǒng)給定額定轉(zhuǎn)速 1748r/min,啟動穩(wěn)定后加上額定負載 580Nm。 圖 電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形 （ 2）圖 電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖 圖 電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖 （ 3）如圖 為電機轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te、定子 A 相電流 ia 的波形 圖。如圖 為定子三相電流的波形圖。 –29– 圖 電機轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te、定子 A 相電流 ia 仿真波形 圖 電機三相定子電流仿真波形 從圖可以看出電機首先充磁，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都為 0，因為充磁所以 ism不為零，定子電流也不為 0，為直流量。充磁后系統(tǒng)啟動可以帶動額定負載，啟動時轉(zhuǎn)矩較大，定子電流較大，轉(zhuǎn)速上升率可以設定，轉(zhuǎn)速超調(diào)很小，三相交流電波形平滑。 （ 4）如圖 所示為電流的勵磁分量 ism 和轉(zhuǎn)矩分量 ist，從圖中可以看出系統(tǒng)充磁之后 ism保持不變， ist 和轉(zhuǎn)矩變化一致，也就是勵磁分量不變保 持磁通恒定，通過電流的轉(zhuǎn)矩分量控制轉(zhuǎn)矩。 –30– 圖 電流勵磁分量 ism 和 ist （ 5）如圖 所示為滑差轉(zhuǎn)速 從圖中可以看出啟動時的滑差轉(zhuǎn)速較大，大概為 60r/min，啟動后的滑差轉(zhuǎn)速下降到為 45r/min 左右。 圖 滑差轉(zhuǎn)速仿真波形 （ 6）如圖 所示為系統(tǒng)啟動時空載，系統(tǒng)穩(wěn)定后突加額定負載 580Nm 系統(tǒng)的動 態(tài)響應圖?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)速恢復較快，動態(tài)響應較好。 –31– 圖 突加負載時系統(tǒng)響應仿真波形 (7)如圖 所示為系統(tǒng)穩(wěn)定后加低頻變化的負載，可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能良好 。 圖 擾動負載時系統(tǒng)響應仿真圖 （ 8）如圖 所示為系統(tǒng)啟動時加大負載 980Nm， 秒后加額定負載 580Nm。從圖中可以看出系統(tǒng)具有帶動大負載的能力，啟動時間也可以滿足實際應用要求。 –32– 圖 啟動帶大負載系統(tǒng)響應仿真圖 （ 9）如圖 所示為電機轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te、電機定子 A 相電流 ia 和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值波形。啟動時給定轉(zhuǎn)速為 1748r/min,在第 7 秒時給定 1850r/min，大于額定轉(zhuǎn)速 1800r/min，從圖中可以看出磁鏈幅值下降到 ，從而使轉(zhuǎn)矩上升，轉(zhuǎn)速可以 達到 1850r/min。 圖 弱磁時系統(tǒng)響應仿真波形 （ 10）系統(tǒng)的 PI 參數(shù)對系統(tǒng)的響應是有影響的。表 為轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Kp 對突加負載時轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)速恢復時間的影響。表 為轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Ki 對突加負載時 –33– 轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)速恢復時間的影響。從表中可以看出轉(zhuǎn)矩的 Kp 參數(shù)越大，系統(tǒng)反應越快，轉(zhuǎn)速變化的越小，但系統(tǒng)穩(wěn)定的慢，也就是恢復時間較長。所以也驗證了 PI參數(shù)對系統(tǒng)的快速性和魯棒性的影響是相反的。 表 轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Kp 對系統(tǒng)的影響 Kp Ki 突加額定負載時轉(zhuǎn)速下降的幅度 轉(zhuǎn)速恢復時間 30 50 17 1 50 50 13 70 50 12 2 表 轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Ki 對系統(tǒng)的影響 Kp Ki 突加額定負載時轉(zhuǎn)速下降的幅度 轉(zhuǎn)速恢復時間 50 30 13 3 50 50 13 50 70 13 1 （ 11）由于電機參數(shù)采用離線辨識，所以辨識電機參數(shù)可能和實際電機參數(shù)有偏差，仿真分析了轉(zhuǎn)子電阻從 80%實際轉(zhuǎn)子電阻變化到 120%實際轉(zhuǎn)子電阻變化時對系統(tǒng)的影響，當辨識轉(zhuǎn)子電阻小于實際轉(zhuǎn)子電阻并保持在 85%實際阻值的情況下，系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)矩減小，但系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速 和磁鏈都能夠達到額定值，當阻值減小到 80%實際阻值時，轉(zhuǎn)速、磁鏈和轉(zhuǎn)速都跟不上額定值；當轉(zhuǎn)子辨識電阻大于轉(zhuǎn)子實際電阻時，系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)矩變大并有小幅的波動，磁鏈和轉(zhuǎn)速也能夠到額定值。圖 為85%實際轉(zhuǎn)子電阻時的給定電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形，圖 為 115%實際轉(zhuǎn)子電阻時的給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形。 –34– 圖 85%實際電機轉(zhuǎn)子阻值時電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形 圖 115%實際電機轉(zhuǎn)子電阻時電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形 由于轉(zhuǎn)子漏感比較小，所以漏感的變化對系統(tǒng)影響不大?；ジ袑ο到y(tǒng)的影響也不是很 大，給定電磁轉(zhuǎn)矩有一些波動，磁鏈和轉(zhuǎn)速都能夠達到額定值。圖 互感為實際互感 120%的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈波形。 –35– 圖 120%實際電機漏感時電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形 （三） 本章小結(jié) 本章 利用 MATLAB/Simulink 對 轉(zhuǎn)速控制模型，磁鏈控制模型， SVPWM 模型和三電平逆變器模型 等 組成的控制系統(tǒng)框圖進行 了 仿真。 五、結(jié)論與展望 本文介紹了三電平逆變器的工作原理，異步電機在三相靜止坐標系、兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，分析了轉(zhuǎn)子磁場定向控制的的基本原理， 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型，采用了間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的方法。設計了基于三電平逆變器的異步電機磁場定向控制系統(tǒng)，包括磁鏈閉環(huán)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)。采用 –36– MATLAB/Simulink 對系統(tǒng)進行了建模和仿真分析，仿真結(jié)果表明：三電平逆變器的輸出電壓波形正確，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測準確，系統(tǒng)啟動帶大負載和突加負載都具有良好的動態(tài)性能。 由于時間和能力有限，課題的研究盡限于此，還需要進一步的研究。 第一，直接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的方法不準確，間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測方法受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的變化影響。所以要根據(jù)現(xiàn)代控制理論研究更準確的模型辨識轉(zhuǎn)子磁鏈。 第二，由于有速度 傳感器帶來的成本大，電機軸向體積大等缺點，對無速度傳感器的研究具有重要的意義。 第三，由于電機參數(shù)受到溫度和其他因素的影響會發(fā)生變化，所以需要采用在線參數(shù)辨識或者根據(jù)參數(shù)變化規(guī)律對其進行補償，需要進一步的研究。 參考文獻 [1] 李永東，饒建業(yè) . 大容量多電平變換器拓撲、現(xiàn)狀和發(fā)展 [J]，電氣技術(shù)， 2021， 9： 712. 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