【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。無延時的轉矩響應。在分析三電平逆變器的拓撲結構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。該模型和電機轉速沒有關系，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?？梢詫⒎e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） 異步電機轉子磁場定向控制系統(tǒng) 、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 轉子磁場定向控制的本質是轉子磁鏈 Ψr 和電磁轉矩 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、轉速雙閉環(huán)控制。 異步電機轉子磁場定向控制系統(tǒng)由給定轉速通過轉速、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)變頻調速。系統(tǒng)分為轉速和磁鏈雙閉環(huán)控制，包含轉速 、磁鏈、ism、 ist 四個閉環(huán)控制和電 壓前饋補償環(huán)節(jié)，磁鏈觀測器得到轉子磁鏈幅值、幅角和同步轉速。圖 為異步電機轉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 子 磁鏈 觀 測器坐 標變 換轉 速 P I 調 節(jié)器磁 鏈 P I 調 節(jié)器函 數(shù) 發(fā) 生 器*r? r?*eT*stir?** 23restmrLTipL ??*r? r?*smi** rsmmiL??*r?stUP I 調 節(jié) 器1?1?1?r?P I 調 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 異步電機轉子磁場定向控制系統(tǒng)框圖 轉速閉環(huán)由給定轉速和反饋轉速比較后進行 PI 調節(jié)得到電磁轉矩的給定值，給定電磁轉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)生器得到給定轉子磁鏈 Ψr，給定轉子磁 Ψr*和反饋轉子磁鏈 Ψr 比較后經(jīng) PI 調節(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速 n。對n 取絕對值，然后限幅，限幅的下限是額定轉速，上限是無窮大。這樣無論電機是正轉還是反轉，當電機的轉速絕對值小于額定轉速時，取額定轉速，當電機轉速大于額定轉速時，取實際值。電機的額定轉速乘以電機初始磁鏈除以電機轉速限幅之后的值得到轉子磁鏈給定值。這樣當電機轉速小于額定轉速時，轉速限幅值為額定轉速，轉子磁鏈為初始值，當電機轉速大于額定轉速時，轉速限幅值為電機實際轉速的絕對值， 轉子磁鏈為初始值乘以小于 1 的系數(shù)，實現(xiàn)弱磁控制，電機轉速越大，弱磁越強。 （四） 本章小結 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坐標系上，采用轉子磁場定向控制方法，使交流電機調速的動態(tài)性能 更好，在此基礎上提出了 轉子磁場定向下的轉速、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： ； 電機轉子電阻 Rr： ? ； 電機轉子漏感 Llr： ； 電機互感： ； 電機轉矩： kgm2； 電機頻率： 60Hz； 磁鏈初始值： ； 外環(huán)調節(jié)周期： 2ms； 內環(huán)調節(jié)周期： ； 磁鏈限幅： 0— ； 轉矩限幅： 1170Nm— 1150Nm； 電壓限幅： 280V— 280V； 電流限幅： 655A— 655A； 直流電壓 Udc： 500V； 仿真結果如下： –28– （ 1）電機轉子磁鏈幅值仿真波形如圖 所示，系統(tǒng)給定額定轉速 1748r/min,啟動穩(wěn)定后加上額定負載 580Nm。 圖 電機轉子磁鏈幅值仿真波形 （ 2）圖 電機轉子磁鏈幅角仿真圖 圖 電機轉子磁鏈幅角仿真圖 （ 3）如圖 為電機轉速 n、電磁轉矩 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 電機轉速 n、電磁轉矩 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，轉速和轉矩都為 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，啟動時轉矩較大，定子電流較大，轉速上升率可以設定，轉速超調很小，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，通過電流的轉矩分量控制轉矩。 –30– 圖 電流勵磁分量 ism 和 ist （ 5）如圖 所示為滑差轉速 從圖中可以看出啟動時的滑差轉速較大，大概為 60r/min，啟動后的滑差轉速下降到為 45r/min 左右。 圖 滑差轉速仿真波形 （ 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。可以看出轉速恢復較快，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 所示為電機轉速 n、電磁轉矩 Te、電機定子 A 相電流 ia 和轉子磁鏈幅值波形。啟動時給定轉速為 1748r/min,在第 7 秒時給定 1850r/min，大于額定轉速 1800r/min，從圖中可以看出磁鏈幅值下降到 ，從而使轉矩上升，轉速可以 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 為轉矩 PI 參數(shù) Kp 對突加負載時轉速的變化和轉速恢復時間的影響。表 為轉矩 PI 參數(shù) Ki 對突加負載時 –33– 轉速的變化和轉速恢復時間的影響。從表中可以看出轉矩的 Kp 參數(shù)越大，系統(tǒng)反應越快，轉速變化的越小，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 轉矩 PI 參數(shù) Kp 對系統(tǒng)的影響 Kp Ki 突加額定負載時轉速下降的幅度 轉速恢復時間 30 50 17 1 50 50 13 70 50 12 2 表 轉矩 PI 參數(shù) Ki 對系統(tǒng)的影響 Kp Ki 突加額定負載時轉速下降的幅度 轉速恢復時間 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，仿真分析了轉子電阻從 80%實際轉子電阻變化到 120%實際轉子電阻變化時對系統(tǒng)的影響，當辨識轉子電阻小于實際轉子電阻并保持在 85%實際阻值的情況下，系統(tǒng)的給定轉矩減小，但系統(tǒng)的轉速 和磁鏈都能夠達到額定值，當阻值減小到 80%實際阻值時，轉速、磁鏈和轉速都跟不上額定值；當轉子辨識電阻大于轉子實際電阻時，系統(tǒng)給定轉矩變大并有小幅的波動，磁鏈和轉速也能夠到額定值。圖 為85%實際轉子電阻時的給定電磁轉矩和轉子磁鏈波形，圖 為 115%實際轉子電阻時的給定轉矩和轉子磁鏈波形。 –34– 圖 85%實際電機轉子阻值時電磁轉矩和轉子磁鏈波形 圖 115%實際電機轉子電阻時電磁轉矩和轉子磁鏈波形 由于轉子漏感比較小，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，給定電磁轉矩有一些波動，磁鏈和轉速都能夠達到額定值。圖 互感為實際互感 120%的電磁轉矩和磁鏈波形。 –35– 圖 120%實際電機漏感時電磁轉矩和轉子磁鏈波形 （三） 本章小結 本章 利用 MATLAB/Simulink 對 轉速控制模型，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、兩相任意旋轉坐標系和兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，分析了轉子磁場定向控制的的基本原理， 轉子磁鏈觀測模型，采用了間接轉子磁鏈觀測的方法。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，仿真結果表明：三電平逆變器的輸出電壓波形正確，轉子磁鏈觀測準確，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，直接轉子磁鏈觀測的方法不準確，間接轉子磁鏈觀測方法受轉子時間常數(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， 2021， 9： 712. [2] 胡玉紅 . 異步電機交流調速技術應用研究與發(fā)展 [J]，科技風， 2021， 2： 77. [3] 陳道煉 . DCAC 逆變技術機器應用 [M]，北京：機械工業(yè) 出版社， ， 7586. [4] 李永東，王琛琛 . 大容量多電平變換器拓撲研究及其最新發(fā)展 [J]，自動化博覽， 2021， 4：1621. [5] Hdu Toit Mouton. Natural Balancin