【正文】 ，經(jīng)過進一步計算得出反饋轉(zhuǎn)矩信號。該信號與由速度外環(huán)確定的轉(zhuǎn)矩給定信號進行比較，再經(jīng)過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的調(diào)節(jié)控制，最后得到了轉(zhuǎn)矩電流最終的控制信號。同理，在勵磁電流環(huán)中，首先將給定勵磁信號轉(zhuǎn)換為給定勵磁電流，在與反饋的勵磁電流進行比較，其控制偏差經(jīng)勵磁電流調(diào)節(jié)器APR調(diào)節(jié)后，得到MT坐標下的勵磁控制信號。然后，經(jīng)過Park逆變換和Clarke逆變換，變換為三相坐標系下控制信號，作為脈寬調(diào)制的輸入控制信號。最終由脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)去控制三相逆變器，實現(xiàn)對電機的控制。由于是異步電機，通過磁鏈觀測器實現(xiàn)其轉(zhuǎn)子的磁場定向。如圖41所示轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器以反饋的二相電流和轉(zhuǎn)速為輸入，計算得出轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位角，從而實現(xiàn)磁場定向，完成系統(tǒng)Park變換及其逆變換。因為異步電機矢量控制系統(tǒng)許多功能模塊都與永磁同步系統(tǒng)相同。因此，對于在前文中已經(jīng)設計的模塊，本章不再累述。本節(jié)主要論述系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器，以及轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的設計過程。因為，交流調(diào)速系統(tǒng)速度控制關鍵是實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，而電磁轉(zhuǎn)矩最終是通過控制電流來實現(xiàn)的。因此，電流環(huán)調(diào)節(jié)器對電流動態(tài)響應具有決定性的影響。由異步電機矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知，其電流環(huán)由轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)和勵磁電流內(nèi)環(huán)組成，有轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR和磁鏈調(diào)節(jié)器APR兩個調(diào)節(jié)器，它們分別控制轉(zhuǎn)矩和勵磁電流。它們的設計方法都與前文電流調(diào)節(jié)器設計相同。(1)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的設計由式(43)可以看出，按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)由于同時受到和的影響，磁鏈和轉(zhuǎn)速兩個子系統(tǒng)實際上還是互相耦合的，電流和磁鏈對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的耦合作用相當于兩種擾動，為了使異步電機矢量控制系統(tǒng)具有好的控制性能，本文采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)改造轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)實現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)速兩個子系統(tǒng)間的近似解耦。在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流的快速、無差控制，將轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR設計為PI型調(diào)節(jié)器。通過引入PI環(huán)節(jié)將轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，其設計方法與前文電流調(diào)節(jié)器設計相同。如圖41，ATR輸入是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號與轉(zhuǎn)矩的反饋信號的比較偏差，經(jīng)過ATR調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)矩電流分量。而轉(zhuǎn)矩的反饋信號，通過矢量控制的基本方程式(43)計算得到。(2)磁鏈調(diào)節(jié)器的設計同理為了準確控制電機的轉(zhuǎn)子磁鏈，磁鏈調(diào)節(jié)器APR也同樣按照電流環(huán)設計方法設計成PI型調(diào)節(jié)器，其輸入是磁鏈電流的給定值與反饋電流經(jīng)過比較后的偏差信號。該偏差經(jīng)過APR調(diào)節(jié)后，輸出是定子電流的勵磁分量，再經(jīng)過Park逆變換和Clarke逆變換輸出給逆變環(huán)節(jié)，作為其控制信號，并最終通過逆變電路實現(xiàn)對電機定子電流的控制，從而去控制電機。異步電機矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)與PMSM速度環(huán)結(jié)構(gòu)完全一致，其控制對象為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入是速度給定值與反饋值的比較偏差，輸出為轉(zhuǎn)矩電流的給定值。并最終實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。為了實現(xiàn)速度響應無靜差，滿足抗干擾性的要求，為了將速度環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器設計為PI型調(diào)節(jié)器。綜上，通過工程理論設計方法，設計了系統(tǒng)的三個調(diào)節(jié)器。同樣，因為設計等效和近似，調(diào)節(jié)器參數(shù)必須要經(jīng)過系統(tǒng)仿真調(diào)試，進行調(diào)整。因此，結(jié)合理論計算和系統(tǒng)仿真調(diào)試，各調(diào)節(jié)器參數(shù)最終確定如表41所示。 表41 異步電機矢量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)ControllerP(proportional)I(Integral)SaturationASR35[150,150]ATR[60,60]APR[]在前文分析矢量控制系統(tǒng)的基本思想和原理時，為了建立新的異步電機的等效模型，必須進行轉(zhuǎn)子磁場定向。在推導電機的等效模型和矢量控制系統(tǒng)基本方程時，多次應用了磁場定向的條件式(240)，從而實現(xiàn)了模型的簡化和解耦。由此可見，磁場定向在矢量控制系統(tǒng)中的重要性。在異步電機矢量控制系統(tǒng)中靠轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器計算磁鏈信號來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向。本文采用磁鏈觀測器進行磁鏈的間接計算，即利用容易測得的電流、轉(zhuǎn)速信號，借助于矢量控制轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與相位。由異步電動機的矢量控制基本方程，將式(41)變換得轉(zhuǎn)子磁鏈方程為 (45)通過式(44)可以計算出電機的轉(zhuǎn)差，對于異步交流電機，同步轉(zhuǎn)速 (46)則有 (47)所以，如果已知、就可以根據(jù)以上公式計算得到轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和相位。顯然，、可以從實測的反饋電流經(jīng)矢量坐標變換得到，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω可以通過實測得到。按磁場定向MT兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型如圖42所示，三相定子電流、經(jīng)過矢量變換并按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到MT坐標系上的電流、利用矢量控制基本方程式(44)和式(45)可以獲得和信號，由與實測轉(zhuǎn)速ω相加得到定子頻率信號，再經(jīng)積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角，它也就是同步旋轉(zhuǎn)變換的旋轉(zhuǎn)相位角。 圖42 轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型(1)轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器仿真模型 轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器，由轉(zhuǎn)矩計算模塊和調(diào)節(jié)模塊組成。計算模塊，就是利用轉(zhuǎn)矩數(shù)學模型式(43)，以勵磁電流反饋和磁鏈觀測值為輸入信號，計算得出反饋的轉(zhuǎn)矩值。其模型如圖43所示，而調(diào)節(jié)模塊是對偏差進行控制，實現(xiàn)無差控制。根據(jù)工程經(jīng)驗，調(diào)節(jié)器設計為PI控制器，并采用離散的PI模型，其模型如圖43b所示。圖43 轉(zhuǎn)矩計算模塊圖44 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模塊(2)勵磁電流調(diào)節(jié)器的仿真模型 與轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器一樣，通過對磁鏈觀測器反饋的磁鏈值與磁鏈給定值的偏差量進行調(diào)節(jié)，然后根據(jù)矢量控制基本方程 (41)計算得出勵磁電流的給定信號其仿真模型如圖45所示圖45 勵磁電流調(diào)節(jié)器仿真模型(3)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的仿真模型 根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器數(shù)學模型式(45)及式(47)建立其仿真模型如圖46所示圖46 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器仿真模型(4)其他模塊仿真模型 需要說明的是，其他如矢量變換模塊、逆變器模塊、SPWM模塊都采用上一章所建立的仿真模型，而電機模塊選擇PSB系統(tǒng)庫中的交流異步電機模型。(5)異步電機矢量控制系統(tǒng)整體的仿真模型 在Simulink中將各功能模塊封裝成子系統(tǒng)，最后將各功能子系統(tǒng)連接構(gòu)成閉環(huán)，構(gòu)成異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖47所示。為了突出研究的代表性，選擇用在中型數(shù)控機床的主軸驅(qū)動的三相異步電機作為仿真對象，電機參數(shù)如表42所示。表42 交流異步電機參數(shù)額定功率10KW定子阻抗Rs額定速度1500rpm轉(zhuǎn)子電阻額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子慣量. m定子漏感定子電感 同時，考慮模型的特點和仿真的收斂性，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表42所示。本章從交流異步電機的數(shù)學模型著手，分析了其矢量控制系統(tǒng)的原理，設計了系統(tǒng)中各功能模塊，構(gòu)成了完整的控制系統(tǒng)。建立了控制系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真研究了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，動態(tài)特性，并對仿真結(jié)果進行了分析；驗證了系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能。證明了矢量控制交流異步電機的正確性，有效性。結(jié) 論本文從數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的角度，針對進給伺服和主軸驅(qū)動，對交流伺服系統(tǒng)矢量控制進行了研究，本文所做的主要研究工作有如下幾個方面：(1)分析了交流電機的數(shù)學模型，論述了交流電機控制困難的根源；分析了矢量控制的基本原理，從電機磁場理論著手推導了矢量控制的坐標變換；結(jié)合交流電機數(shù)學模型和矢量控制原理，推導了交流電機矢量控制的數(shù)學模型。 (2)針對永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，設計了系統(tǒng)的各功能模塊；并利用Matlab/Simulink進行了系統(tǒng)仿真實驗，研究了矢量控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，分析了系統(tǒng)動態(tài)性能與系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的關系，以及負載變動、對象參數(shù)變動對系統(tǒng)性能的影響；證明了系統(tǒng)設計的正確性及系統(tǒng)性能的優(yōu)異性。(3)建立了異步電機矢量控制系統(tǒng)的控制模型，重點設計了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)，并對系統(tǒng)進行了仿真研究，研究了矢量控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，驗證了矢量控制系統(tǒng)具有優(yōu)越的控制性能。交流伺服系統(tǒng)的矢量控制是一個綜合、系統(tǒng)的研究課題，涉及到很多研究方面。由于時間和作者水平的限制，論文存在不少局限性。作者認為以下幾方面有待于進一步研究和探索：(1)系統(tǒng)硬件的開發(fā)，結(jié)合控制軟件，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)控制策略的開放；(2)進一步優(yōu)化矢量控制軟件設計，使控制系統(tǒng)性能更加完善和優(yōu)化；(3)智能控制在矢量控制中的應用，如系統(tǒng)參數(shù)辨識、參數(shù)自調(diào)整等。參考文獻[1] ，（8）： 4648[2] ，32（5）1113[3] 羅再飛，蔣靜坪，.（6）：710[4] ，2002：[5] ，2006：282344[6] 馮琪玲。綜述數(shù)控機床對進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求. 中國科技信息2005.[7] Control of AC Publish. 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