【導(dǎo)讀】的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的。地方外，畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學(xué)院或其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。大功率的逆變場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制是應(yīng)用最廣泛的調(diào)速方法。因此，本文對(duì)結(jié)合三電平逆變器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的問題進(jìn)行了研究。速雙閉環(huán)系統(tǒng)并給出了框圖。最后，利用MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。

　　

【正文】 自身的缺點(diǎn)：（ 1）低速時(shí)，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(zhǔn)確問題，低速時(shí)采用間接方法，高速時(shí)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(huì)帶來積分漂移?？梢詫⒎e分器換成低通濾波器，同時(shí)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(bǔ)償。 根據(jù)以上兩種磁鏈觀測(cè)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(chǎng)定向控制方法。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –23– （三） 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng) 、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(duì)這兩個(gè)變量進(jìn)行控制。通過在磁鏈控制器、轉(zhuǎn)矩控制器中將 Ψr*和 ωr*與計(jì)算得到的磁鏈 Ψr和反饋的 ωr 進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)磁鏈、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jì)算得到給定電壓。給定電壓在靜止坐標(biāo)系上的兩個(gè)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(jī)，實(shí)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(gè)閉環(huán)控制和電 壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，磁鏈觀測(cè)器得到轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、幅角和同步轉(zhuǎn)速。圖 為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)框圖。 坐 標(biāo)變 換S V P W M逆 變 器轉(zhuǎn) 子 磁鏈 觀 測(cè)器坐 標(biāo)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(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)框圖 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –24– 轉(zhuǎn)速閉環(huán)由給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速比較后進(jìn)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(jì)算得到給定 t 軸電流 ist*，弱磁時(shí)受到磁鏈信號(hào)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(bǔ)償 Ust′得到給定 t軸電壓 Ust*。 磁鏈閉環(huán)控制由電機(jī)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(jì)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(bǔ)償 Usm ′得到給定 m 軸電壓 Usm*。 Ust*和 Usm*通過坐標(biāo)變換得到給定電壓在靜止坐標(biāo)系上的分量 Usα、 Usβ。 函數(shù)發(fā)生器首先由電機(jī)反饋角速度 ω r 經(jīng) 30rn ??? 計(jì)算的到電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速 n。對(duì) n取絕對(duì)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(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速絕對(duì)值小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，取額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，取實(shí)際值。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速乘以電機(jī)初始磁鏈除以電機(jī)轉(zhuǎn)速限幅之后的值得到轉(zhuǎn)子磁鏈給定值。這樣當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速限幅值為額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈為初始值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速限幅值為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的絕對(duì)值，轉(zhuǎn)子磁鏈為初始值乘以小于 1 的系數(shù)，實(shí)現(xiàn)弱磁控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，弱磁越強(qiáng)。 （四） 本章小結(jié) 本章通過坐標(biāo)變換的方法將 三相靜止坐標(biāo)系上 的 數(shù)學(xué)模型 變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，采用 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法，使交流電機(jī)調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能 更好，在此基礎(chǔ)上提出了 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向下的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng) [2123]。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –25– 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(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)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(kuò)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(jìn)行簡(jiǎn)單的操作就可以完成系統(tǒng)的仿真模型。在設(shè)計(jì)完異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)之后，需要運(yùn)用 MATLAB 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，證明其正確性和有效性 [24]。 （二） 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jī)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： 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –26– 電機(jī)功率 P： 110KW； 電機(jī)額定線電壓 U： 325V； 電機(jī)額定線電流 I： 233A； 電機(jī)定子電阻 Rs： ? ； 電機(jī)定子漏感 Lls： ； 電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻 Rr： ? ； 電機(jī)轉(zhuǎn)子漏感 Llr： ； 電機(jī)互感： ； 電機(jī)轉(zhuǎn)矩： kgm2； 電機(jī)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： （ 1）電機(jī)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(dòng)穩(wěn)定后加上額定負(fù)載 580Nm。 圖 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值仿真波形 （ 2）圖 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖 圖 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅角仿真圖 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –27– （ 3）如圖 為電機(jī)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。 圖 電機(jī)轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te、定子 A 相電流 ia 仿真波形 圖 電機(jī)三相定子電流仿真波形 從圖可以看出電機(jī)首先 充磁，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都為 0，因?yàn)槌浯潘?ism 不為零，定子電流也不為 0，為直流量。充磁后系統(tǒng)啟動(dòng)可以帶動(dòng)額定負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩較大，定子電流較大，轉(zhuǎn)速上升率可以設(shè)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(lì)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(lì)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。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –28– 圖 電流勵(lì)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(dòng)時(shí)的滑差轉(zhuǎn)速較大，大概為 60r/min，啟動(dòng)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(dòng)時(shí)空載，系統(tǒng)穩(wěn)定后突加額定負(fù)載 580Nm系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)圖。可以看出轉(zhuǎn)速恢復(fù)較快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –29– 圖 突加負(fù)載時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形 (7)如圖 所示為系統(tǒng)穩(wěn)定后加低頻變化的負(fù)載，可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好。 圖 擾動(dòng)負(fù)載時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真圖 （ 8）如圖 所示為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加大負(fù)載 980Nm， 秒后加額定負(fù)載 580Nm。從圖中可以看出系統(tǒng)具有帶動(dòng)大負(fù)載的能力， 啟動(dòng)時(shí)間也可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –30– 圖 啟動(dòng)帶大負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)仿真圖 （ 9）如圖 所示為電機(jī)轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩 Te、電機(jī)定子 A 相電流 ia 和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值波形。啟動(dòng)時(shí)給定轉(zhuǎn)速為 1748r/min,在第 7 秒時(shí)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(dá)到1850r/min。 圖 弱磁時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –31– （ 10）系統(tǒng)的 PI 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)是有影響的。表 為轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Kp 對(duì)突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)速恢 復(fù)時(shí)間的影響。表 為轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Ki 對(duì)突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)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(yīng)越快，轉(zhuǎn)速變化的越小，但系統(tǒng)穩(wěn)定的慢，也就是恢復(fù)時(shí)間較長。所以也驗(yàn)證了 PI 參數(shù)對(duì)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(duì)系統(tǒng)的影響 Kp Ki 突加額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速下降的幅度 轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間 30 50 17 1 50 50 13 70 50 12 2 表 轉(zhuǎn)矩 PI 參數(shù) Ki 對(duì)系統(tǒng)的影響 Kp Ki 突加額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速下降的幅度 轉(zhuǎn)速恢復(fù) 時(shí)間 50 30 13 3 50 50 13 50 70 13 1 （ 11）由于電機(jī)參數(shù)采用離線辨識(shí)，所以辨識(shí)電機(jī)參數(shù)可能和實(shí)際電機(jī)參數(shù)有偏差，仿真分析了轉(zhuǎn)子電阻從 80%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻變化到 120%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，當(dāng)辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻小于實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻并保持在 85%實(shí)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(dá)到額定值，當(dāng)阻值減小到 80%實(shí)際阻值時(shí)，轉(zhuǎn)速、磁鏈和轉(zhuǎn)速都跟不上額定值；當(dāng)轉(zhuǎn)子辨識(shí)電阻大于轉(zhuǎn)子實(shí)際電阻時(shí)，系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)矩變大并有小幅的波動(dòng)，磁鏈和轉(zhuǎn)速也能夠到額 定值。圖 為 85%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的給定電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形，圖 為 115%實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –32– 圖 85%實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子阻值時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈波形 圖 115%實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻時(shí)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(duì)系統(tǒng)影響不大。互感對(duì)系統(tǒng)的影響也不是很大，給定電磁轉(zhuǎn)矩有一些波動(dòng)，磁鏈和轉(zhuǎn)速都能夠達(dá)到額定值。圖 互感為實(shí)際互感 120%的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈波形。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –33– 圖 120%實(shí)際電機(jī)漏感時(shí)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(duì) 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(jìn)行 了 仿真。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –34– 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(jī)在三相靜止坐標(biāo)系、兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，分析了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的的基本原理，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型，采用了間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)的方法。設(shè)計(jì)了基于三電平逆變器的異步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，包括磁鏈閉環(huán)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)。采用 MATLAB/Simulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(cè)準(zhǔn)確，系統(tǒng)啟動(dòng)帶大負(fù)載和突加負(fù)載都具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 由于時(shí)間和能力有限，課題的研究盡限于此，還需要進(jìn)一步的研究。 第一，直接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)的方法不準(zhǔn)確，間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)方法受轉(zhuǎn)子時(shí)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(zhǔn)確的模型辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈。 第二，由于有速度傳感器帶來的成本大，電機(jī)軸向體積大等缺點(diǎn)，對(duì)無速度傳感器的研究具有重要的意義。 第三，由于電機(jī)參數(shù)受到溫度和其他因素的影響會(huì)發(fā)生變化，所以需要采用在線參數(shù)辨識(shí)或者根據(jù)參數(shù)變 化規(guī)律對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，需要進(jìn)一步的研究。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)仿真研究 –35– 參考文獻(xiàn) [1] 李永東，饒建業(yè) . 大容量多電平變換器拓?fù)?