【正文】 用畢生的經(jīng)歷讓自己的專業(yè)知識得到完善，得以為祖國的現(xiàn)代化建設貢獻出自己微不足道的一份力量。從設計的資料搜集到最后的修改的整個過程中，花費了劉老師很多的寶貴時間和精力，在此向導師表示衷心地感謝！導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開拓進取的精神和高度的責任心都將使學生受益終生！同時還要感謝和我同一設計小組的同學，在我平時設計中和我一起探討問題，并指出我設計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現(xiàn)問題把設計順利的進行下去，在此表示深深的謝意。 首先誠摯的感謝我的論文導師劉文良老師，本設計的完成是在我們的劉文良老師的細心指導下進行的。并在結合現(xiàn)代微控制芯片技術和單片機、DSP后進行系統(tǒng)實際應用開發(fā)，為節(jié)能高效的現(xiàn)代化生產(chǎn)、生活提供技術支援，為現(xiàn)代電機調(diào)速事業(yè)貢獻力量。 給出了矢量控制算法中主要算法的仿真模型和仿真示例，并對總的控制系統(tǒng)進行了仿真，結果表明按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)模型是穩(wěn)定可行的， 由于本人水平有限，本論文的不足之處還很多：仿真精度也不夠高；沒有橫向對比矢量控制與其他控制方法的優(yōu)劣，只是對矢量控制方法給出了仿真曲線；沒有針對具體的實際電機運行狀況進行分析和仿真；系統(tǒng)總的仿真模型還有一些環(huán)節(jié)沒有做詳細討論。在對不同的坐標系變換算法進行解釋的同時也給出了異步電動機在不同的坐標系下的狀態(tài)方程。 現(xiàn)將所做的研究結果總結如下： 矢量控制系統(tǒng)的基本原理進行了分析和闡述，通過對異步電動機的物理模型的介紹給出了數(shù)學模型。最后的圖411是定子電流的d、q分量，也就是MT軸分量。輸出轉矩在空載起動時，上升很快，略有上升但很快也達到穩(wěn)定。帶磁鏈調(diào)節(jié)器后，在起動階段，磁場得建立過程比較平滑，磁鏈呈螺旋增加，同時電動機轉矩也不斷上升，整個系統(tǒng)的動態(tài)響應快，穩(wěn)態(tài)精度高。圖48是三相電流波形等比例放大后的波形。由于ATR和AΨR都是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，在起動中兩個調(diào)節(jié)器都處于飽和限幅，因此定子電流的轉矩和勵磁分量都保持不變，定子電流的給定值也不變，所以在起動過程中定子電流基本保持不變，實現(xiàn)了恒流起動。在仿真結果中可以看到，在矢量控制下轉速上升平穩(wěn)，加載后略有下降但隨即恢復，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流、轉矩都有相應的響應。(1)電動機參數(shù)表41 電動機參數(shù)Pn(VA)Vn(Vrms)fn(Hz)Rs(ohm)Lls(H)np3730460502Rr(ohm)Llr(H)Lm(H)J(39。本人采用的是轉子磁鏈的電流模型。圖41 異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真模型一、2s/2r變換和2s/2r逆變換的仿真模型由坐標變換的原理建立3s/2r變換和3r/2s變換的仿真模型，如圖42，圖43所示。第二節(jié) 異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型的建立　　根據(jù)圖314我們可以在MATLAB的SIMULINK工具中建立如圖41的異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。它和MATLAB的無縫結合使得用戶可以利用MATLAB豐富的資源建立仿真模型，監(jiān)控仿真過程，分析仿真結果。SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。MATLAB有非常強大的功能，在各種科學和工程運算中都得到了很好的應用，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具。MATLAB語言表述形式與其數(shù)學表達形式相同，因而不需要按傳統(tǒng)的方法編程。圖45 轉速、磁鏈閉環(huán)三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)圖314 磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)　第四章 異步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真分析第一節(jié)　SIMULINK軟件基本介紹　　本文主要就矢量控制系統(tǒng)的運行性能應用MATLAB軟件SMIULNIK仿真工具進行系統(tǒng)仿真。三個調(diào)節(jié)器ACMR、ACTR、ASR均是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。磁鏈的閉環(huán)有以下的作用：當額定的角速度大于實際轉速時，控制轉子磁鏈ψr為常數(shù)，實現(xiàn)恒轉矩調(diào)速；當實際轉速大于額定的轉速時可以控制使ψr隨著它的增加而減小，實現(xiàn)恒功率(弱磁)調(diào)速方式。轉速調(diào)節(jié)器的輸出，是內(nèi)環(huán)轉矩調(diào)節(jié)器ATR的給定值，而轉矩的反饋信號則來自轉子磁鏈觀測器，計算公式為：轉矩閉環(huán)可以降低或者消除兩個通道之間的慣性耦合作用，另外磁鏈的變化對于轉矩內(nèi)環(huán)相當于一種擾動，會受到轉矩閉環(huán)的抑制，這樣就可以減輕磁鏈的突變對轉矩的影響。 磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)　　磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)帶有轉速控制子系統(tǒng)和磁鏈控制子系統(tǒng)。圖中虛框部分為電流控制方式PWM逆變器環(huán)節(jié)，其使用的功率器件是IGBT或者IGCT。其控制結構為：轉速閉環(huán)控制是建立在取向于轉子磁鏈軸的同步旋轉坐標系(MT)上，通過矢量旋轉變換將直流控制量iST，iSM變換到定子坐標系(ɑβ)上，再通過3/2變換變換就得到了定子三相交流控制量i*A， i*B ，i*C。這種磁場定向角的計算法叫做轉差頻率法。在此簡要介紹其中的兩種，電壓源轉差型異步電動機矢量控制系統(tǒng)組成和轉速、磁鏈閉環(huán)三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)的組成。由于A22(t)為常值矩陣是漸近穩(wěn)定的的系統(tǒng)，這就使得即便是K2=0也可以獲得漸近穩(wěn)定的轉子磁鏈觀測器。三、轉子坐標系中轉子磁鏈的觀測模型　　在轉子坐標系中式(346)中的矩陣A11(t)、A12(t)是時變的，A22(t)為常值矩陣，K2=0的時候，式(36)變?yōu)椋骸　　　? (337)　　于是，我們可以畫出磁鏈觀測器的模型如圖313。圖312　二相旋轉坐標系中的轉子磁鏈觀測模型的運算圖圖312中，Tr和Lmd為電機參數(shù)，所以這種轉子磁鏈觀測器就比較依賴于電機參數(shù)的穩(wěn)定性，但是電動機的參數(shù)卻是在電機運行過程中極易發(fā)生變動的參數(shù)。把Δω和實際測得的轉速信號ω相加求得定子同步角頻率信號ωs，然后再對ωs進行積分就可以得到轉子磁鏈的瞬時方位信號，就是按轉子磁鏈定向的定向角。圖311 靜止坐標系(αβ)上轉子磁鏈電流觀測模型二、兩相旋轉坐標系中的轉子磁鏈觀測模型三相定子電流在經(jīng)過3/2變換后的兩相靜止坐標系電流isα，isβ再按轉子磁場定向后，經(jīng)旋轉變換得到在MT旋轉坐標系上的電流isM，isT。一、兩相靜止坐標系αβ上的轉子磁鏈的觀測模型電壓電流模型法構造轉子磁鏈觀測模型令式(346)、(347)中K2為： (336)圖310 靜止坐標系上轉子磁鏈電壓電流觀測模型經(jīng)過整理就可以得到如圖310所示的在兩相靜止坐標系αβ上的轉子磁鏈電壓電流觀測模型。現(xiàn)在隨著微機運算技術的飛速發(fā)展，實時計算對硬件設備的要求已經(jīng)不再是最主要的問題。萬缺點是由于在電機內(nèi)部要裝設元器件會有工藝和技術的問題，而且還破壞了交流電機的結構特性；另外由于受齒槽的影響，使檢測信號中含有大量的脈動分量，并且隨著電機的線速度越低越嚴重。就是利用在電機定子內(nèi)表面裝貼霍爾元件或者在電機槽內(nèi)部埋設探測線圈直接檢測轉子磁鏈。所以，對于轉子磁鏈幅值和空間位置角的獲得成了矢量控制中又一個重要的環(huán)節(jié)。但是由于這兩個量值是不可以直接測量的，所以在矢量控制系統(tǒng)中只能采用觀測值或模型計算值。所以，矢量控制方法的異步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)的性能就可以與直流電動機相似，甚至在加入多種先進控制方法后其控制性能優(yōu)于直流電機調(diào)速。因此，在設計控制器的時候可以不考慮這兩個矢量旋轉變換環(huán)節(jié)。這樣，在穩(wěn)態(tài)的時候就消除了轉矩形成環(huán)節(jié)的非線性因素的影響。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，有轉速調(diào)節(jié)器(ASR)來控制轉速和磁鏈調(diào)節(jié)器(AΨR)來控制磁鏈，形成一個轉速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)。二、按轉子磁場定向的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的基本結構三相異步電動機經(jīng)過矢量坐標變換和按轉子磁鏈定向后得到三相異步電動機在同步旋轉坐標系上的等效直流電動機模型。所以，采用轉子磁場定向是最佳的方法，轉子磁場定向控制是目前主要采用的方法。由于要對異步電動機進行控制，而直接能夠測得的被控制量就是定子電流，所以要求出定子電流矢量的表達式。Ψr在MT坐標軸上的分量： (319)　　 (320) 將上述兩式(319)(320)代入式(318)中化簡得電壓方程：　　 (321) 再將式(319)(320)代入式(317)轉矩方程為：　　 (322)其中，為轉矩系數(shù)。定子電流矢量在M軸上的分量isM就是勵磁電流分量，在T軸上的分量isT就成了轉矩分量。磁場定向軸的選擇有三種:轉子磁場定向、定子磁場定向、氣隙磁場定向。然而，對矢量控制的另一個關鍵問題就是對MT坐標系的軸系取向加以確定，這個步驟稱為定向。圖37 三相異步電機坐標表換結構圖 其中，3/2是指三相到兩相變換，V/R是同步旋轉變換，φ是M軸與ɑ軸之間的夾角。所以，要想控制iA、iB、iC就可以通過控制iM、iT來實現(xiàn)了。由于直流繞組的旋轉只是一種假設，但在實際中，我們可以通過矢量坐標變換的方式來產(chǎn)生旋轉的效果。這里我們?nèi)绻僭O小ФMT：通過旋轉直流兩繞組得到旋轉速度，并且與圖31和圖32中所示的交流電機繞組產(chǎn)生的磁場ФABC、Фɑβ。的直流繞組M和T組成的。但是，由電樞繞組所產(chǎn)生的磁勢Fa在空間上有固定的方向，通常稱這種繞組為“偽靜止繞組”(英文為PseudoStationary Coil)。所以，我們就可以把靜止的三相繞組等效成兩相固定繞組。圖32所示為一個有位置互差90176。這個旋轉磁場以角速度ωs旋轉。第二節(jié) 矢量控制思路的演變過程在異步電動機中，定子繞組為三相對稱繞組，如圖31所示。我們可以通過控制各相電流的幅值大小來控制Fs或Fr模值的大?。煌ㄟ^控制各相電流的瞬時相位來實現(xiàn)對空間上的位置角θs、θr的控制。各種電機的電磁轉矩的統(tǒng)一表達形式有：　　 （31）　　式中，np為電機的極對數(shù)；FS、Fr為定轉子磁勢矢量的模值；Фm為氣隙主磁通矢量的模值；θs為定子磁勢空間矢量Fs與氣隙合成磁勢空間矢量F∑之間的夾角；Фr為轉子磁勢空間矢量Fr與氣隙合成磁勢空間矢量F∑之間的夾角。而矢量變換控制技術經(jīng)過20多年的發(fā)展，已使得交流電機運行狀態(tài)的控制取得非常的好效果，甚至優(yōu)于直流調(diào)速電機的控制。20世紀70年代初期提出了用矢量變換的方法研究電機的動態(tài)控制過程。第三章　異步電動機矢量控制的基本原理 交流電動機是一種多變量、非線性的被控對象?！　⊥叫D坐標系的電壓方程　　 (226)磁鏈方程，轉矩方程，運動方程均不變。將下角標d、q改為ɑ、β則電壓矩陣方程式變?yōu)? (222)磁鏈方程為 (223)　　利用兩相旋轉變換陣，可得　　 (224) 　　ɑβ坐標系上的電磁轉矩　　 (225)　　上面幾個式子加上運動方程式便成為ɑβ坐標系上的異步電動機數(shù)學模型。之間變化時，的變化范圍是，這個變化幅度太大，在數(shù)字變換器中很容易溢出，因此常改用下列方式來表示值則第五節(jié) 異步電動機在不同坐標系下的數(shù)學模型 異步電動機在坐標系上的數(shù)學模型　　對于異步電機定子側的電磁量我們用下角標以s，對于轉子側的電磁量用下角標r，氣隙電磁量則用下角標m，電壓矩陣方程為：　　 　 (216)　　 磁鏈方程為：　 　 　　　　　　 (217)　　電磁轉矩為： 　　 　　　　　 (218) 異步電動機在兩相旋轉坐標上的數(shù)學模型　　因為定義方向為d軸，所以，=0通過變換，異步電機在dq坐標系下數(shù)學模型，電壓方程為：　　 　　 (219)　　磁鏈方程為：　　 　　　　　　　 　 (220)電磁轉矩為： 　　 　　　　　　　　 (221) 異步電動機在兩相靜止坐標系（αβ）上的數(shù)學模型在αβ靜止坐標系上的模型是任意旋轉坐標系數(shù)學模型到坐標轉速等于零時的特例。其變換式為當在0176。不同的坐標等效導致了不同的坐標系和不同的控制方法。在當前電機控制系統(tǒng)中應用廣泛的廣義旋轉變換電壓變換矩陣為： (215)上面的變換矩陣的系數(shù)是經(jīng)過規(guī)格化的。同理，對于任何電參數(shù)，都可以通過等效變換，將其變換在空間任意角度的坐標系上。從圖上可以得到：　　 (213) 式中為2s/2r變換矩陣。當合成磁動勢在空間旋轉，分量的大小保持不變，相當于在dq坐標軸上繞組的