【正文】 。 2．氣隙磁場定向矢量控制方案 氣隙磁場的定向控制是 將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 d軸定向于氣隙磁場的方向，此時氣隙磁場的 q軸分量為零。該控制方法是用轉(zhuǎn)差率和測量的轉(zhuǎn)速相加后積分來計算磁通相對于定子的位置。如果在控制過程中，能使電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子或氣隙磁場中一個始終保持不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就和穩(wěn)態(tài)工作時一樣，主要由轉(zhuǎn)差頻率決定 [8]。 矢量控制系統(tǒng)常用方案及比較 矢量控制系統(tǒng)常用的方案 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方案 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的出發(fā)點是，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。 ATR和 AψR的輸出分別為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量 *sti 和勵磁分量 *smi 。在控制電路中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 ATR的給定值 *eT ， AψR為磁鏈調(diào)節(jié)器，磁鏈觀測環(huán)節(jié)采用按轉(zhuǎn)子磁場定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 的模型結(jié)構(gòu)。矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示： M3 ~2 / 3F B SV R 1電 流 變 換 和磁 鏈 觀 測A T RAψ RA S Rn p***i sT Ai sωi s ti s a*i s 223?；谶@種方法提出了一種以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法。但因為轉(zhuǎn)子磁通 2 m 2cos? ? ?? ，這樣式 (22)就變?yōu)?22coseTT C i ?? 這種形式和直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式非常相似，如果能保持轉(zhuǎn)子磁通的恒定，轉(zhuǎn)子磁通的恒定包括磁通相位 和幅值恒定兩個方面。更何況電動機(jī)的氣隙磁場是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生的，隨負(fù)載的變化，磁通也要發(fā)生變化。即使氣隙磁場保持恒定，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不但與轉(zhuǎn)子電流的大小有關(guān)而且 還與轉(zhuǎn)子電流的功率因數(shù)角 2? 有關(guān)。 從產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的角度來看，異步電動機(jī)另一種電磁轉(zhuǎn)矩公式為： m 2 2coseTT C i??? (22)? 式中 CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL的變化規(guī)律已知的條件下，這就必須對電動機(jī)的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制。 由 (21)式可知，電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 Te，除用以克服負(fù)載的制動轉(zhuǎn)矩 TL外，其余部分就是用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子角加速度的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。 異步電動機(jī)矢量調(diào)速的實質(zhì) 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要目的就是控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，然而轉(zhuǎn)速是由電動機(jī)轉(zhuǎn)矩來改變的，所以，我們先從電動機(jī)轉(zhuǎn)矩來分析電動機(jī)控制的實質(zhì)和關(guān)鍵。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第 2章 異步電動機(jī)矢量調(diào)速原理 引言 矢量控制系統(tǒng)是建立在異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，因此必須首先分析異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真研究和分析。 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測。 異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)的主電路。本文分析了異步電動機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，著重分析了按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理。并進(jìn)行了仿真分析。因此，取消速度傳感器而仍能獲得良好的控制性能，便成為眾所矚目的研究與開發(fā)課題。為了獲得準(zhǔn)確而且可靠的轉(zhuǎn)速信號，速度傳感器必須經(jīng)過精確的安裝和妥善的維護(hù)，在條件不好的工業(yè)現(xiàn)場上常常不章 1章 緒論 7 易做到。為了正確辨識定子磁鏈，文獻(xiàn) [20]提出了一種在線辨識定子電阻的方法，它從電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，經(jīng)過各種數(shù)學(xué)變換和運(yùn)算，計算出 Rs。直接轉(zhuǎn)矩控制的一個顯著特點是定子磁場定向，一般采用電壓模型來估計定子磁鏈。 直接轉(zhuǎn)矩控制策略 (DTC) 在 1986年，德國的 Depenbrock教授和日本的高橋熏分別提出異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩 (DTC)方法 [20]?？刂破骼贸跏蓟膮?shù)進(jìn)行在線校正并不困難，真正的難點是在系統(tǒng)運(yùn)行時如何利用電機(jī)參數(shù)對控制器參數(shù)進(jìn)行正確跟蹤。這將嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。而磁鏈一般不直接檢測，因此在矢量控制系統(tǒng)中用電機(jī)參數(shù)計算出磁鏈的位置角或利用磁鏈觀測器觀測磁鏈。矢量控制技術(shù)使高性能交流調(diào)速得以實現(xiàn)，使其獲得了巨大的發(fā)展空間。 矢量控制策略 1971年，德國西門子公司的 F． Blaschke提出異步電機(jī)的矢量控制技術(shù)，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。交流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈。因 此如何在動態(tài)過程中控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵。交流電動機(jī)的磁場都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止，要控制轉(zhuǎn)矩，必須控制兩磁場的大小和相對位置。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，電動機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。但開環(huán)的變壓變頻控制并不能真正實現(xiàn)動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩控制 [2][3][13]。 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要控制策略 目前為止， 關(guān)于交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略大體可分為基于穩(wěn)態(tài)模型的控章 1章 緒論 5 制策略和基于動態(tài)模型的控制策略。 現(xiàn)代一些技術(shù)的發(fā)展，推動著交流調(diào)速技術(shù)的快速前進(jìn)。未來的發(fā)展還體現(xiàn)在高速處理器和外設(shè)上?；谶@一思路，為進(jìn)一步減小成本、提高可靠性，電機(jī)相電流傳感器進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)人員在如何省去軸側(cè)傳感器以及特別是高性能無速度傳感器矢量控制(svc)的實現(xiàn)吸引了各國研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，并已成為未來驅(qū)動控制研究的熱點 [3]。 矢量控制發(fā)展趨勢 現(xiàn)在，有無采用無速度傳感器技術(shù)已經(jīng)成為高性能通用變頻器和一般變頻器的分水嶺。如 SB80系列變頻器。上海艾帕電力電子公司更是率先開發(fā)出無速度傳感器控制的高性能級聯(lián)式高壓變頻器。 SVC目前已在印刷、印染、紡機(jī)、鋼鐵生產(chǎn)線、起重、電動汽車等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在高性能交流驅(qū)動中占有愈來愈重要的地位，Mitsubishi公司的高級磁通矢量控制代表了最新的無速度傳感器控制技術(shù)，西門子公司的 SE6300、 Mitsubishi公司的 A7 FUJI公司的 VG7S、安川公司的 G艾默生公司 EV6000、科比公司 COMBIVERTF5等均為無速度傳感器矢量控制變頻的典范，在世界上處于領(lǐng)先地位。而德國在將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于大功率系統(tǒng)方面的實力很強(qiáng)， SIEMENS公司已開始將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動電力機(jī)車等兆瓦級功率場合。 進(jìn)入 20世紀(jì)以來，矢量控制的研究仍在如火如荼地進(jìn)行，德國、日本和美國依然走在世界的前列，但這三個國家各有千秋。這使帶寬相當(dāng)高的無速度矢量控制成為可行，并能快速、高精度章 1章 緒論 3 地控制轉(zhuǎn)速 (velocityprofiling)與定位。數(shù)字信號處理器 (DSP)的高速運(yùn)算能力使矢量控制尤其是 1983年 (Sensorless Vector Control， SVC)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，這就為性能更優(yōu)的 SVC方案的實施提供了物質(zhì)保證。在 80年代中期到 90年代初期的歐洲電力電子會議 (EPE)論文集中，涉及到矢量控制的論文占有很大比例，在這當(dāng)中，德國 SIEMENS公司、 Aachen技術(shù)大學(xué)電力電子和電氣傳動研究院和德國 Braunchweig技術(shù)大學(xué) 、 ，在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了許多重大進(jìn)展，促進(jìn)了矢量控制的實用化。自 20世紀(jì) 70年代至今，矢量控制理論及應(yīng)用技術(shù)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展和實踐，形成了當(dāng)今在工業(yè)生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。電動機(jī)的調(diào)速性能對提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面將有很大的發(fā)展空間，所以感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。我國各類應(yīng)用電機(jī)中交流電動機(jī)擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動機(jī)加以利用的， 80％以上為 ~220KW以下的中小型感應(yīng)電動機(jī)，可見交流電動機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 [2]。 在用電系統(tǒng)中，電動機(jī)為主要的動力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會生活等各個方面。而且，我國能源利用的質(zhì)量很低，能源浪費情況嚴(yán)重。 課題研究的背景及意義 二十世紀(jì)中期以來，全球范圍內(nèi)的能源消費量大幅增長，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界第二大能源消費國，能源消費總量約占世界能源消費總量的 11％。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動，從單機(jī)傳動到多機(jī)協(xié) 調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。 運(yùn)用 MATLAB的工具軟件 SIMULINK對矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明 了本 設(shè)計 的合理性。 本文 設(shè)計了 一個帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) 。 矢量控制思想是將交流電動機(jī)模型等效成直流電動機(jī)模型加以控制，利用坐標(biāo)變換理論，將非線性、強(qiáng)耦合的交流電機(jī)模型解耦，把交流電動機(jī)定子電流矢 量分解為兩個分量：勵磁電流分量，轉(zhuǎn)矩電流分量。目前廣泛研究應(yīng)用的異步電動機(jī) 變頻 調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。摘要 I 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 感應(yīng)電動機(jī)磁場定向矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 *** 燕 山 大 學(xué) 2021 年 6 月 摘 要 由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性，以及計算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，異步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在快速發(fā)展之中。經(jīng)過最近十幾年的應(yīng)用開發(fā)，交流異步電動機(jī)的變頻調(diào)速性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。本文采用異步電動機(jī)的矢量控制調(diào)速技術(shù)，具有動態(tài)響應(yīng)快 、低速性能好和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。通過對這兩個矢量 分別控制， 從而 實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的 分別 控制 。系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力 快 和抗干擾能力 強(qiáng) ， 轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)有助于提高轉(zhuǎn)速和磁 鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的解耦性能。 關(guān)鍵詞 異步電機(jī)；矢量控制； 磁場定向 Abstract II Abstract As a result of the limitation of directcurrent speed control modulation and the superiority of alternating speed control modulation and the unceasing development of puter technology and electric power device, the frequency conversion velocity modulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. After the application and development in the past 10 years, the frequency conversion velocity modulation performance of asynchronous motor can be parable with the direct current velocity modulation present, the asynchronous motor frequency control, vector control and direct torque check etc. are in detailed studies. This paper uses the modulation method of asynchronous motor, which has the dynamic response quickly and lowspeed performance and wide velocity modulation scope. Vector control is developed based on the idea that the controlling means of induction motor can be equivalent to the DC motor， The induction motor mathematic model that is high nonlinear and plex coupling can be separated by coordinate transformation theory， Stator current can be deposed into excitation current ponent and the torque current ponent, then the magic field and torque can be separately controlled by controlling the two current ponents． This paper designed flux regulator, torque regulator and speed regulator, constit