【正文】 國(guó)內(nèi)外許多專家都提出了感應(yīng)電機(jī)在 不同坐標(biāo)系變換下的數(shù)學(xué)模型，其中使用較多的有電機(jī)三相坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)的三相參量各代表一坐標(biāo)。 第 五 章為本文結(jié)論。在確定了系統(tǒng)的總體方案后，對(duì)不同的控制方式以及實(shí)現(xiàn)方式，選擇調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)方式。 第二章為電機(jī)模型，介紹了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及為簡(jiǎn)化模型的各個(gè)坐標(biāo)變換理和公式實(shí)現(xiàn)。本論文主要對(duì)采用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方案設(shè)計(jì)做一比較系統(tǒng)的描述。 從以上幾種電機(jī)控制方案來說，轉(zhuǎn)差率的矢量控制只考慮了轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)態(tài)方動(dòng)態(tài)效果太差，不適合于高性 能的電機(jī)控制系統(tǒng)，而氣隙磁場(chǎng)控制和定子磁場(chǎng)控制都有實(shí)現(xiàn)電量的完全 解耦 ，因此需要增加 解耦 控制器，針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，選擇 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制 。 氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理 : 除了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制以外，還有一些控制系統(tǒng)使用的是氣隙磁場(chǎng)的定向控制，此種方法比轉(zhuǎn)子磁通的控制方式要復(fù)雜，但其利用了氣隙磁通易于觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，保持氣隙磁通的恒定，從而使轉(zhuǎn)矩與 q 軸電 流成正比，直接對(duì) q軸電流控制，達(dá)到控制電機(jī)的目的。 轉(zhuǎn)差率矢量控制原理 : 如果使電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子或氣隙磁場(chǎng)中一個(gè)保持不變， 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就由轉(zhuǎn)差率主要決定。以下主要介紹最常用的控制策略。 鑒于我們平常學(xué)習(xí)接觸的調(diào)制方式，對(duì) SVPWM 了解不是很多，所以 在本系統(tǒng) 主電路中 選用了電流滯環(huán)控制型逆變器 ， 主要由滯環(huán)脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的逆變器組成， 具體的性能以及實(shí)現(xiàn)方法將在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)章節(jié)中介紹。由于本論文不涉及到這些控方法，因此也不一一做詳細(xì)介紹。對(duì)速度比較慢的處理來說，可以應(yīng)用表格法來產(chǎn)生，這種方法將要輸出的脈沖寬度以數(shù)據(jù)表格的形式存放內(nèi)存或者外部擴(kuò)展 ROM 塊中，通過 實(shí)時(shí)讀取表格中參數(shù)值，就可以輸出產(chǎn)生正弦波對(duì)晶振頻率較高的處理器，可以采用實(shí)時(shí)采樣輸出異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 的方法，計(jì)算下一周期理想輸出的形脈寬。在以往的 SPWM 正弦調(diào)制中，模擬電路采用得多的是通過振蕩電路，產(chǎn)生正弦波和三角波，再通過比較器來確定橋臂的導(dǎo)通與 關(guān) 或者是通過正弦波產(chǎn)生芯片來控制功率管，如 HEF4752 和 SLE4520。此方法的點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大， 不 適合于高精度場(chǎng)合應(yīng)用，相 對(duì)于這種方法的缺點(diǎn)，工程技術(shù)應(yīng)用最多的就是 SPWM調(diào)制，即正弦調(diào)制。 由于 PWM 變換器具有功率因數(shù)高，調(diào)制簡(jiǎn)單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓變頻以及抑制諧 波 的特點(diǎn)，因此，得到了廣泛的工程應(yīng)用。有待于進(jìn)一步對(duì)其工程化推廣。在參考文獻(xiàn)，對(duì)兩種控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，從仿真的結(jié)果對(duì)電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)以及電機(jī)參數(shù)的敏感度等性能做了詳細(xì)的分析，從結(jié)論中，可以看到，矢量控制在轉(zhuǎn)矩性能控制以及電機(jī)參數(shù)的敏感度上占了一定的優(yōu)勢(shì)，而直接轉(zhuǎn)矩控制在磁場(chǎng)控制性能上有一定的異步電機(jī)矢量控制研究?jī)?yōu)勢(shì)，而且直接轉(zhuǎn)矩控制由于省略了大部分的坐標(biāo)變換，比矢量控制在計(jì)算量上較為化。直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量的獲得也是分別控制 8個(gè)逆變開關(guān)狀態(tài)。矢量控制通過定子電流采樣，進(jìn)而進(jìn)行解禍，對(duì)影響電機(jī)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的電流分量分別控制。下面對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制在各個(gè)方面上進(jìn)行對(duì)比。 直接轉(zhuǎn)矩控制 除以上兩種調(diào)速方式之外，國(guó)際學(xué)術(shù)界比較流行的電機(jī)控制方案研究還有致力于直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)。系統(tǒng)增加了反饋電路和其他輔助環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機(jī)率。 帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖較好，但是畢竟它需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器，己經(jīng)降低了異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高的特點(diǎn)。采用矢量變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高 的效果。矢量控制變頻器可以分別電動(dòng)機(jī) 的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè) 值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 矢量控制 矢量控制是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)變頻系統(tǒng)應(yīng)用的主流，它是通過分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型壓、電流等變量進(jìn)行 解耦 而實(shí)現(xiàn)的。尤其是在低速區(qū)域由于定子電阻的壓降不容忽視而使電壓調(diào)整難，不能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過調(diào)節(jié)逆變輸出電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，根據(jù)電機(jī)參數(shù)，設(shè)曲線，其可靠性高。因此 可 見，今后變頻器的高速響應(yīng)和高性能將是基本條件。Mamp。作為發(fā)展趨勢(shì)，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能型發(fā)展。如用于起重機(jī)負(fù)載，交流電梯，恒壓供水、機(jī)傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車牽引等專用變頻器。 通用變頻器中出現(xiàn)專用型產(chǎn)品是近年來的事。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在3050MHz 時(shí)的噪聲可降低 1520dB。今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，主要做法是在變頻器輸入 側(cè)加交流 電抗器或有源功率因數(shù)校正 (Active Power Factor Correction。變頻器的小 型化除了出自支撐部件的封裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化以外，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展己成為小型化的重要原因。例如日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一塊芯片上的DIPIPM(即雙列直插式封裝 )的研制己經(jīng)完成并推向市場(chǎng)，一種使逆變功率和控制電路達(dá)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 到一體化、智能化和高性能化的 HVIC(高耐壓 IC)SOC(System on Chip)的概念已被用戶接受。另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)?PWM 技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。因其能減少這種噪聲，因此得廣泛應(yīng)用。 年代至 80 年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過 5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。正弦 PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM 技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) (如 ABBACS1000系列和美國(guó) ROBICON公司的完美無諧波系列等 )。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM 信號(hào)用以控制功率器件的開關(guān)狀態(tài)，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的 PWM 信號(hào)輸出， PWM 調(diào)制在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展概況 PWM 調(diào)制技術(shù)是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 ALU 只能作加法，乘法需要由軟件來實(shí)現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，運(yùn)算速度比較慢。而單片 機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) (CISC)，多數(shù)指令要 23 個(gè)指令周期來完成。 TI和 AD公司的 DSP 采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序空間和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)，同時(shí)，程序空間和數(shù)據(jù)空間也有專門的通道可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而既避免了某一個(gè)空間的浪費(fèi)，又為某些應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。如日本三菱電機(jī)開發(fā)的用于電動(dòng)機(jī)控制的 M3770 M7906 單片機(jī)和美國(guó)德州儀器的 TMS320C240 系列都是頗具代表性的產(chǎn)品。(5)IPM 的售價(jià)已逐漸接近 IGBT，而設(shè) 計(jì)人員采用 IPM 后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動(dòng)功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后，在許多場(chǎng)合其性價(jià)比己高過 IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性。(3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的配線設(shè)計(jì)上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制 。目前，在模塊額定電流 10600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用 IPM 的趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)有 :(1)開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單 。其四是驅(qū)動(dòng)功率減少，體積趨于更小。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善 。第四代 IGBT 的應(yīng)用使變頻器的性能有了更大的提高。 IGBT 集射 集 電壓可小于 3V，開關(guān)頻率可達(dá)到 20KHz，內(nèi)含的集射極間超高速二極管 T。 變頻技術(shù)的發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)之上的。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別 (Identification簡(jiǎn)稱 ID)，通過 ID 確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、電機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度， 并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的BandBand 控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能夠很容易對(duì)同步速度信息進(jìn)行估算，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)控制等效成直流電動(dòng)機(jī)控制方式，因而避免了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解藕而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在電機(jī)運(yùn)行過程中，由于溫度等外界環(huán)境和電機(jī)磁場(chǎng)變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)等參數(shù)的影響，大大降低了控制系統(tǒng)的精度，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識(shí)方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的工作 .繼矢量控制方式之后， 1985 年德國(guó)魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論 （ Direct Torque control 簡(jiǎn)稱 DTC)。使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。矢量控制的基本原理是控制電機(jī)磁鏈?zhǔn)噶浚ㄟ^分解定子電流，使之分解成轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交 解耦 控制 。它是七十年代初由西德 等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。 交流電機(jī)是一個(gè)多變量，非線性的復(fù)雜的被控對(duì)象，上述方法研究其控制特性，靜、動(dòng)態(tài)效果均不太理想，在上述各種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩控 制調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)在一定程度上獲得電流波形的改善。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形。 現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 概況 現(xiàn)代交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段 :早期通用變頻器，大多數(shù)為開環(huán)恒壓頻比的控制方式 .其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低 .缺點(diǎn)是系統(tǒng)控制 以及調(diào)速性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵等場(chǎng)合，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電磁轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差 。 70 年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù) (或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù) )，通過坐標(biāo)交換，把交流電機(jī)的定子流分解異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，用來分別控制磁通和轉(zhuǎn)矩，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性 的發(fā)展 .其后，又陸續(xù)提出直接轉(zhuǎn)矩控制、解 耦 控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。 ，過去多用直流傳動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、率高，如果改成交流調(diào)速傳動(dòng)，顯然能夠帶來不少的效益。直到本世紀(jì) 70 年代初葉，席卷世界先工業(yè)國(guó)家的石油危機(jī)迫使他們投入大量人力和財(cái)力去研究高效節(jié)能的交流調(diào)速系統(tǒng)，流調(diào)速系統(tǒng)主要沿著下述三個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用 . ，風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)為過去交流電機(jī)本身不調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，許多能因而白白地浪費(fèi)掉了。s rapid development, puter running continuously 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 improve the speed, the speed of the implementation of directives also reached an unprecedented height, makes plex puter algorithms to conduct realtime puting, the implementation possible. After the recent 10 years of application development, the AC induction motor VVVF performance has been superior to DC converter system. At present extensive research on the application of asynchronous motor speed control technology frequency than the constant pressure control, vector control, direct torque control. This paper is discussed in the speed asynchronous motor vector control method, pared to the frequency than the constant pressure to control and direct torque control, it has the dynamic performance and lowspeed performance, and speed advantages of wide scope. In this paper, asynchronous motor mathematical model of a detailed analysis and elaboration. Through the dy