課程設(shè)計(jì)---異步電動(dòng)機(jī)電流滯環(huán)矢量控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)</b></p><p>　題 目異步電動(dòng)機(jī)采用電流滯環(huán)控制型PWM控制技術(shù)的矢量控制系統(tǒng)</p><p>　學(xué) 院</p><p>　專業(yè)班級(jí)</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　姓 名</p><

2、p>　指導(dǎo)教師</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，為非線性，所以控制起來極為不便。異步電機(jī)的模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。如果把異步電動(dòng)機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡(jiǎn)單模型，就可以模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制模型來控

3、制交流電動(dòng)機(jī)。本文研究了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)方法，通過坐標(biāo)變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，然后仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到異步電動(dòng)機(jī)所需的三相定子電流，然后利用電流滯環(huán)跟蹤PWM控制技術(shù)，在三相定子坐標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，完成按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用MATLAB進(jìn)行仿真。&l

4、t;/p><p>　　關(guān)鍵字：異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、電流滯環(huán)跟蹤PWM控制、MATLAB仿真</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及現(xiàn)狀</p><p>　　自從電氣化時(shí)代開始以來，電動(dòng)機(jī)就成為重要的動(dòng)力來源。直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)和交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在19世紀(jì)中期先后誕生。直

5、流電機(jī)由于勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)完全解耦，這樣可以根據(jù)調(diào)速性能的要求，按照經(jīng)典控制理論的方法獨(dú)立設(shè)置調(diào)節(jié)器，分別對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，因此直流調(diào)速系統(tǒng)會(huì)有良好的調(diào)速性能，調(diào)速平滑且易于控制，在高性能電氣傳動(dòng)領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。</p><p>　　1.2 交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況</p><p>　　在20世紀(jì)的大部分年代里，約占整個(gè)電力拖動(dòng)容量80%的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)都采用交流電機(jī)直接拖動(dòng)，

6、占電力拖動(dòng)容量20%的高性能可調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用直流電機(jī)拖動(dòng)，這似乎已經(jīng)成為一種舉世公認(rèn)的格局。但由于直流電機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用機(jī)械換向器和電刷，使它具有難以克服的固有缺點(diǎn)，如造價(jià)高、維護(hù)難、壽命短、存在換向火花和電磁干擾，因此直流電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、單機(jī)容量和最高電壓都受到一定的限制。</p><p>　　事實(shí)上，從 20世紀(jì)30年代起，不少國(guó)家就開始進(jìn)行無換向器電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，但由于條件限制，進(jìn)展不大，而交流

7、電機(jī)特別是鼠籠式異步電機(jī)制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率及高速驅(qū)動(dòng)，適合在惡劣環(huán)境下工作，所以工業(yè)界和學(xué)術(shù)界一直致力于高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，至20世紀(jì)60年代，交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)己有多種方案問世，主要有以下兩種：</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻控制（U/f）</p><p>　　變壓變頻控制以異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程為推導(dǎo)基礎(chǔ)，以控制異步電機(jī)的氣隙磁通幅值恒定

8、為目標(biāo)，具有控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、靜態(tài)性能指標(biāo)在大多數(shù)場(chǎng)合都能滿足需求等特點(diǎn)，目前市場(chǎng)上通用變頻器大多采用這種方式，但轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻控制并不能真正實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)拖動(dòng)動(dòng)態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩控制。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制</p><p>　　轉(zhuǎn)差頻率控制比U/f控制方式有了較大的提高，但轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況

9、下成立，在動(dòng)態(tài)中磁通不會(huì)恒定，這會(huì)影響調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)性能，一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場(chǎng)合。在要求異步電機(jī)轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程中，異步電機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于瞬態(tài)電流的影響，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。由于這種方異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其PI控制器參數(shù)優(yōu)化研究法只依據(jù)異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，因此只能按異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行控制，不能控制任意磁場(chǎng)的大小和相對(duì)位置，特別是

10、沒有進(jìn)行動(dòng)態(tài)磁通控制，對(duì)系統(tǒng)的控制只是粗略的，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制性能差。</p><p>　　綜上所述，盡管在此期間提出的一些方案（如轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)）能夠在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)平滑調(diào)速，但是由于其系統(tǒng)控制規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推導(dǎo)出的，完全沒有考慮動(dòng)態(tài)情況及過渡過程，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不得不做出較多的假設(shè)、忽略較多因素才能得出一個(gè)近似的傳遞函數(shù)，這就使得設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際相差較大，調(diào)

11、速系統(tǒng)在穩(wěn)定性、啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的性能不能令人滿意，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等需要高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速場(chǎng)合，就不能勝任了。</p><p>　　針對(duì)上述異步電機(jī)調(diào)速方案的缺點(diǎn)，國(guó)外許多專家學(xué)者經(jīng)過多年的潛心研究，提出了現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的矢量控制理論，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。矢量控制理論是1971年初由德國(guó)西門子公司的 F.Blasschke 等人首先提出，其核心思想是考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、

12、非線性的參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，通過Clark和Park變換簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，就可以實(shí)現(xiàn)定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，使得異步電機(jī)在理論上能像直流電機(jī)一樣分別對(duì)勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，從而可以獲得同直流電機(jī)一樣良好的調(diào)速性能。近幾十年來，隨著電力電子技術(shù)、PWM變頻技術(shù)、微處理器、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，矢量控制理論使得高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并獲得了

13、廣泛的應(yīng)用。在異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，只規(guī)定了坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)坐標(biāo)定向的不同，有氣隙磁場(chǎng)定向、定子磁場(chǎng)定向、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向等不同的方案。</p><p>　　（1）氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制方案</p><p>　　氣隙磁場(chǎng)的定向控制就是將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于氣隙磁場(chǎng)的方向，此時(shí)氣隙磁場(chǎng)的q軸分量為零。如果保持氣隙磁通的d軸分量恒定，轉(zhuǎn)矩直接和定子電流q軸分量成正比。因

14、此通過控制q軸分量，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控制，從而達(dá)到控制異步電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p>　?。?）定子磁場(chǎng)定向矢量控制方案</p><p>　　定子磁場(chǎng)的定向控制就是將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于定子磁場(chǎng)的方向，此時(shí)定子磁場(chǎng)的q軸分量為零。如果保持定子磁通的d軸分量恒定，轉(zhuǎn)矩直接和定子電流q軸分量成正比，同樣可通過控制定子電流q軸分量來控制異步電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。定子磁場(chǎng)定向控制使定子方程大

15、為簡(jiǎn)化，有利于定子磁通觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)。但此方案在進(jìn)行磁通控制時(shí)，不管采用直接磁通閉環(huán)控制還是間接磁通閉環(huán)控制，均需要消除耦合項(xiàng)的影響，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)解耦器對(duì)電流進(jìn)行解耦。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方案</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制就是將d、q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，將異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁通作為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d坐標(biāo)軸。若忽略由反電動(dòng)勢(shì)引起的交叉耦合，只需檢測(cè)出定子

16、電流的d軸分量，就可以觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁通幅值。轉(zhuǎn)子磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。此時(shí)稱定子電流的d軸分量為勵(lì)磁分量，定子電流的q軸分量為轉(zhuǎn)矩分量。可由電壓方程的d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文主要研究和設(shè)計(jì)了按轉(zhuǎn)子磁

17、場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。首先闡述了異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的基本原理，通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的理論和學(xué)習(xí)，按照工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的磁通調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并進(jìn)行了調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，同時(shí)采用了電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電流快速跟隨給定值，建立了系統(tǒng)的仿真模型，最終完成了異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　全文共

18、分四章：</b></p><p>　　第 1 章為緒論部分，闡述了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況及課題研究的主要內(nèi)容。</p><p>　　第 2 章闡述了課題設(shè)計(jì)的主要思想和矢量控制系統(tǒng)的基本原理。另外將設(shè)計(jì)過程中所用到的各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的講解，說明設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。</p><p>　　第3章介紹了電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)的基本原理，及在本次課題研究中的應(yīng)用。&

19、lt;/p><p>　　第4章在MATLAB中搭建異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型，及其simulink仿真結(jié)果的分析。</p><p>　　第2章異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多輸入變量和多輸出變量的系統(tǒng),定子和轉(zhuǎn)子間通過磁鏈互親關(guān)系進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,這就使異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)親合的多變系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)速性能,對(duì)異步

20、電動(dòng)機(jī)建立數(shù)學(xué)模型。同時(shí)七十年代發(fā)展建立的矢量控制理論也為現(xiàn)代調(diào)速控制理論奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　在研究異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí),一般要作以下假設(shè):</p><p>　　1、定子轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱分布,在空間上互差120電角度,所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦均勾分布,忽略諧波;</p><p>　　2、磁路不飽和,各繞組的自感、互感為線性;</p>

21、<p><b>　　3、不計(jì)鐵心損耗;</b></p><p>　　4、忽略頻率、溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。</p><p>　　2.1整體方案設(shè)計(jì)原理</p><p>　　本次設(shè)計(jì)內(nèi)容是異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效的直流電機(jī)模型，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)控制策略設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。因?yàn)榘崔D(zhuǎn)子磁鏈

22、定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系是旋轉(zhuǎn)dq正交坐標(biāo)系的一個(gè)特例，因此在接下來的分析中，采用的是在mt坐標(biāo)系下進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和模型的搭建。提到矢量控制，從它的基本思想我們可以了解到，設(shè)計(jì)的過程中需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，包括三相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)（3s/2r）、兩相旋轉(zhuǎn)/三相靜止（2r/3s），經(jīng)過變換之后就得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，然后就可以按照控制直流電動(dòng)機(jī)的方式控制異步電機(jī)，也就是需要對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，而影響電磁轉(zhuǎn)矩的因素包括轉(zhuǎn)子磁鏈的波動(dòng)，所

23、以添加了轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值。通過以上的分析表明，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈所引起的轉(zhuǎn)矩變化，但是這種調(diào)節(jié)只有當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用，為了改善動(dòng)態(tài)性能，采用轉(zhuǎn)矩控制方式，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出增加除法環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)輸出為定子電流轉(zhuǎn)矩分量，用除法</p><p>

24、;　　圖2-1MATLAB中搭建仿真模型</p><p>　　整個(gè)過程首先在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中計(jì)算定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定值，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s和2/3變換得到，通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電機(jī)所需要的三相定子電流。此外，得到三相電流給定值后，采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制。</p><p>　　2.2仿真模型各個(gè)模塊介紹</p

25、><p>　　在研究矢量控制時(shí),定義了三種坐標(biāo)系:三相靜止坐標(biāo)系(ABC)、兩相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。三種坐標(biāo)系都有相對(duì)應(yīng)的異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,并且可以通過坐標(biāo)變換互相轉(zhuǎn)換。</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)三項(xiàng)原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難，在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)換。異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩

26、方程，他們體現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，需從電磁耦合關(guān)系入手。</p><p><b>　　2.2.1坐標(biāo)變換</b></p><p>　　控制系統(tǒng)中存在兩個(gè)坐標(biāo)變換:兩相靜止坐標(biāo)系到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換,稱為Park變換。坐標(biāo)變換的原則是變換前后的總功率不變。</p><p>　　三相繞組A、B、C

27、和兩相繞組之間的變換，稱作三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)稱3/2變換。</p><p>　　是三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的電流變換陣，根據(jù)變換前后產(chǎn)生相同的磁動(dòng)勢(shì)的原則和變換前后功率不變的原則，可以得到：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　如果從兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱2/3變換:</

28、p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　考慮到實(shí)際異步電機(jī)的三相繞組為不帶中線的對(duì)稱繞組，沒有零軸電流，并且滿足,于是三相坐標(biāo)系與兩相坐標(biāo)系之間的電流變換可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　相應(yīng)的逆變換：<

29、/b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　2.2.2兩相靜止-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）</p><p>　　圖2-2 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)空間關(guān)系</p><p>　　在圖2-2中，兩相交流電流和兩個(gè)直流電流，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)。由圖2-3可見，，

30、之間有下列關(guān)系:</p><p>　　= （2-5）</p><p>　　兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣是:</p><p><b>　　（2

31、-7）</b></p><p>　　然而在，MATLAB仿真的過程中，我們將上述的公式進(jìn)行了合并得到了從三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換公式。具體的變換模塊如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 3S/2R變換模塊</p><p>　　同理可以得到其反變換（2r/3s）的轉(zhuǎn)換公式。具體的變換模塊見圖2-4</p><p>　　圖2

32、-4 2R/3S變換模塊</p><p>　　2.2.3旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算</p><p>　　從上面的敘述中我們可以知道，不論是兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)還是其反變換都要有旋轉(zhuǎn)角度，那么根據(jù)旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子磁鏈和在dq坐標(biāo)系下 的關(guān)系以及轉(zhuǎn)角方程可知道其計(jì)算模塊如圖2-5：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p

33、>　　圖2-5 旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算</p><p>　　其中，具體的參數(shù)是從電機(jī)參數(shù)給定輸入得到的。</p><p>　　2.2.4磁鏈的計(jì)算</p><p>　　從原理圖中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此外在上述的旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算中也用到了轉(zhuǎn)子磁鏈值，所以對(duì)于磁鏈的控制也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其計(jì)算公式為：</p>

34、<p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　在MATLAB中為其搭建的模型也就不言而喻了（如圖2-6所示），其中的值也是來自于所用的電機(jī)參數(shù)。</p><p><b>　　圖2-6 磁鏈計(jì)算</b></p><p>　　2.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）</p><p>　　

35、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的目的是為了是轉(zhuǎn)速等于給定值，實(shí)際上它是通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響最后達(dá)到平衡，但是這種調(diào)節(jié)只有在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用，為了改善動(dòng)態(tài)性能，可以采用轉(zhuǎn)矩控制方式，常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種：轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加除法環(huán)節(jié)。該設(shè)計(jì)中使用的是帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用的是PI調(diào)節(jié)器，其輸出為轉(zhuǎn)矩給定，除以轉(zhuǎn)子磁鏈，得到電流轉(zhuǎn)矩分量給定，由于某種原因使減小時(shí)，通過除法

36、環(huán)節(jié)可以使盡可能的保持保持電磁轉(zhuǎn)矩不變。如圖2-7所示</p><p>　　圖2-7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR</p><p>　　至于電流轉(zhuǎn)矩分量給定的計(jì)算是根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　在MATLAB中搭建的模型如圖2-8所示，其中所需的參數(shù)同樣來自電機(jī)給定參數(shù)。

37、</p><p>　　圖2-8 電流轉(zhuǎn)矩分量給定值計(jì)算模塊</p><p>　　2.2.6 轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器（APR）</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，將影響電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速，在前一節(jié)中我們提到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，而轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，兩者同時(shí)作用，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，最后達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩

38、。該調(diào)節(jié)器同樣采用的是PI調(diào)節(jié)器，其輸出為定子勵(lì)磁分量給定.</p><p>　　圖2-9 轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器APR</p><p>　　2.3異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理</p><p>　　20世紀(jì)70年代,德國(guó)科學(xué)家F.Blacschke等提出感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理，經(jīng)過長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐,磁場(chǎng)定向控制理論日益成熟和完善,并已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用最多的高動(dòng)態(tài)性能控

39、制方案是按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向定向的矢量控制系統(tǒng)。</p><p>　　矢量控制的基本思想是模擬直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。直流電動(dòng)機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩公式：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，為電樞電流，為氣隙磁通。和在空間上是兩個(gè)互相垂直的參數(shù)。由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，這就意味著這兩個(gè)參數(shù)在空間上是

40、解耦的,可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)控制。</p><p>　　若將異步電動(dòng)機(jī)放在一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系上進(jìn)行控制。將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸固定在某個(gè)磁場(chǎng)方向，稱之為M軸；相對(duì)應(yīng)的q軸稱之為T軸。將定子三相電流分解成M軸上的和T軸上的，它們分別是定子電流在同步參考坐標(biāo)系上的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。在矢量控制下，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的，因此能使異步電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)的調(diào)速性能。控制的時(shí)候，將和作為控制

41、信號(hào),通過等效變換,可以得到等效的定子三相電流。</p><p>　　按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型是同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系模型的一個(gè)特例。通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，和定子的勵(lì)磁電流分量無關(guān)，按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制可以實(shí)現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩電流的解耦。矢量控制技術(shù)的最初方案就是如此。該

42、控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)達(dá)到了完全解耦，缺點(diǎn)是磁通閉環(huán)控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子磁通檢測(cè)精度受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)影響較大,在一定程度上影響電機(jī)的調(diào)速性能。</p><p>　　第3章 電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)</p><p>　　電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)是一種常用的電流閉環(huán)控制方法，采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路具有硬件電路簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)快，并且不需要載波，輸出

43、的電壓波形中不含特定頻率的諧波。</p><p>　　SPWM控制技術(shù)以輸入電壓接近正弦波為目的，電流波形則因負(fù)載的性質(zhì)及大小而異。然而對(duì)于交流電機(jī)來說，應(yīng)該保證為正弦波的是電流，穩(wěn)態(tài)時(shí)在繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不產(chǎn)生脈動(dòng)，因此以正弦波電流為控制目標(biāo)更為合適。CHBPWM的控制方法是：在原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近

44、正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能。</p><p>　　電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。在實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的寬度。電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高、響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)，但功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率不定。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用具有恒定開關(guān)頻率到的電流控制器，或者局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對(duì)電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。&l

45、t;/p><p>　　3.1電流滯環(huán)跟蹤控制原理</p><p>　　現(xiàn)在以A相電流滯環(huán)跟蹤控制為例，其控制結(jié)構(gòu)圖如下圖 3-1 所示：</p><p>　　圖3-1電流跟蹤控制A相原理圖</p><p>　　其中電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為h，將給定電流輸出電流進(jìn)行比較，電流偏差超過±0.5h 時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器（HBC）控制逆變

46、器 A 相上、下橋臂的功率開關(guān)器件動(dòng)作。B、C兩相的原理圖均與此相同。</p><p>　　設(shè)比較器的滯環(huán)寬度為h，當(dāng)輸出電流比給定電流大時(shí)，且誤差大于0.5h時(shí)，滯環(huán)比較器輸出負(fù)電平，驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，使實(shí)際電流減小。當(dāng)減小到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)比較器仍保持負(fù)電平輸出，VT1保持關(guān)斷，實(shí)際電流繼續(xù)減小，直到誤差大于0.5h時(shí)，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，輸出正電平信號(hào)，開關(guān)器件VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，使

47、實(shí)際電流增大，一直增大到帶寬的上限。以上過程重復(fù)進(jìn)行，這樣交替工作，實(shí)際電流與給定電流的偏差保持在-0.5h-+0.5h 之間，并在給定電流上下作鋸齒狀變化，達(dá)到跟蹤電流的目的。</p><p>　　3.2 滯環(huán)寬度分析</p><p>　　采用電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM波形，如下圖 3-2所示：</p><p>　　圖3-2 電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形</p

48、><p>　　圖3-2給出了在給定正弦波電流半個(gè)周期內(nèi)的輸出電流波形和相應(yīng)的相電壓波形?？梢钥闯觯诎雮€(gè)周期內(nèi)圍繞正弦波作脈動(dòng)變化，不論在的上升段還是下降段，它都是指數(shù)曲線中的一小部分，其變化率與電路參數(shù)和電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。</p><p>　　電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 電流滯環(huán)跟蹤控制波形的幾何關(guān)系</p&g

49、t;<p>　　由上圖可知逆變器的開關(guān)頻率與電流波動(dòng)幅值成反比，即與環(huán)寬成反比， 環(huán)寬越小，開關(guān)頻率f越高，實(shí)際電流值越接近給定電流，此時(shí)電流追蹤性能越好。</p><p>　　圖3-4 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形</p><p>　　因此，輸出相電壓波形呈PWM狀，但與兩側(cè)窄中間寬的SPWM波相反，兩側(cè)增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應(yīng)該調(diào)整一下電

50、壓波形。</p><p>　　電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對(duì)矛盾的因素，實(shí)用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。</p><p>　　3.3電流滯環(huán)跟蹤控制的特點(diǎn)</p>&l

51、t;p>　　電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但受功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的限制，僅在電機(jī)堵轉(zhuǎn)且在給定電流峰值處才發(fā)揮出最高開關(guān)頻率，在其他情況下，器件的允許開關(guān)頻率都未得到充分利用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用具有恒定開關(guān)頻率的電流控制器，或者在局部范圍內(nèi)限制開關(guān)頻率，但這樣對(duì)電流波形都會(huì)產(chǎn)生影響。</p><p>　　采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM交流電路有以下特點(diǎn)：</p>

52、;<p>　?。?）硬件電路簡(jiǎn)單；</p><p>　　（2）屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流反應(yīng)快；</p><p>　?。?）不需要載波，輸出電壓波形中不含有特定頻率的諧波分量；</p><p>　?。?）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量較多；</p><p>　?。?）屬于閉環(huán)控制，這是各種跟蹤型PWM交流

53、電路的共同特點(diǎn)。</p><p>　　3.4電流滯環(huán)控制型PWM變頻器</p><p>　　通過上述單相控制原理的介紹，電流帶滯環(huán)控制型的PWM變頻器的工作原理就也就顯而易見了，圖3-5為本次設(shè)計(jì)所用的電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，圖中relay為滯環(huán)比較器，當(dāng)比較器的輸入大于正的閥值時(shí)，比較器輸出為1；比較器輸入小于負(fù)的閥值時(shí)，比較器的輸出為0。即產(chǎn)生相應(yīng)的PWM來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。配合第二

54、章中提到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，也就意味著實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電機(jī)的控制。</p><p>　　圖3-5 電流滯環(huán)控制型的PWM變頻器仿真模塊</p><p>　　第4章仿真模型搭建與結(jié)果分析</p><p>　　經(jīng)過前面的理論分析，各個(gè)模塊的搭建，本章將第二章的各個(gè)模塊進(jìn)行組合完成本次課題研究的MATLAB仿真模型的

55、搭建，如圖4-1所示為核心電路仿真模型。</p><p>　　圖4-1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　4.1電機(jī)參數(shù)的設(shè)定</p><p>　　在做仿真之前，首先要知道電機(jī)的各個(gè)參數(shù)，然后在電機(jī)模型中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。本次課題中使用的異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)如圖4-2、圖4-3所示</p><p>　　圖4-2異步電動(dòng)機(jī)屬性設(shè)定

56、 圖4-3 異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)定</p><p>　　該異步電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)：</p><p>　　P=15KW，1460r/min，定子側(cè)，，轉(zhuǎn)子側(cè)，，，</p><p><b>　　4.2仿真結(jié)果</b></p><p>　　圖4-4從上到下分別為：三相電流（）、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩</p>

57、;<p>　　從圖4-4中可以看到，在0.4s之前電機(jī)在空載啟動(dòng)，在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前，這個(gè)階段相當(dāng)于我們之前接觸過的恒流升速階段，該階段轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)階段，也是起動(dòng)過程的主要階段。當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩也變?yōu)?。在0.4s之后添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并設(shè)定。同時(shí)在加載后，轉(zhuǎn)速也有了一定的變換，并電機(jī)最終在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。在該設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖4-5 輸出三

58、相電流局部放大</p><p>　　從圖4-5中可以知道，電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制動(dòng)態(tài)性能較好，電流響應(yīng)較快，跟隨比較好，不用載波，方法簡(jiǎn)單，可以取代傳統(tǒng)的 SPWM電壓型逆變器，用于逆變器的控制系統(tǒng)中。另外，電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對(duì)

59、矛盾的因素，在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。當(dāng)然為了更好地驗(yàn)證這個(gè)觀點(diǎn)，可以直接采用輸入為3相電流，輸出跟隨給定的辦法，并將其產(chǎn)生的各相PWM電壓波形繪制出來進(jìn)行分析對(duì)比，具體的過程感興趣的同學(xué)可以搭建模型并仿真。</p><p><b>　　致謝</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

60、</p><p>　　[1] 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版)．機(jī)械工業(yè)出版社．2004．</p><p>　　[2]邱阿瑞.現(xiàn)代電力傳動(dòng)與控制.電子工業(yè)出版社.2004</p><p>　　[3]湯天浩.電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.2010</p><p>　　[4]柴肇基.電力傳動(dòng)與調(diào)速系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版