异步电机矢量控制

目录1引言 (1)1.1 交流电机调速系统发展的现状 (1)1.2 矢量控制的现状 (1)1.3 课题的研究背景及意义 (2)1.4 本课题的主要内容 (2)2 矢量控制的基本原理 (4)2.1 坐标变换的基本思路 (4)2.2 矢量控制坐标变换 (5)2.3 矢量控制系统结构 (8)3 转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制 (10)4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统 (13)4.1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统 (13)4.2 带转矩内环的直接矢量控制系统 (13)5 控制系统的设计与仿真 (15)5.1 矢量控制系统的设计 (15)5.2 异步电动机的重要子模块模型 (16)5.3 系统仿真结果和分析 (18)6 结论 (21)参考文献 (22)致谢................................................................................................ 错误!未定义书签。

1引言1.1 交流电机调速系统发展的现状在当今用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、防、科技及社会生活的方方面面[1] [2] [3] [4]。

电动机负荷约占总发电量的60％～70％，成为电量最多的电气设备。

根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交电动机两大类，交流电动机分为同步电动机和异步电动机两种。

电动机作为把能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要使电动机具有较高的机能量转换效率：二是要根据生产机械的工艺要求控制并调节电动机的转速。

电动的调速性能直接影响着产品质量、劳动生产效率和节电性能。

但是直到20世纪70年代，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。

其原因主要是：(1)不论异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速是最为方便的，而且以获得优异的调速特性。

但大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路—定子绕阻，致其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流可方便地控制电动机的转速。

但交流电机，特别是笼式异步电动机，拥有结构单、坚固耐用、价格便宜且不需要经常维修等优点，正是这些突出的优点使得气工程师们没有放弃对电力牵引交流传动技术的探索和发展。

进入20世纪70代，由于电力电子器件制造技术和微电子技术的突破和发展，先进的控制理论矢量控制、直接转矩控制等具有高动态控制性能的新技术开始被采用，使得交传动进入一个崭新的阶段。

交流电动机的诞生已有一百多年的历史，时至今日已经研制出了形式、用途容量等各种不同的品种。

交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类。

同电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系：异步电动机则不保这种关系。

其中交流异步电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通交流电动机加以利用的。

据统计，交流电动机用电量约占电机总用电量的85％。

1.2 矢量控制的现状自20世纪70年代，德国西门子公司的EBlasehke提出了“磁场定向控制的理论”和美国的PC．Custmna与A．AQark申请了专利“感应电机定子电压的坐标交换控制”，矢量控制技术发展到今天己形成了各种较成熟并已产品化的控制方案，且都已实现无速度传感器控制，即用转速估算环节取代传统的速度传感器(如测速发电机、编码盘等)。

矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相交流电流i A、i B、i C过坐标变换变换到同步旋转坐标系de-q轴系下的两相直流电流[10][11]。

实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量：用来产生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。

然后像控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换方程把这些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。

1.3 课题的研究背景及意义矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制、变结构滑模控制等方法。

20世纪80年代中期，德国鲁尔大学德彭布罗(DPeneborkc) 4教授首先取得了直接转矩控制(以下简称DTC)技术实际应用的成功。

近十几年的实际应用表明，直接转矩控制技术与矢量控制方法相比可以获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应，与矢量控制技术一样也是一种很有发展前途的控制技术。

DTC变频器采用砰一砰控制带来较好的转矩响应，同时由于其开关频率是不确定，随机变化的，使DTC变频器存在以下问题：·无法像矢量控制那样，在确定的开关频率条件下，采用消除谐波的PWM控制方法·变频器输出电压、电流的谐波较大·变频器输出电压偏低·变频器效率略低·在相同电力电子元器件条件下，变频器输出容量略小也就是说，DTC控制变频器的稳态指标要比VC差，这在清华大学的试验报告中也有证明。

这对于那些不要求较高动态性能指标的通用变频器，例如风机、水泵节能传动，一般工业机械传动，变频器的效率，容量利用率，谐波就显得更为重要，在这些应用场合VC显然要优于DTC。

1.4 本课题的主要内容在异步电机的高性能控制方法中，保证矢量控制方法有效性的一个重要条件是对电机转速的准确测量，却不希望安装转速传感器，所以无速度传感器的矢量控制方法引起广泛的关注。

由于控制系统的结构和算法日益复杂，对系统CPU的运算能力的要求也越来越高，电机控制专用的DSP既有强大运算能力，又有完备外围控制电路，所以在电机控制中得到了普遍应用。

本文所做的主要工作作包括：(1)介绍本课题的选题背景，发展现状和研究意义。

(2)详细分析了异步电动机的数学模型。

(3)设计了异步电动机直接矢量控制系统的整体结构，进一步分析了各个结构部分的原理，对各个子模块的构建进行了详细叙述。

(4)利用MATLAB/simulink进行仿真并分析结果。

2 矢量控制的基本原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以腔制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。

2.1 坐标变换的基本思路坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。

以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流A i 、B i 、C i ，通过三相——两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流αi 和βi ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流d i 和q i 。

如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。

把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图2.1从整体上看，输人为A ，B ，C 三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。

从结构图内部看，经过3／2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由m i 和t i 输入，由ω输出的直流电动机。

A图2.1 异步电动机的坐标变换结构图2.2 矢量控制坐标变换图2.2为交流电机坐标系等效变换图。

图中的A ，B ，C 坐标轴分别代表电机参量分解的三相坐标系。

而α,β则表示电机参量分解的静止两相坐标系。

每一个坐标轴上的磁动势分量，可以通过在此坐标轴的电流i 与电机在此轴上的匝数N 的乘积来表示。

图2.2 坐标变换图假定A 轴与a 轴重合，三相坐标系上电机每相绕组有效匝数是3N ，两相坐标系上电机绕组每相有效匝数为2N ，在三相定子绕组中，通入正弦电流，则磁动势波形为正弦分布，因此，当三相总安匝数与两相总安匝数相等时，两相绕组瞬时安匝数在βα,轴上投影应该相等。

因此有式（1-1）和（1-2）。

)2121(60cos 60cos 3030332i i i i i i i C B A C B A N N N N N --=--=α （1-1）)(2360sin 60sin 303032i i i i i C B C B N N N N -=-=β (1-2) 为了保持坐标变换前后的总功率，即应该保持变换前后有效绕组在气隙中的磁通相等23B B = （1-3） 设三相绕组磁通公式：)]2/32/3(sin )2/12/1([cos 33C B C B A i i i i i KN B -+--=θθ （1-4） 两相绕组磁通公式：)sin (cos 22**+=βαθi i KN B (1-5)上面两式K 为固定比例参数，通过增入一个分量，我们可以写成矩阵形式为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡C B A i i i x x x N N i i i 2323021211230βα (1-6)将上两式写成矩阵形式并对其规格化得到下面方程：()12121122223=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛N N (1-7)从上式解得，三相到两相的匝数比应该为：3223=N N (1-8) 因此，可以得到下面的矩阵形式：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡C B A i i i i i 232302121132βα (1-9)当电机使用星型接法时，有等式：0=++C B A i i i (1-10) 则上面的变换矩阵可以写成下面的形式：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡B A i i i i 221023βα (1-11) 同时，我们可以得到从两相到三相的变换矩阵，即为上面矩阵的逆变换：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡βαi i i i B A 261023（1-12） 从原理上分析，上面的变换公式具有普遍性，同样可以应用于电压或者其他参量的变换中。

从三相坐标到两相坐标的变换，通常只是简化电机模型的第一步，为了满足不同参考坐标系的各个参量分量的分析，需要找出不同参考运动坐标系的变换方程，下面推导从静止坐标系到运动坐标系的变换公式。

q βα 图2.3 旋转坐标变换图下面通过相电流的等效变换，来说明旋转变换原理。

如图2.3表示了从两相静止坐标系到两相旋转坐标系dq 的电机相电流变换。

此变换简称2s/2r 变换。

其中s 表示静止，r 表示旋转。

从图中可以看出，假定固定坐标系的两相垂直电流与旋转坐标系的两相垂直的电流产生等效的、以同步转速旋转的合成磁动势，由于变换坐标变换前后各个绕组的匝数相等，故能量恒定，因此变换前后的系数相等。