异步电动机矢量控制的研究

1 绪论 (2)1．1交流电机调速系统发展的现状 (2)1．2矢量控制的现状 (5)1．3课题的研究背景及其意义 (5)1．4本课题的主要内容 (6)2 异步电动机数学模型建立 (7)2．1矢量控制中的坐标变换 (7)2．2三相异步电动机的数学模型 (9)2．3转子磁场定向异步电动机矢量控制基本原理 (14)2．4脉宽调制技术 (14)3 矢量控制的基本原理 (18)3．1异步电动机的电磁转矩 (18)3．2 矢量控制方法思路的演变过程 (18)3．3 矢量变换的原理及实现方法 (21)3．4 三相异步电动机数学模型的解耦 (24)3．5 矢量控制的磁场定向 (30)3．6 三相异步电动机的状态方程及传递函数 (32)3．7 转子磁链观测器 (35)4矢量控制系统仿真研究 (37)4．1 MATLAB／SIMULINK简介 (37)4．2 系统仿真模型的建立及仿真结果分析 (38)5 结论 (44)参考文献 (45)致谢 (47)1 绪论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％。

1.1.2交流调速方式的发展及现状上个世纪前半期，由于科技的发展限制，交流调速系统的发展长期处于调速性能差、低效耗能的阶段[5][6]。

20世纪60年代后，由于生产发展的需要和能源的同趋紧张，对调速及节能的需求日益增长，世界各国都开始重视交流调速技术的研究与开发。

20世纪70年代后，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极有利的技术条件和物质基础。

交流调速理论和应用技术有以下几个方面的发展[7]：(1)电力电子器件的发展换代为交流技术的迅速发展提供了物资基础。

20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用的是晶闸管，装置的效率、可靠性、成本、体积等均无法与同容量的直流调速装置相比。

80年代中后期开始用第二代电力电子器件GTR、GTO、IGBT等制造的变频装置可以在性价比上与直流调速装置相媲美。

随着大电流、高电压、高频化、集成化、模块化的电力电子器件的出现，第三代电力电子器件成为90年代制造变频器的主流产品。

20世纪90年代末开始电力电子器件的第四代发展期。

由于GTR、GT0器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第三代以来， GTR 器件已经被淘汰不再使用。

进入第四代以后，GT0器件也正在被逐步淘汰。

第四代电力电子器件的模块化智能化更加成熟。

(2)脉宽调制(PWM)技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、无功补偿器)中的广泛应用，脉宽调制技术(PWM技术)作为其共同的核心技术，引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究[8][9]。

PWM技术最初是在1964年的时候Ashconung和H．stemmelr发表文章把通信系统的调制技术应用到交流传动中，从此产生了正弦脉宽调制变频变压的思想，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了一新的道路。

PWM技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦：从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等。

到目前为止，仍然不断的有新方案提出。

从实际应用来看，SPWM在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生PWM信号，以控制功率器件的开关，到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦PWM波产生芯片如HEF4752等，再到如今采用高速微处理器SOCl96MC，80C196KC，TMS320C24x，TMS320LF2407A等实时在线PWM信号输出，基本实现了全数字化的方案。

从最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样的SPVVM做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上，又提出了准优化PWM技术，其实质为在一个基波上面叠加一个幅值为基波1／4的三次谐波，以提高直流电压利用率。

而后出现的空间电压矢量PWM技术初始是以保持电机磁链幅值不变(在平面坐标中轨迹为圆形)为出发点得到的，后来被推广成为当前最有效的工程应用方法。

其等效的调制波仍然也含有一定的三次谐波，由于其具有控制简单、数字化实现极其方便的特点，目前也逐渐有取代传统SPWM的趋势。

而最近几年研究很多的优化PWM技术具有电流谐波畸变率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管具有计算复杂、实时控制较难，但由于与其它PWM技术相比，具有电压利用率最高、开关次数少、可以实现特定优化目标等突出优点，随着微处理器速度的不断提高，这种PWM技术也逐渐走入实用化阶段。

而另外一种应用较多的PWM技术是电流滞环比较PWM以及在它基础上发展起来的无差拍控制PWM均具有实现简单的特点，当开关频率足够高的时候，可以得到非常接近理想正弦的电流波形。

到八十年代中后期，人们出于对PWM逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多的关注，由于PWM逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐波产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪声。

人们为了解决此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围，另一种方法就是使用随机脉冲频率PWM技术，从改变谐波的频谱出发，使逆变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。

(3)磁场定向控制20世纪70年代初期提出了两项突破性的研究成果：德国西门子公司的F．Balschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P．C．Custmna 与A．A．Clakr申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，奠定了矢量控制的基础。

这种原理的基本出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。

这样，通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。

其基本出发点还是在于追求加在电机三相绕组上的电压电流的正弦性好。

80年代中期，磁场定向矢量控制基本理论研究成熟并形成商品化。

磁场定向矢量控制的最重要的特点就是选择和计算出一个紧跟在转子磁通或转子励磁电流上的坐标系。

通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标系下的磁场电流分量和转矩电流分量，从而实现定子电流的解耦。

矢量控制方法的提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。

实践证明：采用矢量控制的交流调速系统的性能可以同直流调速系统相媲美。

传统的矢量控制系统需要电机的精确数学模型，但当由于磁饱和或电机绕组温度变化引起参数变化时，会影响控制效果，针对电机参数的时变特点，可以在矢量控制系统中采用先进的控制策略与算法，将模糊控制、自适应控制及神经元控制等应用在矢量控制系统中，进而帮助解决这个问题。

现代控制理论的发展为提高矢量控制的性能提供了基础和条件。

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iA 、iB、iC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课题的研究背景及其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。