转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的仿真研究资料

1 引言1.1 概述矢量变换技术的产生奠定了现代交流调速系统高性能的基础。

交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论的概念，从而可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦过程，实现了将交流电动机的控制过程等效成为直流电动机的控制过程，进而使交流调速系统的动态性能得到了很大的改善和提高，进一步使交流调速取代直流调速成为一种可能。

目前对调速性能要求较高的生产工艺已广泛地采用了矢量控制的变频调速装置。

经过实践证明，采用矢量控制技术控制的交流调速系统[1]的优越性明显高于直流调速系统。

现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器这四大部分构成。

现代交流调速系统根据被控的对象—交流电动机种类不同，从而可分为异步电机调速系统和同步电动机调速系统两类，矢量控制的方式是目前交流电动机的先进控制的一种方式，本篇文章对异步电动机的动态数学模型、转差频率矢量控制的基本原理[26] 和概念做了详细简要的阐述，并且结合Matlab的Simulink仿真软件包构建了异步电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型，并进行了试验的验证和仿真结果的显示，同时对不同参数下的仿真结果进行了对比研究和分析。

这种方法不仅简单、控制精度高，而且能够较好地分析异步电动机调速系统的各项性能。

因为交流异步电动机是一个高阶、非线性、多变量、强耦合的系统。

该数学模型比较复杂，所以将其简化成单变量线性系统进行控制可能就达不到理想的性能。

为了实现高动态的性能，提出了矢量控制的方法。

矢量变换控制技术的产生为现代交流调速系统高性能化奠定了坚实的基础。

一般情况下，将含有矢量变换的交流电动机控制称为矢量控制。

Matlab是一种面向工程计算的高级语言，它的Simulink仿真的环境是一种非常优秀的系统仿真工具软件，使用它可以很大程度的提高系统仿真的效率和可靠性。

此文在Matlab的Simulink基础上构造了一个矢量控制的交流电机矢量控制调速系统，包含了给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等许多环节，并给出了仿真的实验结果和分析。

1.2 课题研究目的与意义在19世纪先后诞生了直流电力的拖动和交流电力的拖动。

在20世纪的上半叶，鉴于直流调速系统具有十分优越的调速性能，高性能的可调速拖动一般都采用直流电动机，大约占了电力拖动总容量的80%以上的不变速拖动系统则采用了交流电动机。

交流电机调速系统的性能由于当时的条件限制却始终无法与直流电机相抗衡。

一直到20世纪的六、七十年代，随着电力电子技术的快速发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是在大规模集成电路和计算机控制中的首次出现，从而使高性能的交流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被彻底地打破。

与此同时，直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换向器的直流电动机必须进行经常性的检查和维修，这就会浪费很多的人力、物力和财力，换向能力限制了直流电动机的容量和速度等缺点。

交流调速系统发展迅速很大的一部分原因是交流电动机本身的优点，例如没有电刷和换向器，结构简单，寿命长等。

近年来随着大功率半导体器件，大规模集成电路，电子计算机技术的迅猛发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用前景。

因此，研究转差频率矢量控制的异步电动机仿真系统的课题就显得意义重大。

一般交流电动机是可以通过调压来进行调速的,也就是调节电流(因为降压后电流肯定会下降),它所有的调压器通常情况下都是自耦变压器,像老式的吊扇就是用自耦变压器来调速的。

直流电机也可以调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以。

它的作用为：（1）跟随作用－作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）抗扰作用－对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）加快动态过程－在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）过流自动保护作用－当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

变频调速技术是近年来交流调速中最活跃、发展最快的。

交流调速的基础和主干内容是变频调速。

上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个十分庞大的电力行业。

长期以来，交流电的频率一直是固定不变的，因此变频调速技术的出现和发展使频率变为一种可以被充分使用的资源。

1.3 国内外发展状况综合国内外的发展现状来看，交流变频调速技术的现状具有如下的特点：(1)功率器件发展的方面：由于近年来高电压、大电流的晶闸管、IGBT、IGCT等器件的生产以及串并联技术的发展应用，使得高电压、大功率变频器产品的生产和应用成为了现实。

IGBT已经全面取代了电力晶体管成为一种通用变频器的逆变电路的主流开关器件，而综合了IGBT和GTO优点的IGCT在高压领域的应用也有显著的优势。

(2)微电子技术方面：16位和32位的高速微处理器以及DSP和专用集成电路技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化奠定了硬件的基础。

(3)控制理论方面：矢量控制、磁通控制、转矩控制、非线性控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关的理论基础。

(4)产品生产方面：基础工业和各种制造业的发展，促进了变频器相关配套件的社会化以及专业生产化。

我国电力半导体器件虽然经过很长时间的发展，但总体水平却依然很低，几乎不具备独立开发新产品的能力，IGBT、GTO器件的生产虽然引进了国外先进的技术，但一直未形成大规模的经济效益，变频器产品使用的半导体功率器件的制造也没取得成就。

总而言之，我国的电气传动技术水平较国际先进水平仍有很大的差距。

特别是在中小功率变频技术的方面，国内大多数的产品通常情况下都是采用最普通的/U f控制，只有少数的产品是采用矢量进行控制的，品种和质量还不能满足市场的需求，大量进口的产品仍然充斥着整个国内的市场。

1.4 本文研究的主要内容，主要分为六个部本文主要研究的是转差频率控制的异步电动机矢量控制系统[711]分进行详细的阐述和研究设计：坐标变换及数学动态模型、矢量控制系统的基本结构、转子磁链观测器的设计与构想、电机的自适应控制[12]和参数的设置、数字化矢量控制系统的设计、系统仿真、结果分析。

转差频率控制的异步电动机系统在很大程度上改善了系统的静态和动态性能,还可以消除稳态误差，同时它又比矢量控制的方法更简便,具有结构简单、容易实现和控制精度高等特点。

采用转差频率控制的异步电机变频调速系统是一项性能非常好的控制策略。

该系统不仅结构简单，而且调速过程平滑，还易于稳定，因此这项控制策略已成为当前各高校授课的重点，为了进一步让学生更好的掌握这一原理，本设计致力于开发一套采用转差频率控制的变频调速实验系统，让我们能够全面的进行学习。

针对上述的研究内容，本文的内容将作如下的安排：第1章:概述课题研究目的与意义和国内外发展概况；第2章:转差频率的基本概述；第3章:阐述转差频率控制系统的原理以及系统的组成；第4章:阐述异步电动机的动态模型；第5章:详细阐述转差频率控制的异步电动机系统的原理；第6章:对转差频率控制的异步电动机系统的仿真分析，其中包括参数的设置、电路调试以及实验的结果；第7章:结束语，对本论文进行笼统的概括，得到相应的结论。

2 转差频率控制矢量控制的基本思想是以转子磁场为定向,通过转子磁场定向的旋转坐标变换实现励磁和转矩的解藕,达到和直流电机一样的控制效果。

转子磁场定向有两种方法:一种是通过设置观测器估计的转子磁场空间角;另一种是通过对转差角频率和转子角频率积分得到转子磁链的空间角位置。

第二种方法为转差矢量控制的依据。

转差频率矢量控制不必检测磁通,简单易行,受到人们的普遍重视，被广泛地应用于许多方面。

转差频率矢量控制不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标变换,只要在保证转子磁链大小不变的前提下,通过检测定子电流和转子角速度,经过数学模型的运算就可以实现间接控制磁场的定向。

要提高调速系统的动态性能,主要依靠控制转速的变化率,显然,通过控制转差角频率就能达到控制的目的。

转差频率矢量控制就是通过控制转差角频率进而来控制转速的变化率,从而达到间接控制电动机转速的目的。

2.1 转差频率矢量控制概述异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量的系统。

20世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出使用异步电机矢量控制理论来解决交流电机的转矩控制问题。

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[1315]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) 分别加以控制，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称为矢量控制方式。

简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

矢量控制算法已被广泛地应用在Siemens，ABB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

由于矢量控制方式依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器则需要使用速度传感器和编码器。

鉴于电动机的参数有可能毁会随时发生变化，进而会影响变频器对电动机的控制性能。

目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数的自动检测、自动辨识和自适应功能，带有这些功能的通用变频器在驱动异步电动机在进行正常的运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识的结果调整控制算法中的相关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

2.1.1异步电动机的矢量控制它首先通过电动机的等效电路来得出一系列的磁链方程，包括定子磁链、气隙磁链和转子磁链，其中的气隙磁链是连接定子和转子。

一般的感应电动机的转子电流不易测量，所以通过气隙来进行中转，把它变成了定子电流。

然后，有一些坐标的变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量可以得到旋转坐标下的类似于直流电动机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦的控制，加快了系统的响应速度。