感应电机矢量控制.docx

感应电机矢量控制的设计与仿真摘要由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。经过最近十几年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经可以与直流调速系统相媲美。目前广泛研究应用的异步电动机变频调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本文采用异步电动机的矢量控制调速技术，具有动态响应快、低速性能好和调速范围宽等优点。矢量控制思想是将交流电动机模型等效成直流电动机模型加以控制，利用坐标变换理论，将非线性、强耦合的交流电机模型解耦，把交流电动机定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量，转矩电流分量。通过对这两个矢量分别控制，从而实现对磁场和转矩的分别控制。本文设计了一个带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统。系统的动态响应能力快和抗干扰能力强，转矩内环有助于提高转速和磁链闭环控制系统的解耦性能。 运用MATLAB的工具软件SIMULINK对矢量控制系统进行仿真研究，仿真结果表明了本设计的合理性。关键词 异步电机；矢量控制；磁场定向AbstractAs a result of the limitation of direct-current speed control modulation and the superiority of alternating speed control modulation and the unceasing development of computer technology and electric power device, the frequency conversion velocity modulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. After the application and development in the past 10 years, the frequency conversion velocity modulation performance of asynchronous motor can be comparable with the direct current velocity modulation system.At present, the asynchronous motor frequency control, vector control and direct torque check etc. are in detailed studies. This paper uses the modulation method of asynchronous motor, which has the dynamic response quickly and low-speed performance and wide velocity modulation scope.Vector control is developed based on the idea that the controlling means of induction motor can be equivalent to the DC motor，The induction motor mathematic model that is high nonlinear and complex coupling can be separated by coordinate transformation theory，Stator current can be decomposed into excitation current component and the torque current component, then the magnetic field and torque can be separately controlled by controlling the two current componentsThis paper designed flux regulator, torque regulator and speed regulator, constituting the inner ring with torque of speed, closed-loop flux vector control system.To improve the system dynamic response and anti-jamming capability, the torque of the inner ring helps to improve the speed and flux decoupling of the closed-loop control system performance. It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the vector control system and the simulation results show that the rationality of the design.Keywords Asynchronous Motor； Vector Control；Magnetic Field Direction目录摘要.Abstract.第一章 绪论11.1.异步电动机矢量控制的国内外现状.11.1.1 交流调速方式的发展及现状.11.1.2 矢量控制的现状3第二章 感应电机矢量控制的基本原理.42.1.矢量控制的基本概念.42.2.坐标变换.52.2.1按转子磁场定向的MT坐标系.52.2.2按转子磁场定向的MT坐标系上感应电机的动态数学模型.52.2.3按转子磁场定向的感应电机矢量控制方程.62.2.4按转子磁链定向的感应电机的矢量控制系统的基本结构.72.3转子磁链的计算模型.82.3.1获取转子磁链的空间位置角原理82.3.2转子磁链的获取方法.92.3.3 转子磁链观测模型.9 2.4.感应电机矢量控制系统的整体设计方案10第三章 感应电机的矢量控制仿真.113.1 基于Matlab 的仿真模型113.2 仿真结果.11结论.15参考文献.16- 17 -第一章 绪论1.1异步电动机矢量控制的国内外现状1.1.1 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Hstemmelr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14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FBalschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国PCCustmna与AAClakr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。1.1.2 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PCCustmna与AAQark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。第二章 感应电机矢量控制的基本原理在感应电机的稳态学习中我们知道，感应电机调速方法很多，变压、变频、变极及绕线转子感应电动机转子回路串电阻或串入附加电动势（串级调速或双馈调速）都可以调节电机的转速。但多年以来的研究和实践表明，变频调速是感应电动机最理想的调速方法。基于感应电机稳态模型的恒压频比控制或电压-频率协调控制，虽然在一定转速范围内实现高效率的平滑调速，从而满足一般生产机械对调速系统的要求，但是由于电机内部存在的耦合效应，系统动态响应缓慢，对于需要高动态性能的应用场合，就不能满足要求。要实现高动态性能的调速系统或伺服系统，必须依据感应电动机的动态数学模型来设计控制系统。在各种基于动态数学模型的交流调速方法中，目前最为广泛应用的就是矢量控制。2.1矢量控制的基本概念已知，在他励直流电动机中，电磁转矩Te=CTia式中，磁通由励磁电流 if 产生，若电刷置于几何中性线上，则电枢电流 ia 产生的电枢反应磁场与励磁电流产生的主磁场在空间上相互垂直，当磁路为线性时，磁通和电枢电流 ia 可分别由励磁回路和电枢回路独立的进行控制，当保持磁通恒定时，通过对电枢电流 ia 的控制，就可以实现对动态转矩的控制，从而就决定了他励直流电动机具有优良的动态性能。 而感应电机的情况就复杂多了，感应电机的电磁转矩可用合成气隙磁场的磁通量m和转子电流的有功分量来表示Te=CTmI2cos2可见，电磁转矩除了与m、I2有关之外，还与转子回路的功率因数角2有关，而且这些量都与转子频率 f2（=sf1）有关，是相互影响的。此外，感应电动机的转子绕组通常是短路的，转子电流 I2 不能直接控制，而且感应电动机没有独立的励磁绕组，其气隙磁通m是由定子电流中的励磁分量产生的，而定子电流中的负载分量与转子电流 I2 相平衡，也就是说在感应电机中建立磁场的无功分量与产生电磁转矩的有功分量都是由定子绕组产生的，两者纠缠在一起，且均与负载有关，存在耦合，因此要在动态过程中准确的控制感应电动机的电磁转矩就显得十分困难。在20世纪70年代初德国学者Blaschke 等提出了矢量控制理论为解决这一问题提供了一套行之有效的方法。 矢量控制的基本思想是，借助与坐标变换，把实际的三相交流电机等效到两相旋转坐标系中，通过适当选择这一两相旋转坐标系，可以使感应电动机在该坐标系中具有与直流电机相似的转矩公式，而且定子电流可以实现解耦，一个用于产生有效磁场，相当与直流电机中的励磁电流，称为定子电流的励磁分量；另一个相当于直流电机中的电枢电流，用于产生转矩，称为定子电流的转矩分量。这样，如果观察者站在该两相坐标系上与坐标系一起旋转，他所看到的就是一个直流电动机，可以像直流电动机一样进行控制，从未使感应电动机调速控制具有直流调速系统相似的动态性能。2.2.坐标变换2.2.1按转子磁场定向的MT坐标系在前面讨论的dq 坐标系只规定了dq 轴随旋转磁场同步旋转，并未规定d轴与旋转磁场的相对位置做任何规定，这种一般的同步dq 坐标系不能实现磁场控制与转矩控制的解耦。为了实现矢量控制，必须进一步对d 轴的取向进行限定，称为定向。在交流电机矢量控制中，通常使d 轴与电机的某一旋转磁场的方向一致，称为磁场定向，所以矢量控制又叫磁场定向控制。在感应电机的矢量控制中，我们常用的是按转子磁场定向，就是指同步dq 坐标系的d 轴始终与转子磁链矢量的方向一致，为了与未定向的dq 轴加以区别，常将定向后的d轴叫做M轴，相应的q轴称为T轴，定向后的坐标系称为按转子磁场定向的MT坐标系。如右图所示。2.2.2按转子磁场定向的MT坐标系上感应电机的动态数学模型在按转子磁场定向的MT坐标系中，转子磁链 r在M轴的分量为 rM，在T轴的分量为 rT，有 rM= r rT=0因此得MT坐标系下电压、磁链、电磁转矩方程为usM = RsisM+psM-w1sT usT = RsisT+ psT+w1sMurM=0= RrirM+prurT = 0= RrirT+wsrsM=LsisM+LmirMsT=LsisT+LmirTrM=r=LmisM+LrirMrT=0=LmisT+LrirT电磁转矩为Te = pLmLr(isTrM-isMrT) = pLmLrisTr2.2.3按转子磁场定向的感应电机矢量控制方程由上面的电压方程、磁链方程以及转矩方程，我们可以得到isM=Trp+1Lmr或r=LmTrp+1isM式中，Tr为转子绕组时间常数，Tr=LrRr. 由上面两式中表明，转子磁链 r仅由 isM 产生，与isT无关，因此，isM称为定子电流的励磁分量，从这个意义上讲，电自电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。在该MT坐标系中，可以像直流电机中分别控制电枢电流和励磁电流一样，通过对isT和isM的控制实现对感应电动机电磁转矩和转子磁链的控制，因而有效的解决了三相系统中的强耦合问题。另一个重要的关系式是转差公式，由上式可以求出ws=LmisTTrr转差公式反映了转差角频率与定子电流转矩分量isT和转子磁链r的关系，是转差型矢量控制的基础，并在磁链观测器和无速度传感器矢量控制中起重要的作用。上面的电压方程、磁链方程、转矩方程以及转差方程构成了感应电机按转子磁链定向的矢量控制的基本方程式。2.2.4按转子磁链定向的感应电机的矢量控制系统的基本结构 基本结构如上图。图中给定信号和反馈信号经过控制器产生按转子磁场定向的定子电流励磁分量和转矩分量给定值 isM*和 isT*，由于实际对变频器和感应电机的控制通常在三相坐标系中完成，故需再经VR-1得到 is*和 is*，再经2/3变换得到三相电流给定值 iA*、 iB*、 iC*，然后通过变频器进行电流闭环控制，例如采用滞环电流控制的PWM逆变器，输出实现矢量控制所需的三相定子电流。感应电动机矢量控制中的控制器，除了对转速进行控制外，通常还需要对磁链进行控制，以使在动态过程中转子磁链也能被控制在给定的期望值上，因此通常设有两个调节器转速调节器（ASR）和磁链调节器（AR）。常用的方法有两种：带除法环节的矢量控制（如图a）和转矩闭环控制的矢量控制（如图b）。 a 带除法环节的感应电机矢量控制系统b 转矩闭环控制的感应电机矢量控制系统2.3.转子磁链的计算模型实现按转子磁链定向的感应电机矢量控制的关键在于准确定向，这就需要获得转子磁链矢量的空间位置角，除此之外，在构成转子磁链反馈及进行转矩控制时，磁链的幅值也是必不可少的信息。2.3.1获取转子磁链的空间位置角原理 由图中可知，r=r2+r2sin=rrcos=rr2.3.2转子磁链的获取方法转子磁链的检测和获取方法一般有两种：1、直接法 转子磁链信息的获得，最初采用的直接检测气隙磁链的方法，一种是在电动机槽内部埋设探测线圈，另一种是利用贴在定子内表面的霍尔元件或其他磁敏元件。从理论上说这种方法应该比较准确，但实际上，埋设线圈和敷设霍尔元件都会遇到不少工艺和技术问题，而且在一定程度上破坏了电动机的机械鲁棒性。同时由于齿槽的影响，使检测信号中含有大量的脉动分量，并且电动机的转速越低越严重。另一类特殊的闯题将会在闭合转子槽电动机(笼型异步电动机的典型结构之一)中出现，这是由于此时转子漏电感强烈地依赖于转子电流，尤其是当转子电流比较小的时候，如果不采取适当措施，磁通检测误差会相当大，由于受到工程和技术条件的限制，难以实现。2、间接法 又称模型法，即通过检测交流电动机的定子电压、电流、转速等物理量然后通过转子磁链观测模型实时计算转子磁链的模值和空间位置。现在随着微机运算技术的飞速发展，实时计算对硬件设备的要求己经不再是最主要的问题。所以，采取间接法进行的矢量控制成为当前实际应用中比较常见的办法。2.3.3 转子磁链观测模型利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链观测模型。借助异步电动机的数学模型，计算出转子的磁链，常用的方法有电压模型法，电流模型法，组合模型法和旋转坐标模型法。在此，本文采用了电压模型法。电压模型是一种根据定子电压和店里实测值，利用定子电压方程计算转子磁链的计算模型。由前面的公式可以推导出如下方程s=(us-Rsis)dts=(us-Rsis)dtir=1Lm(s-Lsis)ir=1Lm(s-Lsis)进而得到r= LrLm (s-Lsis)r= LrLm (s-Lsis)其中，为漏磁系数，=Lm2LsLr .由公式可得电压模型的设计图，如下图所示2.4.感应电机矢量控制系统的整体设计方案整体设计方案如上图所示，转速给定值 w*与反馈值w之差经过速度调节器（ASR）产生电流转矩分量给定值isT*.在磁链控制部分，磁链给定值r*由函数发生器根据w 产生，低速时r为恒值，以实现恒转矩调速，高速时进行弱磁控制。r* 与磁链反馈值r之差经过磁链调节器（AR）产生定子电流励磁分量给定值isM*。再经过反旋转变换器 VR-1和