（机械电子工程专业论文）基于dsp的异步电机变频调速系统设计与算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 异步电机的矢量控制系统是在坐标变换理论、电机统一理论和机电能量转换 和的基础上发展起来的，通过一系列的转换将异步电机模拟成直流电动机来控 制，利用坐标变换将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别 加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。 本文应用矢量控制的原理，以电机控制专用的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为 核心，设计出基于矢量控制的变频调速系统。本文设计了整个硬件系统的主电路 ( 整流电路以及口m 逆变电路) 和控制电路( 以d s p 芯片为核心的控制电路， 以及电流和转速检测电路) 。同时采用一种p w m 调制方法一电压空间矢量法 ( s v p w m ) 来实现对异步电机的控制，提高了能量的利用效率。仿真实验证明， 基于d s p 芯片的矢量控制变频调速系统性能优良，运行稳定，抗干扰能力强， 电机运行噪音小，不失为一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统。 在硬件设计的基础上，本文对异步电机矢量控制系统着重进行了算法和软件 方面的研究。设计了一种新的转子磁链位置的计算方法，并应用于异步电机的变 频调速控制系统中，保证了p a r k 变换和逆变换的快速性和准确性。文中设计了 系统主程序和各中断子程序，以及s v p w m 子程序中各模块的算法和程序。理 论分析和仿真实验证明该系统能够有效的控制电机的运行。 关键词：异步电机矢量控制电压空问矢量法 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t v e c t o rc o n t r o l s y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o ri s b a s e do nv e c t o rc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , m o t o ru n i f i c a t i o np r i n c i p l ea n de n e r g yc o n v e r s i o n 1 1 l es t a t o r c u r r e n ti sd e c o m p o s i n gt w od cp a r t sw h i c ho r i e n t a t e da st h er o t a t o rm a g n e t i cf i e l d a n dc o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l yb yt r a n s f o r m i n gc o o r d i n a t e s om a g n e t i cf l u xa n d t o r q u e a r ed e c o u p l e d i tc o n t r o l st h ea s y n c h r o n o u sm o t o ra sa s y n c h r o n o u sw a y u s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，t m s 3 2 0 u 2 4 0 7 ，w h i c hi ss p e c i a lf o r m o t o rc o n t r o l ，w ed e v e l o pas u i to fs p e e d a d j u s t a b l e ，s p e e d r e l i a b l ea n dh i g h l y e f f e c t i v ei n d u c t i o nd r i v eb a s e do nf o c p r i n c i p l e r e a l i z a t i o no ft h em a i nc i r c u ta n d t h ec o n t r o lc i r c u ti sd e s c r i b e d a tt h es a m et i m e ，an e wp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) n a m e ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v e w m ) m e t h o di s i n t r o d u c e dw h i c hi sm o r ee f f e c t i v e b a s e do nh a r d w a r ed e s i g n , t h i sp a p e ra l s oi l l u s t r a t e db o t ha l g o r i t h ma n ds o f t w a r e d e s i g n n o to n l yi ti n t r o d u c e dt h em a i np r o g r a ma n ds u s p e n d e dp r o g r a m ，b u ta l s o h o we a c hm o d e lo fs v p w mp r o g r a mw o r k e d m o r ei m p o r t a n t l y , t h i s p a p e r d e v e l o p e dan e w m e t h o do fc a l c u l a t i o no ff l u xl i n k a g e ，w h i c he n s u r e st h ea c c u r a c y a n de f f i c i e n c yo fp a r kt r a n s f o r m t h er e s u l t ss h o w st h a tc a nb eu s e dt oc o n t r o lt h e m o t o r s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r v e c t o rc o n t r o l s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 潮。匹, t o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 本课题研究的背景和意义 现代电动机控制中，长期以来存在着交流调速和直流调速方案之争，早在 1 9 世纪末，电力系统中就有过交流供电和直流供电之争，结果经过半个世纪的 争论，由于三相交流电的发明，使电力系统的交流化取得了胜利。 在电力电子技术发展之前，直流电机几乎占垄断地位。对于直流电机，只要 改变电机的电压或者是励磁电流就可以实现电机的无极调速，且电动机的转矩容 易控制，具有良好的动态性能。但是直流电动机也有其本身固有的缺点：结构复 杂，重量大，价格高；电刷易磨损，维修不方便；对环境要求高，不适合用于易 燃、易爆及有腐蚀性气体的场合；这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用 性、可维护性相矛盾，因此直流电动机已经难以适应现代电气传动的要求了。 交流电动机特别是鼠笼式异步电动机，结构简单，坚固耐用，制造方便，价 格低廉，容量没有限制，而且维修方便，对环境要求不高等优点，在工农业生产 中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统， 其可控性较差。而随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子变流技术的发 展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。 7 0 年代矢量控制理论的引入使交流调速实用化。相继各类全控型器件层出 不穷，变频调速技术日新月异。从生产到日用家电涉及方方面面，已进入一个高 科技应用时代，使工业化生产应用技术发生了很大的变革。变频调速技术是现代 电力传动的主要发展方向，它在节电、提高产品质量、产量实现自动化等方面， 是基本技术之一，其重要性日趋增强。特别是在电力电子、微电子及计算机技术 迅速发展的今天，各种电力器件s c r g t r g t o i g b t 以及g t o + i g b t 的复合 器件的开发，使变频调速技术得到了迅速的发展。交流变频调速技术已成为调速 传动技术的主流。近1 0 年来，随着矢量控制技术和直接转矩控制技术的发展， 交流调速的性能达到和超过了直流调速，电机的交流调速价格己与直流接近或相 当。因此，出现了以交流取代直流的趋势。国外基本上已全部采用交流调速，虽 还贵一点，但能从减小维护和停机时间中得到补偿。我国目i j f 直流还占一定的比 例，但许多新上的项目己要求变频调速。 8 0 年代初矢量控制进入实用阶段，经过二十多年工业实践的考验、改进与 提高，目前已达到成熟阶段。但其也有不足之处，即需要进行计算量大的坐标变 换，并且变换复杂、从而限制了它的发展与应用。但随着集成电路技术的发展， 武汉理工大学硕士学位论文 微机运行的速度越来越快、精度越来越高、功能越来越多，它己能够完成交流调 速系统复杂的控制任务。特别是在1 9 8 2 年美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ) 成功推出d s p ( 数字信号处理器) 以后，电机调速系统已可实现全数字化。d s p 系统是以数字信号处理为基础，概括起来具有以下主要优点： ( 1 ) 在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 3 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 4 ) 可以并行执行多个操作。 ( 5 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 6 ) 支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠进行。 本课题以d s p 和智能功率模块( i p m ) 及异步电动机构成的系统为研究对 象，以空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 为控制算法，设计了一种全数字化的 变频调速系统，具有一定的理论和实际应用价值。 1 2 电机变频调速系统的发展概况 近年来，交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。变频调速技术 是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得容易，从 而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调 速技术的出现使频率变得可调了，从而可以充分利用这一极为有用得资源。 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3 部分组成。电气传 动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态( 位置、速度、加 速度等) ，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动 分成不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电 动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越 多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国6 0 的发电量 是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视。变 频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现，人为地可以改变 电压的大小，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是 固定的，而变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今 自行开发生产的变频调速产品在国际上只相当于上世纪8 0 年代水平。随着改革 开放，经济高速发展，形成了一个既对国内企业，也对国外公司敞开的巨大市场。 很多最先进韵产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活的 需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设 武汉理工大学硕士学位论文 计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，并且自己开发应 用软件，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然在很多方面 取得很大成绩，但还存在国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖 性严重的问题。 从总体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距l o 1 5 年。在大功 率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造， 但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当的差距。而这方面产品在诸如抽水 蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很 大的需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所以的产品都是普通的v f 控制， 仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场的需要，每年大量进 口。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能 的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术 可分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电 力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于现代控制理论的控制策略和智能 控制策略) 的软硬件开发问题( 在目前状况下主要是全数字控制技术) 。目前主 要发展方向有以下几项： ( 1 ) 实现高水平的控制； ( 2 ) 开发清洁电能的变流器； ( 3 ) 缩小装置的尺寸； ( 4 ) 高速度的数字控制： ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。 1 2 1 电力电子器件 电力半导体器件是以美国1 9 5 6 年生产硅整流管( s r ) 、1 9 5 8 年生产晶闸管 ( s c r ) 为起始点逐渐发展起来的。经过了4 0 多年的发展，在器件制造技术上 不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管( g t o ) 、巨 型晶体管( g t r ) 、功率m o s f e t 、绝缘栅双极品体管( i g b t ) 为代表的功率集 成器件( p i d ) ，以智能化功率集成电路( s p i c ) 、高压功率集成电路( h v i c ) 为代表的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。从品闸管靠换相电流过零关断 的半控器件发展到p 1 d ，p i c 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的 全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不 仅人大降低了门极( 栅极) 的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换 速度，从而使器件的工作频率由工频一中频一高频不断提高。 武汉理工大学硕士学位论文 在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级 模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起 的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天己经开 发出智能化功率模块( i p m ) 。 1 2 2 微处理器的发展 早期电气传动控制系统完全由模拟电子器件构成，调节器参数调整困难，受 外界环境的影响很大，因而对控制对象的适应能力差，难于适应各种新型控制策 略和控制方法1 1 1 。另外，由于模拟器件的集成度不高，这样就使得整个控制系统 的硬件结构变得非常复杂，从而影响控制装置的可靠性。 随着微电子技术的发展，微型计算机的功能不断提高，电气传动领域出现了 以微处理器为核心的微机控制系统。微机控制在初始阶段需要配置大量的外围接 口，以达到实时控制的目的。为了适应这种需要，一些公司在单块芯片上直接集 成这些外围接口，构成单片机。 单片机自问世以来，就得到了飞速发展，以i n t e l 公司为例，早期推出m c s - 4 8 系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的 m c s 5 1 系列单片机所取代。m c s 5 1 系列单片机功能较强，寻址范围达到6 4 k ， 有多级中断处理系统，片内带有串行i o 口，1 6 位定时计数器，这些性能基本 能够满足一般控制系统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片 机。虽然m c s 5 1 单片机目前应用得最为广泛，但在一些比较复杂的控制系统中， 由于受计算速度和计算精度的影响，它不得不让位于1 6 位单片机。 m c s 9 6 系列1 6 位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，特别是在其c p u 中不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，c p u 操作直接面向2 5 6 字节寄存器，消除一般c p u 结构中存在的累加器瓶颈效应；尤其8 0 c 1 9 6 m c 型 单片机内置的波形发生器可直接输出三相脉宽调制波形，特别适用于变频调速电 机控制系统。虽然m c s 9 6 单片机性能优越，但当用于需要进行大量数据处理或 浮点运算时则略有逊色。8 0 年代初期出现的数字信号处理器( d s p ) 既增强了微 处理器的数据处理能力，提高了精度，又在片内集成了大量的外围接口，因而在 控制系统中得到广泛应用。d s p 通常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储 空间分开，并且各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指 令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累 加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。d s p 在提高速 度的同时，片内集成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，有些公司还 设计专用的d s p ，应用于各种不同的控制场合，本系统即选用1 1 公司的电机控 4 武汉理工大学硕士学位论文 制专用芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为控制器构成通用变频调速系统。 1 2 3 控制策略的发展 早期变频调速系统是开环恒压频比( v f 控制，v f = 常数) 的控制方式1 2 1 9 其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲 线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电阻和逆 变器死区效应的存在使性能下降，稳定性变差，因此这种控制方式比较适合应用 在风机、水泵调速的场合。 转差频率控制系统在v f 控制中引入速度闭环，使逆变器输出的实际角频率 随着电机转子角速度同步上升或下降，从而提高了系统的动静态性能。与开环 v 伊控制相比，加速、减速更为平滑，且系统容易稳定。但转差频率控制是从异 步电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发分析的，因而会影响系统的实际动态 性能。 上世纪7 0 年代，西德e b l a s c h k e 等人提出的“感应电机磁场定向的控制原理” 和e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”， 奠定了矢量控制理论的基础1 3 1 矢量控制理论的基本出发点是，考虑到异步电动 机是一个多变量、强藕合、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可 等效为一台直流电动机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。因 为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较 高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数 变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研究。 在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其他控制 思想的研究。1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论 ( d t c ) 。直接转矩控制与矢量控制不同，d t c 摒弃了解藕的思想，取消了旋转 坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电 机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流 电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制 ( p w m ) 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态 性能。从转矩的角度看，只关心转矩的大小，磁通本身的小范围误差并不影响转 矩的控制性能。因此，这种方法对参数变化不敏感。d t c 省掉了复杂的矢量变 武汉理工大学硕士学位论文 换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。 该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。 1 2 4 控制理论的发展 现代交流调速的主要控制方法交流变压变频技术是一种转差功率不变高效 型调速技术，它是，自2 0 世纪6 0 年代获得突破性进展以来，一直受到人们的 高度重视。交流变压变频技术按其控制方式可简单分为：v f 恒定萨弦脉宽调制 ( s p w m ) 、电压空间矢量( s v p w m ) 、矢量控制和直接转矩控制3 代控制方式 1 4 1 o 交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象，第1 、2 代的电压 频率恒定控制是从电机静态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想， 第3 代的矢量控制( v c ) 和直接转矩控制( d t c ) 能使交流传动系统获得与直 流传动相似的静、动态特性t 5 1 9 但是对于交流电机这样一个特殊的被控对象，矢 量控制存在转子磁链难以准确观测、矢量变换的复杂性和控制性能受电机参数变 化影响的不足哳1 ，直接转矩控制存在转矩脉动较大的缺点。现代控制理论的各种 控制方法为弥补这些不足提供了理论依据，计算机用于实时控制后，使得现代控 制理论中的各种控制方法得到应用，如最优控制应用到p w m 开关的优化，减少 开关损耗”；智能控制能够适应交流电机的非线性和参数的变化；卡尔曼滤波器 和自适应控制能对转子磁链观测和进行转速估算”1 ，这些先进的现代控制技术全 面提高了系统性能。近几年智能控制己较多应用于交流电机调速中，在提高控制 系统的抗干扰能力，提高系统的鲁棒性9 1 ，提高系统动态性能、系统参数辨识n 等方面都有很大的发展潜力。 1 3 本文研究内容 现代电机控制发展和完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制带来了很多发 展的契机。同时也出现一些要求高性能、低能耗、低成本以及技术指标要求苛刻 的特殊应用系统。本课题运用现代电机调速的控制方式( 矢量控制) 并结合空间 电压矢量技术，设计和开发一套以1 1 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心构 成通用的交流变频调速系统。 本文的主要内容： ( 1 ) 异步电机各种交流调速的方法，重点阐述了矢量控制系统的基本原理 及其实现装置，其中主要包括变频调速的基本原理和异步电机的数学模型。 ( 2 ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为中央处理器，设计控制电路，它可以分为d s p 6 武汉理j i = 大学硕士学位论文 模块、电流检测模块，转速检测模块等。设计以i p m 为功率器件构成逆变电路， 以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，组成典型交一直一交电压源型变频 系统主电路。 ( 3 ) 用c 语言及汇编实现矢量控制系统，详细介绍了主程序流程图，各中 断子程序流程图及各模块的实现。并给出部分模块的软件程序。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章异步电动机矢量控制系统原理 2 1 交流调速的基本类型 交流异步电机调速系统种类繁多i l l l 常见的有：( 1 ) 降电压调速；( 2 ) 电 磁转差离合器调速；( 3 ) 绕线转子异步电机转子串电阻调速；( 4 ) 绕线转子异步 电机串级调速；( 5 ) 变极对数调速；( 6 ) 变频调速等等。 按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率p ，可分为 两部分：一部分p ：= 0 一j ) p ，是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率 p 。一s p 。与转差率s 成正比1 1 2 1 0 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是 消耗还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志1 1 3 1 。从这一点出 发，可以把异步电机的调速分成三类： a 、转差功率消耗型调速系统一一全部转差功率都换成热能的形式而消耗掉。 上述的( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 三种调速方法都属于这一类。在三类之中，这类凋速系 统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低( 恒转矩负载 时) ，越向下调速效率越低。可是这类系统结构简单，因此还有一定的应用场合。 b 、转差功率回馈型调速系统一一转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过 变流装置回馈电网或者转化为机械能量予以利用，转速低时回收的功率也越多， 上述第( 4 ) 种调速方案一一串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比 第一类要高，但增设的交流装置总要消耗掉一部分功率，因此还不及下一类。 c 、转差功率不变型调速系统一一转差功率中转子铜损的部分是不可避免的， 但在这类系统中无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。上述 的第( 5 ) 、( 6 ) 两种调速方式属于此类。其中变极对数只能有级调速，应用场合 有限。只有变频调速应用最广1 1 5 1 可以构成高动态性能的交流调速系统，取代 直流调速系统，最有发展前途。 2 2 变频调速的基本原理及其实现装置 2 2 1 变频调速的基本原理 2 2 1 1 电机调速的一般方法 由电机学知，交流异步电机的转速公式为1 1 4 l 武汉理工大学硕士学位论文 。6 0 j i ( 1 一。) ；，l 。( 1 一s ) p 。 ( 2 1 ) 式中，l 为异步电机定子电压供电频率，p 。为异步电机的极对数，s 为异 步电机的转差率。由上式可以看出，要改变异步电机的转速，可以有三种方案， 即改变电压供电频率，1 ，改变极对数p 。或改变转差率s 。 ( 1 ) 、变极对数调速 变极对数调速实际上是通过改变极对数p 。从而改变异步电动机同步转速 n 。来达到调速目的，即 ， n o 一6 0 旦 ( 2 2 ) p 变极调速通过改接定子绕组的连接方式来实现。一般电机的极对数在数值上 有限，故调速范围也有限，并且极对数总是整数，因此这种调速方案是一种有级 调速。 ( 2 ) 、变转差率调速 改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机定子电压调速、采用 滑差电动机调速、转子绕组串电阻调速等。这些方案都能使异步电动机实现平滑 调速，但它们的共同缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调速过程中产生大 量的转差功率并消耗在转子回路中，使转子发热，系统效率降低。 ( 3 ) 、变频调速 变频调速实际上是通过改变定子电压供电频率 从而改变异步电动机同步 转速来达到调速目的，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就 能平滑、无级地调节异步电动机的转速。而且这类系统中无论转速高低，所消耗 的转差功率基本不变，因此效率最高。 2 2 1 2 变压变频调速的基本控制方法 三相异步电机定子每相电动势的有效值为1 1 4 | eg一444aslkl丸(2-3) 式中。为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，厂l 为定子频率， ，为定子每相绕组的匝数，k 。为绕组系数，丸为每极气隙磁通量。 ( 1 ) 、基频以下调速恒压频比控制 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中每极磁通 量为额定值，并保持不变。因为如果磁通太弱，没有充分利用电机铁心，这是一 种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重 时会使绕组因过热丽损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢 9 武汉理工大学硕士学位论文 反应进行适当补偿，保持磁通恒定是很容易做到的。而在异步电动机中，磁通是 定子和转子磁动势合成的，故要达到磁通恒定的目的就困难得多。 由式2 3 可知，要保持九恒定，当频率，l 从额定值，l ，向下调时，必须同时 降低e 。，使得 f 竺。c( 2 4 ) 厂l 然而，绕组中的感应电动势是难于直接控制，当电动势的值较高时，可以忽 略定子压降，而认为定子相电压u 。一e 。，于是有 一u i 。c ( 2 5 ) ，1 这就是所谓恒压频比控制方式。 低频时，u 。和e 。都较小，定子压降所占的份量就比较大，此时就不能忽略。 这时可人为把定子电压u ，抬高一些，以便补偿定子电阻压降如图2 - 1 所示。 图2 1 恒压频比控制方式 ( 2 ) 、基频以上调速弱磁升速 在基频以上调速时，频率可以从，1 。向上增大，但由于电机绝缘上的原因， 电压u 。一般不能超过额定电压u 。，最多只能保持u ，一u 。，而由式2 3 可知， 要使电机转速大于额定转速，必须使电机磁通低于额定磁通，这相当于直流电机 的弱磁升速。 2 2 2 变压变频装置 对于异步电机的变压变频调速，必须提供能够同时改变电压和频率的交流电 源。现有的交流电源是恒压恒频的，因此，必须配置变压变频装置( 通称v v v f 装置1 。从结构上看，静止变压变频装置可分为间接变压变频装置和直接变压变 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 频装置两类“卯。 2 2 2 1 间接变压变频装置( 交一直一交变压变频装置) 。间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变为直流电，再通过逆变器将 直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有直流环节的变压变频装置，或称 交一直一交变压变频装置，图2 2 绘制了其主要构成环节。按照不同的控制方式， 又可分为三种类型。 f 整流 占 逆变 - 1 - 图2 2 间接变压变频装置 ( 1 ) 、可控整流器调压、用逆变器调频的交一直一交变压变频装置。在这种 装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其 结构简单，控制方便。早期的变频器均采用如图2 3 所示系统结构，由于输入环 节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网侧功率因数较低。而输出环 节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。这些 都是这类装置的主要缺点。 图2 3 可控整流器调压、六拍逆变器调频 ( 2 ) 、不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交一直一交变压 变频装置( 如图2 4 所示) 。这类装置中，整流环节采用二极管不可控整流器，只 整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压 时输入功率因数基本不变，克服了图2 3 中的第一个缺点。输出逆变环节未变， 仍有谐波较大的问题。本系统就采用此逆变器。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 不可控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频 ( 3 ) 、不可控整流器整流、脉宽凋制( p w m ) 逆变器同时调压调频的交一直一交 变压变频装置( 如图2 5 所示) 。在这类装置中，用不可控整流，则输入功率因数 不变：用p w m 逆变器，则输出电流的谐波较小。这样，图2 - 4 装置的两个缺点都 消除了。p w m 逆变器一般采用全控型器件，它省去了半控型器件所必须的强迫 换流电路，提高了功率器件的开关频率。p w m 逆变器输出谐波减少的程度取决 于功率器件的开关频率，目前通常采用的功率器件有i g b t 或p m o s f e t ，它们 的开关频率均可达1 0 k h z 以上，输出电流谐波小，现在的i p m 模块开关频率可 达到2 0 k 甚至更高，大大的提高了系统的性能。 图2 5 不可控整流、p w m 逆变器调压调频 2 2 2 2 直接变压变频装置( 交一交变压变频装置) 直接变压变频装置是将恒压j 恒频的交流电源转换成频率和电压均可变化的 交流电能输出，为交流电机提供变频电源，实现变频调速，变频器的框图如图 2 6 所示。 图2 6 直接变压变频装置 常用的交一交变压变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并 联的可逆电路如图2 7 所示。当正组工作在整流状态、反组工作在逆变状态时， 异步电机得到的是正电压；当反组工作在整流状态、正组工作在逆变状态时，电 机绕组上得到的是负电压。只要控制三相反并联的桥组不断地处于整流和逆变工 作状态，就能将电网电压若干部分“拼凑”起来得到比电网频率低的变频电源。由 于电路是靠电网电压自然换流点换流，故输出频率的最大值仅为电网电压频率的 1 2 1 3 。特别适合在容量大、速度低的场合使用。 武汉理1 = 大学硕士学位论文 图2 7 交一交变压变频装置单相电路 2 3 矢量控制变频调速系统 2 3 1 异步电机数学模型 异步电动机的数学模型属于高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究异 步电动机的多变量数学模型时，通常进行如下假设t l l l 三相绕组对称，忽略空间谐波； 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 忽略铁芯损耗； 在恒转矩负载下，三相异步电动机的多变量数学模型可用如下矢量方程表 示： u r f + l a i + 甜a l i( 2 6 ) d ta 口 其中：u 一定、转子相电压，l 一定、转子漏感，m 一转子角速度，i 一定、 转子电流，口一转子和定子间的夹角。 2 3 2 坐标变换和变换矩阵 任意对称的多相绕组( 除单相以外) ，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁 动势，以两相最为简单。不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产 生的磁动势完全一致。 2 3 2 1 - - t f l 两相变换( c l a r k e 变换) c l a r k e 变换是三相静止绕组a 、b 、c 和两相静止绕组a 、口之间的变换， 如图2 8 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 8 三相和两相静止坐标系问变换 按照变换前后总磁动势相等原则，则从三相坐标系变换到两相坐标系的变换 矩阵为： 11 22 压括 2 2 ( 2 7 ) 2 3 2 2 两相一两相旋转变换( p a r k 变换1 从图2 - 8 中的两相静止坐标系口、口到图2 - 9 两相旋转坐标系m 、t 的变换 称作p a r k 变换，简称2 s 2 r 变换，其中s 表示静止，f 表示旋转。 t 荔江 图2 - 9 两相静止和旋转坐标系间变换 两相交流电流、f 。和两个直流电流、产生同样的以同步转速q 旋转的 合成磁动势只，由图可见，、和f 。、之间存在下列关系： f 。= c o s p i ts i n q 7 一f 。s i n o + f fc o s p 从两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵为： c 驯矿瞄嚣】 亿8 ， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 由于各变量之间的强耦合性，要分析和求解非线性方程组非常困难的，所以 通常需要采用坐标变换的方法加以改造，使数学模型简化成比较简单的等效的直 流电动机数学模型。为保持总磁动势、功率保持不变，这里采用正交变换方式进 行。 2 3 3 1 两相任意转速旋转坐标系( d q 坐标系) 上的数学模型 设两相坐标d 轴与定子三相坐标a 轴的夹角为见，i i i i p o ，为d q 坐标系 相对于定子的角转速，同理n k 为d q 坐标系相对于转子的角转速。经过坐标变 换可得到下面的数学模型 1 2 1 , ( 1 ) 磁链方程 下 妒“ 妒阳 妒一 妒阳 l ，0 0 工， l 。0 0 l l 。0 0 l t 0 0 l ， 式中妒。在两相旋转坐标系d 轴上的定子磁链 妒。在两相旋转坐标系q 轴上的定子磁链： 妒。在两相旋转坐标系d 轴上的转子磁链； ( 2 9 ) 妒。在两相旋转坐标系q 轴t - _ 1 驹转子磁链； 等效两相绕组的电感参数为： 工。一二j l 。d q 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感； 工，= l 。+ k 工。+ b d q 坐标系定子等效两相绕组的自感； 三，t 三l 。+ “一l 。+ “d q 坐标系转子等效两相绕组的自感； ( 2 ) 电压方程 u 。= r 。i 耐+ p t l ，耐一 弦畸 “目2 1 s 。w + p 妒q + n k l f ，“( 2 - 1 0 ) h 诅= r ，i , d + p t f ，d 一曲砷崎 h “= r ，i q + p 叩q + 呻即4 将磁链方程式( 2 - 9 ) 代入式( 2 一l o ) 中，得到d q 坐标系上的电压- 电流方程式如 武汉理工大学硕士学位论文 h “ “阳 “州 r s 4 - l 。p t l 。p “wii 如上。 一。“s l | r + l ，p 一。 l 。p 上式可写成如下的形式： “= r i + 二p f4 e ， 工。p 工。 r ，+ ，p h lr 一。 l 。p 一d d r l ， r ，4 - l ，p f ，叮 f 耐 w ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中r 项表示电阻压降，含l p 项表示电感压降，即脉变电动势，含g ，项表 示旋转电动势，物理概念更清楚。 ( 3 ) 转矩和运动方程d q 坐标系上的转矩方程为： t 。n p l 。心i , d 一0 ) ( 2 - 1 3 ) 恒转矩负载时的运动方程与坐标变换无关，仍为 瓦一瓦+ 寺警 q - 1 4 ) 式中埘= 一电机转子角速度。 ( 4 ) 异步电动机的d q 数学模型 由式( 2 9 ) 、式( 2 1 1 ) 【或式( 2 1 2 ) 】、式( 2 - 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 构成异步 电动机在两相以任意转速旋转的d q 坐标系上的数学模型。 2 3 3 2 两相同步旋转坐标系上的数学模型 另一种坐标系是两相同步旋转坐标系，其坐标轴仍用d , q 表示，只是坐标轴 的旋转速度n j 抽等于定子频率的同步角转速q 。而转子的转速为，因此d q 轴 相对于转子的角转速n k 一0 3 1 一一哆，即转差。代入式( 2 - 1 1 ) ，即得同步旋转 坐标系上的电压方程： u s d “朋 “耐 u w r s + ls p q 工， l 。p w , l 。 一q 工， e + l ，p w , l 。 工。p 上。p w i l 。 r ，+ ，p c o ，l ， 一q 。 工。p q ， r ，+ l ，p f 一 l 哪 z 川 磁链方程、转矩方程和运动方程均不变。两相同步旋转坐标系的突出特点是， 当三相a b c 坐标系中的电压和电流是在电源频率下的交流正弦波时，变换到d q 坐标系上为直流。 2 3 3 3 两相坐标系上的状态方程 对于同步旋转坐标系，= 。，= q 一= ，考虑到笼型转子内部 武汉理工大学硕士学位论文 是短路的，, r j u d = 。；0 ，于是，式( 2 1 0 ) 的电压方程可写成： u l d ；r s t l d + p t p “一静畸 h m 。r ，m + p 哔鼍+ 氆鼬i ：d ( 2 - 1 6 ) 0 一r , i 耐+ p 妒耐一( 甜l 一渺坩 0 i r ，i 埘+ p 妒r 叮+ ( q 一渺州 由式( 2 9 ) 中第3 ，4 两行可解出 。 l 坩_ 代入式( 2 - 1 3 ) 的转矩公式，得 ( 2 1 7 ) t 。f n p l m 心妒一一l 地一饥+ 工m 训 ( 一丁h e l m ( f 。一乙妒，) 将式( 2 - 9 ) 代入式( 2 1 6 ) ，消去、i , q 、1 ；f ，。、妒。再将( 2 1 8 ) 代入运动 方程式( 2 - 1 4 ) ，经整理可得两相同步旋转d q 坐标系上的状态方程为： 警一鲁心小饥卜等瓦 警- - 扣地却，+ 争 警一扛地硼。专 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 盟d tz 而l m 去砷，一等笋l s d + ( 0 1 。尝协z z ， 垒d t 南”矗砷。一警i s q - ( 0 1 i s q + 。u s q ，幻， 式中盯= l 一号电机漏磁系数 t t 等转子电磁时间常数 在式( 2 - 1 9 ) 一( 2 2 3 ) 的状态方程中，状态变量为： 1 7 、，、， 0 o k 一 一 耐 w 缈 似 土土t 武汉理工大学硕士学位论文 x ；b 妒。 输入变量为： u 。b 。s q 串r qt 。i , q r q 瓦】r 2 3 4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦控制 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 在丽述动态模型分析中，迸彳丁曲相同步旋转坐标变换时，如果取d 轴沿转子 磁链矢量妒，的方向，称作m ( m a g n e t i z a t i o n ) 轴，再逆时针转9 0 。就是q 轴，它垂 直于矢量妒，又称t ( t o r q u e ) - 轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为m 、 t 坐标系，即按转予磁链定向( f i e l d0 r i e n 衄t i o n ) 的旋转坐标系。 当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有 妒耐_ 妒脯- 妒r ，妒坩- 妒一1 0 ( 2 _ 2 6 ) 代入转矩方程式( 2 1 8 ) 和状态方程式( 2 1 9 ) 一( 2 2 3 ) ，并用下角标m 、t 替代d 、q ，即得： t 。兰兰妒， ( 2 2 7 ) 警一鲁讥一等t 协2 s ， 誓一扣+ l m i。(2-29) 。一( q 一渺，+ 等 ( 2 - 3 0 ) d 出i a mt 南”等笋。时善 协s ， 鲁一一去一等笋。嘁+ 兰 s 2