按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 交流调速控制系统 课程设计（论文）题目：按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统设计院 （系）： 信息科学与工程学院 专业班级： 自 动 化044 学 号： 040302124 学生姓名： 于园园 指导教师： 教师职称： 起止时间： 2007.7.8-2007.7.16 课程设计（论文）任务及评语院（系）：信息科学与工程学院 教研室：自动化学 号040302124学生姓名于园园专业班级自动化044课程设计（论文）题目按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统设计课程设计（论文）任务选择特定的同步旋转坐标系，即确定M-T轴系的取向称之为定向；选择电机某一旋转磁场轴作为特定的同步旋转坐标轴，则称之为磁场定向。故此矢量控制也称为磁场定向控制系统。本设计按转子全磁链矢量定向，即将M轴取向于转子全磁链定向，设计异步电动机矢量控制系统。设计任务要求：1 推导按转子磁场定向的异步电动机数学模型。2 推倒按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统的控制方程式。3 设计三相异步电动机等效直流电动机模型。4 设计按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统结构图。5. 附设计说明书一份。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）目 录第一章 矢量控制系统11.1 矢量控制系统的发展11.2 矢量控制的方式2第二章 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统32.1 按转子磁场定向的异步电动机数学模型42.2 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统的控制方程式62.3 三相异步电动机等效直流电动机模型82.4 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统结构图9第三章 课程设计总结11参考文献.12第一章 矢量控制系统1.1 矢量控制系统的发展1971年德国学者Blaschke和Hasse提出了对交流电动机可以进行矢量变换控制，这是一种新的控制思想、新的控制理论和新的控制技术。可以说，它的出现对交流电动机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其性能完全可与直流系统相媲美。正因如此，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料学科的发展，矢量控制技术得以迅速应用和推广，仅这二十多年光景，就已进入实用化阶段，在一些工业先进国家，已逐步取代了直流系统，现正向数字方向发展。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间向量理论基础上发展起来的。它首先应用于三相感应电动机（IM），很快又扩展到三相永磁同步电动机（PMSM）。目前，由这两类电动机组成的高效能交流伺服驱动装置已占国市场的主导地位。 矢量控制技术是异步电动机一种理想的转矩、转速控制技术。它可以实现异步电动机产生转矩的电流分量和产生磁通的电流分量之间的解耦控制，使异步电动机获得与它励直流电机一致的瞬态响应特性，实现对负载扰动和参考值变化的快速响应。经过三十年的发展，这项技术已经成熟，在以往只有直流调速系统的高性能调速领域中获得广泛的应用，并逐渐占据主导地位。1.2 矢量控制的方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。第二章 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统异步电动机矢量控制可分为直接型(磁通反馈型)和间接型(转差频率控制型)。间接磁场定向的的矢量控制系统，采用磁链开环控制方式。选择特定的同步旋转坐标系，既确定M-T轴系地取向，称之为定向。选择电机某一旋转磁场轴作为特定的同步旋转坐标轴，则称之为磁场定向（Field orientation）。顾名思义，矢量控制系统也称为磁场定向控制系统。转子磁场定向即是按转子全磁链矢量定向，就是将M轴取向与轴，如图2.1所示。图2.1 转子磁场定向按转子全磁链（全磁通）定向的异步电动机矢量控制系统称为异步电动机按转子磁链（磁通）定向的矢量控制系统。2.1 按转子磁场定向的异步电动机数学模型(1) 电压方程：由图2.1中可以看出，由于M轴取向与转子全磁链轴，T轴垂直于M轴，从而使在T轴上的分量为零，表明了转子全磁链唯一由M轴绕组中电流所产生，可知定子电流矢量（）在M轴上的分量是纯励磁电流分量；在T轴上的分量是纯转矩电流分量。在M-T轴系上的分量可用方程表示为 （2-1） （2-2） 三相异步电动机变换到M-T轴上的电压方程式 (2-3)简写成 由式（2-3）可以看出，通过矢量旋转坐标变换，可将两相静止坐标系上的交流绕组等效为两相同步旋转坐标系上的直流绕组。当A-B-C坐标系中的电压、电流为正弦函数时，在M-T坐标系中得到电压、电流变量则是直流标量。但是式（2-3）的变换矩阵，即阻抗矩阵为4*4系数矩阵，矩阵中16个元素未有零元素，仍是一个复杂的变换矩阵。将式(2-2)代入式(2-3)中,则式(2-3)中的第三、四行的部分项变成零，并且将式（2-3）简化为 （2-4）式（2-4）是以转子全磁链轴线为定向轴的同步旋转坐标系上的电压方程式，也称做磁场定向方程式，其约束条件是。根据这一电压方程可以建立矢量控制系统所依据的控制方程式。（2）转矩方程：三相异步电动机在M-T轴系上的电磁转矩方程 （2-5）将式（2-1）、式（2-2）代入（2-5）中得 （2-6）式中，为转矩系数。式（2-6）表明，在同步旋转坐标系上，如果按异步电动机转子磁链方向，则异步电动机的电磁转矩就与直流电动机的电磁转矩模型完全一样了。式（2-4）、（2-6）归纳在一起就是按转子磁链定向的三相异步电动机在同步在同步旋转轴系上的数学模型，即 （2-7）2.2 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统的控制方程式 在矢量控制系统中，由于可测量的被控制变量是定子电流矢量，因此必须从式（2-4）中找到定子电流矢量各分量与其他物理量之间的关系。由式（2-4）中找到定子电流矢量各分量与其他物理量之间的关系。由式（2-4）第三行可得到 由上式求出， （2-8）将式（2-8）代入式（2-1）中，求得 （2-9）或写成 （2-10）式中，为转子电路时间常数。由式（2-4）第四行可得由上式求得 （2-11）将式（2-11）代入式（2-2）中，求得 （2-12）式（2-6）、式（2-10）和式（2-12）就是构成异步电动机矢量控制系统所依据的控制方程式。式（2-10）所表明的物理意义是，转子磁链唯一由定子电流矢量的励磁电流分量产生，与定子电流矢量的转矩电流分量无关，这充分说明了异步电动机矢量控制系统按转子全磁链（后全磁通）定向可以实现磁通和转矩电流的完全解耦；还表明了，和之间的传递函数是一个一阶惯性环节，当为阶跃变化时，的变化要受到励磁惯性的阻挠，按时间常数呈指数规律变化，这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一致的。式（2-12）所表明的物理意义是，当恒定时，无论是稳态还是动态过程，转差角频率都与异步电动机的转矩电流分量成正比。2.3 三相异步电动机等效直流电动机模型对于式（2-6）、式（2-10）和式（2-12）所表达的矢量控制方程式，如果用结构图来描绘它们之间的物理关系，则更为清晰，直观、形象、如图2.2所示。- （a） 等效直流电动机模型 （b）图2.2三相异步电动机等效直流电动机模型图2.2表示同步旋转坐标系上三相异步电动机的等效直流电动机模型结构图。由图可以看出，等效直流电动机可分为（子系统）和（子系统），其输入，输出量分别是、（）及、。这里需要指出的是（、）相乘关系，如果不能保证使其中一个变量为常数，则等效直流电动机的转矩模型仍具有非线性性质。由于不仅受控制还受的影响，当控制使=const的情况下，对于恒转矩调速方式，可以认为两个系统之间在稳态情况下完全解耦；对于恒功率调速方式，无论是动态还是稳态，两个子系统之间不可能完全解耦。因此在设计矢量控制系统时应该考虑。2.4 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统结构图通过矢量坐标变换和按转子磁链定向，最终得到三相异步电动机在同步旋转坐标系上的等效直流电动机模型。余下工作就是如何模仿直流电动机转速控制方法来设计三相异步电动机矢量控制结构。根据直流调速系统的转速控制原则，可设置转速调节器ASR和磁链调节器AR，分别控制转速和磁链，形成转速闭环系统和磁链闭环系统。通过对磁链的闭环控制可实现=const，使转矩只受转矩电流分量控制，从而在稳态时可消除转矩形成环节的非线性因素影响。为了消除或降低励磁惯性对转矩的影响，即消除或降低两个子系统之间的动态耦合作用，可在转速闭环内设置有源校正环节。模仿支流调速系统构造的三相异步电动机矢量控制系统的基本结构图如图2.3所示。 ASR ARATR2/3变压变频电源3/2VR等效直流电动机模型图（2.2）转矩反馈环节转速反馈环节磁链反馈环节-三相异步电动机 图2.3 矢量控制系统结构图由图2.3可以看出，虚线框内部分中，反旋转变换与电机内部的正旋转变换VR抵消，2/3变换与电机内部3/2变换抵消。因此在设计控制器时，虚线框内矢量坐标变换部分可以删除，不必考虑。利用直角极坐标变换，按式（2-10）和式（2-12）可实现另一种矢量控制结构，即转差型矢量控制结构，如图2.4所示。图中为矢量与M轴之间的夹角（见图2.4）。K/P+图2.4转差型矢量控制结构异步电动机矢量控制系统的磁场定向轴的选择有三种，即转子磁场定向、气隙磁场定向、定子磁场定向。比较异步电动机三种磁场定向方法可以看出，按转子磁场定向是最佳的选择，可以实现磁通电流分量、转矩电流分量二者完全解耦。因此转子磁场定向控制是目前主要采用的方法。但是，转子磁场检测受转子参数影响较大，一定程度上影响了系统的性能。气隙磁场定向、定子磁场定向，很少受转子参数影响，因此在处理饱和效应时，应用气隙磁场定向较为适合；当需要恒功率调速时，才用定子磁汤定向方法更为适宜。第三章 课程设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程. 回顾起此次交流调速控制系统课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固， 通过这次课程设计之后，进一步消化、理解和综合运用课堂上所学过的书本知识，学以致用，并通过课程设计提高应用能力、自学能力、独立思考、分析问题和解决问题的能力、文献