異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)大學(xué)畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)范文模板參考資料

1、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要.5Abstraet.51緒論.71.1課題的意義與發(fā)展現(xiàn)狀.71.1.1課題的意義.71.1.2現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況.71.1.3 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展概況.111.2未來發(fā)展趨勢.111.3控制系統(tǒng)整體方案比較選擇.121.3.1 V/F開環(huán)控制.121.3.2矢量控制.121.3.3直接轉(zhuǎn)矩控制.131.4逆變調(diào)制方式選擇.141.5矢量控制方式選擇.151.6論文的研究內(nèi)容.162建立矢量控制數(shù)學(xué)模型.172.1三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型.172.2坐標(biāo)變換.202.2.1三相-兩相坐標(biāo)系變換(3/2變換).202.2.2旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換).23

2、2.3矢量控制數(shù)學(xué)模型.243 矢量控制系統(tǒng)原理.273.1控制系統(tǒng)原理圖.273.2轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算.293.2.1轉(zhuǎn)子磁鏈分析.293.2.2轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算.303.3調(diào)節(jié)器工作原理.323.3.1磁鏈調(diào)節(jié)器(Apsir)原理.323.3.2轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)原理.353.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）原理.374系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真及其結(jié)果分.414.1MATLAB的工具軟件SlMULINK介紹.414.2系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).434.3系統(tǒng)仿真圖.444.3.1轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)仿真圖.444.3.2矢量控制系統(tǒng)中子系統(tǒng)模型圖.464.4仿真參數(shù)設(shè)定及結(jié)果分析.505結(jié)論. 546參考文獻(xiàn).55

3、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在快速發(fā)展之中。在現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展下，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度不斷提高，指令的執(zhí)行速度也達(dá)到了前所未有的高度，使得復(fù)雜算法應(yīng)用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、執(zhí)行成為可能。經(jīng)過最近十幾年的應(yīng)用開發(fā)，交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速性能己經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)。目前廣泛研究應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。本論文中所討論的是異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速方法，相對于恒壓頻比控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，它有動(dòng)態(tài)性能和低速性能好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。本文對異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建

4、立進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。通過對異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電磁關(guān)系的分析及坐標(biāo)變換原理概念的介紹，建立了異步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型，指出了異步電動(dòng)機(jī)的模型特點(diǎn)是一多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。在對異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理進(jìn)行闡述時(shí)，給出了矢量變換方法實(shí)現(xiàn)的步驟，并依次說明了三相異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型是如何解耦的。在論述了二相異步電功機(jī)的磁場定向原理后，介紹了轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算方法并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。詳細(xì)地分析了磁通調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理，并設(shè)計(jì)了磁通調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 運(yùn)用MATLAB的工具軟件SlMULINK對磁通閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，給出了仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)

5、果進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:異步電機(jī)，矢量控制，磁場定向AbstraetAs DC converter and the exchange of the limitations of the advantages of speed and power of computer technology and the constant development of electronic devices, asynchronous motor VVVF technology is rapidly developing. In the modern computer technology's rapid

6、 development, computer running continuously improve the speed, the speed of the implementation of directives also reached an unprecedented height, makes complex computer algorithms to conduct real-time computing, the implementation possible. After the recent 10 years of application development, the

7、AC induction motor VVVF performance has been superior to DC converter system.At present extensive research on the application of asynchronous motor speed control technology frequency than the constant pressure control, vector control, direct torque control. This paper is discussed in the speed async

8、hronous motor vector control method, compared to the frequency than the constant pressure to control and direct torque control, it has the dynamic performance and low-speed performance, and speed advantages of wide scope. In this paper, asynchronous motor mathematical model of a detailed analysis an

9、d elaboration. Through the dynamic electromagnetic induction motor relations and coordinate transformation of the concept of principle, the establishment of the asynchronous motor in different coordinates on a mathematical model that the induction motor characteristics of the model is more than one

10、variable, the non-strong coupling Linear systems. In the asynchronous motor vector control on principle, given the vector transformation method to achieve the steps and followed that the three-phase asynchronous motor mathematical model of how the lotus roots. Discussed in the two-phase asynchronous

11、 electric power for the field-oriented principle, the rotor flux on the method of calculation and design of the rotor flux observer. A detailed analysis of magnetic flux regulator, torque and speed regulator for regulating the working principle and design of the magnetic flux regulator, the regulato

12、r torque, speed regulator. MATLAB use the tools of flux SlMULINK closed-loop vector control system simulation, the simulation results are given, and the simulation results were analyzed.Key words: induction motor, vector control, field-oriented1.緒論1.1課題的意義與發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1課題意義在20世紀(jì)的大部分年代里，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高

13、性能可調(diào)速都采用直流電動(dòng)機(jī)(以下均簡稱為直流電機(jī))，而約占電氣傳動(dòng)總量80%的不變速動(dòng)則采用交流電動(dòng)機(jī)(以下均簡稱為交流電機(jī))，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)雖然早己有多種方案問世，并已獲得一些實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直到本世紀(jì)70年代初葉，席卷世界先工業(yè)國家的石油危機(jī)迫使他們投入大量人力和財(cái)力去研究高效節(jié)能的交流調(diào)速系統(tǒng)，流調(diào)速系統(tǒng)主要沿著下述三個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用.1.一般性能的節(jié)能調(diào)速在過去大量的所謂不變速交流傳動(dòng)中，風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)為過去交流電機(jī)本身不調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，許多能因而白白地浪費(fèi)掉了。如果換

14、成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上地能量節(jié)省來，每臺風(fēng)機(jī)、水泵平均約可節(jié)能20%，效果很是可觀的。2.高性能交流調(diào)速系統(tǒng)許多在工藝上就需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，過去多用直流傳動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、率高，如果改成交流調(diào)速傳動(dòng)，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣直接通過電流施行靈活的即時(shí)控制。70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)(或稱磁場定向控制技術(shù))，通過坐標(biāo)交換，把交流電機(jī)的定子流分解成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，用來分別控制磁通和轉(zhuǎn)矩，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性

15、的發(fā)展.其后，又陸續(xù)提出直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。3.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機(jī)換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，其極限容量與轉(zhuǎn)速的乘積約為KW.r/min，超過這一數(shù)值時(shí)，直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造就非常困難了.交流電機(jī)則不受這個(gè)限制，因此，特大容量的轉(zhuǎn)動(dòng)，如厚板機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)等和極高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等都以采用交流調(diào)速為宜。1.1.2現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況現(xiàn)代交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:早期通用變頻器，大多數(shù)為開環(huán)恒壓頻比的控制方式.其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低.缺點(diǎn)是

16、系統(tǒng)控制以及調(diào)速性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵等場合，其控制曲線會隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電磁轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差;八十年代初日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的電壓空間矢量法(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制，它通過引入頻率補(bǔ)償控制，消除速度控制穩(wěn)態(tài)誤差，基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時(shí)定子電阻對調(diào)速性能的影響。實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下

17、的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)在一定程度上獲得電流波形的改善。這種控制方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對再生過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。交流電機(jī)是一個(gè)多變量，非線性的復(fù)雜的被控對象，上述方法研究其控制特性，靜、動(dòng)態(tài)效果均不太理想，在上述各種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。針對上述控制方法的缺點(diǎn)，國外一些學(xué)者通過對電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡化，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在應(yīng)用比較廣的矢量控制理論，也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到

18、交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)陽。矢量控制的基本原理是控制電機(jī)磁鏈?zhǔn)噶?，通過分解定子電流，使之分解成轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性。使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外，它必須直接或間接得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，從而使得在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這給許多應(yīng)用場合帶來不便。在電機(jī)運(yùn)行過程中，由于溫度等外界環(huán)境和電機(jī)磁場變化對電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)等參數(shù)的影響，大大降低了控制系統(tǒng)的精度，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識

19、方面，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的工作.繼矢量控制方式之后，1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque control簡稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制，轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于:轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)控制等效成直流電動(dòng)機(jī)控制方式，因而避免了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解藕而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

20、控制上對除定子電阻外，其他所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好;所引入的定子磁鏈觀測器能夠很容易對同步速度信息進(jìn)行估算，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，對于一些不方便安裝速度傳感器的場合尤其重要，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識別(Identification簡稱ID)，通過ID確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、電機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。交

21、流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)、控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)的。變頻技術(shù)的發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及IPM，IGBT和IPM集中了GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性，是目前通用變頻器中應(yīng)用最為廣泛的主流功率器件。IGBT集射集電壓可小于3V，開關(guān)頻率可達(dá)到20KHz，內(nèi)含的集射極間超高速二極管T?？蛇_(dá)150ns。第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了更大的提高。其一是IGBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱

22、50-70%的器件發(fā)熱降低到了30%;其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善;其三是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜音化;其四是驅(qū)動(dòng)功率減少，體積趨于更小。而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，有些甚至把光耦也集成于一體，因此是一種更為經(jīng)濟(jì)適用的集成型功率器件。目前，在模塊額定電流10-600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨勢，其優(yōu)點(diǎn)有:(1)開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡單;(2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率大大降低;(3)由于在器件內(nèi)部

23、電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的配線設(shè)計(jì)上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制;(4)保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)等一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善;(5)IPM的售價(jià)已逐漸接近IGBT，而設(shè)計(jì)人員采用IPM后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動(dòng)功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后，在許多場合其性價(jià)比己高過IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性。控制技術(shù)的發(fā)展還得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8XI196MC系列以來，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開發(fā)的用于電動(dòng)機(jī)控制的M

24、37705、M7906單片機(jī)和美國德州儀器的TMS320C240系列都是頗具代表性的產(chǎn)品。與單片機(jī)相比，DSP器件具有較高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存儲器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和采樣保持電路，可提供PWM輸出，其匯編指令集為仿C語言或代數(shù)語言格式，所有指令都能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個(gè)機(jī)器周期可完成多條指令。TI和AD公司的DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序空間和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)，同時(shí)，程序空間和數(shù)據(jù)空間也有專門的通道可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而既避免了某一個(gè)空間的浪費(fèi)，又為某些應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。內(nèi)置高速的

25、硬件乘法器，增強(qiáng)的多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)，多數(shù)指令要2-3個(gè)指令周期來完成。單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能作加法，乘法需要由軟件來實(shí)現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，運(yùn)算速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比16位的單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8-10倍，完成一次乘法運(yùn)算快16-30倍。1.1.3 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展概況PWM調(diào)制技術(shù)是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在BBC評論上把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，為交流傳動(dòng)的推

26、廣應(yīng)用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號用以控制功率器件的開關(guān)狀態(tài)，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號輸出，PWM調(diào)制在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于PWM調(diào)制可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等);而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率(THD)最小，電

27、壓利用率最高，效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。年代至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。因其能減少這種噪聲，因此得廣泛應(yīng)用。正因?yàn)槿绱思词乖贗GBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，PWM仍然有其特殊的價(jià)值(DTC控制即為一例);另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)镻WM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。1.2未來發(fā)展趨勢基于電機(jī)控制理論的通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，

28、其發(fā)展的趨勢大致為:1主控一體化。例如日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一塊芯片上的DIPIPM(即雙列直插式封裝)的研制己經(jīng)完成并推向市場，一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化、智能化和高性能化的HVIC(高耐壓IC)SOC(System on Chip)的概念已被用戶接受。2小型化。變頻器的小型化除了出自支撐部件的封裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化以外，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展己成為小型化的重要原因。3、低電磁噪音化。今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Corr

29、ection。APFC)電路，改善輸入電流波形，降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在30-50MHz時(shí)的噪聲可降低15-20dB。4專用化。通用變頻器中出現(xiàn)專用型產(chǎn)品是近年來的事。其目的是更好發(fā)揮的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重機(jī)負(fù)載，交流電梯，恒壓供水、機(jī)傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車牽引等專用變頻器。5系統(tǒng)化。作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能型發(fā)展。最近，日本安川電機(jī)提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為“D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因

30、此可見，今后變頻器的高速響應(yīng)和高性能將是基本條件。1.3控制系統(tǒng)整體方案比較選擇1.3.1V/F開環(huán)控制當(dāng)前異步電機(jī)調(diào)速總體控制方案中，V/F控制方式是最早實(shí)現(xiàn)的調(diào)速方式。方案結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)節(jié)逆變輸出電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，根據(jù)電機(jī)參數(shù)，設(shè)曲線，其可靠性高。但是，由于其屬于速度開環(huán)控制方式，調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域由于定子電阻的壓降不容忽視而使電壓調(diào)整難，不能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難0.5%的精度，所以采用這種V/F控制的通用變頻器異步電機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于求不

31、高的場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械，若要開發(fā)高性能專用變頻控制系統(tǒng)，此方式不能滿足系統(tǒng)要求。1.3.2矢量控制矢量控制是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)變頻系統(tǒng)應(yīng)用的主流，它是通過分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型壓、電流等變量進(jìn)行解耦而實(shí)現(xiàn)的。針對不同的應(yīng)用場合，矢量控制系統(tǒng)可以分度反饋的控制系統(tǒng)和不帶速度反饋的控制系統(tǒng)。矢量控制變頻器可以分別電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。采用矢量變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的效果。其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(l)可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)

32、行速度控制，因此調(diào)速范圍很寬廣； (2)可以對轉(zhuǎn)矩實(shí)行較為精確控制；(3)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快；(4)電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好。帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖較好，但是畢竟它需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器，己經(jīng)降低了異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高的特點(diǎn)。況且，在某些情況下，由于電動(dòng)機(jī)本身或環(huán)境的因素?zé)o法安裝速度傳感器。系統(tǒng)增加了反饋電路和其他輔助環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機(jī)率。因此，對于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的條件場合，往往采用無速度傳感器矢量變頻開環(huán)控制異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。1.3.3直接轉(zhuǎn)矩控制除以上兩種調(diào)速方式之外，國際學(xué)術(shù)界比較流行的電機(jī)控制

33、方案研究還有致力于直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象，通過控制定子磁場向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。下面對直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制在各個(gè)方面上進(jìn)行對比。單從原理上分析，直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制沒有太大的區(qū)別。矢量控制通過定子電流采樣，進(jìn)而進(jìn)行解禍，對影響電機(jī)磁場和轉(zhuǎn)矩的電流分量分別控制。而直接轉(zhuǎn)矩控制方式根據(jù)原理公式，由電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場間的關(guān)系，通過控制定子磁場，控制轉(zhuǎn)矩輸出，其測量量為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的性能主要與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有關(guān)，所以其控制方式比較直接，定子磁場的觀測類似于矢量控制中的定子磁鏈的觀測方法，因此其低速時(shí)由于定子電阻的影響，性能不高，與直接電

34、流閉環(huán)的矢量控制方式相似。直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量的獲得也是分別控制8個(gè)逆變開關(guān)狀態(tài)。這兩種控制方式同樣與電機(jī)的參數(shù)辨識是否精確有關(guān)，矢量控制方式中，磁鏈角和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對控制性能的影響比較大，而直接轉(zhuǎn)矩控制方式主要是定子電阻的辨識，因?yàn)槎ㄗ与娮柚苯佑绊懥硕ㄗ哟沛湹挠^測，從而直接影響了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度。在參考文獻(xiàn)，對兩種控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的對比，從仿真的結(jié)果對電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩，磁場以及電機(jī)參數(shù)的敏感度等性能做了詳細(xì)的分析，從結(jié)論中，可以看到，矢量控制在轉(zhuǎn)矩性能控制以及電機(jī)參數(shù)的敏感度上占了一定的優(yōu)勢，而直接轉(zhuǎn)矩控制在磁場控制性能上有一定的異步電機(jī)矢量控制研究優(yōu)勢，而且直接轉(zhuǎn)矩控制由于省略了

35、大部分的坐標(biāo)變換，比矢量控制在計(jì)算量上較為化。直接轉(zhuǎn)矩控制是上世紀(jì)80年代在德國才興起控制技術(shù)，其應(yīng)用還不是很成熟。有待于進(jìn)一步對其工程化推廣。綜合比較以上幾種典型控制方式以及考慮到實(shí)際因素，本論文選擇有傳感器的轉(zhuǎn)閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在以后的工作中，再逐步實(shí)現(xiàn)無傳感器的矢量變換的調(diào)速系統(tǒng)以其他面向不同工礦條件下的控制方案。1.4逆變調(diào)制方式選擇由于PWM變換器具有功率因數(shù)高，調(diào)制簡單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓變頻以及抑制諧波的特點(diǎn)，因此，得到了廣泛的工程應(yīng)用。在電機(jī)控制中，對于精度或者動(dòng)態(tài)應(yīng)要求不高的場合，可以使用六階階梯波調(diào)制方法控制，這種方法將電機(jī)磁空間分為個(gè)區(qū)域，通過不斷的變換功率管的導(dǎo)通次序，產(chǎn)生

36、在空間的階躍形的磁場。此方法的點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大，不適合于高精度場合應(yīng)用，相對于這種方法的缺點(diǎn)，工程技術(shù)應(yīng)用最多的就是SPWM調(diào)制，即正弦調(diào)制。它根據(jù)電網(wǎng)正弦電壓的要求產(chǎn)生正弦的轉(zhuǎn)磁通，從而使控制性能大大提高。在以往的SPWM正弦調(diào)制中，模擬電路采用得多的是通過振蕩電路，產(chǎn)生正弦波和三角波，再通過比較器來確定橋臂的導(dǎo)通與關(guān)或者是通過正弦波產(chǎn)生芯片來控制功率管，如HEF4752和SLE4520。而對數(shù)字電路說，則可以根據(jù)微處理器性能的差異選擇不同的波形產(chǎn)生方法。對速度比較慢的處理來說，可以應(yīng)用表格法來產(chǎn)生，這種方法將要輸出的脈沖寬度以數(shù)據(jù)表格的形式存放內(nèi)存或者外部擴(kuò)展ROM塊中，通過實(shí)時(shí)讀取表格

37、中參數(shù)值，就可以輸出產(chǎn)生正弦波對晶振頻率較高的處理器，可以采用實(shí)時(shí)采樣輸出的方法，計(jì)算下一周期理想輸出的形脈寬。一般來說有自然采樣和規(guī)則采樣，派生出來了對稱和不對稱規(guī)則采樣等，在基礎(chǔ)上，國內(nèi)外一些研究人員也提出了在算法上的改進(jìn)。由于本論文不涉及到這些控方法，因此也不一一做詳細(xì)介紹。隨著數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制方式己經(jīng)逐漸被現(xiàn)在起的SVPWM(Space Vector Pulse width modulation)調(diào)制方式所取代，SVPWM調(diào)制式將電壓矢量作為一個(gè)控制對象，在控制電壓幅值大小的同時(shí)，控制電壓向量的方向?qū)Σ煌瑺顟B(tài)電壓向量的綜合，達(dá)到輸出所需電壓向量的目的。鑒

38、于我們平常學(xué)習(xí)接觸的調(diào)制方式，對SVPWM了解不是很多，所以在本系統(tǒng)主電路中選用了電流滯環(huán)控制型逆變器，主要由滯環(huán)脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的逆變器組成，具體的性能以及實(shí)現(xiàn)方法將在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)章節(jié)中介紹。1.5矢量控制方式選擇異步電機(jī)矢量控制是基于磁場定向的方法，其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜，要確定最佳的控制方案，必須對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進(jìn)行充分的研究。以下主要介紹最常用的控制策略。1、轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理:交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場及其夾角有關(guān)，要控制好轉(zhuǎn)矩，必須精確檢測和控制磁通，在此種控制方式中，檢測出定子電流的d軸分量，就可以觀測出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電流的q軸分量成正

39、比，忽略反電動(dòng)勢引起的交叉藕合可以由電壓方程d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩，目前大多數(shù)變頻系統(tǒng)是使用此種控制方法的，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解禍，但是其最大的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁通的觀測受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響。2、轉(zhuǎn)差率矢量控制原理:如果使電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子或氣隙磁場中一個(gè)保持不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就由轉(zhuǎn)差率主要決定。因此，此方法主要考慮轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)態(tài)方程式，從轉(zhuǎn)子磁通直接得到定子電流d軸分量，通過對定子電流的有效控制，形成了轉(zhuǎn)差矢量控制，避免了磁通的閉環(huán)控制，不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子的磁鏈，用轉(zhuǎn)差率和量測的轉(zhuǎn)速相加后積分來計(jì)算磁通相對于定子的位置，但此種方法主要應(yīng)用在低速系統(tǒng)中，而且系統(tǒng)性能同樣受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響

40、。3、氣隙磁場定向矢量控制原理:除了轉(zhuǎn)子磁場的定向控制以外，還有一些控制系統(tǒng)使用的是氣隙磁場的定向控制，此種方法比轉(zhuǎn)子磁通的控制方式要復(fù)雜，但其利用了氣隙磁通易于觀測的優(yōu)點(diǎn)，保持氣隙磁通的恒定，從而使轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，直接對q軸電流控制，達(dá)到控制電機(jī)的目的。4、定子磁場定向矢量控制原理:由于轉(zhuǎn)子磁通的檢測容易受電機(jī)參數(shù)影響，氣隙磁通的檢測需要附加一些額外的檢測器件等弊端，國內(nèi)外興起了定子磁場定向的矢量控制方法，此種方法是通過保持定子磁通不變，控制與轉(zhuǎn)矩成正比的q軸電流，從而控制異步電機(jī)矢量控制研究電機(jī)，但是，此種方法和氣隙磁場定向的矢量控制一樣，需要對電流進(jìn)行解禍，而且定子電壓作為測量量，

41、容易受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。從以上幾種電機(jī)控制方案來說，轉(zhuǎn)差率的矢量控制只考慮了轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)態(tài)方動(dòng)態(tài)效果太差，不適合于高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)，而氣隙磁場控制和定子磁場控制都有實(shí)現(xiàn)電量的完全解耦，因此需要增加解耦控制器，針對設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，選擇轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。對于此方案的最大缺點(diǎn):轉(zhuǎn)子磁場估測受電機(jī)參數(shù)影響較大，要在電機(jī)控制方案上給予補(bǔ)償。本論文主要對采用的轉(zhuǎn)子磁場定向控制方案設(shè)計(jì)做一比較系統(tǒng)的描述。1.6論文的研究內(nèi)容全文共分為五章:第一章為緒論，介紹了課題的意義、變頻器的發(fā)展方向以及與本論文相關(guān)技術(shù)的展動(dòng)態(tài)。第二章為電機(jī)模型，介紹了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及為簡化模型的各個(gè)坐標(biāo)變換理和公式實(shí)現(xiàn)

42、。第三章為矢量控制系統(tǒng)原理，介紹控制系統(tǒng)方案選擇，通過對各種不同的電機(jī)控方案，選擇合適的滿足本系統(tǒng)性能要求的控制方案。在確定了系統(tǒng)的總體方案后，對不同的控制方式以及實(shí)現(xiàn)方式，選擇調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)方式。第四章為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真及其結(jié)果分析，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線、電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令仿真曲線和電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出等各種仿真曲線。第五章為本文結(jié)論。2建立矢量控制數(shù)學(xué)模型2.1三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型眾所周知，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由于非線性參量的存在而異常復(fù)雜，對交流電機(jī)模型進(jìn)行分析，需要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。國內(nèi)外許多專家都提出了感應(yīng)電機(jī)在不同坐標(biāo)系變換下的數(shù)學(xué)模型，其中使用較多的有電機(jī)三相坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)

43、的三相參量各代表一坐標(biāo)。還有兩相靜態(tài)坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)各個(gè)參量以靜態(tài)參量處理，除此外，根據(jù)不同控制要求，將靜態(tài)坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸置于某一特定運(yùn)動(dòng)參量上，則可以得到跟隨其變化的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。為了分析方便，需要在各個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行等效變換，本章隨后將對一般常用的等效變化做一個(gè)詳細(xì)的分析。異步電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)定子三相繞組A，B，C在空間固定，轉(zhuǎn)子繞組a，b，c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。建立圖2.1所示的坐標(biāo)系及電機(jī)模型。·· 圖 2.1三相坐標(biāo)系及異步電機(jī)模型三相坐標(biāo)系A(chǔ)BC在空間固定，定子繞組建立在此坐標(biāo)系上。三相坐標(biāo)系abc是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子繞組建立在此坐標(biāo)系上。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的a軸

44、與固定坐標(biāo)系A(chǔ)軸之間的夾角為。假設(shè)三相轉(zhuǎn)子繞組的繞組參數(shù)己經(jīng)歸算到定子繞組，定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)相同。根據(jù)電路學(xué)原理，可以推導(dǎo)出在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。電機(jī)每相定子電壓表達(dá)式 (2-1) (2-2) (2-3)轉(zhuǎn)子電壓 (2-4) (2-5) (2-6)方程中， 分別定子三相電壓，分別表示轉(zhuǎn)子三相電壓，表示定子三相電流，表示轉(zhuǎn)子三相電流， 為定子三相磁鏈值， 為轉(zhuǎn)子三相磁鏈值，P表示為微分算子。在上面的定轉(zhuǎn)子電壓方程中含有磁鏈分量，其表示的是各繞組本身的自感磁鏈與其他繞組的互感磁鏈之和。繞組磁鏈矩陣表達(dá)式= （2-7） 由于各相對稱分布，定子繞組每相的自感和兩相之間的互感均

45、相等，轉(zhuǎn)子繞組每相的自感和兩相之間的互感也相等。又由于轉(zhuǎn)子繞組歸算到了定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)與定子繞組相同，則轉(zhuǎn)子繞組兩相之間的互感與定子繞組兩相之間的互感相等。設(shè)定子繞組之間互感的最大值為，則定子繞組每相自感為=+ （2-8） 轉(zhuǎn)子繞組每相負(fù)載為=+ （2-9）定子繞組兩相之間的互感為 （2-10）轉(zhuǎn)子繞組兩相之間的互感為 （2-11）定子和轉(zhuǎn)子之間的互感，可以表示為下列公式: （2-12） （2-13） （2-14）將上面的各等式代入磁鏈方程，用向量表示為: （2-15）將上面的磁鏈表達(dá)式代入感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電壓方程，用向量形式表示為： （2-16）式中 為電壓向量為電流向量為電阻參數(shù)diag上面的方程就是異步電機(jī)的電壓模型，它是一個(gè)高階，非線性，強(qiáng)禍合的多變量系統(tǒng)。同時(shí)，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程表達(dá)式 (2-17)式中為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。D為與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)。K為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)