《基于SPWM变频调速矢量控制系统研究及其仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SPWM变频调速矢量控制系统研究及其仿真（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）1课题研究的现状及发展趋势直流电力拖动和交流电力拖动在19 世纪先后诞生1。在20世纪大部分时间中，直流拖动由于具有优越的调速性能而被广泛使用，因而一直处于主导地位。直到20世纪中期，随着电力电子技术、微电子技术、电机学以及自动控制技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流变频调速系统应运而生。此时，早期的直流电动机的缺点显示出来了，如机械式换向器结构复杂，制造费时，价格昂贵，且在换向时易产生火花。相比之下，交流电动机就具有许多的优点：结构简单，重量轻，制造方便，可靠性和运行效率高，不易出故障，适用场合不受
2、限制等，交流电机的价格也远远低于直流电机，。再者，直流电机由于换向器的存在，单机容量不可能很大，而交流电机则没有这个缺点。正是由于交流电机有这些优点，使得它在电力拖动系统中的应用日益比直流电动机广泛1819。在电气传动中，广泛应用脉宽调制（PWMpulse width modulation）控制技术4，脉宽调制技术的发展和应用优化了变频器装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了主要的作用。脉宽调制技术种类很多，并且还在不断的发展中，现有的技术基本可以分为四类：等宽PWM法、正弦PWM法（SPWM）、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法。PWM技术克服了相控技术的弊端，有
3、效地抑制了高次谐波，使得交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因素和输出效率19。传统的交流变频变压脉宽调制技术是用正弦波来调制等腰三角波而获得一系列等幅不等宽的PWM矩形波1，而正弦波脉宽调制（SPWM）则是将正弦波与三角波信号相比较，在交点时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲13。通过改变正弦波控制信号的幅值和频率，即可实现变频变压的控制和消除谐波。SPWM控制技术有单极式控制和双极式控制两种方式，三相桥式PWM逆变器一般采用双极式控制方式。近年来，随着电力电子技术的发展及交流电动机本身具有的优越性，为交流调速提供了广泛的应
4、用前景。由于交流异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，采用经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法，不能完全适应于现代交流调速系统13。上世纪70年代提出的异步电动机矢量控制和80年代提出的异步电动机直接转矩控制系统则是比较好的电机控制方案，然而，作为高性能的调速系统，这两种方案虽能实现较高的静、动态性能，但这两种系统的具体控制方式不一样，因而具有不同的优缺点。直接转矩控制系统由于采用砰砰控制能够带来很好的转矩响应，但同时由于其开关频率的不确定性，使得直接转矩控制系统存在输出电压，电流的谐波较大，输出电压偏低等缺点而使其稳态指标比矢量控制系统差19。矢量控制系统的理论是
5、通过坐标变换和磁场定向控制，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，从而实现两者之间的解耦，得到类似于直流电机的转矩模型并可仿照直流电机进行快速的转矩控制和磁通控制，使系统动态性能得到显著改善，从而使交流电机的调速技术了突破性的进展。目前，运用矢量控制已成为当今交流变频调速系统的主流。2课题研究的意义和价值矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标转换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的。使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调
6、速系统，成为主要的传动装置。例如，现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了交流调速系统。上世纪70年代，许多专家学者经过潜心研究，并在实践中不断改进，终于形成了目前所普遍应用的异步电动机矢量控制变频调速系统。为此，建立异步电动机矢量控制系统的仿真模型，可以有效地节省控制系统的设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出，同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同工作情况下的动、静态特性。MATLAB提供的动态系统仿真工具SIMULINK，是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种。它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视
7、化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。在分析异步电动机矢量控制方法的基础上，使用MATLAB的SIMULINK建立异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型，利用仿真模型，进行控制系统的仿真实验1318。1 SPWM原理及调制方法SPWM变频调速是交流调速系统中较为常见且较为有效的一种调速方式。其思路是江亦可条幅调频的正弦波调制成一串等距、等幅、中间宽两边窄的脉冲信号。如图1所示，如果把正弦波的上半部分n等分，然后把每一等分的正弦曲线与轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来等效。矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这n个中间宽两边窄的等幅矩形脉冲与正弦波的半
8、周等效，成为SPWM波形。图1与正弦波等效的SPWM波形若用SPWM波形作为逆变器的触发脉冲，则逆变器在理想状态下也应该输出SPWM波形，通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期（即正弦波的周期）可以控制其输出频率，从而在逆变器上可以同时进行输出电压与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。SPWM各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，另外，SPWM波形与正弦波等效，这样使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，提高了系统的性能。采用高开关频率的全控型电力电子器件组成逆变电路时，先假定器件的开与关均无延时，于是可将要求变频
9、器输出三相SPWM波的问题转化为如何获得与其形状相同的三项SPWM控制信号的问题，用这些信号作为逆变器中各电力电子器件的基极（栅极）驱动型号。图2 SPWM变压变频器的模拟控制框图图2是SPWM变压变频器的模拟控制框图。三相对称的参考正弦电压调制信号、有参考信号发送器提供，其频率和幅值都可调，三角载波信号有由三角波发送器提供，各项公用。它分别与每一相调制信号进行比较，产生SPWM脉冲波序列。三相桥式PWM逆变器所实现的目标是将恒定的直流输入电压整形为正弦波形的三相输出电压，并控制输出电压的幅值和频率，为了输出对称平衡的三相输出电压，可将互差120的三个正弦波控制信号电压与同一个三角载波比较，产
10、生所需的开关控制信号三相桥式PWM逆变器采用双极性控制方式。在图3所示的原理图中，VT1 VT6由SPWM波驱动图3 三相桥式PWM逆变器原理图2 矢量控制原理1 矢量控制的提出直流电机的动态数学模型只有一个输入变量（电枢电压）和一个输出变量（转速），在控制对象中含有机电时间常数Tm 和电枢回路电磁时间常数他Tl以及晶闸管的滞后时间常数Ts ，可以描述为单变量的三阶线性系统。而异步电动机在变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量，如果考虑三相交流电，其实际输入变量还要多。在异步电动机中，电压（电流）、频率、磁通、转速之间相互都有影响，是强耦合的
11、多变量系统。三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，因此异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。而矢量控制就是一种将三相交流的磁场系统转变为一个旋转体上的直流磁场系统。2矢量控制的基本构思如上所述，要把一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，就需要一个两相系统作为过度，可以互相进行等效变换。 图4 三相交流绕组 图5 两相交流绕组 图6 两相旋转绕组当异步电动机多相对称绕组通已多相对称的电流时，能够产生磁场，如图4所示是三相对称绕组A、B、C通以三相对称交流电流时，在空间产生一个角速度为1的旋转
12、磁场；图5是两个空间位置互相垂直的绕组和，通以两相对称交流电流（相位差为90）时，也产生一个旋转磁场，当两个旋转磁场的大小、转向、转速与合成磁场都相同时，图4和5两套绕组是等效的，图6是两个相等且互相垂直的M和T绕组，他们与旋转磁场同步旋转，M绕组的轴线与三相合成磁场方向平行，T绕组的轴线则与之垂直，绕组中分别通以直流电流 和，产生的磁场与三相合成磁场等效，则与合成旋转磁场平行的电流分量相等于电动机的励磁电流分量，用它来产生电动机的磁场；与垂直的分量相当于电动机的转矩电流分量。调节的大小可以改变磁场的强弱，调节的大小可以在磁场一定时改变转矩。这样 中的绕组与 中的绕组等效。因此，只要通过变换运
13、算，有规律的控制、,就能达到预想的调节 和的目的，这就是异步电动机矢量变换控制的基本思想。 图 7 异步电动机的坐标变换结构图由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统。图7是上述等效关系的结构图，从整体上来看，是一台输入为A、B、C三相电压，输出为转速的异步电动机。从内容看，经过3/2变换和同步变换，变成一台和输入，输出的直流电动机。摘 要变频调速是交流电动机各种调速方式中效率最高、性能最好的调速方法,在整个交流调速中占有重要的地位。采用MATLAB软件包中的SIMULINK对基于数学模型基础上的电气传动控制系统进行仿真建模，具有建
14、模简便、结构直观、操作灵活等优点，并且仿真结果具有较高的精度。 本文介绍了现代交流调速系统的概况、矢量控制的基本概念以及在三相坐标系和两相坐标系下的异步电动机的数学模型。并在此基础上应用MATLAB下的仿真工具SIMULINK软件建立了按转子磁场定向的异步电动机的数学模型，并对其进行仿真分析。重点是对交流电机SPWM变频调速矢量控制系统的建模和仿真，并给出了仿真模型和仿真结果。关键词：MATLAB/SIMULINK，矢量控制，异步电动机，仿真目 录摘 要IABSTRACTII第一章 概 述11.1 现代交流调速系统的发展11.2 矢量控制21.3 研究内容3第二章 异步电动机的多变量数学模型4
15、2.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质42.1.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型42.1.2 异步电动机在三相坐标系上数学模型的性质92.2 坐标变换102.2.1 三相静止/两相静止坐标变换（3S/2S）112.2.2 两相静止/两相同步旋转的坐标变换（2S/2R）132.2.3 直角坐标极坐标变换(K/P)142.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型152.3.1 两相任意旋转坐标系上的数学模型152.3.2 两相静止坐标系上的数学模型182.3.3 两相同步旋转坐标系上的数学模型192.3.4 按转子磁场（磁通）定向的数学模型19第三章 异步电动机的矢量控制策略223.1 矢量控制的基本思想223.1.1 矢量控制方法的提出223.1.2 矢量控制变换的思路223.2 按转子磁场定向的矢量控制的实现233.3 正弦波脉宽调制技术263.3.1 正弦波脉宽调制的原理263.3.2 SPWM控制方法263.3.3 电压型三相桥式逆变器27第四章 模型的建立和仿真结果分析284.1 MATLAB/SIMULINK简介28
