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1、异步电机矢量控制系统设计摘要目前广泛研究应用的异步电机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控 制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电机矢量控制调速法，相 对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有优秀的动态性能和低速性能，还 有其调速范围宽的优点。在给出异步电动机的矢量控制原理的同时，一并给出了矢量变换实现 的步骤，解释了三相异步电动机数学模型的解耦方法。在论述了三相异步 电功机的磁场定向原理之后，又介绍了转子磁链计算方法并设计了转子磁 链观测器。 详细分析了转矩调节器， 转速调节器和磁通调节器的工作原理， 并根据各个调节器的原理对各个调节器进行了相应的设计。以为控制核 心，设计了异步电机矢量控制
2、系统的硬件电路。关键词： 异步电机 矢量控制 处理器1 概述1.1 系统设计的主要任务要求异步电机矢量控制系统设计是基于三相异步电机的交流调速技术的 研究123 ，本设计的主要任务有： （1）研究矢量控制系统的原理 4 。（2） 研究矢量控制系统的实现方法。 （ 3）分析矢量控制系统特点与软硬件接口。（4）设计矢量控制系统硬件电路 （ 5）设计矢量控制系统的软件流程。 （6） 对矢量控制的数学模型进行仿真分析 5 。1.2 国内外研究现状矢量控制理论是由美国和德国的科学家在二十世纪七十年分别提出的 理论56 ，经过半个世纪的补充和完善，使得矢量控制技术在工农业各种 生产应用中逐渐突出 78 。
3、交流电机矢量控制技术就是建立电机可靠的数学模型，把定子电流矢 量分解为转矩电流矢量和励磁电流矢量，分别控制其方向和大小，使其合 成变频器的可控有效信号 9 。此技术是建立在直流调速系统深入研究基础 上的仿直流调速系统，它实现了交流电机的直流化控制，进而极大地提高 了交流调速系统的高效性、稳定性和易操作性。异步电机矢量控制系统的 基本思想是通过对变频器参数的控制信号的分析控制，实现对电磁转矩的 有效控制，使得异步电机调速系统获得和直流调速系统相似的控制方法与 控制效果。具体原理如下：首先将电流的坐标变换，将定子上的三相对称 电流 iA、i B 、iC 通过坐标变换到同步旋转坐标系坐标系下两相直流
4、电流 （同 步旋转坐标系下，始终保持坐标系中 d 轴与转子磁场方向一致） ，即通过 数学变换将三相交流电机的电子电流分解为两个分量：产生旋转磁动势的 励磁分量 iM 和产生电磁转矩分量 i r ，然后以控制电流电机的方式分别对磁 场和转矩进行单独控制，再经过变换方式把控制的结果转换成随时间变化 的瞬间变量，所以系统控制频率特性好、控制精度高、转矩动态响应速度 快。总而言之，矢量控制技术的发展与完善极大地提高了工农业的生产水 平，并减少了对环境的破坏，降低了对能源的损耗。1.3 本设计的完成的主要工作在设计中主要研究了按转子磁链定向的异步电机矢量控制系统，并对 系统的硬件设计 10 、软件设计、
5、仿真分析 1112 与控制方法做了详细的论 述和验证。在本设计中可以分为理论研究、硬件设计、软件流程设计、系 统等几个部分。采用空间电压矢量脉宽调制（）技术 13 ，使得系统的控制 效果突出于传统的控制方法。本文所完成主要工作包括：（1）介绍了交流调速系统的发展和控制方法的完善以与本系统研究 的应用背景和意义。（2）对电机的矢量控制的基本原理做了比较详细的介绍， 另外就矢量 控制系统的发展和控制思想进行了比较细致的论述。（3）对系统硬件电路的设计进行详细解释。 设计采用公司生产的芯片 320F2818 作为控制核心并进行了硬件控制电路设计 14 ，另外还设计了相 应的以智能控制模块为核心的逆变
6、耦合电路、检测电路、整流滤波电路以 与保护电路。（4） 详细论述了本设计的采用的矢量控制系统软件，对应硬件电路以 与控制算法，编写了整个系统的软件流程图。（5） 建立了系统在平台上仿真模型，对系统的参数进行了设置， 最后 得出了系统的仿真控制模型效果图，验证了系统设计的正确性与可行性。（6） 对整个矢量控制系统的优点和缺点进行了分析和总结，并对以后 的研究方向进行了展望。2异步电机调速的基本理论2.1异步电机的三相数学模型因为在研究异步电机的数学模型时研究的是理想模型，所以需要对模型条件进行假设15:1）忽略空间内的谐波，设三相绕组为对称绕组，在空间中互相相差 3电角度，所产生磁动势沿气隙按正
7、弦规律分布；2）忽略磁路的饱和影响，假设各绕组互感以与自感都是恒定的；3）忽略铁心中的损耗；4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻阻值和耗散功率的影响。无论异步电机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数等。异步电机三相绕组可以是Y联结，也可以是联结，以下均以Y联结进行讨论。若三相绕组为联结，可先用变换，等效为 Y联结，然后按Y联结进行分析和设计。三相异步电机的物理结构模型如图 1所示，定子三相绕组轴线A、B、 C在空间中是固定的，转子绕组轴线 a、b、c以角速度 随转子旋转。如 以A轴作为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴间的电角度 为空间角位
8、移变 量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图2-1三相异步电机的物理模型异步电机三相动态数学模型的数学表达式 异步电机动态数学模型由电压方程、磁链方程、运动方程和转矩方程组成，其中磁链方程和转矩方程是代数方程，电压方程和运动方程是微分 方程。1.磁链方程 异步电机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感 磁链之和，因此，六个绕组可用下式表示。LAAALABLACL AaLAbLAc i AALBABLBBLBCL BaLBbLBc i BBLCAC=LCBLCCLCaLCbLCci C（2-1）LaALaBLaCLaaLabLaciaaLbALbBL
9、bCLbaLbbLbcibbLcAcLcBLcCLcaLcbLbcic或写成Li（ 2-1a ）式中iA，iB，iC，ia，i b ， i c定子和转子相电流的瞬时值；B, C, a ,b , c各相绕组的全磁链。L 为电感矩阵，其中对角元素 L AA 、 L BB 、 L CC 、L aa 、 L bb 、 L cc 是各相绕组的自感，其余各项都 是相应两相绕组间的互感。定子各相的漏磁通所对应电感就是定子漏感L ls ，各相转子的漏磁通相对应转子上的漏感 L lr ，由于各相绕组是对称的， 所以各相的漏感值均相等。相对于定子互感Lms的是定子一相的绕组交链的磁通最大互感值，而相对应于转子互感
10、 L mr 的是转子一相绕组的交链中的最大的互感磁通，由于折算后的定子和转子的绕组匝数相等，故Lms= Lmr。上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示这算量的上角标“”均省略，以下同此。对于每一相的绕组来说，它所交链的磁通是漏感磁通与互感磁通之和,因此，定子各相的自感为L AAL BBL CCL msLis(2-2)而转子各相的自感为aaL bbI ccL msLis(2-3 )绕组之间互感分为两类：定子三相相互之间和转子三相相互之间的位置都相对固定的，所以互感值是常量；定子任意一相与转子任意一相之间相对位置都是变化着的，所以互感值是角位移B的函数。先讨论第一种情况，三相绕组的轴线在空间
11、中彼此的相位相差是，如 果假设气隙磁通是正弦分布的，那么互感的值就应该是L cos L cos 1 L ，于是就有ms3ms32msL ABL BCL CAL BAL CBL AC2lms(2-4 )I abI bcI caI baI cbI ac2lms关于第二种情况，也就是定、转子绕组间的互感由于绕组的相对位置变化而变化时（见图2-1 ），可分别表示为L Aa1 aA1 Bb1 bB1 cC1 CcL ms COS(2-5 )2I AbI bAI BcI cBI CaI aCL ms cOs32I AcI cAI BaI aBI CbI bCL ms cOs3在定子和转子的两相绕组的轴线重
12、合时，两者的互感值最大，Lms就是最大互感。将式（2-4 ）、式（2-5 ）代入式（2-1），即得到完整的磁链方程，用矩阵表示为I ssL sr is(2-6 )LrsI rr式中9 sA9 raTBCTbcTi cTi c11L ms L ls2 L ms2 L ms11L ss2 L msL ms L ls2 L ms丄L2ms-l2msL ms L lsis i A i B ir i a i b(2-7 )11I msI Ir2 L ms孑L ms112 L msI msI IrLms1 I2 L msiLLI msI IrI rr(2-8 )22coscoscos33T22（2-9）I
13、 rsL srL ms COs3coscos322coscoscos33I和I互为转置矩阵，而且都和转子的位置有关，它们的元素均为 变参数，这是系统非线性的一个根源。电压方程定子的三相绕组的电压平衡方程式为(2-10)相对应，转子的三相绕组折算到定子一侧之后电压方程式为U aia Rrdad t d(2-11)bib RrU bd tdU cic Rrd t式中 UA、 UB、 UC、 Ua、Ub、Uc为定子和转子相电压的瞬时值；Rs、Rr为定子和转子绕组电阻。将电压方程写成矩阵形式U ARs00000 iAAUb0Rs0000 iBBUc00Rs000 iCdC(2-12 )Ua000Rs00iad taUb0000Rs0ibbUc00000Rsicc或写成(2-13 )如果把磁链方程式代入到电压方程式，那么得展幵之后的电压方程式为u Ri Lid tRi(2-14)式中L缶一由于电流变化而引起的脉变的电动势;由于定子和转子的相对位置变化而产生的与转速之间成正比
