电拖课设矢量控制.doc

引言 直流电动机由于转矩容易控制被广泛应用，但它的单机容量最高电压最高转速及过载能力等受机械换向的限制，而使得人们长期寻找用交流电机代替的方案。但由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。通过坐标变换，可以使之降阶并解耦，但是并没有改变其非线性、多变量的本质。在标量控制中，动态性能不够理想，调节器的参数很难设计，究其原因在于仍采用单变量系统的控制思想，而没有从根本上解决非线性、多变量的特殊问题。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。它们的诞生使交流变频调速技术在精细化方面上大大迈进了一步，以后在实践中许多学者进行了大量的工作，经过不断的改进，历经近30年的时间，达到了可与直流调速系统的性能相媲美的程度。它将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。 1 笼型感应电动机的简介 顾名思义，三相笼型异步感应电动机的转子为笼型，笼型绕组为自行闭合的对称多相绕组。它结构简单，坚固耐用，维修方便，价格便宜，动作响应快，可以做到高电压大容量。变频器装置与性价比高的鼠笼电动机结合使用，使整个传动系统体积小、质量轻、控制精度高、通用性强。所以应用最为广泛。但其输入控制变量只有定子电压，而定转、子电流只能间接得到控制，可以检测到的反馈信息仅有定子电压、电流和转速。因此，鼠笼型感应电动机具有控制变量单一、反馈信息少的特点。实现高性能调速控制比较困难。鼠笼型异步电动机的调速方式主要有：变频调速、变极调速、变压调速等。其中变频调速是应用最广的高性能交流调速。变频调速既可以往上调也可以往下调，平滑性好，可以实现无级调速，调速的稳定性好，机械特性的工作段基本平行，硬度大，净差率小。调速范围广。调速的经济性方面，初期投资大，需要专用的变频装置，但运行费用不大。 ２ 矢量控制的基本原理 理论研究表明，转子磁链仅受控于定子电流的历磁分量，电磁力矩仅受控于定子电流的转矩分量从而实现了电磁转矩与磁场的的解耦控制。矢量控制是根据交流电动机动态模型推导出的控制策略。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。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。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，但最终实施仍然要落实到对定子电流（交流量）的控制上。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。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ia、ib、ic通过三相－二相变换等效成两相静止坐标系下的交流电流iα1、iβ1，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iM1、iT1（IM1相当于直流电动机的励磁电流；iT1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。综合以上：矢量控制无非就四个知识：等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转）。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。 ３ 感应电动机矢量控制数学模型方法及基本方程 　（本课设研究前提：鼠笼型异步感应电动机，磁场定向方法为转子磁场定向，闭环内置磁链观测器，正弦脉宽调制变压变频器，无速度传感器矢量控制） 　在研究笼型异步电动机数学模型前，先对其进行如下假设： 电动机三相绕组完全相同； 定转子表面光滑，无齿槽效应，电动机