按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)

1、按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系 統(tǒng)中華人民共和國(guó)教育部東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 生：黃建龍指導(dǎo)教師：李克新 講師學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 2007 級(jí)3班2011年6月按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文在對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)變換原理的概念， 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和在不同坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型表達(dá)方程式介紹的基礎(chǔ)上，指出了異步電動(dòng)機(jī)模型多變量、強(qiáng)耦合非線(xiàn)性的特點(diǎn)，介紹了 SVPWM 空間矢量變頻調(diào)速技術(shù)，并對(duì)基于高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的交流電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究。本設(shè)計(jì)完成了基于TMS320F2812DSP

2、的交流電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)由功率電路、控制系統(tǒng)及輔助電路組成。功率電路包括整流電路、直流中間電路、逆變電路以及驅(qū)動(dòng)電路等組成；控制電路由F2812芯片及其外圍電路組成，用來(lái)完成矢量控制核心算法、 SVPWM 產(chǎn)生、相關(guān)電壓電流的檢測(cè)量處理等功能；輔助電路由開(kāi)關(guān)電源、串行通信電路等組成，以實(shí)現(xiàn)給系統(tǒng)提供多路直流電源以及上位機(jī)的監(jiān)控等功能。系統(tǒng)硬件電路主要是由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、微控制電路、檢測(cè)電路、信號(hào)采集與故障綜合電路等組成；軟件程序主要由主程序、中斷程序以及鍵盤(pán)程序等組成。關(guān)鍵字： SVPWM ；矢量控制；磁鏈定向； DSPThe Design of

3、Orientated by the Rotor Flux Vector Control SystemAbstractIn this paper, we introduces the ac induction motor concept, the principle of coordinate transformation of asynchronous motor in different reference frames mathematical model and mathematical model of the express equations, and pointed out th

4、e characteristics asynchronous motor model multivariable and strong coupling nonlinear characteristics, and introduced the SVPWM space vector, and the technology of frequency conversion based on high speed digital signal processor (DSP) according to the ac motor rotor flux vector control speed contr

5、ol system is studied.This design completed the design of ac motor according to rotor flux vector control system based on TMS320F2812DSP.In the design of the whole system, this system consists of power circuit, auxiliary circuit and control system. The Power circuit includes rectifier circuit, dc int

6、ermediate circuit, inverter circuits and drive circuit etc; Control circuit is composed of F2812 chip and its peripheral circuit, to complete vector control core algorithm, SVPWM production, related voltage current detection quantity processing function; Auxiliary circuit by switching power supply,

7、Serial communication circuit etc, so as to realize the system to provide multi-channel to dc power supply and PC monitoring, and other functions.The hardware circuit is mainly composed of main circuit, drive circuit, micro control circuit, detection circuit, signal acquisition and fault integrated c

8、ircuit etc; Software program mainly by the main program, interruption program and keyboard program etc.Key word: SVPWM;Vector control; Flux; DSP摘要Abstract1 . 緒論 51.1 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀51.1.1 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀51.1.2 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀71.2 矢量控制的思想及其優(yōu)點(diǎn) 81.2.1 矢量控制的基本思想81.2.2 矢量控制的優(yōu)點(diǎn) 92 .矢量控制技術(shù)的基本原理102.1 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型102

9、.1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型102.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型112.1.3 SVPWM 基本原理 132.2 矢量控制的基本原理172.2.1 三相 兩相靜止坐標(biāo)系變換（3/2變換 ） 182.2.2 兩相 兩相旋轉(zhuǎn)變換（ 2s/2r 變換） 192.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)212.3.1 電流閉環(huán)控制方式212.3.2 轉(zhuǎn)矩控制方式222.3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算232.4 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)243 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)253.1 核心芯片選擇與介紹 253.2 系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)283.3 控制電路及其外圍電路設(shè)計(jì)303.3.1 PWM 電路的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)電路303.3

10、.2 電流采樣電路的設(shè)計(jì)313.3.3 電壓檢測(cè)電路323.3.4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路333.3.5 PWM 輸出和故障輸入電路333.3.6 控制電路的設(shè)計(jì)343.3.7 電源電路 354 .軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)365 .論文總結(jié)和展望39參考文獻(xiàn)附錄致謝東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 .緒論隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)在電力傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用 越來(lái)越廣泛，具取代直流電機(jī)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、 維護(hù)方便且效率較高的優(yōu)點(diǎn)。普通的變頻調(diào)速裝置采用恒定磁通控制，即V/F恒定控制，電機(jī)即使在輕載運(yùn)行時(shí)，其磁場(chǎng)的大小并不改變，電機(jī)的鐵損耗

11、并不會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)的輕載運(yùn) 行而減小，特別是當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)將會(huì)造成電能的浪費(fèi)，這種變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然具有異 步交流電機(jī)調(diào)速的部分優(yōu)點(diǎn)，但是它的動(dòng)態(tài)性能差。現(xiàn)在，各種通用的和高性能的交流電 機(jī)控制策略相繼誕生，市面上有各種變頻器，而在高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中通常采用具 有良好動(dòng)靜態(tài)性能的矢量控制技術(shù)，其控制性能可和直流調(diào)速相媲美。1.1 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在20世紀(jì)60年代以前，全世界電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中高性能調(diào)速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而 絕大多數(shù)不變速傳動(dòng)則使用交流電機(jī)。到了 60-7孫代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 出現(xiàn)了采用電力電子變換器的交流調(diào)速系統(tǒng)

12、。再后來(lái)隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代控制理論的深入應(yīng)用，交流調(diào)速控制策略取得不斷突破：先后出現(xiàn)調(diào)速性能比較好的恒V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制，這些控制方式的靜態(tài)性能比較好，實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)在一定范圍內(nèi)調(diào) 速要求，但由于其控制思想基于交流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律，在動(dòng)態(tài)特性、低速轉(zhuǎn)矩特性方 面，還不能與直流調(diào)速相媲美，從而使其應(yīng)用范圍受到了很大限制。但直流電機(jī)本身具有 許多難以克服的缺點(diǎn)，例如：電刷和換向器必須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境 受到限制，換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等等（極限容量與轉(zhuǎn)速之積約 106kW.r/min） 1。而相比之下，交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維護(hù)方便且效率

13、高的 優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用很廣泛。所以發(fā)展高性能交流調(diào)速系統(tǒng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迫切要求且意義重 大。自195孫品閘管（SCR）在美國(guó)GE公司誕生以來(lái)，電氣傳動(dòng)技術(shù)就進(jìn)入了電力電子發(fā) 展時(shí)代，電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，電力 電子技術(shù)的作用主要是構(gòu)成功率變換器，它作為弱電控制強(qiáng)電的樞紐，起著至關(guān)重要的作 用。傳統(tǒng)的電力電子器件是以晶閘管（SCR）為代表的，用它構(gòu)成的可控硅整流裝置使直 流傳動(dòng)占據(jù)傳動(dòng)領(lǐng)域統(tǒng)治地位達(dá)數(shù)十年之久。然而品閘管屬于半控型器件且頻率低，除在某些超大容量的場(chǎng)合中還在使用外，中小容量場(chǎng)合已被逐漸取代了2。在20世紀(jì)70年代以后，GTR、GTO、Pow

14、er MOSFET、IGBT、MCT等全控型器件先后問(wèn)世。由于IGBT兼 有MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，是用于中小功率目前最為流行的器件，MCT則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開(kāi)關(guān)特性，是極有發(fā)展前景的大功率、高頻功率 開(kāi)關(guān)器件。電力電子器件正向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。目前己經(jīng)應(yīng)用于 交流本課題來(lái)源：生產(chǎn)實(shí)踐調(diào)速的智能功率模塊(Intelligent Power Module IPM )采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)，含有電 流傳感器、驅(qū)動(dòng)電路及過(guò)載、短路、超溫、欠電壓保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理、故障診斷、 自我保護(hù)等多種智能功能，是功率器件的重要發(fā)展方向。隨著新型

15、電力電子器件的不斷涌 現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。一般認(rèn) 為，1964#西德的A. Schonung和H. stemmler首先在BBC評(píng)論上發(fā)表文章，提出把 通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動(dòng)中，產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制(SPWM )變壓變頻的思想，從而為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面3。所謂PWM技術(shù)即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，就是通過(guò)功率管的開(kāi)關(guān)作用，將恒定直流電壓 轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度而改變輸出電壓平 均值的一種功率變換技術(shù)4。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波的比較， 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制

16、功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始， 到目前采用全數(shù)字化方案，完 成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線(xiàn)的PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)到現(xiàn)在，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位， 并一直是人們研究的熱點(diǎn)。在世界能源緊張、節(jié)能已成為工業(yè)生產(chǎn)主要課題的今天，PWM 調(diào)速技術(shù)更顯示出其優(yōu)越性 3。目前已有多種 PWM控制方案，其中，空間電壓矢量 PWM (SVPWM )逆變器以控制磁通正弦為目標(biāo)的磁鏈跟蹤控制技術(shù)，以不同的開(kāi)關(guān)方式 在電機(jī)中產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近定子磁鏈的給定軌跡理想磁通圓，來(lái)確定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。由于其控制簡(jiǎn)單、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，且直流母線(xiàn)電壓利用率高， 已呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì)。另外還經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制

17、，即電流正弦PWM技術(shù)，使電機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，且在低速時(shí)也能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。在變頻技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，交流異步電機(jī)控制技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展。對(duì)任何電 氣傳動(dòng)系統(tǒng)而言，從動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速均為一積分環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的 差值，因而電磁轉(zhuǎn)矩是電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)相聯(lián)系的重要紐帶，傳動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞，歸根 結(jié)底取決于系統(tǒng)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制能力。交流電機(jī)是一多變量、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的受控對(duì)象，其電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生和定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 及其夾角有關(guān)，因此，如欲控制轉(zhuǎn)矩，必先控制磁通。如何使交流電機(jī)獲得和直流電機(jī)一 樣的轉(zhuǎn)矩控制性能，是對(duì)交流電機(jī)實(shí)施有效控制的關(guān)鍵。而矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 基于交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)

18、數(shù)學(xué)模型，因而動(dòng)態(tài)性能好，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，開(kāi)創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代5。同時(shí)，單片微機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等微處理機(jī)引入電機(jī)控制系統(tǒng)，尤其是近年來(lái)能夠進(jìn)行復(fù)雜運(yùn) 算的數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的電機(jī)控制得以實(shí)現(xiàn)。另外，微機(jī)運(yùn)算速度不斷提 高，存儲(chǔ)器大容量化，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字化已成為控制 技術(shù)的發(fā)展方向。在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，前后產(chǎn)生了多種通用的和高性能的交流電機(jī)控制策略，主要有：轉(zhuǎn) 差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線(xiàn)性控制、自適應(yīng)控制等。其中，轉(zhuǎn)差頻率控 制又有轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，這都是依據(jù)

19、電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其動(dòng)態(tài)性能不 高，但控制規(guī)則簡(jiǎn)單，仍在一般的調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速和伺服系統(tǒng)， 必須依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型來(lái)建立控制系統(tǒng)。由于交流電機(jī)的輸入量是定子電壓和定子頻率，輸出量則是電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈，如果仍采用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性PID控制器，就必須對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解耦，通過(guò)解耦使電機(jī)模型線(xiàn)性化，等效為直流電動(dòng)機(jī)模型來(lái)實(shí)施控制，基 于動(dòng)態(tài)電機(jī)模型的控制策略有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。1.1.2 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀異步電機(jī)矢量控制技術(shù)是由德國(guó)學(xué)者K.Hass和F.Blaschke在20世紀(jì)70年代初建立起來(lái)的。矢量控制(Vector Control )又稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制(F

20、ield Oriented Control )，就是將交流電 機(jī)空間磁場(chǎng)矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向，其實(shí)際是一種解耦合控制，通過(guò)坐標(biāo)變換 和其它一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將交流電機(jī)的定子電流分解為按磁鏈定向的勵(lì)磁電流分量isd和轉(zhuǎn)矩電流分量isq,再通過(guò)仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法對(duì)這兩個(gè)電流分量單獨(dú)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電 磁轉(zhuǎn)矩和磁通的分離控制。毫無(wú)疑問(wèn)，矢量控制理論的提出在交流傳動(dòng)史上具有劃時(shí)代的意義。但在當(dāng)時(shí)要將其 實(shí)用化還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題6：(1)矢量控制誕生不久，理論上并沒(méi)有完全成熟，需要針對(duì)具體應(yīng)用不斷完善理論。(2)由于矢量控制中包括坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)以及其他一些包含非線(xiàn)性的復(fù)雜運(yùn)算，其運(yùn)算處理

21、的規(guī)模比直流調(diào)速大很多，若要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制必須有運(yùn)算速度極快的控制系統(tǒng)。但在 70年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)還不發(fā)達(dá)，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)由于運(yùn)算速度低、價(jià)格昂貴和體積龐大而不 能廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，只能用復(fù)雜的模擬電路來(lái)完成矢量控制系統(tǒng)，但模擬控制系 統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜、可靠性低并且價(jià)格也很高，這些制約了矢量控制技術(shù)的實(shí)用化。(3)當(dāng)時(shí)的電力電子技術(shù)還不足以使矢量控制技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。在70年代，雖然PWM逆變器己出現(xiàn)，但GTO和GTR尚未完全走入實(shí)用，PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本很高。而普通 品閘管由于本身的特點(diǎn)，不能利用門(mén)極關(guān)斷信號(hào)使其關(guān)斷，由普通品閘管構(gòu)成的逆變器必 須有復(fù)雜的換流電路才能工作，這樣一方面降低

22、了系統(tǒng)的可靠性，另一方面，由于逆變器 的開(kāi)關(guān)頻率很低，不能適應(yīng)矢量控制中電壓電流的快速變化。隨著各國(guó)學(xué)者的不斷努力，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，矢量控制技術(shù)逐步走向成熟。這期間電力電子器件也從最初的可控硅（SCR）發(fā)展至GTR、GTO、MOSFET、IGBT等多種開(kāi)關(guān) 頻率高、控制性能好的開(kāi)關(guān)器件。再加上電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，在80年代中后期交流電機(jī)矢量控制技術(shù)開(kāi)始逐步邁入實(shí)用階段。進(jìn)入90年代，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，為矢量控制技術(shù)的實(shí)用化開(kāi)拓出嶄新局面，DSP的高速運(yùn)算能力使矢量控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，這就為一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜而性能較好的矢量控制方案 的實(shí)施提供了物

23、質(zhì)保證。而電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展也為矢量控制技術(shù)的應(yīng)用提供了更 好的舞臺(tái)，現(xiàn)在小到精密伺服大到電力牽引，都有矢量控制技術(shù)的身影。隨著控制系統(tǒng)硬 件（包括DSP和電力電子器件）性?xún)r(jià)比的進(jìn)一步提高，以矢量控制技術(shù)為核心的交流調(diào)速系 統(tǒng)將有望在越來(lái)越多的領(lǐng)域中取代直流調(diào)速7。目前較典型的矢量控制方案有：轉(zhuǎn)差矢量控制、氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制、定子磁場(chǎng) 定向的矢量控制、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制等。1.2 矢量控制的思想及其優(yōu)點(diǎn)1.2.1 矢量控制的基本思想矢量控制的思路是把三相異步電動(dòng)機(jī)等效于兩相a、曬止系統(tǒng)模型，再經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換為磁場(chǎng)方向與M軸方向一致的同步旋轉(zhuǎn)的兩相 M、T模型。電流矢量i是一個(gè)空

24、間矢量， 因?yàn)樗鼘?shí)際上代表電機(jī)三相產(chǎn)生的合成磁勢(shì)，是沿空間作正弦分布的量，不同于在電路中 電流隨時(shí)間按正弦變化的時(shí)間向量。電流矢量分解為與M軸平行的產(chǎn)生磁場(chǎng)的分量一勵(lì)磁電流im和與T軸平行的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量一轉(zhuǎn)矩電流iT,前者可理解為勵(lì)磁磁勢(shì)，后者可理解 為電樞磁勢(shì)。通過(guò)控制大小也就是矢量電流i的幅值和方向（M、T坐標(biāo)系中的0角）去等 效地控制三相電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。經(jīng)典的正弦脈寬調(diào)制（SPWM ）控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓接近正弦波, 并未顧及輸出電流的波形。而電流跟蹤控制則主要控制輸出電流，使之在正弦附近變化， 這就比只要求正弦電

25、壓前進(jìn)了一步。 然而交流電動(dòng)機(jī)則需要輸入單項(xiàng)正弦電流的最終目的 使在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視 為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱(chēng)作“磁鏈跟蹤控 制”，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱(chēng)“電壓空間 矢量PWM （Space Vector PWM , SVPWM 控制）”網(wǎng)。矢量控制不同的電壓空間矢量是由電力電子變頻器根據(jù)一定的輸出要求產(chǎn)生的。變頻器按其變頻方式可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器，變頻器的結(jié)果示意圖如圖1-1:11a）交-直交變頻器b)交-交變頻器圖1-1變頻器結(jié)構(gòu)示意圖常

26、用的交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示:圖1-2交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖本文所要研究的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)其基本實(shí)現(xiàn)方法，是通過(guò)對(duì)交流異步電機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換解除定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁鏈分量的耦合，通過(guò)對(duì)電力電子變頻器輸出的電壓空間矢量按一定的方式進(jìn)行合成，使逆變器的輸出趨近于目標(biāo)控制軌跡。其中坐標(biāo) 變換的具體方法將在第二章中介紹。1.2.2 矢量控制的優(yōu)點(diǎn)矢量控制系統(tǒng)是已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)， 它有以下特點(diǎn)1）按轉(zhuǎn)子磁 鏈定向，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制；2）轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對(duì)象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以采用開(kāi)環(huán)

27、控制；3）采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩于磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效的限制起制動(dòng)電流 網(wǎng)。矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有，轉(zhuǎn)子磁鏈控制可以閉環(huán)控制也可以開(kāi)環(huán)控制； 轉(zhuǎn)矩控制連續(xù)， 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，比較平滑；調(diào)速范圍較寬，調(diào)速性能好。正是由于矢量控制系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)， 又由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維護(hù)方便且效率高的優(yōu)點(diǎn)，使得矢量控制調(diào)速 系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用。2 .矢量控制技術(shù)的基本原理2.1 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型網(wǎng)92.1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，這就決定了對(duì)于異步電機(jī)的控 制，如果要實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)速性能，必然較為復(fù)雜。70年代發(fā)展建立起來(lái)的磁場(chǎng)定

28、向理論（即 矢量控制理論），為現(xiàn)代交流調(diào)速控制的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，使交流電機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)性 能能夠和直流電機(jī)相媲美。本節(jié)將對(duì)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，為了解矢量控制和轉(zhuǎn) 子磁鏈模型的建立奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在討論異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型之前，先對(duì)其進(jìn)行如下假設(shè)9:1 .設(shè)三相定子繞組A, B, C及三相轉(zhuǎn)子繞組a, b, c在空間對(duì)稱(chēng)分布，各相電流所產(chǎn) 生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周正弦分布，無(wú)齒槽效應(yīng)。2 .忽略磁路飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的3 .忽略鐵心損耗。4 .不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響在三相異步電機(jī)中，定子三相繞組軸線(xiàn) A, B, C在空間是固定的，轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)a、b、 c以

29、角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如以 A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸的電角度為空間角位 移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。三相異 步電機(jī)的物理模型如圖2-1所示：東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)圖2-1三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型2.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。其中磁鏈 方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程為微分方程。1 .電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程為UaiaRAUbibRBUcicRcd dtddtd dt(2-1)ii三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為UaiaRrUbibRrUcic

30、Rrd dtd dtd ,dt(2-2)將電壓方程寫(xiě)成矩陣方程?hào)|北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)UaRs00000IaAUb0Rs0000iBBUc00Rs000IcdC000Rr00(2-3)UaiadtaUb0000Rr0ibbUc00000Rr%c式中UA、UB、UC、Ua、Ub、Uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值iA、iB、iC、ia、ib、ic定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值岫、巾B、即、巾a、巾b、8各項(xiàng)繞組的全鏈值R$ Rr定子和轉(zhuǎn)子電阻。2 .磁鏈方程ALaaLABLACLAaLAbLaciABLbaLBBLBCLBaLBbLBciBCLCALCBLCCLCaLCbLCciC(2-4)aLaALaBLa

31、C aCLaaLabLaciabLbALbBLbCLbaLbbLbcibcLcALcBLcCLcaLcbLccic式中iA、iB、iC、ia、ib、ic定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值岫、巾B、即、巾a、巾b、8各項(xiàng)繞組的全鏈值L電感矩陣，其中對(duì)角線(xiàn)元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc是各繞組的自感，其 余各項(xiàng)是相應(yīng)繞組的互感。3 .轉(zhuǎn)矩方程綜合考慮機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電感的矩陣關(guān)系，得到轉(zhuǎn)矩方程如下:Te npLms(iAiaieibicic) sin(2-5)Mb iBic icia)sin(120 )(i/c iBia iCib)sin(120 )4 .運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

32、J dnp出TeTl(2-6)d dt(2-7)式中J機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tl 包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從以上三相異步電動(dòng)機(jī)的原始數(shù)學(xué)模型可以看出來(lái)，三相變量中只有兩相是獨(dú)立的， 因此三相原始數(shù)學(xué)模型并不是其物理對(duì)象最簡(jiǎn)潔的描述，完全可以且完全有必要用兩相模型代替。異步電機(jī)三相原始模型中的非線(xiàn)性耦合主要表現(xiàn)在磁鏈方程式與轉(zhuǎn)矩方程式）中,既存在定子和轉(zhuǎn)子間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。三相繞組在空間按120。分布, 必然引起三相繞組間的耦合。而交流異步電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換及傳遞過(guò)程，決定了定、轉(zhuǎn)子問(wèn) 的耦合不可避免。由于定轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其夾角不斷變化，使得互感矩陣和均為非線(xiàn)性變參數(shù)矩陣?？?/p>

33、以看出，異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解這組非線(xiàn)性方程十分 的困難。在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)變換。異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模 型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù) 雜關(guān)系。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，須從簡(jiǎn)化磁鏈關(guān)系入手。2.1.3 SVPWM基本原理1 .基本電壓矢量如圖2-2所示是電壓源型PWM逆變器一電動(dòng)機(jī)示意圖。圖中Ua、Ub、Uc是逆變器 的電壓輸出，VT1至UVT6是6個(gè)IGBT ,他們分別被a、a'、b、b'、c、c'這六個(gè)控制信號(hào) 所控制。當(dāng)逆變橋上半部分的一個(gè)IGBT開(kāi)通時(shí)，即a、b或c為

34、1時(shí)，其下半部分相對(duì) 的IGBT被關(guān)斷（即a'、b'或c'為0）。VT1 , VT3和VT5 3個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即a、 b和c為0或?yàn)?的狀態(tài)，將決定Ua、Ub、Uc三相輸出電壓的波形。可以推 導(dǎo)出，三相逆變器輸出的線(xiàn)電壓矢量Uab Ubc UcaT與開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量a b cT的關(guān)系為Uab 110 aUbc 011 b（2-8）Uca 10 1c三相逆變器輸出的相電壓矢量 Ua Ub UcT與開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量a b cT的關(guān)系為Ua211a(2-9)1U B-U DC 12 1b3Uc112c式中，Udc是直流電源電壓。不難看出，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量 a b cT有8個(gè)不

35、同的組合 值（a、b、c只能取0, 1）,即逆變橋上半部分的三個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有8種不同的組 合，故其輸出的相電壓和線(xiàn)圖2-2電壓源型PWM逆變器一電動(dòng)機(jī)示意圖1電壓也有8種對(duì)應(yīng)的組合。開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量與輸出的相電壓和線(xiàn)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2-1所示。將表2.1中的8組相電壓值代入式（2-14）,就可以計(jì)算出相應(yīng)的8組相電壓的矢量， 這8個(gè)矢量就稱(chēng)為基本電壓空間矢量，圖2-3給出了 8個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置， 包括6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矢量 Uo、U60、U120、U180、U240、U300和兩個(gè)零矢量 Oooo和。111。其中非零 矢量的幅值相同，都為2Udc/3。且相鄰的兩矢量相位相差60

36、76;,而2個(gè)零矢量幅值為零， 位于中心。當(dāng)采用DSP編程實(shí)現(xiàn)SVPWM時(shí)，為了計(jì)算方便，需要將如圖 2-3所示的三相ABC 平面坐標(biāo)系中的線(xiàn)電壓和相電壓值轉(zhuǎn)換到平面直角坐標(biāo)系中， 其中平面直角坐標(biāo)選擇 a軸 與A軸重合，B軸超前90 0如果在兩個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)中保持電動(dòng)機(jī)的總功率不表2-1開(kāi)關(guān)狀態(tài)與相電壓和線(xiàn)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系16AbcUaUbUcUabUbcUca0000000001002Udc/3-Udc/3-Udc/3Udc0-Udc110Udc/3Udc/3-2U dc/30Udc-Udc010-U dc/3-Udc/3-Udc/3-UdcUdc0Udc011-2U dc/3Udc/3Ud

37、c/3-Udc0001-U dc/3-Udc/32Udc/30-UdcUdc0101Udc/3-2U dc/3Udc/3U DC-Udc011100000變，則變換矩陣為:11一 1TABC3i202,32 .322(2-10)40利用這個(gè)變換矩陣，就可以將三相ABC平面坐標(biāo)系中的相電壓轉(zhuǎn)換到平面直角坐標(biāo)系中, 其轉(zhuǎn)換式為12 ,3212、.32UaUbUc(2-11)Ui20(010)Ui80(011)6 . 22U240(001).2/3,0B* U60(100)1 6, 1 2,0111)000(000)U0(100)U300(101)圖2-3基本空間矢量對(duì)應(yīng)圖152磁鏈軌跡PWM的控制

38、算法當(dāng)磁鏈空間矢量 Vs的矢端在如圖2-4所示的位置時(shí)（定點(diǎn)在BC邊上），如果此圖2-4正六邊形磁鏈軌跡時(shí)逆變器加到定子上的電壓空間矢量為U0,則由Vs于U的積分關(guān)系，使 Vs的矢端將沿BC邊的軌跡向所作用的方向運(yùn)動(dòng)。Vs的矢端運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)時(shí)，如果定子上的電壓空間矢量 變?yōu)閁60,則Vs矢端將沿CD邊運(yùn)動(dòng)。用同樣的方法依次給出電壓空間矢量U120、U180、U240、U300,則vs矢端將沿DE、EF、fa> AB邊的軌跡運(yùn)動(dòng)。這樣，就形成了正六邊 形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡（逆時(shí)針?lè)较颍?。同樣如果要使磁鏈順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，則當(dāng)甲s在如圖2- 13所示位置時(shí)，應(yīng)依次給出 U180、U120、U60、Uo

39、> U300、U240, Vs的始端將沿正六邊形的六 條邊以順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)。由于非零的基本電壓矢量只有 6個(gè)，因此只能形成一個(gè)正六邊形的磁鏈軌跡。為獲得 近似圓形的磁鏈軌跡，一種方法就是利用這幾個(gè)非零的基本電壓空間向量的線(xiàn)性組合來(lái)得 到更多的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。如圖2-5所示，任意時(shí)刻輸出參考相電壓矢量Uout可由相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量UX和Ux±60的線(xiàn)性時(shí)間組合來(lái)合成，它等于tl/TPWM倍的Ux與t2/TPWM 倍的Ux±60的矢量和。其中ti和t2分別是Ux和Ux±60作用的時(shí)間，Tpwm是Uout作用的 時(shí)間。按照這種方式，在下一個(gè)Tpwm期間，仍然用U

40、x和Ux±60的線(xiàn)性時(shí)間組合，但作用的時(shí)間t1'和t2'與上一次的不同，它們必須保證合成的新的電壓空間矢量Uout'與原來(lái)的電壓空間矢量Uout的幅值相等。Uoutti Ux/T PWMUx圖2-5電壓空間矢量的線(xiàn)性組合如此下去，在每一個(gè)Tpwm期間，都改變相鄰基本矢量作用的時(shí)間，并保證所合成的 電壓空間矢量的幅值都相等，因此，當(dāng) Tpwm取足夠小時(shí)，電壓空間矢量的軌跡使用一個(gè) 近似圓形的正多邊形，這樣形成的磁鏈空間矢量甲s的軌跡也近似為圓形。磁鏈空間矢量 Vs運(yùn)動(dòng)速度的改變可由各邊中添加零矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)。添加零矢量的原則 是選擇使期間開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的零矢量。對(duì)于圖

41、2-4,在邊BC選用的電壓空間矢量是 U0,則當(dāng)Vs的矢端在BC邊運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度由添加零矢量 O000來(lái)實(shí)現(xiàn)。Uo和O000 的開(kāi)關(guān)模式分別為（100）和（ 000）,可見(jiàn)，添加零矢量后，只一個(gè)橋臂發(fā)生了開(kāi)關(guān)動(dòng)作， 開(kāi)關(guān)器件的個(gè)數(shù)最少。同理，在 CD邊上應(yīng)選擇O000來(lái)調(diào)節(jié)磁鏈的運(yùn)動(dòng)速度。一般為了使磁鏈的運(yùn)動(dòng)平滑，零矢量并不是在某一個(gè)點(diǎn)加入，而是采用零矢量分割技 術(shù)將零矢量多點(diǎn)插入到磁鏈軌跡中，作用時(shí)間之和仍為t0o這樣做可以大大減少電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。1.2 矢量控制的基本原理矢量控制要求對(duì)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，通過(guò)控制矢量電流i的幅值

42、和方向（M、T坐標(biāo)系中的B角）去等效地控制三相電流 ia、ib、ic的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。矢量控制系統(tǒng)的原理 結(jié)構(gòu)圖如圖2- 68:圖2-6矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖由圖2-6可以看出，從給定輸入到等效直流電機(jī)的輸出，異步電機(jī)的直流等效過(guò)程就 是解除異步電機(jī)非線(xiàn)性耦合關(guān)系簡(jiǎn)化其數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，涉及三種坐標(biāo)系 統(tǒng)：三相靜止坐標(biāo)系（3S）、兩相靜止坐標(biāo)系（2S）和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（2R）,三相異步電機(jī) 模擬成直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制需將三相變換到兩相，以及靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，以 下對(duì)這些變換過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述。1.2.1 三相一兩相靜止坐標(biāo)系變換（3/2變換

43、）不同電動(dòng)機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)完全一致?？偹?周知，在交流電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱(chēng)靜止繞組 A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流iA、iB、ic 時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)F是空間正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。我們還知道，旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)并非 要三相不可，除單項(xiàng)外，二相，三相，四相等任意對(duì)稱(chēng)的多項(xiàng)繞組，通入平衡的多相 電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)?，F(xiàn)在考慮三相靜止繞組 A、B、C到靜止兩相繞組 心B的變換。如圖2-7是3/2變圖2-7 3/2變換坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)空間矢量圖換坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)空間矢量圖(為方便起見(jiàn)，取 A軸與a軸重合，圖中)。靜止坐標(biāo)系變換是按等效電機(jī)原則進(jìn)行，即變換前的三相

44、電機(jī)與變換后的兩相電機(jī)具 有相同的功率和磁動(dòng)勢(shì)，在電、磁兩方面完全等效。從三相到兩相的變換關(guān)系為：(2-12)變換矩陣為：(2-13)反變換關(guān)系為：(2-14)反變換矩陣為：(2-15)1.2.2 兩相一兩相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換)從兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換，稱(chēng)做靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱(chēng)變換。兩相靜止繞組，通以?xún)上嗥胶饨涣麟娏鳎a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來(lái)， 且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角速度，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量如圖2-8所小(其中)：圖2-8兩相靜止和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量由圖2-8可見(jiàn)，和之間存

45、在下列關(guān)系：(2-16)旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換為：(2-17)其中，s分別是靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相 正交坐標(biāo)系的變換矩陣。電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣相同。圖2-9靜止正交坐標(biāo)系與按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)正交dq坐標(biāo)系的一個(gè)特例是與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量 甲r同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，若令d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希Q(chēng)作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱(chēng)mt坐標(biāo)系，如圖2-9所示，此時(shí)d軸改為m軸，q軸改為t軸。,于是有按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，有: 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程：ddtd rdt2. n p Lm

46、 . -jLTistinpTLTrTrdi smdtLmLsLrTrdistdtLmLsLr_2_2RsLrRrLm.2 i smLsLr22RsL2RrLm.LsL2istii st1i smusmLsustLs(2-18)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型是同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系模型的一個(gè)特例。通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist,使轉(zhuǎn)子磁鏈 的僅由定子電流勵(lì)磁分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Ts正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分 量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦。因此，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)網(wǎng)從本節(jié)可以看

47、出，相當(dāng)復(fù)雜的異步電動(dòng)機(jī)原始模型，經(jīng)過(guò)以上的坐標(biāo)變換，是能夠簡(jiǎn) 化數(shù)學(xué)模型，有利于我們的分析計(jì)算。我們選取轉(zhuǎn)速，定子電流isd,轉(zhuǎn)子磁鏈 的為狀態(tài)變量，通過(guò)相應(yīng)變換，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。1.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)1.3.1 電流閉環(huán)控制方式電流閉環(huán)控制后，轉(zhuǎn)子磁鏈為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可 以采用開(kāi)環(huán)控制方式，而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn) 定。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：三相電流閉環(huán)控制的矢量控制、定子電流勵(lì)磁分量 和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制。兩種電流控制作用相同，前者多采用硬件電路，后者可 用軟件實(shí)現(xiàn)，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速

48、度高，功能強(qiáng)，我們采用后者。采用定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制方法，我們需要將檢測(cè)到得三 相電流（實(shí)際只要檢測(cè)兩相）施彳T 3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到mt坐標(biāo)系中的電流ism和ist, 采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值和，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓給定值和， 再經(jīng)SVPWM控制逆變器輸出三相電壓 網(wǎng)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示：本文將采用帶基于電流模型反饋信號(hào)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制。如圖 2-10所示，此控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn) 速控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成，轉(zhuǎn)速控制環(huán)由用戶(hù)給定的轉(zhuǎn)速指令值與來(lái)自于電機(jī)軸

49、上的光電編碼器的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào) 進(jìn)行比較，將其偏差通過(guò)速度 PI調(diào)節(jié)器調(diào)整，并輸出轉(zhuǎn) 矩分量電流作為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的指令值，再與通過(guò)霍爾電流傳感器檢測(cè)到的三相定子電流經(jīng)過(guò)3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換信號(hào)比較，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子轉(zhuǎn)矩 電壓分量。電流控制內(nèi)環(huán)中由勵(lì)磁分量指令值 （為零）與檢測(cè)到的定子電流經(jīng)過(guò)3/2變換和 旋轉(zhuǎn)變換信號(hào)比較，經(jīng)過(guò) PI調(diào)節(jié)器，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子勵(lì)磁電壓分量usm再將usm和ust進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)變換，變換到定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)，獲得與逆變器的電壓空間矢量具 有相同坐標(biāo)系統(tǒng)的兩個(gè)電壓分量，最后利用空間矢量脈寬調(diào)制技（ SVPWM ）產(chǎn)生逆變器 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的

50、PWM波形。*圖2-10定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢 量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.2 轉(zhuǎn)矩控制方式當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào) 節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈包定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電流的轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì) 電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。*圖2-11轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩的分量來(lái)抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)所引起的電磁轉(zhuǎn)矩 變換，但這種調(diào)節(jié)方式是在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后起作用的，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，采用轉(zhuǎn) 矩控制方式。常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加出發(fā)環(huán)

51、節(jié)兩 種。兩種轉(zhuǎn)矩控制方式的作用相同，我們采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系 統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-11所示。1.3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是的的準(zhǔn)確定向，也就是說(shuō)需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，除此之外，在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也是 不可缺少的信息。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行矢量變換的方法，稱(chēng)作直接定向。轉(zhuǎn)子磁鏈 直直接檢測(cè)相對(duì)困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中，多采用間接計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電 壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。在計(jì)算 模型中，由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不同，又分電流模型和電壓模型兩種。電流模

52、型需要實(shí)測(cè)電 流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，不論轉(zhuǎn)速高低都適用，受電機(jī)參數(shù)影響較大。在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的 電流模型如圖2-12所示。圖2-12在mt坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型電壓模型不需要轉(zhuǎn)速信號(hào)，且算法與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，只要定子電阻相對(duì)易于測(cè)得，和 電流模型相比，電壓模型受電機(jī)參數(shù)變化影響較小，而且算法簡(jiǎn)單，但是在低速時(shí)，定子 電阻壓降變換影響也較大。計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型如圖 2-13所示：圖2-13計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算的兩種模型，比較起來(lái)，電壓模型更容易適合于中、高速范圍，而電流 模型能適應(yīng)低速，有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來(lái)，在低速時(shí)采用電流模型，高速時(shí)采用電壓模型1.4

53、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制控制系統(tǒng)和其他的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一樣，由主電路和控制電路兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)主電路采用通用變頻器IPM模塊作為化的成交一直一交電壓源型通用變頻主電路。矢量控制盡管為高性能電機(jī)控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)，但是系統(tǒng)中 的控制電路所采用的微處理器的性能將直接影響系統(tǒng)性能。實(shí)踐表明，采用高性能微處理 器實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善系統(tǒng)功能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜有效的控制策略以及提 高控制系統(tǒng)可靠性的重要手段。在交流電機(jī)控制中，DSP所特有的高速計(jì)算能力，可以用來(lái)增加采樣頻率，并完成復(fù)雜的信號(hào)處理和控制算法，控制電力電子的外圍設(shè)備。PID算法、卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測(cè)器

54、、自適應(yīng)控制及智能控制等，均可利用 DSP在較短的 采樣周期內(nèi)完成。因此利用 DSP的信號(hào)處理能力還可以減少傳感器的數(shù)量。電機(jī)控制專(zhuān) 用DSP具有PWM生成功能：可產(chǎn)生高分辨率的 PWM波形，可靈活實(shí)現(xiàn)各種 PWM控 制模式，具有多路PWM輸出功能。美國(guó)TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812芯片， 具有相當(dāng)快的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的輸入輸出設(shè)備及接口電路，因而本系統(tǒng)選用它作為核心控制器件來(lái)構(gòu)成控制回路，擴(kuò)展模擬信號(hào)采樣板、穩(wěn)壓電源板。其中上位機(jī)通過(guò)串口通 信完成參數(shù)給定、數(shù)據(jù)顯示等功能；輔助電路由速度檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路，故障檢測(cè) 保護(hù)電路以及串行通信電路等組成，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速電

55、流檢測(cè)。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的硬件由以下幾部分構(gòu)成：1.上位機(jī)和RS232串行聯(lián)接線(xiàn)；2.主電路，采用通用的IPM功率模塊成交一直一交電壓源型通用變頻電路以及用于 給TMS320F2812控制板提供直流電的開(kāi)關(guān)電源電路；3.TMS320F2812控制板，這是整個(gè) 控制系統(tǒng)的核心；4用于檢測(cè)采集兩相定子電流和直流母線(xiàn)電壓的檢測(cè)電路；5.用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)的光電編碼器及三相交流異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理電路如圖2-14所示。圖2-14系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖系統(tǒng)參數(shù)可以由上位機(jī)通過(guò) RS232接口傳給下位機(jī)，DSP控制器負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、計(jì) 算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，最后運(yùn)用矢量控制算法，得到電壓空間矢量的SVPWM控制信號(hào), 再經(jīng)過(guò)光耦隔離電路后，驅(qū)動(dòng)IPM功率開(kāi)關(guān)器件。DSP控制器還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)控， 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)