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1、异步电动机调速系统设计毕 业 设 计 论 文题目：异步电动机调速系统设计系 别：电气与电子工程系专 业：电气工程及其自动化姓 名：学 号：指导教师：平顶山工学院2008年 05 月 23 日异步电动机调速系统设计摘要.5Abstraet.51绪论.71.1课题的意义与发展现状.71.1.1课题的意义.71.1.2现代交流变频调速技术的发展概况.71.1.3 PWM调制技术的发展概况.111.2未来发展趋势.111.3控制系统整体方案比较选择.121.3.1 V/F开环控制.121.3.2矢量控制.121.3.3直接转矩控制.131.4逆变调制方式选择.141.5矢量控制方式选择.151.6论文
2、的研究内容.162建立矢量控制数学模型.172.1三相异步电机的数学模型.172.2坐标变换.202.2.1三相-两相坐标系变换(3/2变换).202.2.2旋转变换(2s/2r变换).232.3矢量控制数学模型.243 矢量控制系统原理.273.1控制系统原理图.273.2转子磁链计算.293.2.1转子磁链分析.293.2.2转子磁链计算.303.3调节器工作原理.323.3.1磁链调节器(Apsir)原理.323.3.2转矩调节器(ATR)原理.353.3.3转速调节器（ASR）原理.374系统的设计、仿真及其结果分.414.1MATLAB的工具软件SlMULINK介绍.414.2系统调
3、节器的设计.434.3系统仿真图.444.3.1转子磁场定向矢量控制系统仿真图.444.3.2矢量控制系统中子系统模型图.464.4仿真参数设定及结果分析.505结论. 546参考文献.55异步电动机调速系统设计摘要由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。在现代微机技术的快速发展下，计算机运行速度不断提高，指令的执行速度也达到了前所未有的高度，使得复杂算法应用计算机来进行实时运算、执行成为可能。经过最近十几年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能己经优于直流调速系统。目前广泛研究应用的异步电动机调速技术有恒压频比
4、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动机矢量控制调速方法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有动态性能和低速性能好、调速范围宽等优点。本文对异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述。通过对异步电动机的动态电磁关系的分析及坐标变换原理概念的介绍，建立了异步电动机在不同坐标系上的数学模型，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强耦合的非线性系统。在对异步电动机的矢量控制原理进行阐述时，给出了矢量变换方法实现的步骤，并依次说明了三相异步电动机数学模型是如何解耦的。在论述了二相异步电功机的磁场定向原理后，介绍了转子磁链的计算方法并设计了转子磁链观测器。详细地分析了磁通
5、调节器，转矩调节器和转速调节器的工作原理，并设计了磁通调节器，转矩调节器，转速调节器。 运用MATLAB的工具软件SlMULINK对磁通闭环的矢量控制系统进行仿真，给出了仿真结果，并对仿真结果进行了分析。关键词:异步电机，矢量控制，磁场定向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, asynchro
6、nous motor VVVF technology is rapidly developing. In the modern computer technologys rapid 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 computin
7、g, the implementation possible. After the recent 10 years of application development, the 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
8、control, vector control, direct torque control. This paper is discussed in the speed asynchronous 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
9、wide scope. In this paper, asynchronous motor mathematical model of a detailed analysis and 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
10、mathematical model that the induction motor characteristics of the model is more than one 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 asynchronou
11、s motor mathematical model of how the lotus roots. Discussed in the two-phase asynchronous 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 fo
12、r regulating the working principle and design of the magnetic flux regulator, the regulator 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 mot
13、or, vector control, field-oriented1.绪论1.1课题的意义与发展现状1.1.1课题意义在20世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速都采用直流电动机(以下均简称为直流电机)，而约占电气传动总量80%的不变速动则采用交流电动机(以下均简称为交流电机)，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统虽然早己有多种方案问世，并已获得一些实际应用的领域，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到本世纪70年代初叶，席卷世界先工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流调速系统，流调速系统主要沿着下述三个方向发展
14、和应用.1.一般性能的节能调速在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机为过去交流电机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多能因而白白地浪费掉了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上地能量节省来，每台风机、水泵平均约可节能20%，效果很是可观的。2.高性能交流调速系统许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流施行灵活的即时控制。70年代初发明了矢量控制技术(
15、或称磁场定向控制技术)，通过坐标交换，把交流电机的定子流分解成励磁分量和转矩分量，用来分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的发展.其后，又陆续提出直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统。3.特大容量、极高转速的交流调速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量与转速的乘积约为KW.r/min，超过这一数值时，直流电机的设计与制造就非常困难了.交流电机则不受这个限制，因此，特大容量的转动，如厚板机、矿井卷扬机等和极高转速的转动，如高速磨头、离心机等都以采用交流调速为宜。1
16、.1.2现代交流变频调速技术的发展概况现代交流电机变频调速系统的发展，主要经历了以下几个阶段:早期通用变频器，大多数为开环恒压频比的控制方式.其优点是控制结构简单、成本较低.缺点是系统控制以及调速性能不高，比较适合应用在风机、水泵等场合，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电磁转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差;八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量法(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制，它通过引入频率补偿控制，消除
17、速度控制稳态误差，基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对调速性能的影响。实现输出电压、电流闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时在一定程度上获得电流波形的改善。这种控制方法的另一个优点是对再生过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。交流电机是一个多变量，非线性的复杂的被控对象，上述方法研究其控制特性，静、动态效果均不太理想，在上述各种方法中，由于未引入转矩控制调节，系统性能没有得到根本性的改善。针对上述控制方法的缺点，国外一些学者通过对电机数学模型进行了简化，实现了现在应用比较广的矢量控制理论，也称磁
18、场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质阳。矢量控制的基本原理是控制电机磁链矢量，通过分解定子电流，使之分解成转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性。使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，从而使得在这种矢量控制系统中需
19、要配置转子位置或速度传感器，这给许多应用场合带来不便。在电机运行过程中，由于温度等外界环境和电机磁场变化对电机转子时间常数等参数的影响，大大降低了控制系统的精度，转子时间常数的辨识方面，国内外许多学者做了大量的工作.继矢量控制方式之后，1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque control简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制
20、电动机的链和转矩。它不需要将交流电动机控制等效成直流电动机控制方式，因而避免了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解藕而简化交流电动机的数学模型。控制上对除定子电阻外，其他所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁链观测器能够很容易对同步速度信息进行估算，因而能方便地实现无速度传感器控制。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，对于一些不方便安装速度传感器的场合尤其重要，提高了系统的稳定性，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别(Identification简称ID)，通过ID确立电机实际的定子阻
21、抗互感、电机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行控制。交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。变频技术的发展是建立在电力电子技术发展基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及IPM，IGBT和IPM集中了GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性，是目前通用变频器中应用最为广泛的主流功率器件。IGBT集射集电压可
22、小于3V，开关频率可达到20KHz，内含的集射极间超高速二极管T。可达150ns。第四代IGBT的应用使变频器的性能有了更大的提高。其一是IGBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热50-70%的器件发热降低到了30%;其二是高载波控制，使输出电流波形有明显改善;其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静音化;其四是驱动功率减少，体积趋于更小。而IPM的投入应用比IGBT约晚二年，由于IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，有些甚至把光耦也集成于一体，因此是一种更为经济适用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流10-600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋势，其
23、优点有:(1)开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单;(2)内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低;(3)由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制;(4)保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善;(5)IPM的售价已逐渐接近IGBT，而设计人员采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后，在许多场合其性价比己高过IGBT，有很好的经济性。控制技术的发展还得益于微处理机
24、技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8XI196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发的用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240系列都是颇具代表性的产品。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存储器，提供高速、同步串口和标准异步串口，有的片内集成了模数转换器和采样保持电路，可提供PWM输出，其汇编指令集为仿C语言或代数语言格式，所有指令都能在一个机器周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个机器周期可完成多条指令。TI和AD公司的DSP采用改进的哈佛
25、结构，具有独立的程序空间和数据空间，允许同时存取程序和数据，同时，程序空间和数据空间也有专门的通道可以进行数据交换，从而既避免了某一个空间的浪费，又为某些应用做好了准备。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机(CISC)，多数指令要2-3个指令周期来完成。单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令或数据。ALU只能作加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，运算速度比较慢。所以，结构上的差异使DSP器件比16位的单片机单指令执行时间快8-10倍，完成一次乘法运算快16-30倍。1.1.3
26、PWM调制技术的发展概况PWM调制技术是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在BBC评论上把这项通讯技术应用到交流传动中，为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号用以控制功率器件的开关状态，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM调制在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM调制可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波
27、的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势(如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等);而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小，电压利用率最高，效率最优及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。年代至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5KHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，PWM方法应运而生。因其能减少这种噪声，因此得广泛应用。正因为如此即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，PWM仍然有其特殊的价值(DTC控制即为一例);另一方面则告诉人们
28、消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。1.2未来发展趋势基于电机控制理论的通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物，其发展的趋势大致为:1主控一体化。例如日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的DIPIPM(即双列直插式封装)的研制己经完成并推向市场，一种使逆变功率和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的HVIC(高耐压IC)SOC(System on Chip)的概念已被用户接受。2小型化。变频器的小型化除了出自支撑部件的封装技术和系统设计的大规模集成化以外，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为小型化的重要原因。3
29、、低电磁噪音化。今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正(Active Power Factor Correction。APFC)电路，改善输入电流波形，降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30-50MHz时的噪声可降低15-20dB。4专用化。通用变频器中出现专用型产品是近年来的事。其目的是更好发挥的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载，交流电梯，恒压供水、机传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用变频器。5系统化。作为发展趋势，通用变频器从模拟式
30、、数字式、智能化、多功能型发展。最近，日本安川电机提出了以变频器，伺服装置，控制器及通讯装置为“D&M&C”概念，并制定了相应的标准，目的是为用户提供最佳的系统。因此可见，今后变频器的高速响应和高性能将是基本条件。1.3控制系统整体方案比较选择1.3.1V/F开环控制当前异步电机调速总体控制方案中，V/F控制方式是最早实现的调速方式。方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设曲线，其可靠性高。但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存
31、在转差率，转速力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于求不高的场合，例如风机、水泵等机械，若要开发高性能专用变频控制系统，此方式不能满足系统要求。1.3.2矢量控制矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型压、电流等变量进行解耦而实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以分别电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度
32、和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。采用矢量变频器异步电机变频调速是可以达结构简单，可靠性高的效果。其主要表现在以下几个方面:(l)可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广； (2)可以对转矩实行较为精确控制；(3)系统的动态响应速度很快；(4)电动机的加速度特性很好。带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速技术性能虽较好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，己经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。系统增加了反馈电路和其他辅助环节，也增加了出故障的机率。因此，对于调速范围、转速精度和
33、动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频开环控制异步机变频调速系统。1.3.3直接转矩控制除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制(DTC)。将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。下面对直接转矩控制和矢量控制在各个方面上进行对比。单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别。矢量控制通过定子电流采样，进而进行解祸，对影响电机磁场和转矩的电流分量分别控制。而直接转矩控制方式根据原理公式，由电机转矩与定子磁场和转子磁场间的关系，通过控制定子磁场，控制转矩输出，其测量量为电机的输
34、出转矩，电机的性能主要与电机转矩有关，所以其控制方式比较直接，定子磁场的观测类似于矢量控制中的定子磁链的观测方法，因此其低速时由于定子电阻的影响，性能不高，与直接电流闭环的矢量控制方式相似。直接转矩控制电压矢量的获得也是分别控制8个逆变开关状态。这两种控制方式同样与电机的参数辨识是否精确有关，矢量控制方式中，磁链角和转子时间常数对控制性能的影响比较大，而直接转矩控制方式主要是定子电阻的辨识，因为定子电阻直接影响了定子磁链的观测，从而直接影响了电机转矩控制精度。在参考文献，对两种控制方法进行了详细的对比，从仿真的结果对电机静态和动态性能，转矩，磁场以及电机参数的敏感度等性能做了详细的分析，从结论
35、中，可以看到，矢量控制在转矩性能控制以及电机参数的敏感度上占了一定的优势，而直接转矩控制在磁场控制性能上有一定的异步电机矢量控制研究优势，而且直接转矩控制由于省略了大部分的坐标变换，比矢量控制在计算量上较为化。直接转矩控制是上世纪80年代在德国才兴起控制技术，其应用还不是很成熟。有待于进一步对其工程化推广。综合比较以上几种典型控制方式以及考虑到实际因素，本论文选择有传感器的转闭环矢量控制系统，在以后的工作中，再逐步实现无传感器的矢量变换的调速系统以其他面向不同工矿条件下的控制方案。1.4逆变调制方式选择由于PWM变换器具有功率因数高，调制简单，可同时实现变压变频以及抑制谐波的特点，因此，得到了
36、广泛的工程应用。在电机控制中，对于精度或者动态应要求不高的场合，可以使用六阶阶梯波调制方法控制，这种方法将电机磁空间分为个区域，通过不断的变换功率管的导通次序，产生在空间的阶跃形的磁场。此方法的点是转矩脉动比较大，不适合于高精度场合应用，相对于这种方法的缺点，工程技术应用最多的就是SPWM调制，即正弦调制。它根据电网正弦电压的要求产生正弦的转磁通，从而使控制性能大大提高。在以往的SPWM正弦调制中，模拟电路采用得多的是通过振荡电路，产生正弦波和三角波，再通过比较器来确定桥臂的导通与关或者是通过正弦波产生芯片来控制功率管，如HEF4752和SLE4520。而对数字电路说，则可以根据微处理器性能的
37、差异选择不同的波形产生方法。对速度比较慢的处理来说，可以应用表格法来产生，这种方法将要输出的脉冲宽度以数据表格的形式存放内存或者外部扩展ROM块中，通过实时读取表格中参数值，就可以输出产生正弦波对晶振频率较高的处理器，可以采用实时采样输出的方法，计算下一周期理想输出的形脉宽。一般来说有自然采样和规则采样，派生出来了对称和不对称规则采样等，在基础上，国内外一些研究人员也提出了在算法上的改进。由于本论文不涉及到这些控方法，因此也不一一做详细介绍。随着数字交流驱动系统成为工业标准，传统的SPWM调制方式己经逐渐被现在起的SVPWM(Space Vector Pulse width modulation)调制方式所取代，SVPWM调制式将电压矢量作为一个控制对象，在控制电压幅值大小的同时，控制电压向量的方向对不同状态电压向量的综合，达到输
