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1、交流调速矢量控制策略摘要：本文首先介绍了交流调速传动的国内外现状，再以励磁同步电动机为例分析其按磁 通定向的矢量控制原理，最后按电压模型构建MATLAB仿真模型，仿真结果证明该矢量控制 原理可有效控制励磁同步电动机，达到高效调节的目的。关键词：交流调速；励磁同步电动机；矢量控制；MATLAB仿真中图分类号：TB文献标识码：AThe Vector Control Strategy of AC Adjustable SpeedGao Feng(HuaiAn College of Informaitong Technology JiangSu HuaiAn 223003)Abstract： This
2、 paper introduces the domestic and overseas actual state of AC adjustable speed drive firstly, then takes SM as an example and analyzes the vector control principle, establishes the MATLAB simulation model at last. The simulation result testifies that the principle can control the SM availably and a
3、chieves the purpose to adjust the SM highly effectively.Key words: adjustable speed; excited synchronous motor; vector control; MATLAB simulation1交流调速控制国内外现状经过大约30年的时间，随着关键技术 的发展，如功率半导体器件（包括半控型和 全控型）制造技术、电力电子电路的电力变 换技术、交流电动机控制技术以及微型计算 机和大规模集成电路为基础的全数字化控 制技术。目前交流传动已经上升为电气调速 传动的主流，相信在不久的将来，交流电气 传动将会完全
4、取代直流电气传动。为了进一 步提高交流传动系统的性能，国内外有关研 究工作围绕以下几个方面展开：1.1采用新型功率半导体器件和脉宽 调制（PWM）技术功率半导体器件的不断进步，尤其是新 型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、 MOSFET （金属氧化硅场效应管）、IGBT （绝 缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高 频化的PWM技术成为可能。目前功率半导 体器件正向高压、大功率、高频化、集成化 和智能化方向发展。典型的电力电子变频装 置有电压源型交-直-交变频器、电流源型交- 直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交- 直-交变频器可用于频繁加减速等对动态性 能有要求的单机应用场合，也有应
5、用在大容 量风机、泵类节能调速中。对于负载电动机 而言，电压型变频器相当于一个交流电压 源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动 多台电动机并联运行。此外，矩阵式交-交 变频器功率密度大，而且没有中间直流环 节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现 输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象 限运行开辟了新的途径。1.2应用矢量控制技术、直接转矩控 制技术及现代控制理论交流传动系统中的交流电动机是一个 多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象。 20世纪70年代初提出用矢量变换的方法高锋（1981-），男，安徽枞阳人，学士，讲师，主要从事单片机教学与应用开发研究。来研究交流电动机的动态控制过程，不但要
6、控制各变量的幅值，同时还要控制其相位， 以实现交流电动机磁通和转矩的解耦，促使 了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目 前高动态性能的矢量控制变频器已经成功 地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和 数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和 控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控 制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。 尤其随着微处理器控制技术的发展，现代控 制理论中的各种控制方法也得到应用，如二 次型性能指标的最优控制和双位模拟调节 器控制、滑模（Sliding mode）变结构控制、 状态观测器和卡尔曼滤波器、自适应控制。 另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网 络控制等也开始应用于交流调速
7、传动系统 中，以提高控制的精度和鲁棒性。1.3广泛应用微电子技术随着微电子技术的发展，数字式控制处 理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高， 这使得全数字化控制系统取代以前的模拟 器件控制系统成为可能。目前适于交流传动 系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）等。1.4开发新型电动机和无机械传感器 技术交流传动系统的发展对电动机本体也 提出了更高的要求。随着20世纪80年代 永磁材料特别是钕铁硼永磁的发展，永磁同 步电动机的研究逐渐热门和深入。此外，开 关变磁阻理论使开关磁阻电动机（SRM）迅 速发展，其优良的转矩特性特别适合于要求 高静态转矩的应用场合。针对转
8、速（位置） 反馈控制，许多学者开展了无速度（位置） 传感器控制技术的研究。该技术无需在电动 机转子和机座上安装机械式的传感器，具有 降低成本和维护费用、不受使用环境限制等 优点，将成为今后交流电气传动技术发展的 必然趋势。2矢量控制原理本文以励磁同步电动机为例，介绍其按 磁通定向的矢量控制原理。2.1.选取基准矢量励磁同步电动机的矢量控制选取气隙 磁链矢量W为基准矢量，其能更直接地反映 定、转子耦合关系。此处忽略一些次要因数，如电动机d-q 轴磁路的差别、转子阻尼绕组的影响、定子 绕组电阻及漏抗的影响、磁化曲线的非线性 等等。同步电动机的矢量图如图2.1所示。图2.1励磁同步电动机矢量图Fig
9、.2.1 The vector diagram of excited synchronousmotor如图2.2所示，转子励磁电流矢量加产 生转子磁通势矢量耳，定子电流矢量产生 定子磁通势矢量於，咨和加合化成得磁化电流 矢量加，Fr和Fs合成磁动势矢量於，由其产 生气隙磁链矢量W，矢量加、Fc和W方向相 同。磁链轴（0轴）位于水平位置，站在 0 轴上看，这些矢量都在空间以同步角速 度以刃反向旋转。磁链矢量W旋转，在定 s子绕组中感应出定子电动势矢量仃，其比W 超前90。在忽略定子绕组漏抗和电阻压降条件下，定子妒=/。磁链轴0 1与转子轴d间的夹角（也是磁 链矢量W与励磁电流矢量的夹角）为负载角
10、 （pL，空载时9l=。，随着负载转矩增加而加大。 0是功率因数角。转矩七与和、两个变量有关，控制磁 链幅值W，使其等于期望值W*，转矩只受 定子电流转矩分量is控制，其给定值is*来 。2。2自转速调节器（ASR）输出的转矩期望值T* d 算出在0 1-0 2坐标系上分解定子电流矢量 is和转子励磁电流矢量ie得.1T *I s* =d-2 K w *（2.6）is = is cos0同csi s = i s sin 0 2csie = ie cos 9同Lie = -ie sin 9e 2l J（2.1）i；1与W和电动机功率因数有关，故它的给定值is*根据期望的功率因数cos *计算。1
11、is和es同向（电动机功率因数为1），则is*=0。1得到励磁电流磁化分量的给定由于ie和is按平行四边形法则合成，所以is = -i e（2.2）e 2 2ie* = in* - is*（2.7）11励磁电流0 2分量给定为由统一转矩公式，代入电流矢量和磁通 矢量之间的关系的同步电动机转矩公式ie* = -is*（2.8） 2 2所以直流励磁装置的励磁电流给定为T = K N2 is i n sin 0（2.3）dm scs将其代入式（2.1），得Td=K iNisms 2=K w i sms12（2.4）式中Js、Kms1为比例常数，i2 是定子 电流矢量is的0 2分量（直流量），与转矩
12、成 比例，故称为定子电流转矩分量，W是磁链 矢量W的分量。由矢量图2.1得i n = is + ie（2.5）ii式中，*和i分别是定子电流矢量1,和励磁 电流矢量ie的i0 1分量，又称磁化分量。ie* =、：(ie* )2 + (ie* )2 =寸0* )2 + (is* )2(2.9)1212算出的定子电流给定is*和is*送至三相交流 21电流控制模块（ACC）输入端，在ACC的控 制下，电动机定子实际电流的转矩和磁化分 量is2和is1为其给定值，算出的ie*送至直流 励磁装置（EUR），在励磁电流调节器（ARE） 的控制下，电动机励磁电流实际值ie等于给 定值，从而实现转矩和磁链控
13、制。ACC所需 的磁链位置角信号9来自电机模型。励磁同 步电动机矢量控制萦统框图如图2.2所示，励 磁电流给定计算环节设于电动机模型中。n图2.2励磁同步电动机矢量控制系统框图Fig.2.2 Vector control system diagram of excited synchronous motor2.2励磁同步电动机的模型励磁同步电动机的模型用来计算气隙 磁链矢量W （基准矢量）的幅值W及瞬时空 间位置角甲和直流励磁电流给定ie*，供给 ACC和励磁电流控制用。该模型有电压模型 （VM）和电流模型（IM）两种。实际系统 中两者都用，VM用于高速，IM用于低速。2.2.1电压模型电压模
14、型的输入是定子电压和电流实 际值经过以-。变换得到的u s、u s和 is，输出是该模型算出的气隙磁链矢量 市的幅值及瞬时空间位置角甲。s励磁同步电动机的模型有传统VM和改 进VM两种，这里介绍改进VM方法。输入量 为气隙磁链在定子绕组感应的电动势矢量 es，输出W的幅值W及瞬时空间位置角甲。sW = j es dtes=苛 （2.10）2.2.2电流模型同步电动机电流模型（IM）的计算基 于给定值，输入为：定子电流磁化分量和电 流分量给定值4*和以、磁化电流期望值i 0201及转子位置角入（来自编码器及转角位置测 量环节），计算出W的幅值W及其空间位置 角中:及直流励磁电流给定ie*，用中：
15、代替甲s 进行坐标变换。由（2.7）和（2.8）式得直流励磁电流 给定，e*的分量ie*和ie*，负载角为010 2i e*中 l = tg-14（2.11）1磁链矢量空间位置角为甲=Pl + 人（2.12）电流模型的输出值等于磁链给定3 MATLAB 仿真三相电源；由速度和转矩给定经电压模型得到三相逆变器的触发脉冲。MATLAB仿真的励磁同步电动机电流 模型选用电压模型，构建仿真模型如图3.1 所示2。直流电源经三相逆变器供给电动机图3.1励磁同步电动机MATLAB仿真模型Fig.3.1 MATLAB simulation model of excited synchronous motor
16、励磁同步电动机的转速给定和输出波形如图3.2所示。图3.2转速给定和输出波形Fig.3.2 the given and output waveform of the speed从图3.2可见，给定和输出几乎完全重 合，1.5s给定斜坡转速，输出转速与给定重 合，2s时突加给定转矩-500，转速n有个小 范围的振动，3.5s给定斜坡向下转速，输出 转速与给定重合，而4.5s突加给定转矩300， 转速有小范围的向上振动。4结论本文给出交流调速的励磁同步电动机 按磁通定向的矢量控制MATLAB仿真，仿真 结果证明该控制方法能有效跟踪电机转速 和转矩给定，具有较好的调速性能。参考文献：1 浅谈交流调速传动的现状与发展，闫玉光.2 大功率交-交变频调速及矢量控制技术】M.第 三版.北京：机械工业出版社：马小亮，2003.3 高性能变频调速及其典型控制系统M.第一 版.北京：机械工业出版社：马小亮，2010.4.
