变频调速矢量控制策略与MATLAB仿真

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。交流调速矢量控制策略与MATLAB仿真摘要：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：ATheVectorControlStrategyofACAdjustableSpeedGaoFeng（HuaiAnCollegeofInformaitongTechnologyJiangSuHuaiAn223003）Abstract:ThispaperintroducesthedomesticandoverseasactualstateofACadjustablespeeddrivefirstly,thentakesSMasanexampleandanalyzesthevectorcontrolprinciple,establishestheMATLABsimulationmodelatlast.ThesimulationresulttestifiesthattheprinciplecancontroltheSMavailablyandachievesthepurposetoadjusttheSMhighlyeffectively.Keywords:adjustablespeed;excitedsynchronousmotor;vectorcontrol;MATLABsimulation1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来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，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（Slidingmode）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Ψ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。2sseu、ssiFCSLSμc1iF、（（（（（d（（（（（（0eriF图2.1励磁同步电动机矢量图Fig.2.1Thevectordiagramofexcitedsynchronousmotor如图2.2所示，转子励磁电流矢量ie产生转子磁通势矢量Fr，定子电流矢量is产生定子磁通势矢量Fs，is和ie合化成得磁化电流矢量iμ，Fr和Fs合成磁动势矢量Fc，由其产生气隙磁链矢量Ψ，矢量iμ、Fc和Ψ方向相同。磁链轴（φ1轴）位于水平位置，站在φ1轴上看，这些矢量都在空间以同步角速度以ωs反向旋转。磁链矢量Ψ旋转，在定子绕组中感应出定子电动势矢量es，其比Ψ超前90°。在忽略定子绕组漏抗和电阻压降条件下，定子us=es。磁链轴φ1与转子轴d间的夹角（也是磁链矢量Ψ与励磁电流矢量的夹角）为负载角φL，空载时φL=0，随着负载转矩增加而加大。φ是功率因数角。在φ1-φ2坐标系上分解定子电流矢量is和转子励磁电流矢量ie得ss1csss2csee1Lee2Lcossincossiniiiiiiii（2.1）由于ie和is按平行四边形法则合成，所以se22ii（2.2）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2sμdmscssinTKNii（2.3）将其代入式（2.1），得μssdms2ms12TKiiKi（2.4）式中Kms、Kms1为比例常数，s2i是定子电流矢量is的φ2分量（直流量），与转矩成比例，故称为定子电流转矩分量，Ψ是磁链矢量Ψ的分量。由矢量图2.1得μse11iii（2.5）式中，s1i和e1i分别是定子电流矢量is和励磁电流矢量ie的φ1分量，又称磁化分量。转矩Td与Ψ和s1i两个变量有关，控制磁链幅值Ψ，使其等于期望值，转矩只受定子电流转矩分量s2i控制，其给定值s2i来自转速调节器（ASR）输出的转矩期望值*dT算出*sd2ms11TiK（2.6）s1i与Ψ和电动机功率因数有关，故它的给定值s1i根据期望的功率因数cos计算。is和es同向（电动机功率因数为1），则s1i=0。得到励磁电流磁化分量的给定eμ*s11iii（2.7）励磁电流φ2分量给定为es22ii（2.8）所以直流励磁装置的励磁电流给定为e*222s21212()()()()eeeiiiii（2.9）算出的定子电流给定s2i和s1i送至三相交流电流控制模块（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s2i和s1i为其给定值，算出的e*i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ei等于给定值，从而实现转矩和磁链控制。ACC所需的磁链位置角信号s来自电机模型。励磁同步电动机矢量控制系统框图如图2.2所示，励磁电流给定计算环节设于电动机模型中。计算s1icos*nn—m1/Ks1is1is'1inASRs2i计算电动机模型VM-IMSMACCPWM—eieiAREEURss2i图2.2励磁同步电动机矢量控制系统框图Fig.2.2Vectorcontrolsystemdiagramofexcitedsynchronousmotor2.2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Ψ（基准矢量）的幅值Ψ及瞬时空间位置角s和直流励磁电流给定e*i，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电压模型电压模型的输入是定子电压和电流实际值经过变换得到的ssαβuu、和ssαβii、，输出是该模型算出的气隙磁链矢量Ψ的幅值Ψ及瞬时空间位置角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Ψ的幅值Ψ及瞬时空间位置角s。s1s2sssddetet（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s2i和s1i、磁化电流期望值μi及转子位置角（来自编码器及转角位置测量环节），计算出Ψ的幅值Ψ及其空间位置角s及直流励磁电流给定e*i，用s代替s进行坐标变换。由（2.7）和（2.8）式得直流励磁电流给定e*i的分量e1i和e2i，负载角为e2-1Le1tgii（2.11）磁链矢量空间位置角为sL（2.12）电流模型的输出值等于磁链给定（2.13）3MATLAB仿真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。图3.1励磁同步电动机MATLAB仿真模型Fig.3.1MATLABsimulationmodelofexcitedsynchronousmotor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.3.2thegivenandoutputwaveformofthespeed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.