三相交流电机变频调速矢量控制系统设计.doc

三相交流电机的变频调速矢量控制系统设计 　　摘#8195;要 本文阐述了矢量控制理论，提出了基于DSP的三相交流电机变频调速矢量控制系统，介绍了该系统的硬件组成以及实现方法。 　　关键词 三相交流电机；变频调速；矢量控制；DSP 　　中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)112-0171-01 　　 　　随着计算机技术、自动控制技术和电力电子技术的进步，交流电机的变频调速技术有了飞速的发展，并以其卓越的性能、显著的节电效果应用于运输、家电和矿山开采等各个领域，代表了电气传动的主流方向。早期的变频调速主要采用恒压频比控制方式，所依据的是电动机稳态等效电路和稳态转矩公式，与调速性能优异的主流传动系统相比，它的静、动态性能还不能达到直流双闭环系统的水平。为了解决这类问题，许多学者提出了各种改进方案，而矢量控制技术的提出对于交流电机的控制理论来说具有里程碑的意义，它使得异步电动机可以实现高性能控制。 　　1 矢量控制技术 　　矢量控制技术史一种高性能的交流电动机调速控制理论和控制技术，它的出发点是模仿控制直流电动机的方式来控制交流电动机，把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，采用坐标变换的方法实现交流电机的转速可磁链控制的解耦。 　　1.1 矢量控制的基本思路 　　在不考虑电枢反应和磁场饱和情况下，直流电机的输出转矩为： 　　Te=Gaf Ia If 　　式中：Gaf表示直流电动机的运动电动势常数；Ia表示电枢电流；If表示励磁电流。 　　在直流电机中，由励磁电流产生的磁链与由电枢电流产生的电枢磁链是垂直的，二者在空间上自然垂直或者解耦。也就是说，改变电枢电流对于由励磁电流产生的磁链来说不受影响；而改变励磁电流时，则只影响它本身所产生的电流，由电枢电流产生的电枢磁链则不受影响。 　　如果把三相异步电动机放在一个同步旋转的参考坐标系中进行控制，则稳态时的正弦变量呈现为直流量，此时的异步电动机可获得类似于直流电动机的性能特性。 　　1.2 矢量控制基本方程 　　在同步旋转的MT坐标系中，将M轴方向固定在转子磁场方向，T轴与其垂直，对于笼型异步电机，由于转子短路，有um=ut=0，因此电压方程可表示为： 　　结合磁链方程可得： 　　上式表明，转子磁链Ψr和T轴电流iT无关，仅由M轴电流iM产生，因此，iM被称为定子的励磁电流分量。如果转子磁链Ψr保持不变，即pΨr=0，则im=0，而Ψr=LmiM，也就是说，Ψr的稳态值有iM唯一决定。如果Ψr是变化的，Ψr与iM之间的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数是转子励磁时间常数。 　　类似的，我们可以得到以下两式： 　　以上三式就构成了按转子磁场定向的矢量控制系统的基本方程式。 　　2 矢量控制系统 　　三相电动机的变频调速矢量控制系统分为两种，一种是转速、磁链闭环的直接矢量控制系统，另一种是磁链开环的间接矢量控制系统。 　　2.1 转速、磁链闭环的直接矢量控制系统 　　直接矢量控制系统主要由磁链观测环节、测速环节、矢量变换运算环节、转速调节器、电压源型逆变器以及负载三相电动机组成。采用PI调节器控制角速度和转矩，并作为磁链调节器，VR-1环节实现定子电流由同步旋转的MT坐标系向静止的αβ坐标系的变换，2 s/3 s变换环节可以实现定子电流由静止的αβ坐标系向三相ABC坐标系的转换。 　　采用直接矢量控制的系统，必须准确控制电磁转矩，由此才能实现角速度的精确调解。系统中的电磁转矩由转速调解器的输出给定，定子电流转矩分量由转矩调节器的输出给定，定子电流励磁分量由磁链调解器的输出给定，与电流转矩分量一起经过矢量旋转变换和2 s/3 s变换，得到定子的三相给定电流，给定电流经过PWM调节器运算，实现对逆变器功率开关的通断控制。 　　直接矢量控制系统精度高，可以实现磁链和转矩的完全耦合控制，可以作为高性能的变频调速系统，但是系统的构成比较复杂，而且运算步骤较多，运行比较慢。 　　2.2 磁链开环的间接矢量控制系统 　　相比直接矢量控制系统，磁链开环的间接矢量控制系统的磁链观测算法比较简单，而且可以避免运算偏差对闭环控制的影响。转差型间接矢量控制系统主要由速度调节器、电流调节器、晶闸管可控整流器、电流逆变器等组成，通常使用PI调节器作为速度调节器和电流调节器。 　　与直接矢量控制系统不同，间接矢量控制系统结构简单，而且运算过程容易实现，运算量小。只要保证转子磁链的大小不变，检测出电动机转子的角速度，根据公式推算出相应的转差角速度，以两者之和的积分进行磁场定向，就可以实现间接矢量控制。在间接矢量控制系统中，MT坐标系的磁场方向由给定信号和基本方程的相关运算确定，在实际控制过程中，可能会出现实际参数与基本方程中设定的