矢量变换控制的异步电动机变频调速系统是一种高性能的调速系统，已经在许多需要高精度、高性能的场合中得到应用。以矢量变换为基础的许多控制方法，诸如无速度传感器控制、自适应控制等正在发展中。本文对异电动机变频调速系统进行了研究、利用异步电动机在二相同步旋转MT坐标系下的数学模型，使用MATLAB中的仿真工具箱SIMULINK分别对开环控制系统和闭环矢量控制变频调速系统进行了仿真。在开环控制系统的仿真中，推导出一种异步电动机在MT坐标系下的仿真模型、该模型具有结构简单、表静态、动态性能良好的特点，同时这个仿真模型也用于闭环系统。在闭环控制系统的仿真中，设计一个速度、磁链闭环的电流滞环型PWM变频调速系统，并且使这个闭环系统在SIMULINK中加以实现。本文同时还应用非线性反馈解耦理论将矢量控制的闭环系统分解为线性化的转速子系统和转子磁链子系统，两个子系统中的速度调节器和磁链调节器可按线性理论设计。仿真结果证明这两个变频调速系统具有良好的动态性能。其中的一些仿真模块也可用于其它控制策略的变频调速成系统中。
Vector-control VVVF system of asynchronous motor is a high performance speed-control system and has been used in a lot of situations of high precision and high performance. In the base of vector-control, some control methods are developing, for example speed-sensorless control and self-adaptation control .This thesis make a study on Vector-control VVVF system of asynchronous motor. In the course of study，making use of the mathematical model of asynchronous motor in MT axes . Then both open-loop control system and close-loop vector-control system are respectively simulated with simulation block SIMULINK in MATLAB. In the course of open-loop control system，the simulation model of asynchronous motor is obtained and realized in SIMULINK . This simulation model’s structure is simple and its static and dynamic performance is good. In the process of close-loop vector-control system, the author designed a model of current delay-loop PWM vector-control VVVF system which includes speed and magnetic double close-loops and realized it in SIMULINK. This paper also use nonlinear feedback decoupling theory to decouple the vector-control close-loop system into linear decoupling of rotor speed and rotor flux linkage subsystems .The speed regulator and flux linkage regulator of these two linear subsystems can be designed with classical linear theory . The simulation result has proved this two VVVF systems has better static and dynamic performances. Some simulation models are also used in other VVVF control strategy systems.
Keywords: Asynchronous motor Speed adjustment by frequency conversion Vector-control Mathematical simulation Regulator Decoupling
目 录
第1章 绪论........................................................ 1
1.1 交流调速系统的发概况..................................... 1
1.1.1 大容量交流调速系统的发展概况......................... 1
1.1.2 中、小容量变频装置的发展概况......................... 2
1.2 方案论证................................................. 4
1.2.1 调速控制方法及选择................................... 4
1.2.2 矢量控制与其他方案的比较............................. 4
1.2.3 矢量控制系统的优点................................... 5
1.3 仿真工具语言MATLAB简介.................................. 5
第2章 矢量变换控制的变频调速系统................................. 8
2.1 异步电机的数学模型....................................... 8
2.1.1 异步电动机在三相静止ABC坐标系下的基本方程式..........8
2.2 异步电动机矢量变换控制................................... 9
2.2.1 矢量变换控制的原理.................................. 9
2.2.2 矢量变换控制的分类..................................12
2.2.3 坐标变换和变换阵....................................12
2.2.4 异步电动机在任意两相旋转坐标系下的数学模型..........13
2.2.5 异步电动机在任意两相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模型.............................................................14
2.2.6 矢量控制的基本方程式................................16
第3章 开环控制的异步电动机变频调速系统在SIMULINK中的实现........18
3.1 异步电动机在SINULINK中的实现.............................18
3.2 坐标变换的仿真模型........................................19
3.3 SPWM逆变器的仿真模型..................................... 21
3.4 交流调速系统仿真..........................................21
第4章 转速、磁链双闭控制系统的电流滞环型PWM变频调速系统在SINMULINK中的实现...........................................................22
4.1 矢量控制系统的框图........................................22
4.2 双闭环控制电流的滞环型PWM变频调速系统的仿真模型..........23
4.3 系统中的主要单元及其在SIMULINK中的实现...................25
4.3.1 坐标变换的仿真模型..................................25
4.3.2 电流滞环型PWM逆变器的仿真模型......................25
4.3.3 转子磁链观测器的仿真模型............................27
4.3.4 调节器的设计........................................28
4.4 仿真结果..................................................34
第5章 硬件电路设计及实现.........................................36
5.1 系统总体介绍..............................................36
5.2 主回路设计................................................36
5.2.1 IPM模块............................................ 37
5.2.2 各种保护功能介绍....................................39
5.3 控制电路的设计和实现......................................40
5.3.1 TI的DSP芯片TMS320F240的介绍...................... 40
5.3.2 事件管理器模块..................................... 42
5.3.3 AD转换模块......................................... 43
5.4 电流检测电路设计..........................................44
5.5 电机转速和位置检测电路....................................45
5.6 其他外围电路设计..........................................47
5.6.1 基准电压............................................47
5.6.2 通信模块............................................48
5.6.3 快速闪存RAM........................................ 48
设计总结...........................................................49
致 谢...........................................................50
参考文献...........................................................51
附录1 硬件图..................................................... 52
附录2 软件流程图................................................. 53
七十年代初，矢量控制技术提出以后，交流电机控制系统的性能不断得到改善。目前，PWM供电的交流电机调速系统在中小功率电气传动领域中得到广泛的应用。
1.1 交流调速系统的发展概况
由于控制理论上的突破和电力电子技术的迅猛发展,变频调速装置和交流调速系统的发展十分迅速。其发展概况简述如下：
1.1.1 大容量交流调速系统的发展概况
1980年8月东芝公司为日本大同特殊钢公司星崎钢厂二重式可轧机提供的晶闸管交—交变频器供电的笼型异步电机传动系统投产，额定功率1800KW，在世界上率先采用矢量变换控制原理实现了大容量交流电动机传动，揭开了大容量、高性能交流传动系统工业应用的序幕。15年来，大容量交流传动系统的容量不断扩大，性能不断提高，其发展方向是多品种、数字化控制、提高性能指标和扩大单机容量。大容量、高性能交流传动系统主要有下列六种类型：
晶闸管无环流交—交变频器供电的同步电动机传动系统
晶闸管无环流交—交变频器供电的异步电动机传动系统
晶闸管有环流交—交变频器供电的同步电动机传动系统
晶闸管有环流交—交变频器供电的异步电动机传动系统
晶闸管交—直—交电流型变频器供电的无换向器电动机传动系统
GTO交—直—交电压型PWM变频器供电的异步电动机传动系统
1. 无环流交—交变频器供电的交流传动系统适用于低速大容量场合，像初轧机、厚板轧机、钢管轧机、矿井提升机、选矿机、水泥窑设备及船舶主推动器等。采用晶闸管多重化技术，单机容量可以超过10000KW。例如被称世界上最大的轧钢机的比利时SIDMAR初轧机，由法国ALstho公司提供的无环流交—交变频器同步电动机传动系统，主传动为2*12000KW，额定电压为5900V，额定转速 58.5r/min，弱磁运行最高转速为 120r/min,最高工作频率为12Hz，采用矢量变换控制，从零速到最高速的加速时间公为1.2s。
2. 有环流交—交变频器供电的交流传动系统适用于中高速、大容量、性能要求很高的场合，像带钢冷连轧机、可逆冷轧机、卷取机、热轧厂精轧机等。与无环流相比，有环流交—交变频器正、反向两组晶闸管交替工作过程中无零电流死区，响应速度快，转矩脉动小、最高速度高。如新日铁八幡钢厂冷轧机交流传动系统采用了笼型异步电动机，单机容量为6400kW，采用4000V/1500A晶闸管组成的交—交变频器和矢量变换控制。
3. 无换向器电动机是一台同步电动机和晶闸管变流器的总称。无换向器电动机采用自控式变频，变频器可以采用交—交变频器，也可以采用交—直—交电流型变频器。由于交—直—交电流型变频器所用晶闸管数少，耐压要求低，所以得到了广泛应用。采用交—直—交电流自控式变频器供电的无换向器电动机传动系统适用于高速、大容量场合，像风机、泵类、压缩机以及大型同步电动机起动等。例如Siemens公司为美国Racoon电站425MVA大型扬水发电机配套的20MWA无换向器电动机运行方式的起动设备早在1979年投入运行。
4. GTO电压型PWM变频器供电的异步电动机传动系统适用于从低速到高速的中大容量、高性能 的应用场合，像造纸机、海洋石油钻机、冷轧机及船舶推进等。其装置容量及性能已经达到：
容量范围：500～8000KW
变频范围：0～50Hz
调速范围：1：1000
速度控制精度： 0.01％（最高转速时）
控制方式：PWM方式，矢量控制，多CPU全数字化控制
例如，日本淀洲制铁公司采用的日立公司GTO电压型变频器—笼型异步电动机轧机传动系统，采用4500V/3000A GTO、PWM方式、全数字化矢量控制，变流器容量为6210kVA,电动机功率为3900kW（六极），最高转速为1000r/min,可以四象限运行。
在控制技术方面，新的大容量交流传动系统大都采用多微处理机(CPU)全数字化控制。多CPU及高速数字信号处理器DSP的应用大大提高了计算和处理速度，不但能够快速完成多任务，而且促使诸如状态观测器、参数估计器、仿真器、非线性解耦等现代控制理论和技术实用化，大大提高了系统的控制性能。
1.1.2 中、小容量变频装置的发展概况
习惯上把600KW以下的变频调速系统划分为中、小容量范围。中、小容量变频装置发展的特点是通用化、系列化和规模化生产。日本是世界上变频器产量最大的国家，中、小容量变频器在中国的市场也最大。以富士、三肯公司最早，其后很多公司的产品也先后进入中国市场。欧美不少厂家的产品也进入了中国市场，如美国的AB公司，英国的CT公司，德国的Siemens公司，欧洲的ABB、AEG公司等。中、小容量变频器几乎全都采用二极管整流，自关断器件逆变的交—直—交电压型变频控制方式，输出正弦电流。最新的产品全都采用微机全数字化控制。通用化是中、小容量变频器最突出的特点，其表现为：
1. 输出频率范围宽 目前通用变频器的输出频率可达400Hz或更高，不但能用于工频电动机的调速，而且可用于中频电动机的调速控制。
2. 高精度和高分辩率 最新的变频器其频率分辨率和控制精度可以达到0.002Hz，以适应精调速场合的需要。
3. 转差补偿功能 由于采用了32位微机或DSP高速数字化控制，能够进行瞬时转矩检测和运算，根据负载转矩的大小对转差进行补偿，使异步电动机在转速开环的情况下也能够得到硬特性，以满足要求稳速运行的需要。
4. 转矩提升功能 瞬时转矩检测或控制可使起动时电动机的转矩增加到额定转矩的150％，以适应像窑炉、起重机等要求大起动转矩设备的需要。
5. 转矩限定功能 通过对转差的控制可将电动机的转矩限定在预置的某一个值，因而在运行中不会因负载突变导致变频器过电流而跳闸。
6. 自动加、减速 利用转矩限定功能，在加、减速过程中可以根据负载转矩的大小自动调整加、减速时间，以免瞬时转差过大或制动过程泵升电压过高而跳闸。
7. 避开某一频率 在起动过程或稳定运行时，通过预置而避开在某一频率上运行，以免产生机械共振。
8. 瞬时停电自动再起动 短时间的供电电源故障，由于存在机械惯性，在电源恢复后电动机的转速可能尚未降到零。变频器可以根据电源恢复时电动机的实际转速计算出对应的输出频率，以此频率为起始频率使电动机重新起动并加速到停电前的运行状态，以适应不允许停电设备的需要。
9. 通信与联网功能 最新的变频器均设有RS-485、RS-482等通信接口，以备联网运行。
10. 参数预置功能 为满足不同用户的需要，各种运行参数均可预先设置。象V/F曲线、转矩提升曲线、转矩限定曲线等，一般有几十种可供选择。起，制动时间的选择范围宽达0.2～3600s, 起制动曲线可以选择线性加减速，也可选择指数曲线或S曲线加减速。转差补偿的程度，即机械特性的硬度也可以预置。一般变频器可预置的参数有十几种之多，因而可以满足各类传动系统的要求。
通用化的另一表现为系统结构的模块化，即通过更换不同的控制模板可以使通用变频器增加用途而不增加成本。
目前，中、小容量变频器正朝着小型化、低噪声、智能化和高性能的方向发展。IGBT的开关频率可以超过20kHz，可以使变频器输出电流的谐波很小并实现静音。专用集成电路、现场可编程门阵列以及计算机—电路一体化的智能功率模块器件的应用，使变频器的体积大大减小。已制成了将控制器、驱动电路、功率变流器集成为一体的微型变频器，如日本富士公司的KST系列和三菱公司的FR2系列变频器。美国一家公司最近推出的变频器电动机已将变频器装入电动机中，成为真正智能电动机
1.2.1 调速控制方法及选择
近些年来，我国在交流电动机调速系统的应用方面，有了很快的发展，异步电动机有多种调速方法，例如；调压调速，串级调速，变频调速等。随着新型功率元件的出现和微型计算机的广泛应用，变频调速系统得到了空前的发展，在各个国家得到广泛应用。用感应电动机代替直流电动机控制的传动系统相继出现和实用化，本系统采用调速控制的方法对异步电动机进行控制。
1.2.2 矢量控制与其他方案的比较
异步电动机的数学模型是一个高阶、非线形、强耦合的多变系统。三相异步电动机的多变量数学模型由电压矩阵方程式、磁链矩阵方程、和运动方程组成。由于它有一上很复杂的电感矩阵，整个数学模型相当复杂，很难用来分析问题，通常都采用坐标变换的方法加以改造。坐标变换的基本概念是，以产生相同的旋转磁动势为准则，建立三相交流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组的直流电机模型。具体的变换阵有三相/二相变换阵C3/2及其反变换阵C2/3、二相旋转变换阵C2r/2s和C2s/2r 、直角坐标/极坐标变换公式。
在进行异步电动机数学模型变换时，定子三相绕组和转子三相绕组都得变换到等效的二相绕组上去。等效的二相模型之所以简单，主要是由于两轴互相垂直，它们之间没有互感的耦合关系，不象三相绕组那样在任意两相之间都有互感联系。等效二相模型可以建立在静止坐标系上，也可以建立在旋转坐标系上，其中建立在二相同步旋转系上的模型有一个突出的优点；当原来三相变量是正弦函数时，等效的二相变量是直流，在此基础上，如果再将二相同步旋转坐标系上按转子磁场定向，即采用M、T坐标系——沿转子总磁链矢量为M轴，逆时针转90度与总磁链矢量方向垂直的方向为T轴，则电压矩阵方程中会出现几个零元素，意味着多变量之间部分的解耦，而转矩方程可以简化得和直流电机的转矩的方程非常相似了。
下面通过对这两种方案的比较讨论，从而选择更为合适的方案进行设计。
方案一: 矢量控制系统。通过坐标变换可使之降阶并简化，既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么模拟直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应坐标变换，就可以控制异步电动机。
