感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　1　引言

　　近年來，隨著電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得感應(yīng)電動機在可調(diào)傳動中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。矢量控制策略的提出，更是實現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，其控制效果可媲美直流電動機。

　　本文在分析感應(yīng)電動機矢量控制原理的基礎(chǔ)上，基于matlab/simulink建立了感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果證明了該模型的合理性。并在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，通過實驗驗證控制策略的正確性。

　　2　矢量控制的基本原理

　　長期以來，直流電動機具有很好的運行特性和控制特性，通過調(diào)節(jié)勵磁電流和電樞電流可以很容易的實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。因為它的轉(zhuǎn)矩在主磁極勵磁磁通保持恒定的情況下與電樞電流成線性關(guān)系，所以通過電樞電流環(huán)作用就可以快速而準(zhǔn)確地實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，不僅使系統(tǒng)具有良好穩(wěn)態(tài)性能，又具有良好的動態(tài)性能。但是，由于換向器和電刷的原因，直流電動機有它固有的缺點，如制造復(fù)雜，成本高，需要定期維修，運行速度受到限制，難以在有防腐防暴特殊要求的場合下應(yīng)用等等。

　　矢量控制的設(shè)計思想是模擬直流電動機的控制特點進行交流電動機控制?；诮涣麟妱訖C動態(tài)模型，通過矢量坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機的數(shù)學(xué)模型，使交流電動機的動態(tài)模型簡化，并實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。然后按照直流電動機模型設(shè)計控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。

　　在根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，感應(yīng)電動機矢量控制系統(tǒng)的控制方程為：

(1)

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　　從式(1)中可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅由定子電流勵磁電流ism產(chǎn)生，與定子電流轉(zhuǎn)矩分量ist無關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩te正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，這充分說明了感應(yīng)電動機矢量控制系統(tǒng)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向可以實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的完全解耦。

　　按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確定向。但是，轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測非常困難，而利用磁鏈模型間接估算磁鏈的方法又受到電機參數(shù)變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確。因此，與其用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準(zhǔn)，不如采用磁鏈開環(huán)控制，使得系統(tǒng)簡單、可靠。采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，但對于矢量坐標(biāo)變換而言，仍然需要轉(zhuǎn)子磁鏈的位置信號。由此可知，轉(zhuǎn)子磁鏈的計算仍然不可避免，如果利用給定值間接計算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種方法稱為間接定向。間接定向的矢量控制系統(tǒng)借助于矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)[1]。

　　本文設(shè)計了一個轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)。其控制思想是:在控制過程中，使電機轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)冀K保持不變，電機的轉(zhuǎn)矩就能和穩(wěn)態(tài)工作時一樣，主要由轉(zhuǎn)差率來決定。按照這個思路，就可以從轉(zhuǎn)子磁鏈直接得到定子電流m軸分量的給定值，再通過對定子電流的有效控制，避免了磁通的閉環(huán)控制。這種控制方法用轉(zhuǎn)差率和測量的轉(zhuǎn)速相加后積分來估算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，結(jié)構(gòu)比較簡單，所能獲得的動態(tài)性能基本上可以達到直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平。其系統(tǒng)模型如圖1所示。

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　　圖1　轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)原理圖