异步电机矢量控制研究
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摘要
由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。在现代微机技术的快速发展下，计算机运行速度不断提高，指令的执行速度也达到了前所未有的高度，使得复杂算法应用计算机来进行实时运算、执行成为可能。经过最近十几年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经优于直流调速系统。
目前广泛研究应用的异步电动机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电动机矢量控制调速方法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有动态性能和低速性能好、调速范围宽等优点。
本文对异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述。通过对异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍，建立了异步电动机在不同坐标系上的数学模型，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强藕合的非线性系统。
在对异步电动机的矢量控制原理进行阐述时，给出了矢量变换方法实现的步骤，并依次说明了三相异步电动机数学模型是如何解耦的。在论述了二相异步电功机的磁场定向原理后，介绍了转子磁链的计算方法并设计了转子磁链观测器。
详细地分析了磁通调节器，转矩调节器和转速调节器的工作原理，并设计了磁通调节器，转矩调节器，转速调节器。以DSP为控制核心，设计了异步电动机的矢量控制系统的硬件，并编制了软件程序。
运用MATLAB的工具软件SIMULINK对磁通闭环的矢量控制系统进行仿真，给出了仿真结果，并对仿真结果进行了分析。
As a result of the limitation of direct-current speed control modulation and thesuperiority of alternating speed control modulation and the unceasing development ofcomputer technology and electric power electronic device, the frequency conversion velocitymodulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. The rapiddevelopment of microcomputer technology, the continous improvement of the computerrunning speed and the execution speed of instruction have made it possible that complexalgorithm carries on the true-time operation and execution by using computers. After theapplication and development in the past 10 years, the frequency conversion velocitymodulation performance of asynchronous motor has surpassed the direct current velocitymodulation system.
At present, the asynchronous motor velocity modulation, vector control and direct torquecheck etc. are in detailed studies. This papar discusses the modulation method ofasynchronous motor, which has the advantages of superior dynamic and low-speedperformanc and wide velocity modulation scope.
This paper analyzes and elaborates the mathematical model establishment of theasynchronous motor. It has established the mathematical models of asynchronous motors indifferent coordinate system and has shown that the model characteristics of the asynchronousmotor is a nonlinear system with more than one variables.
This paper points out the process of implementing vector transformation and explainshow to work in pairs in the mathematical models of asynchronous motors in turns whileelaborating the vector control principles in asynchronous motor. It introduces thecomputational method of rotor flux linkage and designed the visualizer for rotor flux linkage.
This paper analyzes the working principles of magnetic flux regulator, torqueregulator and RPM control and has designed all of them. Taking DSP as the control core, ithas also designed the hardware of the vector controlling system in the asynchronous motorand has written the software program.
It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the controlling system of magnetic closed loop vector and to give the simulation result and theanalysis of the result.
目前广泛研究应用的异步电动机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电动机矢量控制调速方法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有动态性能和低速性能好、调速范围宽等优点。
本文对异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述。通过对异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍，建立了异步电动机在不同坐标系上的数学模型，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强藕合的非线性系统。
在对异步电动机的矢量控制原理进行阐述时，给出了矢量变换方法实现的步骤，并依次说明了三相异步电动机数学模型是如何解耦的。在论述了二相异步电功机的磁场定向原理后，介绍了转子磁链的计算方法并设计了转子磁链观测器。
详细地分析了磁通调节器，转矩调节器和转速调节器的工作原理，并设计了磁通调节器，转矩调节器，转速调节器。以DSP为控制核心，设计了异步电动机的矢量控制系统的硬件，并编制了软件程序。
运用MATLAB的工具软件SIMULINK对磁通闭环的矢量控制系统进行仿真，给出了仿真结果，并对仿真结果进行了分析。
As a result of the limitation of direct-current speed control modulation and thesuperiority of alternating speed control modulation and the unceasing development ofcomputer technology and electric power electronic device, the frequency conversion velocitymodulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. The rapiddevelopment of microcomputer technology, the continous improvement of the computerrunning speed and the execution speed of instruction have made it possible that complexalgorithm carries on the true-time operation and execution by using computers. After theapplication and development in the past 10 years, the frequency conversion velocitymodulation performance of asynchronous motor has surpassed the direct current velocitymodulation system.
At present, the asynchronous motor velocity modulation, vector control and direct torquecheck etc. are in detailed studies. This papar discusses the modulation method ofasynchronous motor, which has the advantages of superior dynamic and low-speedperformanc and wide velocity modulation scope.
This paper analyzes and elaborates the mathematical model establishment of theasynchronous motor. It has established the mathematical models of asynchronous motors indifferent coordinate system and has shown that the model characteristics of the asynchronousmotor is a nonlinear system with more than one variables.
This paper points out the process of implementing vector transformation and explainshow to work in pairs in the mathematical models of asynchronous motors in turns whileelaborating the vector control principles in asynchronous motor. It introduces thecomputational method of rotor flux linkage and designed the visualizer for rotor flux linkage.
This paper analyzes the working principles of magnetic flux regulator, torqueregulator and RPM control and has designed all of them. Taking DSP as the control core, ithas also designed the hardware of the vector controlling system in the asynchronous motorand has written the software program.
It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the controlling system of magnetic closed loop vector and to give the simulation result and theanalysis of the result.
引文
[1] 刘国海．交流电机输入输出自适应解耦控制．电工技术学报，2002，17(1)12-16．
[2] 梁淼，焦定江．数字式单芯片变频调速控制器．机械与电子，2000，21(5)：32-43．
[3] 黄珍，汤柳明．TMS320C240在交流变频调速系统中的应用．武汉交通大学学报，2000，23(3)：46-56．
[4] 薛琪伟．一种基于DSP的空间矢量调制算法研究．中小型电机，2003，30(6)：52-63．
[5] 刘小河，臧健．基于DSP的SPWM直接面积等效算法的分析与实现．现代电子技术，2003，106(3)：74-85．
[6] 卢慧芬．基于DSP的SPWM控制波形生成的一种方法．机电工程，2002，19(5)：87-97．
[7] 张红莲．应用DSP实现SVPWM的变频调速控制．水利电力机械，2004，26(1)：34-45．
[8] 王晶晶，徐国卿等．基于DSP的两种SVPWM技术实现方案研究．电工技术杂志，2003，34(1)：23-31．
[9] 郑大钟编著．线性系统理论．清华大学出版社．1990年3月第1版．
[10] 吴学光，张学成等．异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用．电网技术．1998，6(6)：68-72．
[11] 郭庆鼎，王成元编著．异步电动机的矢量变换控制原理及应用．沈阳：辽宁人民出版社．1988．
[12] Kazm Ierkow Skim Petal. A Novel Vector Control Scheme for Transistor PWM Inverterfed Induction Motor Drive. IEEE Trans. on Ind Electron, 1991, 38(1): 134-145.
[13] Marino R, et al. Global Adaptive Output Feedback Control of Induction Motors with Uncertain Rotor Resistance. IEEE Trans. Automatic Control. 1999,44(5):967-983.
[14] Scott Wade, Matthew. A New Method of Rotor Resistance Estimation for Vector-Controlled Induction Machines. IEEE Trans. on Industrial Electronics 1997, 44(2): 247-257.
[15] Seong-Hwan Kim, Tae—SikPark, Ji-Yoon YOO. Speed-Sensorless Vector Control of an Induction Motor Using Veural Vetwork Speed Estimation. IEEE Trans. on Industrial Electronics 2001,48(3):452-463.
[16] Hisao Kubota, Kouki Mastsuse, Takavoshi Nakano. DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor. IEEE Trans. on Industry Applications, 1993,29(2): 254-267.
[17] Ma Qindi. Modeling Gate Control for AC Motor Variable Frequency Speed Control System. Electric Drive, 1997, 1: 34-36.
[18] Chen Shaotang. Medeling of Motor Mearing Curents in PWM Inverter Drives, IEEE Trank, 1996, 32(6)67-78.
[19] Wei Kexin. IGBT Gate Drive Circuit. Electric Drice, 1997,3:3-8.
[20] Tanaka K, Sno M. Frequency Shaping for Fuzzy Control System with Unknown Nonlinear Plants Bu a Learning Merhod of Neural Network. Fuzzy Sets and Systems, 1995,71(1):71-84.
[21] Benhaddadi M, Yazid K, khaldi R. An Effective Identification of Fotor Resistance for Induction Motor Vector Control. IEEE lnstrumentation and Measurement. 1997, 19(5)54-67.
[22] Peng F Z, Fukao T. Robust Seed Identification for Speed-Sensor-Less Vector Control of Induction Motors. IEEE Trans. on Industry Applicators, 1994, 30(5): 1234-1240.
[23] Gilberto C D Sousa. A Fuzzy Set Theory Based Control of a Phase-Controlled Converter DC Machine Drive. IEEE Trans. on Industry Application, 1994,30(1)134-156.
[24] 符曦编著．感应电动机的矢量控制及应用．机械工业出版社．1986年2月．
[25] 马小亮编著．大功率交-交变频调速及矢量控制技术。机械工业出版社．1999年7月第二版．
[26] 王成元，周美文，郭庆鼎．矢量控制交流伺服驱动电机．北京：机械工业出版社，1994．
[27] 李崇坚．交流电机变频调速控制系统的探讨．中国工控网，2004．
[28] 高压变频器在混铁炉除尘风机上的应用．《变频器世界》网络版．中国自动化网，2004．
[29] 周绍英．交流调速系统．北京：机械工业出版社，1996．
[30] 李永东．交流电机数字控制系统．北京：机械工业出版社，2002．
[31] 张燕宾．电动机变频调速图解．北京：中国电力出版社，2003．
[32] 吴守滚，减英杰．电气传动的脉宽调制控制技术．北京：机械工业出版社，1997。
[33] 陈国呈．PWM变频调速及软开关电力变换技术．北京：机械工业出版社，2001．
[34] 张少军，杜金城．交流调速原理及应用．北京：中国电力出版社，2003．
[35] 郭新，冯丽辉，陈显宁．交流异步电动机全数字矢量控制方法的实现．四川大学学报自然科学版，2004．10(增刊)：317-321．
[36] 陈贤明，陈柳平．速度传感器交一交变频调速矢量控制系统的研究．电器传动，1998，28(3)：3-6．
[37] 吴广玉．系统辨识与自适应控制．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1987．
[38] 李华德．交流调速控制系统．北京：电子工业出版社，2003．
[39] 韩曾晋．自适应控制系统北京：机械工业出版社，1983．
[40] 奥斯特隆姆K J，威顿马克B．自适咚控制北京：科学出版社，1992．
[41] 夏超英．交直流转动系统的自适应控制．北京：机械工业出版社，1985．
[42] 黄英哲，董胜源．TMS320C240原理与C语言控制应用实习．北京：中国水利水电出版社，2003．
[2] 梁淼，焦定江．数字式单芯片变频调速控制器．机械与电子，2000，21(5)：32-43．
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