異步電機(jī)矢量控制方案的研究

　　矢量控制是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種高性能交流電機(jī)調(diào)速理論，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，矢量控制無(wú)論在理論上還是在技術(shù)上都逐漸走向成熟。發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域已走在前列，已成功將矢量控制技術(shù)應(yīng)用到電力機(jī)車(chē)牽引上，使電力機(jī)車(chē)的性能得到顯著提高。但國(guó)內(nèi)將矢量控制應(yīng)用到大功率場(chǎng)合的研究卻很少，中國(guó)北車(chē)集團(tuán)電力牽引研發(fā)中心致力于我國(guó)交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)中國(guó)北車(chē)集團(tuán)電力牽引研發(fā)中心欲引進(jìn)ALSTHOM公司先進(jìn)的電力機(jī)車(chē)矢量控制技術(shù)，特地設(shè)立了“矢量控制前期研究”項(xiàng)目，想在矢量控制技術(shù)上有一個(gè)初步的了解和掌握，為下一步的引進(jìn)、吸收積累經(jīng)驗(yàn)，鋪平道路。本文在此項(xiàng)目的支持下對(duì)矢量控制展開(kāi)了初步的研究。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)所介紹的各個(gè)矢量控制方案進(jìn)行了深入的分析比較，決定采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電壓解耦型矢量控制，根據(jù)其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速、磁鏈、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器。矢量控制的一個(gè)重要部分就是對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)，本文采用一種改進(jìn)的電壓電流組合式轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，提商了觀測(cè)的精度。本文采用 S阡阡M調(diào)制技術(shù)，詳細(xì)介紹了其調(diào)制原理，探索了SVPWM技術(shù)在大功率調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文對(duì)設(shè)計(jì)好的矢量控制方案采用此4兒船／&M見(jiàn)Ⅸ軟件進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的矢量控制方案實(shí)現(xiàn)了定予電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的解耦具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。根據(jù)所設(shè)計(jì)的矢量控制方案，本文設(shè)計(jì)了以玎公司生產(chǎn)的主頻高達(dá)150Etz的 32位DSP芯片TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)，完成了控制電路和控制軟件的設(shè)計(jì)，并采用髓軟件編寫(xiě)了上位機(jī)監(jiān)控界面。論文采用小功率和大功率相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，兩個(gè)功率等級(jí)的實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)控制系統(tǒng)切實(shí)可行，控制性能良好。

　　1矢量控制產(chǎn)生的背景在20世紀(jì)60年代以前，全世界電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中高性能調(diào)速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而絕大多數(shù)不變速傳動(dòng)則使用交流電機(jī)。到了60一70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了采用電力電子變換器的交流調(diào)速系統(tǒng)。再后來(lái)隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代控制理論的深入應(yīng)用，交流調(diào)速控制策略取得不斷突破：先后出現(xiàn)了調(diào)速性能比較好的恒V／F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制，這些控制方式的靜態(tài)性能比較好，實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)在一定范圍內(nèi)調(diào)速要求，但由于其控制思想基于交流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律，在動(dòng)態(tài)特性、低速轉(zhuǎn)矩特性方面，還不能與直流調(diào)速相媲美，從而使其應(yīng)用范圍受到了很大限制。但直流電機(jī)本身具有許多難以克服的缺點(diǎn)：例如，電刷和換向器必須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境收到限制，換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等等（極限容量與轉(zhuǎn)速之積大約 106kW·，／min）【II。而相比之下，交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維護(hù)方便且效率高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用很廣泛。所以發(fā)展高性能交流調(diào)速系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的迫切要求，意義重大。眾所周知，晶閘管供電的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性，其根本原因是作為它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩可以分別加以控制。那么交流電動(dòng)機(jī)是否能模仿直流電動(dòng)機(jī)控制規(guī)律分別對(duì)其勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制呢？矢量控制就是實(shí)現(xiàn)這種控制思想的新一代高性能交流電機(jī)控制理論。矢量控制（Vector Contr01）又稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制（Field Oriented Contr01），就是將交流電機(jī)空間磁場(chǎng)矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向，通過(guò)坐標(biāo)變換將電機(jī)定子電流正交分解為與磁場(chǎng)方向一致的勵(lì)磁電流分量和與磁場(chǎng)方向垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量，然后就可以像直流電機(jī)一樣對(duì)勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量分別進(jìn)行控制。矢量控制理論1968年首先由Darmstader_-E科大學(xué)的Hasse博士提出。1971年 s刪MENs公司的Blaschke又將這種一般化的概念形成系統(tǒng)理論，以磁場(chǎng)定向控制的名稱(chēng)在Siemens Review上發(fā)表，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。矢量控制理論的提出為交流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)辟了廣闊的空間12】【，】I”