1、中图分类号：TP273 TP368 论文编号： 学科分类号： 470 密 级： 公 开 安徽理工大学硕 士 学 位 论 文基于 DSP 矢量控制的矿用电机车动力系统改进作者姓名： 专业名称： 电力电子与电力传动 研究方向： 电力电子技术及应用 导师姓名： 金 林 高级工程师 导师单位： 电气与信息工程学院 答辩委员会主席： 论文答辩日期： 年 月 日 安徽理工大学研究生处年 月 日A Dissertation in Power Electronics and Electrical DriveBased on DSP vector control of mine electric locomot
2、ive power system improvementCandidate: Cai WeiminSupervisor: Jin LinThe Engineering College of Electric and InformationAnHui University of Science and TechnologyNo.168, Shungeng Road, Huainan, 232001, P.R.CHINA独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究
3、成果，也不包含为获得 安徽理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：_ 日期：_年_ 月_ 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 安徽理工大学 有保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学 。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后
4、适用本授权书）学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日导师签名： 签字日期： 年 月 日Abstract- 摘 要我国煤炭资源丰富，煤矿用来运送材料和矸石的交通工具中，使用最为普遍的是直流电机车。此种电机车一般采用蓄电池供电，驱动直流电动机牵引车体，调速方法主要采用串电阻方式。用这种方式调速带来的问题是显而易见的，比如价格昂贵、结构复杂、启动时会产生冲击、操作不便、安全保护功能不全、经常发生故障、浪费能源，还可能会产生杂散电流等等。这些问题易造成安全隐患，影响正常的煤矿生产。相比之下，如果改为交流电机驱动，这些问题可以被很好的解决。改造为交流电机驱动的核心工作是控制器的研制。本文重点研究设计
5、了基于DSP2812 的交流电机控制器 ，控制策略采用转子磁链定向的矢量控制，配合模糊PID 控制和 SVPWM 输出， 具有电压利用率高、输出稳定、器件开关损耗小、易于数字化控制等优点。通过选用 TI 公司专用电机控制芯片 DSP2812 不仅可以为方案提供可靠的硬件平台，还可以更好的发挥系统性能。本文首先阐述了课题的研究背景、现实意义和研究现状。然后详细介绍了总体改造方案及控制策略的选择与实现方法。在此基础上，对控制策略进行了仿真分析。在仿真的结果满足了系统的需要后，分别对系统硬件设计、软件设计和实际的系统测试等方面进行详细介绍。其中，硬件部分介绍了 DSP 芯片工作电路、数据采集电路、波
6、形输出电路、数据传输电路等。软件部分着重说明了速度采集原理与程序、电流采样原理与程序、转子磁链定向的原理及编程实现方法，以及SVPWM 波产生的原理、程序实现方法。最后对电机实际运行效果进行了测试，从实际效果检测方案的可行性，同时还对系统开发中的难点：参数辨识和弱磁控制做了说明。全文最后，对本文所做的工作进行了总结，通过总结指出了方案存在的不足及改进方法，为以后的进一步研究指出了方向。图 53 表 8 参 47关键词：电机车；DSP；矢量控制；模糊 PID；SVPWM分类号：TP273； TP368Abstract- I -AbstractChinas coal resources are a
7、bundant,coal mine generally use dc locomotive to arrive material and stone.The dc locomotive use the battery power supply to drive Dc motor traction body,general use of the string of resistance way to adjust the speed.This control method will bring expensive,complicated structure,start impact,operat
8、ion inconvenience,security protection not complete,often malfunctions,wasting energy and produce stray curren.The question will cause potential safety problems,affects normal production.If instead of ac motor drive,these problems can be very good solve.The core of the reconstruction work is the cont
9、roller.This paper focuses on the design of ac motor controller based on DSP2812,use the rotor flux vector control with Fuzzy PID and SVPWM wave output as control strategies,has the advantage of high efficiency,stable output,device switch loss and easy digital control.Choose DSP2812 can provide relia
10、ble hardware platform,still can better use the system performance.This article discussed the research background,the realistic meaning and research status. Then detailed introduced the overall reform plan and the control strategy of the selection and realization method.On this basis,simulation analy
11、sis the control strategy. In the simulation results meet the system need,detailed introduction of the system hardware design, software design and the actual system test.Hardware part introduces digital signal processor (DSP) work circuit,data acquisition circuit,wave output circuit,data transmission
12、 circuit,etc.Software of introduced the speed acquisition,current sampling sequence,rotor flux method,SVPWM wave method.Use MATLAB simulation control strategy,assess the feasibility of the scheme and effect.The last of the motor running effect were tested,and the feasibility of fruit detection schem
13、e,at the same time for development difficulties:parameter identification and weak magnetic control are given.Finally did the summary,points out the deficiency of the scheme and improving methods,for the following further research direction.Figure 53 Table 8 Reference 47Keywords: Electric locomotive,
14、 DSP, Vector control, Fuzzy PID, SVPWMChinese book catalog: TP273, TP368目 录- II -目 录摘 要 IAbstract.II1 绪 论 .11.1 课题研究背景和意义 .11.1.1 课题研究背景 .11.1.2 课题研究意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 课题研究目标和创新点 .31.4 论文章节安排 .42 改造方案与控制策略介绍 .52.1 电机车结构介绍 .52.2 总体改造方案 .62.3 控制策略的选择与介绍 .72.3.1 三相异步电动机控制方案比较 .72.3.2 矢量控制整体实现方案 .10
15、2.3.3 模糊 PID 控制器实现方案 .142.4 小结 .173 控制策略的仿真分析 .183.1 MATLAB 介绍 .183.2 系统仿真模型 .183.3 仿真波形分析 .233.4 小结 .254 硬件设计介绍 .264.1 控制器主芯片的选择与介绍 .264.1.1 控制器芯片选择 .264.1.2 DSP2812 介绍 .274.2 控制器电路设计 .294.2.1 DSP2812 工作电路 设计 .29目 录- III - 4.2.2 电压、电流、温度采集电路设计 .324.2.3 速度测量电路设计 .354.2.4 CAN 总线接口电路设计 364.2.5 PWM 波输出
16、电路设计 .404.3 小结 .425 软件设计介绍 .435.1 编程标准及编程环境 .435.1.1 C 语言汽车工业标准 435.1.2 CCS 编程环境介绍 .445.2 主要程序设计 .475.2.1 电流采集程序设计 .475.2.2 速度测量程序设计 .495.2.3 Clack-Park 变换程序设计 505.2.4 磁链角获得与查表计算程序设计 .515.2.5 SVPWM 波生成程序设计 525.3 小结 .576 系统综合测试 .586.1 测试条件 .586.2 测试结果及分析 .606.3 主要问题说明 .636.4 小结 .647 总结与展望 .65参考文献 .66
17、附录 A 控制器总电路图 .69附录 B 正、余弦值数据表 .70致 谢 .71作者简介及读研期间主要科研成果 .72Contents- IV -ContentsChinese Abstract IAbstract.II1 Introduction .11.1 The background and significance11.1.1 Research Background 11.1.2 Research significance 11.2 Research status at home and abroad21.3 The research target and innovations 31
18、.4 Paper section arrangement.42 Reconstruction scheme and control strategy .52.1 Introduce electric locomotive structure .52.2 The overall reform plan .62.3 Selection and introduced of the control strategy .72.3.1 Contrast three-phase asynchronous motor control method .72.3.2 Introduce vector contro
19、l scheme102.3.3 Fuzzy PID controller scheme 142.4 Brief summary .173 Simulation analysis the control strategy183.1 Introduce MATLAB183.2 Introduces the system model .183.3 The simulation waveform233.4 Brief summary .254 System hardware design 264.1 Introduce the controller chip264.1.1 Choose control
20、ler chip.264.1.2 DSP2812 introduced274.2 To design the controller circuit294.2.1 DSP2812 work circuit design.29Contents- V - 4.2.2 Voltage,current,temperature acquisition circuit design.324.2.3 Speed measurement circuit design 354.2.4 CAN bus interface circuit design.364.2.5 PWM wave output circuit
21、design 404.3 Brief summary .425 System software design .435.1 Programming standards and environment .435.1.1 Car industry standard of C language .435.1.2 Introduce CCS programming environment .445.2 The main program design475.2.1 Current acquisition program design 475.2.2 Speed measurement program d
22、esign .495.2.3 Clack-Park transformation program design.505.2.4 Get flux linkage Angle calculation program design515.2.5 SVPWM wave program design .525.3 Brief summary .576 System comprehensive test586.1 Test conditions.586.2 Test results and analysis 606.3 Illustrating the main problems.636.4 Brief
23、 summary .647 Summarize and prospect65References .66Appendix A Controller total circuit diagram69Appendix B Positive and cosine value data tables .70Acknowledgements .71Resume of author and published papers during master degree .72安徽理工大学硕士学位论文- 0 -1 绪 论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景我国煤炭资源丰富，煤矿生产所使用的运输工具中
24、，使用最多的是防爆直流电机车，它的供电方式主要有蓄电池式和架线式两种。采用直流电动机串电阻方式调速的煤矿电机车，存在效率低、难维护、更换配件频繁等一系列问题 1。另外，使用这种方式启动，会产生下面几个问题。第一是启动电机车时会产生冲击；第二是由于接触器触头经常带电切换，会烧坏触头和连片等；第三是在切换挡位的时候必须要逐级换挡，操控性能差。这些缺点会使耗材种类增多，维修难度加大。最重要的是这种操作方式没有先进的保护措施，容易照成事故隐患 2。并且，一个不容忽视的问题就是架线式电机车还会产生杂散电流。杂散电流指的是在煤矿井下交、直流供电系统中，由于种种原因，电流不按照规定的回路流回电源，而是流向了
25、其他路径，比如流入了导线外皮或者井下水管等产生的电流 3。杂散电流会产生很多问题，比如引起电雷管的超前爆炸、由电流产生的化学作用照成电流流经的导体腐蚀加剧等。尽管有如此多缺点，但是井下电机车包括许多其他类型车辆，还一直采用直流电机调速方式，因为以前交流异步电机的调速性能一直没有直流电机优越，而且控制方法比较复杂不易实现。但是，最近几十年电力电子技术突飞猛进，取得了很多重大突破，微机控制技术也由于各种理论的提出而不断成熟，在电机控制方面矢量控制和直接转矩控制理论的提出大大提升了交流异步电机的调速性能，这样造成了交流异步电机的应用性能已经和直流电机相差无几，且其低廉的价格和简单的结构、可靠的使用性
26、是直流电机无法比拟的。这种优势下，目前在全世界范围内，交流电机的使用范围不断扩大，所占市场的份额逐年增加，其良好的表现已经形成一种巨大的效应，世界各国争相发展交流传动系统，德国在这方面走在了世界前列。在这种背景下，采用交流传动系统来取代现有的直流传动系统是必然的，是社会发展的趋势，井下电机车的改造已经势在必行。1.1.2 课题研究意义在煤矿的生产经营中，安全问题一直以来是最为重要的问题，被放在煤矿工1 绪论- 1 -作的首位，世界各国对煤矿安全不断探索，力争减少煤矿事故。据有关资料表明，在我国的各种安全事故中，煤炭生产伤亡人数占的比重远远大于其它行业。预防安全事故的一项重要措施就是“物防” ，
27、所谓物防，就是将一切可能引起煤矿安全事故的设备进行安全处理。直流电机车由于在安全方面存在隐患，所以是必须要改进的，且由于其在煤矿生产中的重要、普遍性，它的改进更应该受到重视。从经济方面来说，电机车的改造有两方面的意义：第一，若是单纯的重新购买全新的采用交流异步电机牵引的电机车，无疑可以达到安全目的。但是，重新购买电机车花费较大，电机车的价格从十几万到几十万不等，况且如果将以前的电机车全部换下，会照成物资的浪费，有损经济增长，从这点来说，用改进的办法要好的多。第二，有 ：一在 起 动 电 阻 上大 量 的 电 能 白 白 地 消 耗直 流 电 机 车 在 起 动 时 有 资 料 显 示台 7t
28、38000KWh。且对蓄电池电机车来讲，浪费电能能 为的 电 机 车 每 年 浪 费 的 电照成电池充电频繁，不但浪费时间使效率变低，而且会损耗电池的使用寿命，电池价格昂贵，购买更换也要增加成本。另外，直流电动机的电刷和换向器属于易磨损器件，经常更换增加了维修的成本 4。此外，本设计所使用的控制方法，可以大幅度提升车辆的整体性能，矢量控制方法有许多优点，由于它可以使控制器根据负载情况实时的改变输出频率和电压，因此其动态性能相对完善，可以对转矩进行精确控制。另外它还具有系统响应快、调速范围广、加减速性能好等特点，这些优点都可以提高设备的使用效果，提升工作效率，创造生产价值。综合上面的几点，研制出
29、具有安全效益、经济效益，可提高工作效率的改进型电机车是非常有意义和必要的。1.2 国内外研究现状从上世纪的 70 年代起，电力电子技术飞速发展，大功率开关器件不断出现，交流调速实现的硬件条件已经成熟。并且，交流调速系统的理论研究已经在全世界范围内推广，矢量控制及直接转矩控制的提出大大推动了交流调速的理论发展。软硬件都成熟的情况下，交流调速系统得以迅猛发展，目前已经在许多领域内取代了直流调速系统。但是目前在我国的工矿企业，直流调速系统仍然是矿井机车的主流调速方式，要想改变这种电阻式调速的落后现状，跟上国际技术发展的脚步，还需要技术人员的不断努力 5。地面上的电机车，属于大型电机安徽理工大学硕士学
30、位论文- 2 -车，现在我国的情况是除了从国外进口，国内的生产厂家很少，比较有名的是湘电集团的大型电机车。湘电集团此类型的电机车电压等级都在 1500V 左右，功率从 800 千瓦到 3000 千瓦不等，载重在 20-30 吨之间。电机车虽然按照功率和载重分了很多级别，但调速方式比较单一，使用的大多是电阻式启动，调速和制动也用电阻完成。主要的器件，比如说转换开关和反向器等都由空气开关完成。有部分较新的产品采用了电力电子器件进行斩波，这样做的好处是通过斩波控制电压调速，减少电阻的使用，提高效率。同时将空气开关类接触器改进为电磁式接触器，用以减少触点、提高灵敏度，减少故障的发生。对于矿山的主流电机
31、车，即井下小电机车方面，由于其技术性不强，进入的门槛相对较低，所以市场十分复杂，甚至许多工矿企业也加入到设计、制造的队伍中来。这样就照成了许多不良后果：由于规格较多，小电机车配件复杂，无法形成有标准、有系列的维护保养措施。在技术水平方面，具调查发现，使用三相异步电机调速的小电机车非常少，产品占有率不足 2%，而且，虽然使用的是交流调速系统，但是使用的是比较落后的转差等控制策略。其余的都是用晶体管斩波调速的控制器。地铁牵引系统的主流已经是交流调速的今天，由于种种原因，直流调速系统还在煤矿井下占据统治地位，即使生产厂家众多，可是不管是煤矿企业、私营企业还是专门的研究机构，都还是无法改变这一落后局面
32、。这对于技术人员来说是一种责任，但是同时也是一种机遇，应该尽快的向地铁、铁路干线学习使用先进的交流调速系统。1.3 课题研究目标和创新点本课题的研究目标是设计一个基于 DSP 的高性能交流调速系统，用来改进现有的电机车调速系统，该设计方案主要完成以下功能：（1）设计出改造电机车动力系统的总体方案及控制策略。（2）使用 MATLAB 对控制策略进行仿真并对比分析。（3）研究出基于 DSP 的高性能的交流调速控制器。包括硬件电路的设计还有软件的编写。（4）对控制器进行实际测试，分析测试结果。本设计有以下几个创新点：（1）在硬件电路设计上，为了能够使控制器工作在较大的电流，对输出部分的硬件电路做了处
33、理，增大了控制器容量。在电路板的保护措施中，对温度保护做了改进。1 绪论- 3 -（2）使用先进的矢量控制技术，并结合模糊 PID 控制算法，使系统具有更好的调速性能，可实现对速度特别是力矩的精确控制，适合在汽车上使用。（3）SVPWM 波实现程序中采用了直接区间判断，可以不用计算实际的电压矢量区间，简化了程序，节省了系统资源。该方案设计综合考虑了很多方面，DSP 和控制算法的选用可以使系统的保护、采集、输出功能更加出色，同时通过与其他硬件的良好配合使系统更加可靠。1.4 论文章节安排论文正文部分共分 7 章，按照章节次序，具体内容安排如下：第 1 章 绪论：分析了井下电机车改进的应用背景，指
34、出了研究本课题的意义和必要性，最后还说明了当前国内外在电机车改进方面研究的现状，在此基础上，给出了本设计的研究目标及创新点。第 2 章 系统方案与控制策略综述：介绍了怎样在现有条件上对电机车进行改造，首先介绍了整体改造方案，然后介绍了系统所选择的控制策略及实现方法。第 3 章 控制策略的仿真分析：首先对 MATLAB 做了简要的介绍，然后对所选用的控制策略进行仿真分析，对方案的可行性做评估，预测可以达到的效果。第 4 章 硬件设计方案介绍：在总体方案确定情况下，对硬件电路进行设计，由于其他部分的硬件较为简单，所以主要设计控制器电路。故此章包括：硬件控制芯片 DSP2812 的功能、特点，DSP
35、2812 工作电路、电压、电流采集电路、速度测量电路、CAN 总线通信电路、PWM 波输出部分的电路等设计。第 5 章 软件设计方案介绍：首先介绍了汽车工业 C 语言标准的发展与应用以及编程环境 CCS 的使用。然后详细给出电流采集程序、速度测试程序、矢量变换和角度计算实现的方法，以及 SVPWM 波的软件实现方法。第 6 章 系统综合测试：对设计完成的控制器进行实际测试，选用一台三相异步电机测量实际电流电压波形，分析空载和加载时的不同表现，并且就设计过程中遇到的一些问题及解决方法做了说明。第 7 章 总结与展望：， ，以 后在 完 成 设 计 并 测 试 功 能 对 整 个 设 计 做 了
36、总 结 方提 出 了 其 中 待 改 进 的 地， 展望。改 进 做 了并 对 以 后 的 进 一 步 研 究安徽理工大学硕士学位论文- 4 -2 改造方案与控制策略2.1 电机车结构介绍对于电机车改造的意义和重要性前面已经做了详细的介绍，下面根据现有的条件对电机车的改造进行分析。井下电机车总体来说由机械和电气两大部分组成。其中，机械部分主要由司机控制室、车体、行走部件、制动装置、撒砂等装置构成，电气部分主要由防爆蓄电池、调速装置、辅助控制系统等构成 6。司机控制室装备有电机车控制台。通过控制台司机可以对电机车进行调速、制动、照明、报警等操作。而且在控制台上还设有车体监控仪表等。部分电机车由于
37、特殊生产需要具有两个司机控制室。行走部件是指电机车的轮对、轴承箱还包括减速器。行走部件安装于电机车两侧，上面安装轴承箱，在轴承箱上面安装有减震装置，减震装置用来减少安装在上面车体的受震程度。车体主要由前后端板和中隔板焊接而成，再加上左右两侧的侧板即可组成一个箱型结构。将牵引电动机固定在车体上以后，就可以通过减速器连接车轴与电动机了。安装电动机与减速器需要使用法兰端面连接。连接好以后电动机就可以驱动车轴转动了。电机车的撒砂装置在车体两侧各有一个。撒砂的目的是为了增大车轮与车轨的黏着系数。砂箱的设计采用摇摆落砂的原理，当电机车开动时会自动落砂，确保电机车在改变运行状态的时候有足够的黏着系数，保证安
38、全。一般的电机车的制动系统有手动、液压和电制动等。它们各自在不同情况下使用，一般的使用液压制动作为正常制动，而手制动是为了防止溜车，电制动主要用来限速。由于井下存在瓦斯等易爆气体，所以在电的使用上有严格规定。电机车上的蓄电池都是经过特别处理的防爆特殊型蓄电池。蓄电池直接为电机车提供电源，属于非常重要的部件。直流电动机未改造前的调速装置是由凸轮和电阻等组成。辅助系统包括电机车的照明、电机车状态监视、报警装置等。2 改造方案与控制策略介绍- 5 -2.2 总体改造方案由以上对电机车的组成部分介绍，在改造时，机械部分司机室里面的调速、换向控制台，需要换成交流电机的控制台，其他方面无需太大的改动。在电
39、气系统方面，防爆蓄电池属于必要部件，具体需要的数量由选用的交流电机的额定电压来确定。由于选用三相异步交流电机调速不需要电阻箱，所以电阻箱可以拆除，辅助的照明、油泵电机控制、电气制动、蓄电池电压监视、瓦斯报警等都要保留。系统总体改造连接方案如图 1 所示。图 1 车体改造连接示意图Fig1 The body modification connection diagram由图 1 可以看出，改造最重要的部分是控制器，控制器的改造也是难点。三相异步电机的控制方式比较多，目前用的最多的是 V/F 控制、转差率控制还有矢量控制、直接转矩控制四种。控制方案选择好以后，其他的部分如蓄电池和电机才能确定。本文
40、的重点也是放在控制器的研制上面。电动机的选择也非常重要。首先，选用的三相异步电机的转矩要足够大，特别是启动转矩要达到要求。然后就是功率和转速方面也要满足要求。在尺寸方面，为了适应当前的电机车车体，其外壳和机座中心高度需要定制，而且为了适应控制器的需要，一般选择使用带光电编码器的电机。蓄电池的选择前面已经说过，必须要配合已经选好的电机来选购，如果电机铭牌上面的额定电压为 34V，即线电压的最大有效值为 34V，峰值就为 48V，选择蓄电池的时候就应该对应不同的控制方式选择所需要的电池电压。若使用SVPWM 输出的方式控制三相桥臂，那就可以选择 48V 蓄电池组供电。在控制面安徽理工大学硕士学位论
41、文- 6 -板的选择上，可以维持当前的面板不变，也可以根据控制器的功能设定自己定制控制面板，一般包括油门、刹车、反向、紧急反向、紧急断电等按钮。车灯和报警装置的选择也可以不变，以适应以前操作人员的习惯。以上分析了电机车的机械系统和电气系统改造的要点和一些所需要注意的地方。可以看出，工作量最大而且最复杂的就是控制器的设计，它不仅要满足使用的需要，更要做到安全稳定。要做到这些，必须要选择一个比较好的控制策略。2.3 控制策略的选择与介绍2.3.1 三相异步电动机控制方案比较三相异步电动机的控制策略比较多，随着电力电子器件的发展和控制芯片的不断开发而不演变，选择控制策略的时候，要考虑安全、可靠、开发
42、难度等多个方面。总体来说，三相异步电机调速方式已经从以前的串电阻、变极调速等发展到现在普遍使用的变压变频调速，变频调速原理如下 7：异步电机转速公式：(2-1)spfn1/60式中：n电动机转速，单位为转/分（RPM） ；p电动机极对数；f电源频率，单位为赫兹；s转差率。由式(2-1)可见，电机极对数、电源频率、转差率均可影响电机的实际转速。其中，经过分析试验，确定了采用改变频率的方式来调速效果最好，即通常所说的变频调速。常见的变频调速方法主要有以下 4 种：1恒 V/F 比调速恒压频比的控制思想是在改变电机频率的同时改变电机电压，两者始终有一个对应的比值关系。这样可以保证磁链基本不变，它是一
43、种基本的控制方式。电机定子的感应电动势：(2-2)1014.WfKEm式中：绕组系数；1WK2 改造方案与控制策略介绍- 7 -每极最大磁通；m电源频率；0f定子绕组匝数。1W电机工作在额定条件的情况下时，忽略定子电阻和漏阻抗，则电机的端电压大小约等于感应电势。电动机转速改变，其供电频率由(2-1)可知必定会发生变化（电机极对数与转差不变） 。此时，根据三相异步电机特性，电压不做出改变的情况下电机的磁链会发生欠励磁或者过励磁，前者会影响电机的特性，后者会照成能量浪费，严重时还会使电机发热烧坏电机。电机运转正常时，产生的电势和电压大小基本相当，电势比较难以检测，所以通过电压来确定电势，然后就可以
44、控制电压和频率的比值来保持磁链恒定 8。保持比值恒定以后，就可以大致保证磁链的恒定，但是在低速时存在一些问题，因为这种方法的使用前提是忽略定子电阻的影响，低速时定子电阻的影响较大，V/f 控制效果变差。所以此控制方法主要使用在风机、水泵等要求较简单的场合。此方法的优点是可以速度开环控制，系统设计方便，无需速度反馈。2转差频率控制三相异步电机在外施电压、频率和参数为规定值时，电磁转矩 T 与转差率s（或转速 n）之间的函数关系，可用一条曲线表示，称为异步电动机的电磁转矩转差率曲线，简称 T-s 曲线，又称为机械特性曲线，它是异步电动机的最主要的特性 9。式 (2-3)是异步电机在稳态运行时产生的
45、电磁转矩：(2-3)212123xsrswUpTe 式中：电动机极对数；P定子相电压；1U定子电抗；x转子电抗；2定子电阻；1r转子电阻。2在转差相对较小的时候，可以忽略式中的转差平方项。公式可以简化成式(2-4)形式：安徽理工大学硕士学位论文- 8 -(2-4)213rswUpTe根据公式(2-4)，当电机的频率一定的时候，电磁转矩与转差成正比。这样就可以通过检测转差和频率来控制电机转矩，而且由于它采用了速度闭环控制，具备较好的控制效果。这种控制方法的控制性能虽然比较优秀，但是由于其原理上的缺陷，控制规律是在假设的基础上得到，而且在公式的推导中忽略了很多因素，照成了实际的结果和理论上可以达到
46、的水平有差距，系统在稳定性以及响应水平方面不够好，只能应用于一些要求不是太高的场合 10。目前在车辆控制上面很少使用这种控制方式。3矢量控制上世纪 70 年代西德 FBlaschke 等人提出了矢量控制(FOC)理论，为电机控制领域提供了利用直流电机等效交流电机的模型 11。矢量控制的思想是将异步电动机等效成直流电动机，通过坐标变换将电机定子电流分解成两个互不影响的“励磁” 、 “转矩”电流，实现正交解耦从而获得与直流电动机一样好的动态调速特性 1213。矢量控制国外也叫磁场定向控制，其实质是在控制三相交流电的电压和频率大小基础上，加上了相位控制，相位的加入实际上是在计算的时候加上了一个角度计
47、算，即电机定子电流相对于转子的位置角。通过对电机定子电流的检测，将检测的结果进行运算，这其中涉及到电机的参数，计算出电机的位置实现“磁场定向” ，有了这个结果就可以对三相电压的频率进行控制。这样理论上可以使同样的电流下产生的转矩最优，使负载变化照成的影响降到最小。此外，矢量控制还会根据位置变化情况求出转速来对转速补偿，进一步优化了控制性能。这种方法由于控制性能优越，目前广泛应用于三相异步电机的控制中，特别是在汽车控制领域。4直接转矩控制1985 年德国鲁尔大学 DePenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论(DTC)。直接转矩控制的优点在于不需要解耦，因为解耦需要消耗大量的计算机资源。直接
48、转矩控制直接利用检测到的定子电流、电压，通过理论公式变换，直接得到电磁转矩和磁链的大小。直接转矩控制在转矩响应方面优于任何一种异步电机控制效果，在负载或者速度变化时可以快速响应，但是由于响应过快易照成过大的冲击电流而损坏功率开关管，因此实际的转矩响应要受到这方面的限制 14。由以上的分析可知，异步电机的变频控制各有优缺点，通过考虑到以下几点，本设计选择第三种控制策略。2 改造方案与控制策略介绍- 9 -1恒压频比控制的缺点显而易见，低速时候带载能力较差，应用上受到限制。2转差频率控制只适合应用于对转速要求不高的场合，不适合做电机车的控制。3矢量控制可以使三相异步电机发挥较好的性能，甚至可以与直
49、流调速相媲美，缺点是设计比较复杂，但仍然是全世界范围内异步电机调速的主流。4直接转矩调速以简单的结构完成高性能的电机调速，但是在实现上面非常复杂，虽然理论提出比较早，但是目前只有 ABB 公司可以研究出产品。2.3.2 矢量控制整体实现方案矢量控制的公式来源于电机模型，由电机模型得到电压、转矩、磁链等基本方程后，再通过一系列的坐标变换来得到最终的公式。基本方程的获得需要有以下几个前提条件：第一 。第全 对 称的 定 、 转 子 三 相 绕 组 完就 是 假 设 三 相 异 步 电 机二 。第三 在空间面 光 滑 ， 无 齿 模 效 应是 假 设 电 机 定 、 转 子 表 假 设 电 机 气 隙 磁 场呈 。第四 。有了上正 弦 分 布 不 计、 饱 和 及 磁 滞 损 耗 忽 略是 假 设 电 机 铁 心 的 涡 流面四个条件以后，就可以得到电机简化模型如图 215。ABaquA, iAuB, iB
