1、感应电机矢量控制及仿真,1.1 研究课题目的和意义,交流感应电机，以其结构简单牢固、制造成本低廉、运行方便、适应能力强以及易于向高电压、高转速和大容量方向发展等优势，在工农业生产中得到了极广泛的应用。 但由于它自身多变量、非线性、强耦合的特点，使得交流电机控制不如直流电机简单。 如果需要满足电动汽车驱动的要求，需要具有较好的动态特性，因此，需要研究其矢量控制策略。,1.2 课题关键技术的研究现状,日本在研究无速度传感器方面较为先进，主要应用于通用变频器上;美国的研究人员在电机参数识别方面研究比较深入，并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的控制技术应用到这方面，而德国在将矢量控制技术应用于大功
2、率系统方面的实力很强，随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出。,1.3主要研究内容,（1）主要研究交流电机的电压方程以及坐标变换（CLARKE变换和PARK变换），并且对感应电机进行Matlab仿真。 （2）主要研究了SPWM以及SVPWM三相交流逆变器。并对逆变器进行仿真分析，得到了感应电机在 坐标系和 坐标系下的电压、电流波形. （3）转差频率矢量控制和基于磁链观测器的转子磁链矢量控制的对比研究。并对两种矢量控制方法进行了Matlab仿真分析。,2.1 感应电机状态方程,右图为三
3、相感应电机等效模型，由右图可以得出上式,2.2 坐标变换理论,矢量坐标变换必须要遵守的原则： (1)应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效。(2)应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。主要坐标变换理论：Clarke变换和Park变换,2.3 感应电机仿真,当负载突减时，转速变化比转矩快，导致转速达到稳态时的转速时，转矩没有减小到负载转矩，因此转速增加，转矩减小，这样到电磁转矩与负载转矩相等时，转速到达最大值。然后，电磁转矩开始增加，但由于比负载转矩小，而转速继续降低，一直到电磁转矩再次与负载转矩相等，而出现转速到达最小的时刻。这样反复多次，最终稳定运行在感应电机机械特性曲线中，电磁转矩与负载
4、转矩一致的工作点。,3.三相电压型PWM逆变器,在PWM方式下，到底怎么具体实现输出电压的大小和方向。 （1）零电压矢量有 V0和 V7，到底使用哪个取决于哪个开关切换次数更少。如零电压矢量和 V1（ V3或V5 ）之间的切换时，使用V0 ；零电压矢量和V2 （ V4或 V6）之间的切换时，使用 V7。 （2）从 V1 V6中，到底使用哪个取决于平均输出电压矢量所处的方向在哪儿。,3.1.三角载波比较方式,以正弦波形作为输出的期望波形相同频率的正弦波 作为调制波，以此期望波形频率大很多的三角波作为载波，比较调制波和载波，当两个波形相交时，由它们的交点作开关管的通断时刻，从而获得一系列等幅不等宽
5、的矩形波电压。由这种调制方式的调制波为正弦波，因此叫做正弦波脉宽调制。也由于这种调制方式是与三角波进行比较的PWM方式也叫做三角载波比较PWM方式。,3.2.三角载波比较方式仿真,由图可以看出，感应电机转矩抖动比较明显，同时也可以看出经过三相电压逆变器后，u相电压也是逐渐接近正弦波,3.3.SVPWM型逆变器,SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步
6、电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。,3.3.SVPWM型逆变器,SVPWM方式组合使用,以及,，使瞬时空间磁链的矢量的轨迹成为平滑的圆形，同时可任意改变空间磁链轨迹的旋转速度和圆形轨迹的半径。,3.4.SVPWM的傅里叶分析,由图可知，在频率越低的情况下傅里叶变换时基波的直流分量越大，因此SVPWM的低次谐波特性比较差，为了改善低次谐波特性，一般取频率较大,FFT分析结果,4.感应电机矢量控制系统,4.1感应电机矢量控制基本思路作为导出感应电机矢量控制原理的基本公式，采用两轴旋转直流坐标系下，以定子电流和转子磁链为状态变量的状态方程。这是由于两轴旋转直流坐标系下，
7、所有物理量皆为直流量且电机的所有状态变量中，定子电流和转子磁链相对容易得到和控制的缘故。,在控制电机时，只要保持d轴转子磁链为恒值，电磁转矩就正比于q轴定子电流,4.2.转差频率矢量控制,转差频率控制的思想就是从根本上改造交流电动机，改变其产生转矩的规律，设法在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。 （1）转差频率计算器 （2）dq 轴间的解耦 （3）三相静止交流坐标系和两轴旋转直流坐标系之间的矢量变换 （4）磁链和电流控制器,4.2.转差频率矢量控制,仿真分析,d轴转子磁链估算值和d轴和q轴定子电流跟踪各自指令值情况良好，且d轴转子磁链估算值几乎与实际值相同，而q轴转子磁链实际
8、值也近似等于0.,4.3. 基于磁链观测器的矢量控制及仿真,转子观测器是基于磁链观测器的矢量控制方法中最核心的部分。转子观测器的结构主要有以下几种： （1）基于电流模型的转子磁链观测器 （2）基于电压模型的转子磁链观测器 （3）利用电压模型，预测误差修正电流模型的转子磁链观测器 （4）利用电流模型，预测误差修正电压模型的转子磁链观测器,4.3. 基于磁链观测器的矢量控制及仿真,右图分别为基于电流模型的转子磁测器仿真（500r/min）和（1000r/min）,采用电流模型做转子磁链观测器时，随着时间的推移，磁链观测值将逐渐收敛于实际值。此外，还可看出随着转速增大，收敛效果越差，震荡也越大。,4
9、.3. 基于磁链观测器的矢量控制及仿真,右图分别为基于电压模型的转子磁测器仿真（500r/min）和（1000r/min）,采用电压模型做转子磁链观测器时，磁链观测器不收敛，即初始的磁链误差不会随时间减小。此外，还可看出电机转速的变化对此观测器没有影响。,结论,补偿 时间Tc主导,（1）讨论了感应电机电压方程,并且经过坐标变换得到了感应电机的状态方程和转矩方程,并且对感应电机负载突变时进行了系统仿真，得到了比较满意的仿真结果。 （2）论述了PWM三相电压型逆变器的主要工作原理并且研究了SPWM和SVPWM两种方式，本文还对SPWM进行了仿真分析，对SVPWM进行了FFT分析，得出了SVPWM的低次谐波特性较差的特点。 （3）对比了感应电机的转差频率矢量控制和基于磁链控制的转子磁链观测器的矢量控制，在基于磁链控制的转子磁链观测器中研究了基于电压模型和基于电流模型的转子磁链观测器，进行仿真分析后可知，磁链观测器值将逐渐收敛于实际值。,谢谢！,
