异步电机矢量控制系统设计

江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计

摘 要

目前广泛研究应用的异步电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机矢量控制调速法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有优秀的动态性能和低速性能，还有其调速范围宽的优点。

在给出异步电动机的矢量控制原理的同时，一并给出了矢量变换实现的步骤，解释了三相异步电动机数学模型的解耦方法。在论述了三相异步电功机的磁场定向原理之后，又介绍了转子磁链计算方法并设计了转子磁链观测器。详细分析了转矩调节器，转速调节器和磁通调节器的工作原理，并根据各个调节器的原理对各个调节器进行了相应的设计。以DSP为控制核心，设计了异步电机矢量控制系统的硬件电路。

关键词： 异步电机 矢量控制 DSP处理器

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1 概述

1.1 系统设计的主要任务要求

异步电机矢量控制系统设计是基于三相异步电机的交流调速技术的研究

[1][2][3]

，本设计的主要任务有：（1）研究矢量控制系统的原理[4]。（2）研究矢量控

制系统的实现方法。（3）分析矢量控制系统特点及软硬件接口。（4）设计矢量控制系统硬件电路（5）设计矢量控制系统的软件流程。（6）对矢量控制的数学模型进行仿真分析[5]。

1.2 国内外研究现状

矢量控制理论是由美国和德国的科学家在二十世纪七十年分别提出的理论

[5][6]

，经过半个世纪的补充和完善，使得矢量控制技术在工农业各种生产应用中

逐渐突出[7][8]。

交流电机矢量控制技术就是建立电机可靠的数学模型，把定子电流矢量分解为转矩电流矢量和励磁电流矢量，分别控制其方向和大小，使其合成变频器的可控有效信号[9]。此技术是建立在直流调速系统深入研究基础上的仿直流调速系统，它实现了交流电机的直流化控制，进而极大地提高了交流调速系统的高效性、稳定性和易操作性。异步电机矢量控制系统的基本思想是通过对变频器参数的控制信号的分析控制，实现对电磁转矩的有效控制，使得异步电机调速系统获得和直流调速系统相似的控制方法及控制效果。具体原理如下：首先将电流的坐标变换，将定子上的三相对称电流iA、iB、iC通过坐标变换到同步旋转坐标系d-q坐标系下两相直流电流（同步旋转坐标系下，始终保持d-q坐标系中d轴与转子磁场方向一致），即通过数学变换将三相交流电机的电子电流分解为两个分量：产生旋转磁动势的励磁分量iM和产生电磁转矩分量ir，然后以控制电流电机的方式分别对磁场和转矩进行单独控制，再经过变换方式把控制的结果转换成随时间变化的瞬间变量，所以系统控制频率特性好、控制精度高、转矩动态响应速度快。

总而言之，矢量控制技术的发展及完善极大地提高了工农业的生产水平，并减少了对环境的破坏，降低了对能源的损耗。

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1.3 本设计的完成的主要工作

在设计中主要研究了按转子磁链定向的异步电机矢量控制系统，并对系统的硬件设计[10]、软件设计、仿真分析[11][12]及控制方法做了详细的论述和验证。在本设计中可以分为理论研究、硬件设计、软件流程设计、系统等几个部分。采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术[13]，使得系统的控制效果突出于传统的控制方法。

本文所完成主要工作包括：

（1）介绍了交流调速系统的发展和控制方法的完善以及本系统研究的应用背景和意义。

（2）对电机的矢量控制的基本原理做了比较详细的介绍，另外就矢量控制系统的发展和控制思想进行了比较细致的论述。

（3）对系统硬件电路的设计进行详细解释。设计采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2818作为控制核心并进行了硬件控制电路设计[14]，另外还设计了相应的以智能控制模块为核心的逆变耦合电路、检测电路、整流滤波电路以及保护电路。

（4）详细论述了本设计的采用的矢量控制系统软件，对应硬件电路以及控制算法，编写了整个系统的软件流程图。

（5）建立了系统在Simulink平台上仿真模型，对系统的参数进行了设置，最后得出了系统的仿真控制模型效果图，验证了系统设计的正确性及可行性。

（6）对整个矢量控制系统的优点和缺点进行了分析和总结，并对以后的研究方向进行了展望。

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2 异步电机调速的基本理论

2.1 异步电机的三相数学模型

因为在研究异步电机的数学模型时研究的是理想模型，所以需要对模型条件进行假设[15]：

1）忽略空间内的谐波，设三相绕组为对称绕组，在空间中互相相差角度，所产生磁动势沿气隙按正弦规律分布；

2）忽略磁路的饱和影响，假设各绕组互感以及自感都是恒定的； 3）忽略铁心中的损耗；

4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻阻值和耗散功率的影响。 无论异步电机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数等。异步电机三相绕组可以是Y联结，也可以是△联结，以下均以Y联结进行讨论。若三相绕组为△联结，可先用△-Y变换，等效为Y联结，然后按Y联结进行分析和设计。

三相异步电机的物理结构模型如图1所示，定子三相绕组轴线A、B、C在空间中是固定的，转子绕组轴线a、b、c以角速度?随转子旋转。如以A轴作为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴间的电角度?为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。

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