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摘 要

交流变频调速系统采用矢量控制具有良好的性能和效率，广泛应用在要求高性能和高精度的场合。本文首先介绍了交流调速及其相关技术的发展，变频调速的方案以及国内外对矢量控制的研究状况。然后，基于三相交流异步电机三相静止坐标系下的数学模型，通过Clark变换和Park变换得到异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型。同时，逆变器采用CHBPWM控制，控制定子电流为标准正弦波。最后，利用Matlab/Simulink仿真，研究扰动和参数变化对电机静态、动态性能的影响。仿真结果显示，采用矢量控制的异步电机调速系统具有动态反应快，调速精度高的特点，满足交流电机对转矩和速度的控制要求。

关 键 词：异步电机，矢量控制，CHBPWM，Matlab仿真

Abstract：Vector control of AC variable speed system has a very good performance and efficiency, in many occasions that require high performance and high precision vector control manifested in its great advantage. In this paper，the development and method of variable frequency，the national and international research of vector control are introduced . The mathematic model of three-Phase AC asynchronous motor in two-Phase rotating coordinates is educed from the mathematic model in three-phase coordinates by Clarke transform and Parke transform. At the same time the inverter adopts CHBPWM control to control the stator current for a standard sine wave. Finally, in order to study motor static and dynamic performance changed by system disturbances and parameter, the experimental simulation was finished in the Simulink environment. The results of simulation show that vector control of induction motor system dynamic response is fast, high precision of speed regulation, and can basically satisfy the modern ac motor control system of counter rotating torque and speed requirements.

Keywords: induction motor，vector control，CHBPWM，Matlab simulation

目 录

1 引言 4

1.1 变频调速系统的方案 4

1.2 PWM技术及其发展 5

1.3 本文主要研究内容 6

2 三相异步电机的矢量控制策略 7

2.1 矢量控制的基本原理 7

2.2 矢量控制的坐标变换 7

2.3 三相异步电机的数学模型 10

2.4 在两相旋转坐标系下的模型 14

2.5 基于转子磁场定向的变量解耦 15

2.6 电流滞环跟踪PWM控制技术 16

2.7 三相异步电机矢量控制系统的实现 20

2.8 磁链观测器的设计 21

3 仿真 23

3.1 转子磁链电压和电流模型的仿真 24

3.2 异步电机矢量控制系统的仿真 25

结 论 29

参 考 文 献 30

致 谢 31

引言

调速自从电气化时代开始以来，电力传动成为重要的动力来源。早期，直流电动机的转速易于控制和调节，所以交流电机的地位远不如直流电机重要^[1]。但是直流电动机本身有如下一些固有缺陷，即：（1）机械式换向器表面线速度及换向电压有一极限容许值，这就限制了单机的转速和功率，使得一些要求特高转速、特大功率的场合则根本无法采用直流调速方案；（2）直流电动机的机械式换向器在运行中易产生火花，电刷易磨损，在运行中需要经常性的维护；（3）直流电动机由于其结构复杂，制造费时，故其价格远远高于交流电动机。

由于直流电动机在应用中存在着这样的一些不足，使得直流调速系统的应用也相应受到限制。并且随着电力电子技术，微处理器技术、控制技术以及PWM等技术的出现和发展，交流电机的调速越来越方便^[2]。调速性能可以媲美直流电机的交流电机已经出现。并且交流电机具有价格低廉，制造方便，维护方便和坚固耐用的优点，这使交流电机调速系统在各行各业中得到了极广泛的应用。

1.1 变频调速系统的方案

目前，交流调速系统实用的控制方法主要有以下四种：（1）转速恒压频比（U/f=常数）控制；（2）转差频率控制；（3）矢量控制；（4）直接转矩控制。下面分别对这四种调速控制类型进行介绍。

早期的变频系统都是采用开环恒压频比（U/f=常数）的控制方式，U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。但是由于这种控制方法是开环控制，调速精度不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差^[3]。

异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制。利用异步电动机的转矩与转差频率成正比的关系来控制电机的转矩，就可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能^[4]。它的优点在于频率控制环节的输入频率信号是由转速转差信号和实测转速信号相加后得到的，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速更平滑，容易稳定。其缺点是由于转差频率控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式推得的，所以存在动态时磁通的变化不能得到控制、电流相位没有得到控制等差距，使其不能达到与直流恒磁通调速系统同样的性能。

矢量控制也称为磁场定向控制，它着眼于电机磁场的直接控制。其主要思想是将异步电动机模拟成直流电动机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，实现正交或解耦控制，从而获得与直流电机一样良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。

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