交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、使用壽命長且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。交流電機(jī)的缺點(diǎn)在于其控制較為復(fù)雜。青島艾普在查閱大量資料文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,了解國內(nèi)外對(duì)交流電機(jī)控制的研究現(xiàn)狀以及已有的成果,了解了矢量控制基本原理。利用MATLAB/SIMULINK對(duì)交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,得到相應(yīng)的速度、轉(zhuǎn)矩和電流曲線,驗(yàn)證了矢量控制系統(tǒng)的可靠性和有效性。

1 電機(jī)測(cè)試臺(tái)(又名：電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)） 的用途

電機(jī)測(cè)試臺(tái)廣泛用于電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品性能測(cè)試和質(zhì)量測(cè)試,而高性能的測(cè)試臺(tái)需要對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制,利用高性能的控制方法控制交流電動(dòng)機(jī),能夠滿足系統(tǒng)的要求。電機(jī)測(cè)試臺(tái)最重要的部分是交流部分,交流部分的好壞直接關(guān)系到電機(jī)測(cè)試臺(tái)的性能。目前、交流電動(dòng)機(jī)的控制方法已有很多方法,例如,直接轉(zhuǎn)矩控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及模糊矩陣控制等等。本文主要是從矢量控制的角度出發(fā),對(duì)交流電機(jī)的控制進(jìn)行了討論。

2 交流電機(jī)控制的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制方法在七十年代提出之后,即得到了迅猛的發(fā)展。直流電機(jī)相對(duì)于交流電機(jī)而言,具有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。矢量變換控制就是是利用坐標(biāo)變換的方法將交流電機(jī)模擬成為直流電機(jī),分別控制勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量,從而獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。由于此方法采用了坐標(biāo)變換,所以對(duì)硬件設(shè)施的性能要求較高。

良好的硬件設(shè)備是保障矢量控制法可以得到應(yīng)用的關(guān)鍵,尤其是要不斷提高控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性好。這是是對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求也是其關(guān)鍵要素。電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了分立元件的模擬電路階段、集成電路階段、大規(guī)模集成電路解讀以及專用集成電路階段。到目前為止,電機(jī)控制電路大多為模擬數(shù)字混合電路。因其不但可以提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性,同時(shí)體積更小,研發(fā)成本更少,得到了迅速的發(fā)展。作為專用集成電路(ASIC)電機(jī)控制專用集成電路品種、規(guī)格繁多,產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料十分豐富。但同時(shí)由于各廠商之間無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),有一定的技術(shù)壁壘。由于當(dāng)前電機(jī)控制的總是朝向多樣化發(fā)展、并且愈來愈復(fù)雜化,直接利用廠家的產(chǎn)品有時(shí)候并不能夠滿足要求。因此許多時(shí)候需要工程師自行開發(fā)產(chǎn)品。DSP就是一種非常好的開發(fā)工具。DSP(digital signal processor)是一種獨(dú)特的微處理器,是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào),轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào),再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化,并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性,而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器,是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度,是最值得稱道的兩大特色。

3 矢量控制的基本思路

對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,最重要的是要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,而轉(zhuǎn)速的控制是通過對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)現(xiàn)的。通過控制定子磁勢(shì)Fs模值大小或控制轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr模值及他們?cè)诳刂圃诳臻g的位置,就能達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的?？刂艶s的模值大小,或控制Fr的模值大小,可以通過控制各相電流的幅值大小來實(shí)現(xiàn),而在空間上的位置角s、r,可以通過控制各相電流的瞬時(shí)相位來實(shí)現(xiàn)。因此,只要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子各相電流(iA,iB,iC)的瞬時(shí)控制,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的有效控制。

采用矢量變換控制方式是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)定子電流的瞬時(shí)控制呢?異步電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱定子繞組中,通入對(duì)稱三相正弦交流電流iA,iB,iC時(shí),則形成基波合成旋轉(zhuǎn)磁勢(shì),并由他建立相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)ABC,其旋轉(zhuǎn)的角速度等于定子電流的角頻率s。然而,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不一定非要三相繞組不可,除單相外任意多相對(duì)稱繞組,通入多相對(duì)稱正弦電流,均能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)具有位置互差90o兩相定子繞組、,當(dāng)通入兩相對(duì)稱正弦電流i、i時(shí),則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小,轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與上述三相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全相同,則可以認(rèn)為上述兩套交流繞組等效。由此可知,處于三相靜止坐標(biāo)系上的三相固定對(duì)稱交流繞組,以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則,可以等效為兩相對(duì)稱固定交流繞組,并且可知三相交流繞組中的三相對(duì)稱正弦交流iA,iB,iC與二相對(duì)稱正弦交流電流i、i之間存在確定的變換關(guān)系

4 交流矢量控制仿真

根據(jù)矢量控制基本思路可以利用Matlab/SIMULINK軟件,對(duì)電機(jī)交流控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

在此系統(tǒng)模型中,最重要的是電流調(diào)整器。電流調(diào)整器的作用是為了為其后所接的IGBT三相橋提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。它將反饋得到的電流信號(hào)與電流給定值向比較,得到電流信號(hào)的差值。此差值通過一個(gè)繼電器,輸出高低電平信號(hào)。這每一路信號(hào)都分別直接或是通過一個(gè)反門接到同一個(gè)橋的上下橋臂上。這樣就保證了同一橋的上下橋臂上加的是一個(gè)互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這就避免了同一橋的上的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通,防止了直通現(xiàn)象的產(chǎn)生,避免三相橋過熱燒毀,同時(shí)也使得各個(gè)器件能夠有效導(dǎo)通。由此可以得到電磁轉(zhuǎn)矩的波形,如下圖所示:

通過仿真實(shí)驗(yàn)獲得的上述仿真曲線可以看到仿真模型的與實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程基本吻合。充分驗(yàn)證了在異步電機(jī)矢量變換數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合MATLAB/SIMULINK建立的仿真模型的正確性。我們由此可以得到以下結(jié)論:

(1)交流電機(jī)和直流電機(jī)共同的運(yùn)動(dòng)機(jī)械特性,是交流電機(jī)矢量控制的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵。

(2)坐標(biāo)變換從物理上必須遵守旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效原則和功率不變?cè)瓌t,從數(shù)學(xué)上看就是通過系統(tǒng)狀態(tài)的相似變換,達(dá)到狀態(tài)重構(gòu)和參數(shù)重構(gòu)的目的,使數(shù)學(xué)模型變得簡潔易解。

(3)磁鏈的觀測(cè)認(rèn)識(shí)矢量控制中的難點(diǎn)。由于直接測(cè)量存在著脈動(dòng)分量等問題,現(xiàn)在大都采用的是間接測(cè)量,但仍然存在著其準(zhǔn)確性易受參數(shù)變化的影響等問題。

(4)利用MATLAB/SIMULINK仿真,可以看出矢量控制交流電機(jī)可以得到非常良好的動(dòng)態(tài)性能。