发布时间 : 星期四 文章基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真与设计(DOC)更新完毕开始阅读
第一章、概 论
1.1、 变频调速技术的发展
交流变频调速技术相对于变压调速等其它方法有着明显的优点:①调速时平滑性好，效率高;② 调速范围较大，精度高;③起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显;④变频器体积小，便于安装、调试、维修简便;⑤易于实现过程自动化等优异特性，在实际中得到了广泛的应用。
20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时期。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向的发展。70年代，席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大的发展并得到推广应用。80年代，变频调速己产品化，性能也不断提高，充分发挥了交流调速的优越性，广泛的应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90 年代，由于新型电力电子器件的发展及性能的提高、计算机技术的发展以及先进控制理论和技术的完善和发展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频调速装置在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。
目前 ，交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论己形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。变频装置按变换环节分有交一直一交系统和交一交系统两大类，交一直一交系统又分为电压型和电流型，其中，电压型变频器在工业中应用最为广泛;按电压的调制方式分为脉幅调制PAM(Pulse Altitude Modulation)和脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)两大类，前者己几近绝迹，目前普遍采用的是后者。
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1.2、 变频调速系统的方案
目前典型的变频调速控制类型主要有四种:①恒压频比(v均控制，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比的控制方式，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。
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。它的优点在于频率控制环节的输入频率信号是由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。
本世纪70年代西德F.Blaschke等人首先提出矢量控制(FOC)理论，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河1习。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，实现正交或解祸控制，从而获得与直流电动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。但在实际上矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，其控制的精确性受到参数变化的影响，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数进行估计。这种控制方式需要解祸计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。在矢量控制系统中，给定量要从直流变为交流，而反馈量要从交流变为直流再加上转子磁链模型、转子参数的辨识与校正等;因此电机的速度辨识及磁链观测器的实现是矢量控制系
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统实现的关键所在。
1985年德国鲁尔大学DePenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，DTC摒弃了解祸的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制(PWM)信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。这种方法的优点在于:直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但是由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的砰一砰控制，避开了旋转坐标变换，控制定子磁链而不是转子磁链，不可避免地产生转矩脉动，降低调速性能，因此只能用在对调速要求不高的场合。同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高。
1.3、 本论文的研究内容
本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，对该转速开环恒压频比的交流调速系统进行基于MATLAB的仿真，采用电机控制专用DSP芯片TMS320F2812，运用恒压频比调速的基本原理，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案。
1.4、 设计目的
? 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产
实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
? 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数
学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
? 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制
板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
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第二章、恒压频比交流调速原理
2.1、 原理概述
变频调速系统一般要求在变频时保持电机气隙磁通?m不变，这样可在允许的电流下获得最大的转矩，使电机具有良好的调速性能。交流电机每相定子感应电动势为
Es?4.44fsNsKs?m?Cfs?m式中，C是由电动机结构决定的常数。
从式中可见，在改变频率fs时要保持气隙磁通?m不变，就需要同时改变Es，使Es随fs变化并保持Es/fs为固定的常数C?m。因为Es不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时Es近似等于电动机端电压Us。而Us和fs都可以方便地通过变频器控制，因此仅要求稳态时转速的调节，异步电动机变频调速系统常采用
Us/fs?常数的控制，也称为
G1f*频率给定Uf升降速时间设定低频电压补偿VVVF控制或恒压频比控制。
fUSPWM调制和驱动电压源型逆变器M3～U/f
图2.1 恒压频比变频调速系统原理图
恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图1所示，系统由升降速时间设定G1，U/f曲线，SPWM调制和驱动等环节组成。
2.2、 正弦脉宽调制(SPWM)控制理论
我们期望变频器输出的电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前的技术，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。目前很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。如
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