基于Matlab轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)的仿真概述：常用的電機(jī)變頻調(diào)速控制方法有電壓頻率協(xié)調(diào)控制(即vF比為常數(shù))、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。其中，矢量控制是目前交流電動(dòng)機(jī)較先進(jìn)的一種控制方式。它又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的、無(wú)速度傳感器和有速度傳感器等多種矢量控制方式。其中基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式是在進(jìn)行Uf恒定控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度n，并得到對(duì)應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個(gè)分量間的相位，對(duì)輸出頻率f進(jìn)行控制的。采用這種控制方法可以使調(diào)速系統(tǒng)消除動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng)，從而在一定程度上改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)它又具有比其它矢量控制方法簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高等特點(diǎn)。Simulink仿真系統(tǒng)是Matlab最重要的組件之一，系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的模型庫(kù)，能夠幫助用戶在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建新的模型庫(kù)，描述、模擬、評(píng)價(jià)和細(xì)化系統(tǒng)，從而達(dá)到系統(tǒng)分析的目的。在此利用MatlabSimulink軟件構(gòu)建了轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)此仿真模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。矢量控制是目前交流電動(dòng)機(jī)的先進(jìn)控制方式，一般將含有矢量交換的交流電動(dòng)機(jī)控制都稱為矢量控制，實(shí)際上只有建立在等效直流電動(dòng)機(jī)模型上，并按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向地控制，電動(dòng)機(jī)才能獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，控制精度高，具有良好的控制性能、因此，早起的矢量控制通用變頻器上采用基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式?；诖耍疚脑贛talab/Simulink環(huán)境下對(duì)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。1轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)由于異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的間接矢量控制系統(tǒng)，不需要進(jìn)行復(fù)雜的磁matlab轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-1-通檢測(cè)和繁瑣的坐標(biāo)變換，只要在保證轉(zhuǎn)子磁鏈大小不變的前提下，通過(guò)檢測(cè)定子電流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度，通過(guò)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(M-T坐標(biāo)系)上的數(shù)學(xué)模型運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)間接的磁場(chǎng)定向控制。其控制的基本方程式如下：usaRs+LsP0LmP0isausb=0Rs+LsP0LmPisburaLmPLmRr+LrPLriraurb-Lm-Lm-LrRr+LrPirb式中：usa，usb，ura，urb為定、轉(zhuǎn)子在M-T軸上的電壓分量；Ls為定子自感；Lr為轉(zhuǎn)子自感；Lm為定、轉(zhuǎn)子互感；1為定子角頻率、s為轉(zhuǎn)差角頻率；P為微分算子；Rs，Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻。磁鏈方程為：saLs0Lm0isasb=0Ls0LmisbraLmPLmRr+LrPLrirarb0Lm0Lrirb式中：sa，ra為定、轉(zhuǎn)子磁鏈勵(lì)磁分量；sb，rb為定、轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩分量；采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機(jī)參數(shù)有可能發(fā)生變化，會(huì)影響變頻器對(duì)電機(jī)的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。以異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制為例：matlab轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-2-它首先通過(guò)電機(jī)的等效電路來(lái)得出一些磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉(zhuǎn)子磁鏈，其中氣息磁鏈?zhǔn)沁B接定子和轉(zhuǎn)子的。一般的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流不易測(cè)量，所以通過(guò)氣息來(lái)中轉(zhuǎn)，把它變成定子電流。然后，有一些坐標(biāo)變換，首先通過(guò)/變換，變成靜止的d-q坐標(biāo)，然后通過(guò)前面的磁鏈方程產(chǎn)生的單位矢量來(lái)得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的類似于直流機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場(chǎng)電流分量，這樣就實(shí)現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最后再經(jīng)過(guò)/變換，產(chǎn)生三相交流電去控制電機(jī)，這樣就獲得了良好的性能。矢量控制（VC）方式:矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1和Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。綜合以上：矢量控制無(wú)非就四個(gè)知識(shí)：等效電路、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、坐標(biāo)變換（包括靜止和旋轉(zhuǎn)）。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。2轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要取決于其對(duì)轉(zhuǎn)矩控制能力。由于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比關(guān)系，控制電流即可控制轉(zhuǎn)矩控制，較易實(shí)現(xiàn)，而交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制比真流電動(dòng)機(jī)要復(fù)雜。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的目標(biāo)就是將交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的轉(zhuǎn)矩控制模型轉(zhuǎn)化為類似直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)矩控制模型。從原理上說(shuō)，矢量控制方式的特征是：它把交流電動(dòng)機(jī)解析成與直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有轉(zhuǎn)矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，按照磁場(chǎng)和其正交的電流的積就是轉(zhuǎn)矩這一最基本的原理，從理論上將電matlab轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-3-動(dòng)機(jī)的一次電流分離成建立磁場(chǎng)的勵(lì)磁分量和與磁場(chǎng)正交的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，然后分別進(jìn)行控制。2.1控制原理敘述轉(zhuǎn)差頻率控制控制思想就是從根本上改造交流電動(dòng)機(jī)，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，設(shè)法在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律。異步電動(dòng)機(jī)的基本方程式為：MLLirmrr1（1）strrmsiTL（2）rmrmLPTi11（3）Te=nPrrStmLiL（4）r=1prSmmTiL（5）式中：ri1、mi1分別為轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量；mL、rL分別為定、轉(zhuǎn)子電感；r為轉(zhuǎn)子總磁鏈；s為轉(zhuǎn)差角頻率；rT為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；eT為電磁轉(zhuǎn)矩；pn為異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；P為微分算子；mL1為定子繞組漏感。任何電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)均服從以下基本運(yùn)動(dòng)方程：dtdnJTTpLe（6）式中LT為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由式（6）可知，要提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，主要是控制轉(zhuǎn)速的變化率dtd。顯然，通過(guò)控制eT就能控制dtd，因此調(diào)速的動(dòng)態(tài)特性取決于其對(duì)eT的控制能力。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s很小，因此s也很小，轉(zhuǎn)矩的近似表達(dá)式為：matlab轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-4-22RKTsmme（7）式中：mK為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，m為氣隙磁通，2R為折算到定子邊的轉(zhuǎn)子電阻。只要能夠保持m不變，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就與s近似成正比，即控制s就能控制eT，也就能控制dtd，與直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制電流即可控制轉(zhuǎn)矩類似?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。把轉(zhuǎn)矩特性（即機(jī)械特性）：)(sefT畫(huà)在下圖中：圖2-1按恒m值控制的Te=f(s)特性可以看出：在s較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行段上，轉(zhuǎn)矩Te基本上與s成正比，當(dāng)Te達(dá)到其最大值Temax時(shí)，s達(dá)到smax值。由相關(guān)公式可以得到：rrmaxslLR（8）r2mmmaxe2lLKT（9）在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s限幅，使其限幅值為：rrmaxssmlLR，就可以基本保持Te與s的正比關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來(lái)代表轉(zhuǎn)矩控制。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。上述規(guī)律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是問(wèn)題又轉(zhuǎn)化為，如何能保持m恒定？我們知道，按恒Eg/1控制時(shí)可保持m恒定。在等效電路中可得：matlab轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-5-11gs1ssgs1sss)()(ELjRIELjRIUll（10）由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/1=恒值的基礎(chǔ)上再提高電壓Us以補(bǔ)償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時(shí)恒Eg/1控制所需的電壓-頻率特性Us=f(1,Is)?？偨Y(jié)起來(lái)，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是：（1）在ssm的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩Te基本上與s成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時(shí)，按函數(shù)關(guān)系Us=f(1,Is)控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。2.2轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)組成頻率控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)是轉(zhuǎn)差頻率給定s*，與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)相加，即得定子頻率給定信號(hào)1*，即*1*s電壓控制由1和定子電流反饋信號(hào)Is從微機(jī)存儲(chǔ)的Us=f(1,Is)函數(shù)中查得定子電壓給定信號(hào)Us*，用Us*和1*控制PWM電壓型逆變器，即得異步電機(jī)調(diào)速所需的變壓變頻電源。公式*1*s所示的轉(zhuǎn)差角頻率s*與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后得到定子頻率輸入信號(hào)1*這一關(guān)系是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)突出的特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。它表明，在調(diào)速過(guò)程中，定子頻率1隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。同時(shí)，由于在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對(duì)應(yīng)于sm的限幅轉(zhuǎn)矩Tem進(jìn)行控制，保證了在允許條件下的快速性。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠像直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能，是一個(gè)比較優(yōu)越的控制策略，結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜。然而，它的靜、動(dòng)態(tài)性能還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距的原因有以下幾個(gè)方面：（1）在分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時(shí)，是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩matlab轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-6-公式出發(fā)的，所謂的“保持磁通m恒定”的結(jié)論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動(dòng)態(tài)中m如何變化還沒(méi)有深入研究，但肯定不會(huì)恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)性能。（2）Us=f(1,Is)函數(shù)關(guān)系中只抓住了定子電流的幅值，沒(méi)有控制到電流的相位，而在動(dòng)態(tài)中電流的相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因素。（3）在頻率控制環(huán)節(jié)中，取*1*s，使頻率得以與轉(zhuǎn)速同步升降，這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點(diǎn)。然而，如果轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)不準(zhǔn)確或存在干擾，也就會(huì)直接給頻率造成誤差，因?yàn)樗羞@些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無(wú)衰減地傳遞到頻率控制信號(hào)上來(lái)了。3、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)構(gòu)建轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)