1、1矢量控制的發展與現狀1.1矢量控制產生的背景精細化學品中含有多種脂類和蛋白質類粘稠狀高分子化合物，生產過程中， 由1.2矢量控制技術的發展矢量控制概念的提出在電機控制方面的研究是突破性的。限于當初的技術條 件系統的整體結構得到大大簡化，為設計某些結構復雜高性能的矢量控制系統 提供了有效的技術保障。綜上所述，沒有電力電子技術的巨大發展，就不可能將 1.3矢量控制技術的研究現狀發達國家的科技人員在矢量控制領域的研究走在前沿，其研究成果為矢量控 制的發展作出巨大貢獻。歐洲是矢量控制技術的發源地，其研究水平一直處于世 界先進行列。上世紀八九十年代歐洲在電氣工程方面的論文集中，與矢量控制相 關的論文占

2、很大一部分，其中Siemens公司和一些德國高校研究人員做出的貢獻尤 為突出，他們主要的貢獻在于微型處理器的應用取得較大突破，使矢量控制真正 進入實用化階段。亞洲范圍內日本在矢量控制領域一直處于領先水平，早在70年 代初歐洲的相關研究成果就被帶入日本國內，并有大量譯文在刊物上發表，此后 各科研機構在此基礎上逐步探索，形成了具有自身優勢的控制理論，主要集中在 解耦控制、速度與磁鏈觀測及參數自設定等方面，并有大量相關論文、專利出現。 大約在此后十年內，安川電機、三菱電氣及東芝等日本著名企業在相關領域的技 術研究和產品開發積累了豐富經驗，并取得較大優勢。到目前為止，矢量控制相關技術研究已取得巨大成就

3、，具體來說主要體現在 如下幾個方面：（1）為降低電機布線復雜度、提高系統穩定性，近年對無速度傳感器控制的 研究逐漸增多；（2）電機運行過程中環境因素造成電機參數改變，為減少由此引起的誤差， 電機參數識別與跟蹤的研究越來越引起技術人員的興趣；（3）隨著高鐵、動車的飛速發展，市場對大容量異步電機的需求量增多，因 此國家對大容量電機矢量控制系統的研究力度明顯加大。在矢量控制技術研究方面，歐、美、日走在了世界的前列，在上述三個發展 方向上，這三個國家或地區各有優劣。歐洲的優勢在于大容量電機控制方面的研 究，許多著名企業很早將大量精力投入于大功率電機車控制領域，且其相關產品 的性價比逐漸提高，在國際市場

4、中有很強的競爭力；日本在研究無速度傳感器方 面較為先進，開發的通用變頻器在電機車等領域逐步得到應用；美國在電機參數 識別方面研究比較深入，已將人工神經元網絡控制、自適應控制及模糊控制等新 技術應用在人工智能及國防科技等領域，并獲得了大量的技術積累和實際成果。 矢量控制技術的發展在我國大約有三十年的歷史，起初由于科技水平和整體工業 水平較薄弱，這些因素制約了矢量控制技術的發展，改革開放后，隨著國際交流 的加深，大量國際著名企業開始將目光投向中國市場，在將相關產品帶入中國的 同時，矢量控制技術的研究也逐漸趨于火熱，其研究成果在在電氣傳動領域得到 了廣泛的推廣。近年我國矢量控制的研究取得較大的進步，

5、具體主要表現在自適 應控制、無速度傳感器和大功率牽引電機等方面的研究，但大多工作任處于計算 機仿真階段，離實際應用還有大量工作要做。1.4本論文的研究背景和研究內容為了提高精細化學品生產過程中電機性能、安全性和能源利用率，研究高效、 高性能的控制系統很有必要，根據生產過程中的實際需求，本文分析比對各類矢 量控制系統，提出了一種可行、有效的矢量控制方案，設計滿足生產要求的控制 系統仿真模型。主要完成下列幾方面的工作：（1）分析矢量控制原理，并由此建立異步電機在不同坐標系下的數學模型；（2）對各矢量控制方案進行分析比較，研究其各自特點和優劣，根據生產過 程中電機的實際情況，選用按轉子磁鏈定向電流解

6、耦型直接矢量控制方案；（3）根據選定的控制方案，結合實際要求建立電機控制系統仿真模型，并利 用MATLAB/Simulink工具對本控制系統進行仿真，根據所得波形圖分析仿真結果， 驗證控制方案的是否滿足化工生產的實際需求。2坐標變換及異步電機的模型結構2.1坐標變換的基本原理化工生產中對電機控制的實時性要求，使得直接求解異步電機模型中的非線 性方程幾乎是不可能的，為減少運算量、提高運算的速度，必須對模型進行簡化， 其有效途徑就是坐標變換。圖2.1圖2.1直流電動機的物理模型電機控制原理與方法。矢量控制的基本思路就是利用這個轉換原理，具體轉 換方式是通過坐標變換來完成，坐標變換的基本原則是：轉換

7、前后線圈所產生的 磁動勢完全相同。2.2三相一兩相靜止變換（3s/2s變換）具體是將三相靜止繞組A、B、C轉換為兩相靜止繞組a、0，此類變換稱為2.3兩相靜止-兩相旋轉變換（2s/2r變換）另一種常用的坐標系是兩相旋轉坐標系，坐標系以一定轉速旋轉，根據旋轉圖2.3兩相靜止坐標系與兩相旋轉坐標系磁動勢（電流）的空間矢量C =2s/2rC =2s/2rcos甲 sin甲sin 甲 cos 甲(2-12)2.4異步電機模型結構異步電機的數學模型較復雜，對其分析前，要選擇好合適的坐標，目前常用 的是三相運動參量坐標系。三相運動參量坐標系中，異步電機的每相繞組的運動 抗）帶來的影響。2.4.1三相靜止坐

8、標系的模型為方便電機模型分析，不論電機轉子為何種類型，都可一律看作為三相繞組 各相對稱軸用a、b、c表示，其參考方向按逆時針旋轉，轉子a軸與定子A軸的圖3.1三相異步電動機的物理模型(3-1)(3-2)本文選用兩相旋轉電流模型。3.4幾種不同的磁鏈控制和解耦方法的比較差型矢量控制系統的磁場定向仍然擺脫不了參數（Tr、Lmd）變化對系統性能的影 響，但向精度欠佳。3.編寫程序構造新的專用工具包。圖7.5環脈沖發生器及電流控制逆變器組合模型及子系統滯環脈沖發生器由三個滯環控制器Relay和三個邏輯非運算器Logical operator 組成，模塊輸入為三相給定電流值和三相實測電流值，輸出為6路逆

9、變器PWM控制 信號，其中1、3、5路與2、4、6路控制信號為相反信號。該模塊由Simulink Library 中的模塊Relay和Logical operator來構建，Relay根據輸入信號的變化在邏輯1和0之 間跳變，當給定電流比實際電流大，且差值大于Relay的滯環寬度時，對應相正向 導通，Relay輸出1，負向關斷Logical operator輸出0。當實際電流高于給定電流， 且差值大于滯環寬度時，對應相負向導通，正向關斷。減小滯環寬度可以使輸出 值與給定值更吻合，不過增加了開關頻率，受IGBT開關頻率的限制滯環寬度不能 取得太小，此外滯環寬度取值太小，系統采樣周期也要減小，這將

10、給系統的實時 運行帶來不利。功率變換單元為電流控制逆變器，采用電力系統模塊中的萬能橋Universal Bridge組成，其結構如圖7.6所示，電力電子器件選用I GBT/Diodes，采用三橋臂六 IGBT結構。滯環脈沖信號為6路PWM控制的輸入端，直流母線電壓經逆變器的 UC+、UC-輸入，電壓值為620V。圖7.6 IGBT-Diodes型萬能橋內部結構7.6電機相關參數設置7.6.1電機指定測量信號輸出設置電機指定信號輸出選擇定子電流（ia、ib、ic）、轉子機械角速度（可）以及 轉矩Te。如圖7.7所示。際 Block Parameters: ITIachines Measureme

11、nt De mux圖際 Block Parameters: ITIachines Measurement De mux圖7.7電機指定信號輸出設置7.6.2電機參數設置電機轉子類型參數設置為鼠籠式，采用靜止參考坐標系，輸出功率（標稱值） 為Pn=18 KW；電壓Vn=380 V；頻率為fn=50 Hz；定子電阻Rs=0.087 Q；定子漏 感 L1s=0. 8 mH；轉子電阻 Rr=0.228 Q；轉子漏感 L1r=0.8 mH；互感 Lm=0.1557 H； 轉動慣量J=1.55 kgm2；摩擦系數F=0.1 N-m-s；極對數p= 2。具體設置如圖7.8所 示。圖7.8電機參數設置7.7系

12、統仿真結果仿真模型采用轉子磁場直接定向矢量控制系統，為方便仿真，創建圖形用戶 界面(GUI)，為使仿真模型運行速度加快，反饋環節傳遞函數采用一階延遲環節 1/Z，速度采樣周期Ts=2x10-6s；仿真時長2s，采用固定步長，求解器選擇disrete (no contiuous states)，步長大小選擇auto，周期采樣時間模式為SingleTasking；空載或 負載可通過“Manual Switch”單元進行選擇；系統中各模塊連接如下：圖7.9圖7.9采用轉子磁場直接定向矢量控制系統仿真模型7.7.1無轉矩內環的仿真波形無轉矩內環的仿真模型見圖7.10，定子線電壓（V）、三相定子電流（A

13、）、轉 速（r/min）及轉矩（Nm）波形圖如7.11所示。空載啟動，0.8s時給系統突然增加 一負載Tm=100Nm，從圖7.11可看出，不帶轉矩內環的轉矩波形啟動時波動很大， 雖然定子電流的轉矩分量變化不大，但轉矩有明顯波動，轉子磁鏈的變化會對轉 矩調節帶來擾動，說明子系統未完全解耦；定子電流變化不大，但轉矩波動很大， 電機效率較低。Subsystem 0AfiRis_abcis_qdSubsystemlSI Unitszdq0_to_abc TransformationDiscrete, Ts = 2e-006 s.Machines MeasurementDSubsystem 0AfiR

14、is_abcis_qdSubsystemlSI Unitszdq0_to_abc TransformationDiscrete, Ts = 2e-006 s.Machines MeasurementDemux圖7.10無轉矩內環轉子磁場直接定向矢量控制系統仿真模型iabc C |Time offset: 0圖7.11無轉矩內環時，定子線電壓、三相定子電流、轉速及轉矩波形圖7.7.2帶轉矩內環的仿真波形矩波形圖圖7.16 n =50 rad/s、T商140Nm時，定子電流轉矩分量波形圖8結論本文分析比較了各矢量控制技術的技術特點，針對精細化學品生產的特點， 選擇中小功率異步電機，設計了高精度、高

15、效率矢量控制方案，利用MATLAB與 Simulink搭建模型并進行仿真，得出仿真結果。綜合起來，本文重要完成了以下工 作：對國內外文獻所介紹的各個方案進行了深入的分析比較，決定采用按轉子磁場 定向，帶轉矩內環控制直接矢量控制系統，根據其數學模型，設計了轉速調節器、 轉矩調節器、磁鏈調節器、磁鏈電流模型等。矢量控制中對轉子磁鏈的觀測尤為 重要，本文采用旋轉坐標系下的電流型觀測器，提高了中小型電機的觀測精度；系統選用電流滯環跟蹤控制的CHBPWM變頻器作為主電路控制器，能對電流實 施閉環控制，保證實際需要的正弦波電流，使電機的合成電磁轉矩接近恒定值， 脈動分量較少。采用MATLAB/Simuli

16、nk對設計矢量控制方案進行建模仿真，仿真結果表明本文 設計的矢量控制方案符合化工生產設計要求，實現了定子電流轉矩分量和勵磁分 量的完全解耦，系統對外來擾動響應迅速，對轉速、轉矩及磁鏈有優異的控制功 能，具有良好的動靜態性能。本論文設計的控制方案在一定程度上具有可行性，但由于本人能力水平有限， 并受到時間和實驗條件的限制，但在很多方面還不夠深入和完善。（1）磁鏈觀測模型精度與速度還需要進一步提高，采用更加精確、快速的觀測模 型，提高磁鏈的觀效果；（2）電機參數的變化對控制精度有很大影響；可進一步研究參數在線辨識技術；（3）實驗僅處在仿真階段，若在實際中應用，考慮到具體設備情況，需進一步優 化各子系統的參數設置、速度傳感器的使用以及處理環境因素對系統的影響，如 PI控制放大系數、各單元上下限的選擇問題；速度傳感器的安裝、維護問題；受非 線性因素和參數改變而引起的控制性能惡化等問題。因此在理論研究與實際應用 方面還有巨大的發展空間，如參數優化方案、自適應模糊控制及無速度傳感器控 制技術等方面。矢量控制系統硬件電路設計設計3.1主電路電流檢