交流電機具有結構簡單、運行可靠、使用壽命長且價格便宜等優點。交流電機的缺點在于其控制較為復雜。青島艾普在查閱大量資料文獻的基礎上,了解國內外對交流電機控制的研究現狀以及已有的成果,了解了矢量控制基本原理。利用MATLAB/SIMULINK對交流電機矢量控制系統進行仿真,得到相應的速度、轉矩和電流曲線,驗證了矢量控制系統的可靠性和有效性。

1 電機測試臺(又名：電機測試系統） 的用途

電機測試臺廣泛用于電動機生產廠家對電動機進行產品性能測試和質量測試,而高性能的測試臺需要對電機的驅動進行準確的控制,利用高性能的控制方法控制交流電動機,能夠滿足系統的要求。電機測試臺最重要的部分是交流部分,交流部分的好壞直接關系到電機測試臺的性能。目前、交流電動機的控制方法已有很多方法,例如,直接轉矩控制、神經網絡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,對交流電機的控制進行了討論。

2 交流電機控制的發展現狀及展望

異步電動機矢量變換控制方法在七十年代提出之后,即得到了迅猛的發展。直流電機相對于交流電機而言,具有更優良的動態調速特性。矢量變換控制就是是利用坐標變換的方法將交流電機模擬成為直流電機,分別控制勵磁電流分量與轉矩電流分量,從而獲得與直流電動機一樣良好的動態調速特性。由于此方法采用了坐標變換,所以對硬件設施的性能要求較高。

良好的硬件設備是保障矢量控制法可以得到應用的關鍵,尤其是要不斷提高控制系統的可靠性和實時性好。這是是對控制系統的基本要求也是其關鍵要素。電機控制系統的發展經歷了分立元件的模擬電路階段、集成電路階段、大規模集成電路解讀以及專用集成電路階段。到目前為止,電機控制電路大多為模擬數字混合電路。因其不但可以提高系統的可靠性和實時性,同時體積更小,研發成本更少,得到了迅速的發展。作為專用集成電路(ASIC)電機控制專用集成電路品種、規格繁多,產品資料和應用資料十分豐富。但同時由于各廠商之間無統一標準,有一定的技術壁壘。由于當前電機控制的總是朝向多樣化發展、并且愈來愈復雜化,直接利用廠家的產品有時候并不能夠滿足要求。因此許多時候需要工程師自行開發產品。DSP就是一種非常好的開發工具。DSP(digital signal processor)是一種獨特的微處理器,是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號,轉換為0或1的數字信號,再對數字信號進行修改、刪除、強化,并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性,而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序,遠遠超過通用微處理器,是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度,是最值得稱道的兩大特色。

3 矢量控制的基本思路

對電機進行控制,最重要的是要對轉速進行控制,而轉速的控制是通過對轉矩的控制實現的。通過控制定子磁勢Fs模值大小或控制轉子磁勢Fr模值及他們在控制在空間的位置,就能達到控制電機轉矩的目的。控制Fs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現,而在空間上的位置角s、r,可以通過控制各相電流的瞬時相位來實現。因此,只要能夠實現對異步電動機定子各相電流(iA,iB,iC)的瞬時控制,就能實現對異步電動機的有效控制。

采用矢量變換控制方式是如何實現對異步電機定子電流的瞬時控制呢?異步電動機三相對稱定子繞組中,通入對稱三相正弦交流電流iA,iB,iC時,則形成基波合成旋轉磁勢,并由他建立相應的旋轉磁場ABC,其旋轉的角速度等于定子電流的角頻率s。然而,產生旋轉磁場不一定非要三相繞組不可,除單相外任意多相對稱繞組,通入多相對稱正弦電流,均能夠產生旋轉磁場。一個具有位置互差90o兩相定子繞組、,當通入兩相對稱正弦電流i、i時,則產生旋轉磁場。如果這個旋轉磁場的大小,轉速及轉向與上述三相交流繞組所產生的旋轉磁場完全相同,則可以認為上述兩套交流繞組等效。由此可知,處于三相靜止坐標系上的三相固定對稱交流繞組,以產生同樣的旋轉磁場為準則,可以等效為兩相對稱固定交流繞組,并且可知三相交流繞組中的三相對稱正弦交流iA,iB,iC與二相對稱正弦交流電流i、i之間存在確定的變換關系

4 交流矢量控制仿真

根據矢量控制基本思路可以利用Matlab/SIMULINK軟件,對電機交流控制系統進行仿真。

在此系統模型中,最重要的是電流調整器。電流調整器的作用是為了為其后所接的IGBT三相橋提供驅動信號。它將反饋得到的電流信號與電流給定值向比較,得到電流信號的差值。此差值通過一個繼電器,輸出高低電平信號。這每一路信號都分別直接或是通過一個反門接到同一個橋的上下橋臂上。這樣就保證了同一橋的上下橋臂上加的是一個互補的驅動信號。這就避免了同一橋的上的兩個IGBT同時導通,防止了直通現象的產生,避免三相橋過熱燒毀,同時也使得各個器件能夠有效導通。由此可以得到電磁轉矩的波形,如下圖所示:

通過仿真實驗獲得的上述仿真曲線可以看到仿真模型的與實際調速系統運動過程基本吻合。充分驗證了在異步電機矢量變換數學模型的基礎上結合MATLAB/SIMULINK建立的仿真模型的正確性。我們由此可以得到以下結論:

(1)交流電機和直流電機共同的運動機械特性,是交流電機矢量控制的實質和關鍵。

(2)坐標變換從物理上必須遵守旋轉磁場等效原則和功率不變原則,從數學上看就是通過系統狀態的相似變換,達到狀態重構和參數重構的目的,使數學模型變得簡潔易解。

(3)磁鏈的觀測認識矢量控制中的難點。由于直接測量存在著脈動分量等問題,現在大都采用的是間接測量,但仍然存在著其準確性易受參數變化的影響等問題。

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