交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)總結(jié)報(bào)告

1、 . . . 交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)調(diào)試總結(jié)報(bào)告 本次設(shè)計(jì)交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)用于交通大學(xué)純電動(dòng)汽車(chē)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)制作于7月18號(hào)完成，調(diào)試時(shí)間為7月6號(hào)至8月12號(hào)。試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告全文如下：1、對(duì)矢量控制系統(tǒng)的幾點(diǎn)考慮（1）交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的一般調(diào)試步驟 檢測(cè)空間電壓矢量輸出電壓波形。 給定兩個(gè)控制參考電壓量、，軟件模擬產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)角從周期性變化，并將該角度作為反旋轉(zhuǎn)變換角，將變換后得到、作為輸入量給SVPWM，同時(shí)檢測(cè)SVPWM輸出波形。實(shí)現(xiàn)框圖如下：SVPWM反旋轉(zhuǎn)變換 對(duì)電機(jī)三相電流采樣并做3/2變換，得到、，運(yùn)用（1）得到的同步旋轉(zhuǎn)角做旋轉(zhuǎn)變換，檢測(cè)、是否為直流量，

2、以驗(yàn)證解耦控制是否成功。實(shí)現(xiàn)框圖如下：旋轉(zhuǎn)變換3/2變換 運(yùn)用開(kāi)環(huán)控制使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通的模型，檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁通、計(jì)算滑差頻率以與同步旋轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。實(shí)現(xiàn)框圖如下：磁通模型 磁通控制量和轉(zhuǎn)矩控制量分別由各自的電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，并作為輸入量用于SVPWM。實(shí)現(xiàn)框圖如下：SVPWMPI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器（2）矢量控制系統(tǒng)中電機(jī)磁路飽和對(duì)磁場(chǎng)定向的影響磁路飽和是由于電感隨電機(jī)定子電流過(guò)大增大而發(fā)生變化，使得磁通與勵(lì)磁電流之間不再保持線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到一定值時(shí)，磁通出現(xiàn)增加緩慢，產(chǎn)生飽和。 對(duì)轉(zhuǎn)子磁通的影響磁場(chǎng)定向下，轉(zhuǎn)子磁通：標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般取：，為額定工況下定子相

3、電流有效值。為了提高的額定值，可以適當(dāng)降低滑差頻率，有利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于受磁路飽和的影響，轉(zhuǎn)子磁通不能太高。當(dāng)給定轉(zhuǎn)子磁通超過(guò)飽和磁通時(shí)，就會(huì)破壞轉(zhuǎn)子磁通定向。 對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響磁場(chǎng)定向下，電磁轉(zhuǎn)矩：當(dāng)勵(lì)磁電流保持不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為一條直線(xiàn)，其斜率取決于即轉(zhuǎn)子磁通的大小，因而由于磁路飽和，斜率受到限制，從而限制電磁轉(zhuǎn)矩。 對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的影響磁場(chǎng)定向下，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：因而最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在，即時(shí)，且最大轉(zhuǎn)矩與定子電流平方成正比。由于磁路飽和的影響，增大轉(zhuǎn)子磁通，則需要大大增加。因而一般采取的方法是通過(guò)增大來(lái)提高電磁轉(zhuǎn)矩。 對(duì)弱磁運(yùn)行的影響磁路飽和時(shí)，實(shí)際電機(jī)中定子電感、轉(zhuǎn)子電感與設(shè)計(jì)定子電感

4、、轉(zhuǎn)子電感將產(chǎn)生偏差，令：，則可得： 對(duì)于大容量電機(jī)，、可以忽略，即。與磁路飽和程度、負(fù)載大小以與給定值的選取相關(guān)。當(dāng)電機(jī)恒磁通運(yùn)行時(shí)，取，為設(shè)計(jì)電感，在輸出轉(zhuǎn)矩不超過(guò)3倍的額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，變化較小，使實(shí)際轉(zhuǎn)子磁通變化不大。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于弱磁區(qū)時(shí)，逐漸變小，使得轉(zhuǎn)矩變化明顯，此時(shí)選擇對(duì)電機(jī)的輸出性能將產(chǎn)生影響。2、7月6號(hào)7月7號(hào)試驗(yàn)總結(jié)試驗(yàn)分為三個(gè)步驟進(jìn)行： 利用VVVF開(kāi)環(huán)控制軟件測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性，包括電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、牽引電機(jī)和負(fù)載等，并將試驗(yàn)結(jié)果（電機(jī)定子三相電流、電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)軸輸出功率、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入電流、電壓等）作為矢量控制系統(tǒng)在同等工況下的參考狀態(tài)。 運(yùn)用矢量控制軟件測(cè)試電機(jī)

5、起動(dòng)的平穩(wěn)性和快速性。 運(yùn)用矢量控制軟件測(cè)試電機(jī)空載運(yùn)行情況，最高轉(zhuǎn)速、峰值功率與系統(tǒng)效率等。試驗(yàn)問(wèn)題：（1）矢量控制起動(dòng)時(shí)，電機(jī)空載起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)、爬行，起動(dòng)后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。當(dāng)母線(xiàn)電壓達(dá)到150180V時(shí)，出現(xiàn)電流保護(hù)，電機(jī)不能正常起動(dòng)。原因分析：該矢量控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式,對(duì)于磁通電流給定值直接通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速得到，中間不通過(guò)磁通調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，采用靜止勵(lì)磁方式，即先通入磁通坐標(biāo)軸上電流，待電機(jī)氣隙中建立一定的磁場(chǎng)后，再施加轉(zhuǎn)矩坐標(biāo)軸上電流。這種控制方式有利于限制電機(jī)起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的磁通飽和，減小電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的峰值電流。然而，如果靜止勵(lì)磁過(guò)程中，給定磁通電流分量過(guò)大，則容易引起

6、起動(dòng)過(guò)程中的磁通飽和，使電機(jī)起動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)振動(dòng)，電流波動(dòng)大，甚至引起相電流保護(hù)。處理辦法：減小靜止勵(lì)磁對(duì)應(yīng)的給定磁通電流，同時(shí)對(duì)磁通電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓分量限幅處理。試驗(yàn)結(jié)果：電機(jī)可在母線(xiàn)電壓為312V下平穩(wěn)起動(dòng)。（2）電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載突變時(shí)容易產(chǎn)生電機(jī)相電流保護(hù)。原因分析：轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)調(diào)整不合理，可使得系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化較為敏感，較小的負(fù)載變化可引起電機(jī)相電流震蕩，導(dǎo)致相電流保護(hù)。當(dāng)反饋電流與給定電流相差較大時(shí)，由于PI參數(shù)不合理，容易導(dǎo)致電流閉環(huán)不能發(fā)揮作用，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。處理辦法：調(diào)整PI參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果：電機(jī)在全速度圍加減載正常。（3）矢量控制帶負(fù)載起動(dòng)困難，接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，出

7、現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并導(dǎo)致相電流保護(hù)；利用VVVF試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)軸輸出功率低，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，出現(xiàn)相電流保護(hù)。原因分析：21所電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)采用牽引電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出電能送水負(fù)載（）消耗。相對(duì)于牽引電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)負(fù)載可表示為：由上述負(fù)載公式可知，制動(dòng)力矩正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速，且與成反比。牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性與負(fù)載特性如下圖所示： 0 圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性和負(fù)載特性上圖中，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在不穩(wěn)定區(qū)（0）時(shí)，VVVF控制過(guò)程中，提高定子頻率，必然導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足而停機(jī)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)域（）時(shí)，如果負(fù)載很大，電機(jī)定子頻率升高時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，負(fù)載隨同電機(jī)轉(zhuǎn)速升高

8、而增加，使得電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率不斷增大。當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率超過(guò)最大轉(zhuǎn)差頻率時(shí)，電機(jī)運(yùn)行至不穩(wěn)定區(qū)，使電機(jī)停機(jī)。處理辦法：試驗(yàn)采用空載或低負(fù)載起動(dòng)，起動(dòng)后加負(fù)載；當(dāng)電機(jī)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速進(jìn)入弱磁區(qū)時(shí)，適當(dāng)降低負(fù)載，以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大電機(jī)軸輸出功率。試驗(yàn)結(jié)果：電機(jī)空載運(yùn)行可達(dá)10000rpm；運(yùn)行至7000rpm時(shí)，電機(jī)軸輸出功率超過(guò)40kW；電機(jī)在全速度圍加減載正常。（4）VVVF控制時(shí)，電機(jī)空載起動(dòng)正常，轉(zhuǎn)速上升后出現(xiàn)相電流波動(dòng)，電機(jī)晃動(dòng)較為明顯；轉(zhuǎn)速超過(guò)3000rpm時(shí)，電機(jī)運(yùn)行正常。原因分析：三易電機(jī)參數(shù)如下：、mH、mH、mH。從電感量可以看出，該電機(jī)為高飽和電機(jī)，這類(lèi)電機(jī)工作時(shí)，很小的勵(lì)磁電流就能夠產(chǎn)生

9、很高的磁通，即磁通很容易飽和。磁通飽和時(shí)，要提高電磁轉(zhuǎn)矩，通過(guò)增加磁通來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，將導(dǎo)致勵(lì)磁電流大大增加，使得電機(jī)相電流大幅度增加，同時(shí)出現(xiàn)相電流波動(dòng)。出現(xiàn)磁通飽和的原因是VVVF控制的V/f1曲線(xiàn)與實(shí)際電機(jī)特性不匹配。處理辦法：通過(guò)改變定子頻率f1和母線(xiàn)電壓Ud，測(cè)試電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的對(duì)應(yīng)V/f1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)在磁通接近飽和點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如下表所示：f1（Hz）427490114160200Ud（V）50100110140172190V1（V）42/200×50=1074/200×100=3790/200×110=50114/200×14

10、0=80160/200×172=138200/200×190=190由上表得出V/f1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可繪出全頻率圍的V/f1曲線(xiàn)如下所示：圖2 三易電機(jī)測(cè)試V/f1曲線(xiàn)根據(jù)以上試驗(yàn)曲線(xiàn)，考慮到低頻時(shí)定子電阻壓降，采用以下控制方式：由上述方程得到的V/f1控制曲線(xiàn)如下圖所示：圖3 開(kāi)環(huán)控制中給定V/f1曲線(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果：根據(jù)上述V/f1控制產(chǎn)生SVPWM，電機(jī)在全速度圍穩(wěn)定運(yùn)行。（5）矢量控制電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)抖動(dòng)和爬行，電機(jī)升速不正常；高速下電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)。原因分析：起動(dòng)時(shí)電機(jī)抖動(dòng)和爬行主要是因?yàn)樗俣葯z測(cè)不準(zhǔn)確，造成電流閉環(huán)控制失效。此時(shí)電機(jī)完全靠滑差頻率運(yùn)行。通過(guò)

11、檢測(cè)A、B兩相正交編碼信號(hào)是否正常，檢測(cè)正交編碼輸入口至DSP信號(hào)輸入端是否有斷路。對(duì)于高速下電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，可通過(guò)檢測(cè)高速下A、B兩相正交編碼信號(hào)來(lái)幫助判斷。檢查后發(fā)現(xiàn)，高速下該信號(hào)波形由矩形波變?yōu)殇忼X波，脈沖上升沿電平被拉低。處理辦法：對(duì)于脈沖問(wèn)題，去除正交脈沖輸入端的濾波電容。同時(shí)，對(duì)輸入的正交脈沖信號(hào)需作適當(dāng)處理，可采用施密特觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形處理。對(duì)于需加上拉電阻的正交脈沖輸入信號(hào)，要注意上拉電阻的位置和阻值的大小。一般要求上拉電阻靠近DSP輸入端口。試驗(yàn)結(jié)果：電機(jī)在全速度圍穩(wěn)定運(yùn)行。3、7月26號(hào)7月29號(hào)試驗(yàn)問(wèn)題：電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，電流上升較為緩慢，當(dāng)電機(jī)加速至1000rp

12、m2000rpm時(shí)，電機(jī)三相電流出現(xiàn)波動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使車(chē)輛出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。原因分析：電機(jī)出現(xiàn)電流波動(dòng)的原因有負(fù)載突變、調(diào)節(jié)器參數(shù)不合理、供電電壓波動(dòng)、電機(jī)的氣隙磁通出現(xiàn)過(guò)飽和等。從試驗(yàn)條件分析，試驗(yàn)臺(tái)為轉(zhuǎn)轂，負(fù)載不會(huì)產(chǎn)生突變；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用蓄電池供電，電源電壓相對(duì)平穩(wěn)，可同時(shí)排除電源影響；對(duì)于電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間（34天）反復(fù)調(diào)節(jié)，試驗(yàn)中電流波動(dòng)現(xiàn)象依然存在，也可排除調(diào)節(jié)器參數(shù)影響的原因。由于該電機(jī)為高飽和電機(jī)（互感相對(duì)于定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感很大），很小的勵(lì)磁電流將產(chǎn)生很大的磁通，電流稍大即容易出現(xiàn)磁通飽和，因而可以推測(cè)為磁通飽和引起電流波動(dòng)。改進(jìn)措施：試驗(yàn)中為消除磁通飽和的影響，采取了以

13、下措施：（1）矢量控制系統(tǒng)采用如下框圖，其中給定轉(zhuǎn)矩電流由給定轉(zhuǎn)矩直接得到，在這種情況下，如果磁通出現(xiàn)飽和，當(dāng)磁通調(diào)節(jié)器不能實(shí)現(xiàn)磁通的調(diào)節(jié)時(shí)，可以通過(guò)降低給定轉(zhuǎn)矩來(lái)減小電機(jī)相電流。實(shí)現(xiàn)的方法是對(duì)于轉(zhuǎn)矩電流給定值通過(guò)給定轉(zhuǎn)矩與反饋轉(zhuǎn)子磁通得到。試驗(yàn)結(jié)果：電流波動(dòng)依然存在，效果不明顯。（2）滑差頻率在該框圖過(guò)給定轉(zhuǎn)矩電流和給定磁通電流得到，因而滑差頻率在調(diào)整過(guò)程中保持不變。采用滑差頻率通過(guò)反饋值得到，則可以在磁通出現(xiàn)飽和時(shí)，通過(guò)降低滑差來(lái)減小電機(jī)相電流。試驗(yàn)結(jié)果：電流波動(dòng)依然存在，效果不明顯。（3）對(duì)于給定磁通電流采取如下措施：通過(guò)判斷磁通是否達(dá)到飽和值來(lái)判斷是否對(duì)給定磁通電流減幅，計(jì)算得到電機(jī)額

14、定磁通為0.60Wb，當(dāng)反饋轉(zhuǎn)子磁通大于額定值時(shí)，給定磁通電流×，從而降低給定磁通電流，使電機(jī)退飽和。Wb試驗(yàn)結(jié)果：電流波動(dòng)依然存在，效果不明顯。 （4）上述措施從不同方面來(lái)減小磁通反饋值，使磁通不出現(xiàn)飽和。由于該電機(jī)為高飽和電機(jī)，磁通電流很小，如果給定值始終很大，則必然引起磁通飽和。減小給定磁通電流可以從根本上消除磁通飽和。試驗(yàn)結(jié)果：電流波動(dòng)基本消除。4、7月30號(hào)8月2號(hào)交大調(diào)試總結(jié)（1）矢量控制電機(jī)起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，很小的轉(zhuǎn)矩命令隨時(shí)間增加可以產(chǎn)生很高的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速至4000rpm時(shí)，出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速突然上升。此時(shí)，查看矢量控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)電流分量始終為

15、負(fù)值，且隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速上升向負(fù)的方向增加；轉(zhuǎn)矩電流分量始終為正值，且隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加向正的方向增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000rpm時(shí)，突然變?yōu)樨?fù)值，電機(jī)轉(zhuǎn)速突然上升。原因分析：該矢量控制系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的反饋值分別與給定磁場(chǎng)電流分量和給定轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行比較，輸入至PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器輸出磁場(chǎng)電壓控制量和轉(zhuǎn)矩電壓控制量。該調(diào)節(jié)過(guò)程是一個(gè)負(fù)反饋過(guò)程，當(dāng)磁場(chǎng)電流分量為負(fù)并向負(fù)方向增大時(shí)，輸入至比較環(huán)節(jié)形成正反饋，因而造成電機(jī)磁場(chǎng)飽和。同時(shí)轉(zhuǎn)矩電流分量的不斷增大，根據(jù)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩公式，電磁轉(zhuǎn)矩必然上升。試驗(yàn)在轉(zhuǎn)榖上進(jìn)行，轉(zhuǎn)榖試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)是，當(dāng)主動(dòng)力矩小于或等于設(shè)定的最大負(fù)載力矩時(shí)，負(fù)載

16、力矩與主動(dòng)力矩相等，使得速度緩慢上升；當(dāng)主動(dòng)力矩大于設(shè)定的最大負(fù)載力矩時(shí)，負(fù)載力矩維持在最大值，主動(dòng)力矩超出負(fù)載力矩的部分為凈加速力矩，最終造成轉(zhuǎn)速失控。磁場(chǎng)電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量通過(guò)定子電流的在靜止坐標(biāo)系下的兩個(gè)正交分量經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換得到，如果旋轉(zhuǎn)變換出現(xiàn)反向或者兩正交分量反向，則容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后的電流始終為負(fù)值。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，三相電流傳感器正方向與三相電流方向正好反向，使得檢測(cè)到的電流與實(shí)際電流反向，造成DSP中A/D采樣的電流信號(hào)與實(shí)際電流相反，最終造成磁場(chǎng)電流分量始終為負(fù)值。處理辦法：電流傳感器因空間限制，在安裝時(shí)出現(xiàn)反向安裝?？梢詫/D采樣值取反，得到與實(shí)際電流同相位的電流信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果：

17、矢量控制電機(jī)起動(dòng)和加速過(guò)程正常，但因?yàn)檗D(zhuǎn)榖負(fù)載的因素，在給定轉(zhuǎn)矩超過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，仍然出現(xiàn)轉(zhuǎn)速突然上升的現(xiàn)象。（2）試驗(yàn)中檢測(cè)磁場(chǎng)電壓控制量和轉(zhuǎn)矩電壓控制量發(fā)現(xiàn)：隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，朝著負(fù)方向不斷變大，直到達(dá)到負(fù)的最大值；朝著正的方向不斷變大，直到達(dá)到正的最大值；同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)突變。原因分析：該矢量控制程序中，磁場(chǎng)電壓控制量包含兩部分，一部分是PI調(diào)節(jié)器輸出量，一部分為解耦環(huán)節(jié)輸出；轉(zhuǎn)矩電壓控制量包含兩部分，一部分是PI調(diào)節(jié)器輸出量，一部分為解耦環(huán)節(jié)輸出。對(duì)于解耦環(huán)節(jié)，采用前饋控制方式，即通過(guò)給定磁場(chǎng)電流、給定轉(zhuǎn)矩電流和電機(jī)同步轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算，用公式表示如下：當(dāng)出現(xiàn)控制量、隨著轉(zhuǎn)速上升分別向各自飽

18、和方向變化，并最終達(dá)到最大值時(shí)，PI調(diào)節(jié)器為能夠很好地補(bǔ)償解耦環(huán)節(jié)輸出量對(duì)、的影響。對(duì)、作如下分析：1）分析穩(wěn)態(tài)下、對(duì)磁場(chǎng)電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的影響。根據(jù)下列、的穩(wěn)態(tài)公式：由上式可以看出，當(dāng)同步角頻率不斷增大時(shí)，占的比例不斷變小，當(dāng)很大時(shí)，可忽略，因而變化，直接影響到電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流分量，且為負(fù)值；同理對(duì)于，當(dāng)很大時(shí)，可忽略，因而變化，直接影響到電機(jī)磁場(chǎng)電流分量，且為正值。由交流異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)下的矢量圖可以得出一樣的結(jié)論：在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的第二象限，即為負(fù)值，為正值。當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，即向負(fù)值增大，向正值減小，跟隨作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因而減小，增大。即有下述結(jié)果：幅值增大，轉(zhuǎn)矩電流分量增大；幅值增大，磁場(chǎng)電

19、流分量增大。這與上部分根據(jù)穩(wěn)態(tài)公式分析結(jié)果一樣。出現(xiàn)上述結(jié)果是由于交流異步電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子相互間的強(qiáng)耦合作用引起的，通過(guò)對(duì)控制量采用解耦補(bǔ)償?shù)拇胧瑏?lái)抵消電機(jī)本身的這種強(qiáng)耦合作用。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)適當(dāng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)控制給定磁場(chǎng)電流分量的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的控制；控制給定轉(zhuǎn)矩電流分量的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。矢量控制系統(tǒng)的精髓即使能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的分別控制。（a） （b）圖4 交流異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)矢量圖2）分析PI調(diào)節(jié)器輸出對(duì)控制量、的影響當(dāng)PI參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，可以控制實(shí)現(xiàn)PI輸出電壓、補(bǔ)償解耦環(huán)節(jié)對(duì)控制量、的影響。以下采用仿真來(lái)討論：具體電機(jī)參數(shù)為：kW、rpm、N·m、A、

20、mH、mH、mH、kg·m2。采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的控制方式，牽引逆變器開(kāi)關(guān)頻率kHz，最大調(diào)制深度，中間直流電壓取280V。帶PI調(diào)節(jié)器的仿真結(jié)果如圖517所示： 圖5 定子電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖6 定子電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖7 磁場(chǎng)電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖8 轉(zhuǎn)矩電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖9 電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn)（N·m） 圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)（Hz）圖11 磁場(chǎng)電壓調(diào)節(jié)量（V） 圖12 轉(zhuǎn)矩電壓調(diào)節(jié)量（V）圖13 磁場(chǎng)電壓補(bǔ)償量（V） 圖14 轉(zhuǎn)矩電壓補(bǔ)償量（V）圖15 磁場(chǎng)電壓控制量（V） 圖16 轉(zhuǎn)矩電壓控制量（V）圖17 帶PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子磁鏈圓（Wb） 圖1

21、8 不帶PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子磁鏈圓（Wb）不帶PI調(diào)節(jié)器的仿真結(jié)果如圖1826所示： 圖19 定子電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖20 定子電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖21 磁場(chǎng)電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖22 轉(zhuǎn)矩電流分量變化曲線(xiàn)（A） 圖23 電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn)（N·m） 圖24 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)（Hz）圖25 磁場(chǎng)電壓控制量（V） 圖26 轉(zhuǎn)矩電壓控制量（V）通過(guò)上述仿真分析可以得出以下結(jié)論： 由圖選取適當(dāng)?shù)腜I參數(shù)可以使得反饋的磁場(chǎng)電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量跟隨給定值變化。 選取適當(dāng)?shù)腜I參數(shù)可使得電機(jī)在平穩(wěn)起動(dòng)過(guò)程，系統(tǒng)超調(diào)量小。 選取適當(dāng)?shù)腜I參數(shù)可使得反饋電流與給定值之間的靜差得到很好地消

22、除。 根據(jù)仿真分析結(jié)果，可確定磁場(chǎng)電壓控制量和轉(zhuǎn)矩電壓控制量的最大值，以與隨轉(zhuǎn)速變化過(guò)程的動(dòng)態(tài)最大值。5、交流異步電機(jī)參數(shù)計(jì)算與分析（1）交流異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性分析三相交流異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路如圖27所示：圖27 交流異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路由電機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路，忽略定子壓降，即，可以寫(xiě)出以下定子電流方程：額定工況下，同步頻率Hz，即額定同步旋轉(zhuǎn)速度rpm，額定電機(jī)轉(zhuǎn)速rpm，滑差可計(jì)算為：相關(guān)電機(jī)參數(shù)為：、mH、mH、mH、 mH、mH。A電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：上式中，。代入上述參數(shù)可得到額定工況下的電磁轉(zhuǎn)矩：N·m三易電機(jī)銘牌相關(guān)參數(shù)為：V、A、N·m，因而計(jì)算結(jié)果基本相近。計(jì)算電

23、機(jī)勵(lì)磁電流采用轉(zhuǎn)子開(kāi)路的形式，電機(jī)的等效電路變?yōu)槿鐖D28所示：圖28 轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí)的異步電機(jī)等效電路 由上述等效電路可得到電機(jī)的勵(lì)磁電流可表示為：代入相關(guān)電機(jī)參數(shù)可得：A標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)設(shè)計(jì)中，一般取。上述計(jì)算得到：。因而可知，該電機(jī)勵(lì)磁電流在正常圍。由圖27電機(jī)等效電路，可得到和的關(guān)系如下：變換后可得到：由上述公式得到和的關(guān)系如下曲線(xiàn)如圖29所示：圖29 定子電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)上述定子電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系作適當(dāng)變換，忽略定子漏感的影響，可以得到：考慮實(shí)際電機(jī)運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化的影響，對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)做出適當(dāng)修正，定子電流與勵(lì)磁電流關(guān)系表示為：試驗(yàn)得到的定子電流和勵(lì)磁電流關(guān)系以與由上式得到關(guān)系如圖3

24、0所示：圖30 滑差頻率與定子電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)式中取A，s，由06Hz。（2）交流異步電機(jī)瞬態(tài)特性分析交流異步電機(jī)的瞬態(tài)方程用相量表示如下：由上述電壓和磁鏈方程可得到交流異步電機(jī)瞬態(tài)等值電路如圖31所示：圖31 交流異步電機(jī)瞬態(tài)等值電路將定子電壓的空間矢量和定子電流的空間矢量向轉(zhuǎn)子磁鏈定向的坐標(biāo)上分解，可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)下的d-q坐標(biāo)方程：由上述方程可得到交流異步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的瞬態(tài)等值電路如圖32、圖33所示：圖32 交流異步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的d軸瞬態(tài)等值電路圖32 交流異步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的q軸瞬態(tài)等值電路根據(jù)上述等效電路，可畫(huà)出交流異步電機(jī)瞬態(tài)矢量圖如圖33所示：圖

25、33 交流異步電機(jī)瞬態(tài)矢量圖由上述對(duì)交流異步電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程分析，可得到以下重要關(guān)系式： 轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流d軸分量的關(guān)系： 轉(zhuǎn)差頻率和定子電流的d軸分量、q軸分量的關(guān)系： 電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流q軸分量、轉(zhuǎn)子磁鏈的關(guān)系：取額定工況下，A（3/2坐標(biāo)變換根據(jù)功率不變?cè)瓌t，變換后兩相電流幅值為三相電流幅值的倍，旋轉(zhuǎn)變換前后電流幅值不變），A，由上各式可得到該電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈的穩(wěn)態(tài)值、最大轉(zhuǎn)差頻率以與相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩分別為：Wbrad/s（Hz）N·m6、轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)框圖說(shuō)明本次交流異步電機(jī)調(diào)試采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制策略，控制框圖具有以下特點(diǎn)：（1）3/2坐標(biāo)變換在保持變換前后功率

26、不變的條件下，3/2坐標(biāo)變換如下式：本控制系統(tǒng)中的坐標(biāo)變換采用的變換公式如下：由上式可以看出，變換后的相電流幅值保持不變，功率降為變換前的2/3倍。（2）起動(dòng)時(shí)采用靜止勵(lì)磁控制。交流異步電機(jī)實(shí)際是一種通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置，轉(zhuǎn)子磁鏈通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生，同時(shí)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的存在著相互作用。電機(jī)起動(dòng)前，轉(zhuǎn)子磁鏈尚未產(chǎn)生，氣隙磁鏈等于定子磁鏈，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)對(duì)定子線(xiàn)圈通入三相交流電時(shí)，定子磁鏈以同步轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)，如果短路的轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，則產(chǎn)生切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因而在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出電流，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁鏈。轉(zhuǎn)子磁鏈與定子磁鏈的交互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果對(duì)通入電機(jī)的三相交流電壓

27、進(jìn)行坐標(biāo)變換，則最終可以得到定子電壓在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的坐標(biāo)上的兩個(gè)分量，即磁場(chǎng)電壓分量和轉(zhuǎn)矩電壓分量，分別用于產(chǎn)生定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子磁鏈定向的交流異步電機(jī)矢量控制策略是基于轉(zhuǎn)子磁鏈已經(jīng)建立的基礎(chǔ)上的，因此，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈已經(jīng)建立，控制系統(tǒng)才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行解耦控制。而在剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈為零，故此時(shí)不滿(mǎn)足假設(shè)條件，破壞了正常工作狀態(tài)時(shí)的解耦關(guān)系。如果此時(shí)仍用假設(shè)條件下所得的控制方法對(duì)電機(jī)起動(dòng)進(jìn)行控制，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，直接同時(shí)通入磁場(chǎng)電壓分量和轉(zhuǎn)矩電壓分量，則相當(dāng)于對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)壓起動(dòng)，容易引起沖擊電流，并瞬時(shí)產(chǎn)生很高的電磁轉(zhuǎn)矩，容易造成電機(jī)起動(dòng)時(shí)的震動(dòng)和過(guò)流。本控制系統(tǒng)中采用靜止勵(lì)磁控制方式，通過(guò)矢量控制的閉環(huán)控制，先通入磁場(chǎng)電壓分量，在定子繞組中先建立磁場(chǎng)，然后通入轉(zhuǎn)矩電壓分量，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)。（3）解耦控制。本系統(tǒng)的解耦控制采用前饋控制的方式，即運(yùn)用給定磁場(chǎng)電流、給定轉(zhuǎn)矩電流和電機(jī)同