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摘要：本仿真建模为带速度传感器的异步电机矢量控制仿真系统。基于异步电机的动态模型，以转子磁场定向。在转子磁场定向的坐标下，电机定子电流可以分解成产生磁通的励磁电流分量与产生转矩的转矩电流分量。
关键词：速度传感器、异步电机、矢量控制
一、研究背景
随着电子电子技术、微处理器和电机控制技术的发展,交流调速性能日益提高。为满足高性能和节能的要求,交流电机调速以其特有的优点,有取代直流调速的趋势。
带速度传感器的矢量控制方式，主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制器性能要求严格的使用场合。该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器，并安装在被控制电动机的轴端，而不同于闭环U/F控制安装编码器或接近开关。
带速度传感器矢量控制与无速度传感器矢量控制的控制精度差别很大，带速度传感器矢量控制的速度控制精度能达到0.05％，而无速度传感器矢量控制则只有0.5％。
有速度传感器的矢量控制方式的变频调速是一种理想的控制方式，磁场定向矢量控制通过坐标变换和磁场定向能够实现电磁转矩的快速控制。以高性能伺服电动机变频器为例，根据动态模型，特用于产生转矩的电流和用于产生磁场的电流进行解耦，然后分别控制。主要特点：① 调速范围宽，可达到1:100以上；② 转速控制精度高，在n＞10%额定转速时，为0.0005%；在n＜5%额定转速时，为0.001%；在弱磁工作区间约为0.001%。③ 在全速度设定范围内，转矩上升时间约为5ms，转矩波动小于2%额定转矩。④ 转矩控制精度，在恒磁通工作区间小于2.5%，在弱磁工作区间小于5%。
二、理论依据
本仿真建模为带速度传感器的异步电机矢量控制仿真系统。基于异步电机的动态模型，以转子磁场定向。在转子磁场定向的坐标下，电机定子电流可以分解成产生磁通的励磁电流分量与产生转矩的转矩电流分量。由异步电机的数学模型可知，
电流模型磁链观测器要用到实时的电流与转速信息，且易被电机转子参数变化干扰。如转子电阻会随着温度和频率的不同而变化，转子电感会随着磁饱和程度的高低而发生变化，这些变化都会影响磁链计算的准确性。但是，电流模型磁链观测器在低、高速范围内都可以使用。
电压模型磁链观测器用电感压降计算电机磁链。电动机在高速运转时，定子反电动势相对较高，可以准确地计算出磁链；当电动机低速运转时，定子电阻分压较大，因而磁链计算不够准确。且该模型中纯积分环节的初值及直流偏置对计算结果影响较大。
从上述分析可见，电压模型与电流模型有各自的长处和短板，电压磁链观测器比较适合在电机高速运转情况下，它对转子参数不是那么敏感，估算磁链也比较容易。但是在低速情况下，逆变器的非线性特性对系统的影响比较大，此外定子电阻值对系统影响也不可忽略。电流磁链观测器正好相反，因为模型不依据定子参数，所以在低速情况下，定子电阻以及逆变器非线性特性对系统输出影响不大，但是电流模型依赖转子参数，所以在高速情况下，系统可靠性大大降低
因此综合上述因素，本文使用的磁链观测采用电压电流混合磁链观测模型，其结构图如下：
各种参数是实际三相异步电动机中的参数和坐标变换过程中导出的，上述混合模型磁链观测器无论电机在高速还是低速，磁链都能保证正确的输出。
三、仿真建模
仿真参数：异步电机参数，额定电压 =6000V，额定电流四、仿真结果
电机的负载转矩指令：在0~1s时电机负载转矩指令为0，在1~1.5s时电机负载转矩指令为3000Nm，1.5s~2s时电机负载转矩指令为1000Nm，2s之后的负载转矩指令为2000Nm。
电机的转速指令：在0~2.5s时转速指令为152rad/s，在2.5~3.5s时转速指令为100rad/s，3.5s以后转速指令为0 rad/s，转子磁链给定为9.8Wb，此时对应励磁电流给定为26A。
异步电机基本以恒转矩方式启动，转矩大小主要与控制环节中的限幅值设定有关。达到指令转速后电磁转矩减小，并最终与负载转矩一致。当1s负载转矩突然增加时，电磁转矩能够迅速产生响应，以维持转速不变。2.5s转速减小后，电磁转矩变为负值，电机仍以恒转矩方式减速，直至达到新的转速值。当3.5s电机转速指令再减小，电磁转矩变为负值，电机逐渐减速、反向并最终达到指令值。仿真结果如下：
参考文献：
1.三相异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究；杨德刚，华南理工大学硕士论文。
2.模块化多电平高压变频器的无速度传感器矢量控制仿真研究；张流剑，西南交通大学硕士论文。
论文作者:陶原
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/26
标签：转矩论文; 电流论文; 转速论文; 矢量论文; 电机论文; 转子论文; 速度论文; 《电力设备》2018年第10期论文;