本科生课程设计（论文）
第2章 课程设计的方案
2.1 控制系统整体方案比较选择
分别针对异步电机调速的3种控制方案进行简单的介绍，通过各种控制方案优缺点的分析与比较，从而确定本次课程设计采用那种控制。
2.1.1 V/F开环控制
当前异步电机调速总体控制方案中，V/F控制方式是最早实现的调速方式。该控制方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可靠性高．但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现0.5％的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械，若要开发高性能专用变频控制系统，此种控制方式不能满足系统要求。
2.1.2 矢量控制
矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解耦面实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5％，转速响应也较快。采用矢量变频器异步电机变频调速是可以达到控制结构简单，可靠性高的效果。其主要表现在以下几个方面：
(1)可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广； (2)可以对转矩实行较为精确控制； (3)系统的动态响应速度很快； (4)电动机的加速度特性很好 。
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带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环交频调速技术性能虽较好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。系统增加了反馈电路和其他辅助环节，也增加了出故障的机率。因此，对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频开环控制异步机变频调速系统。
2.1.3 直接转矩控制
除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制(DTC)．将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速．下面对直接转矩控制和矢量控制在各个方面上进行对比。
单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别．矢量控制通过定子电流采样，进而进行解耦，对影响电机磁场和转矩的电流分量分别控制。而直接转矩控制方式根据原理公式，由电机转矩与定子磁场和转子磁场间的关系，通过控制定子磁场，控制转矩输出，其测量量为电机的输出转矩，电机的性能主要与电机转矩有关，所以其控制方式比较直接，定子磁场的观测类似于矢量控制中的定子磁链的观测方法，因此其低速时由于定子电阻的影响，性能不高，与直接电流闭环的矢量控制方式相似。直接转矩控制电压矢量的获得也是分别控制八个逆变开关状态。这两种控制方式同样与电机的参数辨识是否精确有关，矢量控制方式中，磁链角和转子时间常数对控制性能的影响比较大，而直接转矩控制方式主要是定子电阻的辨识，因为定子电阻直接影响了定子磁链的观测，从而直接影响了电机转矩控制精度。通过相关文献，两种控制方法进行了详细的对比，从仿真的结果对电机静态和动态性能，转矩，磁场以及电机参数的敏感度等性能做了详细的分析，从结论中，可以看到，矢量控制在转矩性能控制以及电机参数的敏感度上占了一定的优势，而直接转矩控制在磁场控制性能上有一定的优势，而且直接转矩控制由于省略了大部分的坐标变换，比矢量控制在计算量上较为简化。直接转矩控制是上世纪80年代在德国才兴起控制技术，其应用还不是很成熟。还有待于进一步对其工程化推广。
综合比较以上几种典型控制方式以及考虑到实际因素，本次课程设计选择有传感器的转速闭环矢量控制系统，再逐步实现无传感器的矢量变换的调速系统以及其他面向不同工作条件下的控制方案。
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2.2 逆变调制方式选择
由于PWM变换器具有功率因数高，调制简单，可同时实现变压变频以及抑制谐波的特点，因此，得到了广泛的工程应用．在电机控制中，对于精度或者动态响应要求不高的场合，可以使用六阶阶梯波调制方法控制，这种方法将电机磁空间分为六个区域，通过不断的变换功率管的导通次序，产生在空间的阶跃形的磁场．此方法的缺点是转矩脉动比较大，不适合于高精度场合应用，相对于这种方法的缺点，工程技术中应用最多的就是SPWM调制，即正弦调制。它根据电网正弦电压的要求产生正弦的旋转磁通，从而使控制性能大大提高。在以往的SPWM正弦调制中，模拟电路采用得最多的是通过振荡电路，产生正弦波和三角波，再通过比较器来确定桥臂的导通与关断．或者是通过正弦波产生芯片来控制功率管，而对数字电路来说，则可以根据微处理器性能的差异选择不同的波形产生方法。对速度比较慢的处理器来说，可以应用表格法来产生，这种方法将要输出的脉冲宽度以数据表格的形式存放在内存或者外部扩展ROM块中，通过实时读取表格中参数值，就可以输出产生正弦波形。对晶振频率较高的处理器，可以采用实时采样输出的方法，计算下一周期理想输出的波形脉宽。一般来说有自然采样和规则采样，派生出来了对称和不对称规则采样等.
随着数字交流驱动系统成为工业标准，传统的SPWM调制方式已经逐渐被现在兴起的调制方式所取代，SVPWM调制方式将电压矢量作为一个控制对象，在控制电压幅值大小的同时，控制电压向量的方向，对不同状态电压向量的综合，达到输出所需电压向量的目的。在本系统中，选择了TI公司的电机控制专用芯片作为主控芯片，其内部集成了SVPWM模块，因此，有利于直接使用SVPWM控制方式。
2.3 矢量控制方式选择
异步电机矢量控制是基于磁场定向的方法，其调速控制系统的方式比较复杂，要确定最佳的控制方案，必须对系统的静态特性进行充分的研究。以下主要介绍最常用的控制策略。
2.3.1 转子磁场定向矢量控制原理
交流电机的转矩与定转子旋转磁场及其夹角有关，要控制好转矩，必须精确检测和控制磁通，在此种控制方式中，检测出定子电流的d轴分量，就可以观测出转子磁链的幅值，当转子磁链恒定时，电磁转矩和电流的g轴分量成正比，忽略反电动势引起的交叉耦合，可以由电压方程J轴分量控制转子磁通，g轴分量控制转矩，目前大多数变频系统是使用此种控制方法的，它实现了系统的完全解
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耦，但是其最大的缺点是转子磁通的观测受转子时间常数的影响。
2.3.2 转差率矢量控制原理
如果使电机的定子、转子或气隙磁场中一个保持不变，电机的转矩就由转差率主要决定．因此，此方法主要考虑转子磁通的稳态方程式，从转子磁通直接得到定子电流d轴分量，通过对定子电流的有效控制，形成了转差矢量控制，避免了磁通的闭环控制，不需要实际计算转子的磁链，用转差率和量测的转速相加后积分来计算磁通相对于定子的位置，但此种方法主要应用在低速系统中，而且系统性能同样受转子参数变化影响。
2.3.3 气隙磁场定向矢量控制原理
除了转子磁场的定向控制以外，还有一些控制系统使用的是气隙磁场的定向控制，此种方法比转子磁通的控制方式要复杂，但其利用了气隙磁通易于观测的优点，保持气隙磁通的恒定，从而使转矩与q轴电流成正比，直接对g轴电流控制，达到控制电机的目的。
2.3.4 定子磁场定向矢量控制原理
由于转子磁通的检测容易受电机参数影响，气隙磁通的检测需要附加一些额外的检测器件等弊端，国内外兴起了定子磁场定向的矢量控制方法，此种方法是通过保持定子磁通不变，控制与转矩成正比的g轴电流，从而控制电机，但是，此种方法和气隙磁场定向的矢量控制一样，需要对电流进行解耦，而且以定子电压作为测量量，容易受到电机转速的影响。
从以上几种电机控制方案来说，转差率的矢量控制只考虑了转子磁通的稳态方程，动态效果太差，不适合于高性能的电机控制系统，而气隙磁场控制和定子磁场控制都没有实现电量的完全解耦，因此需要增加解耦控制器，针对设计任务书要求，选择转子磁场定向的矢量控制方案，对于此方案的最大缺点：转子磁场估测受电机参数影响较大，需要在电机控制方案上给予补偿。
2.4 异步电动机数学模型
直流电动机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外）。因此，它的动态数学模型只有一个输入变量——电枢电压和一个输入变量——转速，在控制对象中含有机电时间常数?m?和电枢回路电磁时间常数?l，如果电力电子变换装置也计入控制对象，则还有滞后的时间常数?s。在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量
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