电机测试台交流系统设计

交流电机具有结构简单、运行可靠、使用寿命长且价格便宜等优点。交流电机的缺点在于其控制较为复杂。本文在查阅大量资料文献的基础上,了解国内外对交流电机控制的研究现状以及已有的成果,了解了矢量控制基本原理。利用MATLAB/SIMULINK对交流电机矢量控制系统进行仿真,得到相应的速度、转矩和电流曲线,验证了矢量控制系统的可靠性和有效性。

1 电机测试台的用途

电机测试台广泛用于电动机生产厂家对电动机进行产品性能测试和质量测试,而高性能的测试台需要对电机的驱动进行准确的控制,利用高性能的控制方法控制交流电动机,能够满足系统的要求。电机测试台最重要的部分是交流部分,交流部分的好坏直接关系到电机测试台的性能。目前、交流电动机的控制方法已有很多方法,例如,直接转矩控制、神经网络控制以及模糊矩阵控制等等。本文主要是从矢量控制的角度出发,对交流电机的控制控制进行了讨论。

2 交流电机控制的发展现状及展望

异步电动机矢量变换控制方法在七十年代提出之后,即得到了迅猛的发展。直流电机相对于交流电机而言,具有更优良的动态调速特性。矢量变换控制就是是利用坐标变换的方法将交流电机模拟成为直流电机,分别控制励磁电流分量与转矩电流分量,从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。由于此方法采用了坐标变换,所以对硬件设施的性能要求较高。

良好的硬件设备是保障矢量控制法可以得到应用的关键,尤其是要不断提高控制系统的可靠性和实时性好。这是是对控制系统的基本要求也是其关键要素。电机控制系统的发展经历了分立元件的模拟电路阶段、集成电路阶段、大规模集成电路解读以及专用集成电路阶段。到目前为止,电机控制电路大多为模拟数字混合电路。因其不但可以提高系统的可靠性和实时性,同时体积更小,研发成本更少,得到了迅速的发展。作为专用集成电路(ASIC)电机控制专用集成电路品种、规格繁多,产品资料和应用资料十分丰富。但同时由于各厂商之间无统一标准,有一定的技术壁垒。由于当前电机控制的总是朝向多样化发展、并且愈来愈复杂化,直接利用厂家的产品有时候并不能够满足要求。因此许多时候需要工程师自行开发产品。DSP就是一种非常好的开发工具。DSP(digital signal processor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。

硬件的发展对电机控制系统发展的影响是深远的。不过目前国内与发达国家在点击控制系统的差距仍然很大。目前在DSP技术方面,德州仪器公司处在领先地位,国内的企业想要赶超,还需要很长的路要走。不过,由于电机控制系统技术的不断提高,电机控制系统的市场还有更大的发展,国内企业定将获得更多的市场份额。

3 矢量控制的基本思路

对电机进行控制,最重要的是要对转速进行控制,而转速的控制是通过对转矩的控制实现的。通过控制定子磁势Fs模值大小或控制转子磁势Fr模值及他们在控制在空间的位置,就能达到控制电机转矩的目的。控制Fs的模值大小,或控制Fr的模值大小,可以通过控制各相电流的幅值大小来实现,而在空间上的位置角s、r,可以通过控制各相电流的瞬时相位来实现。因此,只要能够实现对异步电动机定子各相电流(iA,iB,iC)的瞬时控制,就能实现对异步电动机的有效控制。

采用矢量变换控制方式是如何实现对异步电机定子电流的瞬时控制呢?异步电动机三相对称定子绕组中,通入对称三相正弦交流电流iA,iB,iC时,则形成基波合成旋转磁势,并由他建立相应的旋转磁场ABC,其旋转的角速度等于定子电流的角频率s。然而,产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可,除单相外任意多相对称绕组,通入多相对称正弦电流,均能够产生旋转磁场。一个具有位置互差90o两相定子绕组、,当通入两相对称正弦电流i、i时,则产生旋转磁场。如果这个旋转磁场的大小,转速及转向与上述三相交流绕组所产生的旋转磁场完全相同,则可以认为上述两套交流绕组等效。由此可知,处于三相静止坐标系上的三相固定对称交流绕组,以产生同样的旋转磁场为准则,可以等效为两相对称固定交流绕组,并且可知三相交流绕组中的三相对称正弦交流iA,iB,iC与二相对称正弦交流电流i、i之间存在确定的变换关系

4 交流矢量控制仿真

根据矢量控制基本思路可以利用Matlab/SIMULINK软件,对电机交流控制系统进行仿真。建立出来的系统模型如图所示。

在此系统模型中,最重要的是电流调整器。电流调整器的作用是为了为其后所接的IGBT三相桥提供驱动信号。它将反馈得到的电流信号与电流给定值向比较,得到电流信号的差值。此差值通过一个继电器,输出高低电平信号。这每一路信号都分别直接或是通过一个反门接到同一个桥的上下桥臂上。这样就保证了同一桥的上下桥臂上加的是一个互补的驱动信号。这就避免了同一桥的上的两个IGBT同时导通,防止了直通现象的产生,避免三相桥过热烧毁,同时也使得各个器件能够有效导通。由此可以得到电磁转矩的波形,如下图所示:

通过仿真实验获得的上述仿真曲线可以看到仿真模型的与实际调速系统运动过程基本吻合。充分验证了在异步电机矢量变换数学模型的基础上结合MATLAB/SIMULINK建立的仿真模型的正确性。我们由此可以得到以下结论:

(1)交流电机和直流电机共同的运动机械特性,是交流电机矢量控制的实质和关键。

(2)坐标变换从物理上必须遵守旋转磁场等效原则和功率不变原则,从数学上看就是通过系统状态的相似变换,达到状态重构和参数重构的目的,使数学模型变得简洁易解。

(3)磁链的观测认识矢量控制中的难点。由于直接测量存在着脉动分量等问题,现在大都采用的是间接测量,但仍然存在着其准确性易受参数变化的影响等问题。

(4)利用MATLAB/SIMULINK仿真,可以看出矢量控制交流电机可以得到非常良好的动态性能。