交流异步电机矢量控制系统总结报告

交流异步电机矢量控制系统调试总结报告

本次设计交流异步电机矢量控制系统用于上海交通大学纯电动汽车。电机驱动控制器设计制作于7月18号完成，调试时间为7月6号至8月12号。

试验总结报告全文如下：

1、对矢量控制系统的几点考虑

（1）交流异步电机矢量控制系统的一般调试步骤

① 检测空间电压矢量输出电压波形。

给定两个控制参考电压量sd u 、sq u ，软件模拟产生同步旋转角1θ从π2~0周期性变化，

并将该角度作为反旋转变换角，将变换后得到αs u 、βs u 作为输入量给SVPWM ，同时检测SVPWM 输出波形。实现框图如下：

② 对电机三相电流采样并做3/2变换，得到αs i 、βs i ，运用（1）得到的同步旋转角做旋转变换，检测sd i 、sq i 是否为直流量，以验证解耦控制是否成功。实现框图如下：

③ 运用开环控制使电机正常运转，检测电机转速信号，并根据转子磁通的n i -模型，检测转子磁通、计算滑差频率以及同步旋转角的变化规律。实现框图如下：

④ 磁通控制量sd u 和转矩控制量sq u 分别由各自的电流调节器产生，并作为输入量用于SVPWM 。实现框图如下：

（2）矢量控制系统中电机磁路饱和对磁场定向的影响

磁路饱和是由于电感随电机定子电流过大增大而发生变化，使得磁通与励磁电流之间不再保持线性关系，当励磁电流达到一定值时，磁通出现增加缓慢，产生饱和。

① 对转子磁通的影响 磁场定向下，转子磁通：

m r m

r i s

T L ⋅⋅+=

1ψ

标准电机设计时，一般取：()se m i i ⋅=6.0~2.0，se i 为额定工况下定子相电流有效值。为了提高r ψ的额定值，可以适当降低滑差频率，有利于电机的稳定运行。由于受磁路饱和的影响，转子磁通不能太高。当给定转子磁通超过饱和磁通时，就会破坏转子磁通定向。

② 对输出转矩的影响 磁场定向下，电磁转矩：

s m r r

m m i T L L p T ω⋅⋅⋅⋅=2

2

当励磁电流m i 保持不变时，电磁转矩为一条直线，其斜率取决于m i 即转子磁通r ψ的大小，因而由于磁路饱和，斜率受到限制，从而限制电磁转矩。

2

2m

r r m s m

i T L L p T ⋅⋅⋅=ω ③ 对转矩电流的影响

磁场定向下，电磁转矩可表示为：

()22221s s

sq s sq r m

sq sd r m m i i i i i L L p i i L L p T ⋅⋅-⋅⋅=⋅⋅⋅=

因而最大转矩发生在707.0=s sq i i ，即sq sd i i =时，且最大转矩与定子电流平方成正比。由于磁路饱和的影响，增大转子磁通，则需要大大增加m i 。因而一般采取的方法是通过增大sq i 来提高电磁转矩。

④ 对弱磁运行的影响

磁路饱和时，实际电机中定子电感s L 、转子电感r L 与设计定子电感*

s L 、转子电感*

r L 将

产生偏差，令：β=*

m m L

L ，则可得：

⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=++=*******1m r m r m m r m r m r r L L L L L L L L L L L L σ

σσσ 对于大容量电机，*m r L L σ、**m r L L σ可以忽略，即β=*

r r L L 。

β=*m m L L 与磁路饱和程度、负载大小以及给定值*

m L 的选取相关。当电机恒磁通运行时，取mn m L L =*，mn L 为设计电感，在输出转矩不超过3倍的额定转矩时，β

=*

m m L L 变化较小，使实际转子磁通变化不大。当电机运行于弱磁区时，*

r r ψψ逐渐变小，使得转

矩变化明显，此时选择mn m L L =*

对电机的输出性能将产生影响。

2、7月6号~7月7号试验总结

试验分为三个步骤进行：

① 利用VVVF 开环控制软件测试系统稳定性，包括电源、电机驱动器、牵引电机和负载等，并将试验结果（电机定子三相电流、电磁转矩、电机转速、电机轴输出功率、电机驱动器输入电流、电压等）作为矢量控制系统在同等工况下的参考状态。

② 运用矢量控制软件测试电机起动的平稳性和快速性。

③ 运用矢量控制软件测试电机空载运行情况，最高转速、峰值功率及系统效率等。

试验问题：

（1）矢量控制起动时，电机空载起动过程中出现抖动、爬行，起动后转矩波动较大。当母线电压达到150~180V 时，出现电流保护，电机不能正常起动。

原因分析：该矢量控制系统采用转矩闭环控制方式,对于磁通电流给定值直接通过电机转速得到，中间不通过磁通调节环节。电机起动时，采用静止励磁方式，即先通入磁通坐标轴上电流，待电机气隙中建立一定的磁场后，再施加转矩坐标轴上电流。这种控制方式有利于限制电机起动时出现的磁通饱和，减小电机起动过程中的峰值电流。然而，如果静止励磁过程中，给定磁通电流分量过大，则容易引起起动过程中的磁通饱和，使电机起动过程出现振动，电流波动大，甚至引起相电流保护。

处理办法：减小静止励磁对应的给定磁通电流，同时对磁通电流调节器输出的电压分量限幅处理。

试验结果：电机可在母线电压为312V 下平稳起动。

（2）电机运行过程中，负载突变时容易产生电机相电流保护。

原因分析：转矩电流调节器的PI 参数调整不合理，可使得系统对负载变化较为敏感，较小的负载变化可引起电机相电流震荡，导致相电流保护。当反馈电流与给定电流相差较大时，由于PI 参数不合理，容易导致电流闭环不能发挥作用，使系统不稳定。

处理办法：调整PI 参数。

试验结果：电机在全速度范围内加减载正常。

（3）矢量控制带负载起动困难，接近额定转速时，出现转矩波动，并导致相电流保护；