本文论述了交流异步电机的变频调速原理及变频调速技术的发展。矢量控制变频调速技术是比正弦脉宽调制(SPWM)技术更好的新型变频调速技术。该技术思路清晰新颖,逆变器直流母线的电压利用率高,易于实现数字控制,可以实现具有优良动、静态性能的调速系统。矢量变频技术的基本思想是将三相交流异步电机模拟成为直流电机,模拟过程依赖于对异步电机数学模型的分析研究。因此本文推导了异步电机的数学模型并对该模型进行矢量变换,由此得到异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型。在该模型中,定子电流矢量分解为两个分量:与转子磁链矢量重合的称为励磁分量;与转子磁链矢量垂直的称为转矩分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小,即控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小,实现像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。这样得到了可以把三相交流电机看作直流电机来控制的结论。
通过研究电压型逆变器的电压矢量输出组态,空间矢量调制(SVM)算法,转子磁链定向观测模型,本文提出了使用高性价比嵌入式系统实现矢量变频调速系统的实施方法。设计制作了系统硬件:包括调速系统的主回路拓扑,控制/驱动板电路,转速检测电路,两相电流检测电路,直流母线电压监控保护电路,键盘输入/显示电路以及各个部分的电路板。研究了AVR 嵌入式微控器的硬件结构和指令系统,软件滤波技术,数字PID 调节技术,编制了矢量控制系统软件。该软件包括了矢量变换,空间矢量调制,PWM 波输出,转速PI 调节,两相电流检测信号处理,测速光电码盘输出信号处理,系统故障处理等功能。
进行了仿真和实验来检验本文的研究。运用MATLAB/SIMULINK 对系统建立仿真模型,这些模型包括:交流异步电机、矢量变换、空间矢量调制波输出。并引用了SIMULINK 工具箱自带的PID 调节模块、电流检测模块、电机参数测量输出模块、示波器模块。仿真和实验结果表明:本文研究的空间矢量变频调速系统基本达到了预期要求,在仿真和实验负载条件下能够进行变频调速,电压输出波形符合理论分析
