开题报告
电气工程及自动化
基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。
电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速。70年代后期，以功率晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power
MOSFET)为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。与IGBT相对应，MOS控制晶体管(MCT)则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。80年代以后出现的功率集成电路(Power
IC-PIC)，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己用于交流调速的智能功率模块(Intelligent
Power
Module-IPM)采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量、又提高了可靠性，使用维护都更加方便，是功率器件的发展方向。
随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流环跟踪的CHPWM控制；电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单为目标的，因此目前应用最广。
在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。上世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这个理论是1968年首先由Darmstader工科大学的Hasse博士发表。1971年西门子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制的名称发表。前者是在学会的论文杂志上发表；而后者是公司研究成果，故以专利的形式发表。
矢量控制方式有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。
近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息。除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。
本设计是基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真，主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，结合应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。同时，本设计结合当今国内外实例对该原理进行实际论证。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
矢量控制是一种新型的高性能的交流传动控制技术，该控制方法思想新颖，控制结构简单，具有良好的动、静态性能，在船舶电力推进系统中有着广阔的应用前景。综合掌握电气工程学科领域前沿的电力电子技术，及电力传动控制方面的基础理论和相关技术。
主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。
三、研究步骤、方法及措施：
1.总体方案的选择、确立；
2.进行理论分析计算；
3.硬件制作调试和软件编程；
4.拟出论文初稿；
5.作品的完善。
通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案进行针对性的设计研究。
四、参考文献
[1].阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2009.8．
[2].陈伯时．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1999．
[3].胡崇岳．现代交流调速技术[M]，北京：机械工业出版社，1998.9．
[4].周绍英，储方杰．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1996.11．
[5].吴安顺．最新实用交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1998.8．
[6].王兆安，黄俊．电力电子技术[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2000．
[7].丁斗章．变频调速技术与系统应用[M]，北京：机械工业出版社，2005.10．
李华德．交流调速控制系统[M]，北京：电子工业出版社，2002．
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