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1 引言
在20世纪的相当长时间内，直流电机调速控制技术由于控制方法简单、无级平滑等特点，一直在高精度的场合占据主导地位，但由于直流电机在结构上有换向器与电刷，使得其在使用上存在维护量大、故障率高、寿命短、单机容量小和电压等级低的缺陷。随着交流电机变频控制技术的成熟，异步电机矢量控制已逐步成为企业调速系统的首选方案。 2 设计背景 笔者曾参加某钢铁公司钢丝生产线拉丝机控制系统的技术改造工程。该厂的活套式拉丝机等主要设备是上世纪六十年代从日本进口的，由直流电机拖动。目前，由于设备老化、生产工艺落后，生产的钢丝在机械强度上达不到国际标准200kgf/ mm  。为提高产品竞争力就必须提高钢丝机械强度，因此需要对拉丝的生产工艺进行改进，需将拉丝机连续拉拔次数由过去的五、六次提高到现在的八、九次。新工艺对拉丝机的调速范围、调速精度、转矩特性、动静态特性提出更高要求，同时，由于生产环境粉尘大、湿度大，这些物质能很容易地进入直流电机内部，导致电机发生短路故障、整流子磨损严重等情况的发生，严重影响了正常生产。因此，在技术经济比较后，决定进行技术改造，采用交流电机矢量控制方案。 活套式拉丝机是钢丝生产线的主要设备，由转筒与活套构成，工作原理如图1。  图1 活套式拉丝机工作原理 拉丝时，较粗直径的钢丝经过第1个拉模到第1个转筒，经活套再通过第2个拉模到第2个转筒，一般至少经过6次，才能制成各种规格的成品，卷形销售。每个转筒、每个活套分别由一台电机拖动。 钢丝通过拉模时，由于拉模是锥形的，钢丝被论文发表网站强迫变形而直径变小，钢丝每通过一个拉模，直径与长度都发生变化，但每个转筒之间的金属丝流量应保持相等。这样，只要调整好每个转筒的速度，就可以实现转筒之间金属流量相等，做到正常拉拔。 要调整好每个转筒的速度，需调节好每个电机的转速。而电机转速是转矩的积分，积分的时间常数由电机的机械系统惯性决定，一般恒定不变，所以，电机调速的关键在于对转矩的控制与调节。各类电机的电磁转矩Ta都有一个统一的表达式： Ta=π/2×P2×Φm×F1×sinj1 =π/2×P 2×Φm×F2×sinj2 可以看出，通过控制定子磁势F1的幅值或转子磁势F2的幅值及它们在空间的电角度j1、j2，就可以控制电磁转矩，（P为磁极对数）。F1或F2的幅值可以通过控制异步电机定子三相电流的幅值来实现，j1、j2可通过控制三相电流瞬时相位来实现，因此，只要能对三相电流实施瞬时控制就能实现对电磁转矩的瞬时控制。 3 矢量控制的数学模型及控制方案 矢量控制的基本思想是通过坐标变换的方法把异步电机定子电流矢量分解成解耦的按转子磁场定向的励磁电流与转矩电流两个直流分量，然后，分别控制这两个直流分量实现对电磁转矩的控制，从而达到调速目的。 为便于建立电机矢量控制模型进行分析研究，按照习惯对电机作如下假设：（1）定子绕组电阻Rs恒定；（2）气隙均匀，忽略磁路饱和，忽略集肤效应，定子绕组自感Ls恒定；（3）忽略气隙磁场高次谐波，定子三相绕组之间、转子三相绕组之间的互感Lm恒定。 三相交流异步电机是一个多变量、高阶、强耦合、非线性的复杂系统，可以通过矢量坐标变换的方法进行简化，然后建立数学模型。 首先通过CLARK变换将三相静止坐标系下的电机数学模型变换为两相静止坐标系下的数学模型，再通过PARK变换将为两相静止坐标系下的数学模型变换为两相同步旋转坐标系（M-T轴系）下的数学模型。  =  因为实际当中采用的是笼型电机，所以，转子电压为零，即  ，进而推导出矢量控制系统所依据的控制方程 Ψr=  ； Ta= Ψr= Ψr；  Ψrωs式中：Ψr为转子磁链、、Tr为转子电磁时间常数、p为微分算子、Ta为电磁转矩、P为磁极对数、usm、u st、ism、ist分别为定子电压、电流的励磁分量与转矩分量、ws为转差角频率。 由此可见，通过旋转矢量坐标变换，可将三相静止坐标系下的交流绕组等效为两相同步旋转坐标系下的直流绕组。当三相绕组通入的电压、电流为正弦函数时，在M-T坐标系中得到的电压、电流变量为纯励磁、转矩直流标量，二者完全解耦，互不影响，为矢量控制取代直流控制提供了理论依据。 M-T轴系按转子磁链Ψr定向，M轴定向时由于转子的角速度并不等于转子磁链的角速度，所以，需利用可以测量的转速信号，通过转子磁链的电流模型，实时计算转子磁链的......................... .................................. .................................. ————摘自核心期刊网（www.hexinqk.com），欢迎查看全文 |
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