1、單電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制模型
對(duì)一般電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)由電機(jī)和負(fù)載的機(jī)械慣量決定，為不可控量。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般和定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其夾角有關(guān)。要控制轉(zhuǎn)矩必須先檢測(cè)和控制磁通。在轉(zhuǎn)于磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)中，一般把d-q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，把靜止坐標(biāo)系中的交流量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為0。
根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通定向矢量控制方程式，用MATLAIJ7.0. 11Simulink6.0可以建立單異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖l所示。第一個(gè)模塊為整個(gè)矢量控制系統(tǒng)．V模塊和T模塊分別為系統(tǒng)模型的外部速度給定和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定，給定信號(hào)既可以是連續(xù)的，也可以是離散的。第二個(gè)模塊將矢量控制系統(tǒng)給出的信號(hào)進(jìn)行選擇，第三個(gè)模塊將信號(hào)的波形顯示。區(qū)別于一般的連續(xù)模型，此系統(tǒng)是建立在離散采樣時(shí)間基礎(chǔ)上的，仿真的采樣時(shí)間(Sample Time)為1um。
圖2為仿真模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)際工程上的變頻器為三電平逆變器，但出于仿真速度和仿真資源的考慮，模型中變頻部分敉有采用三電平PWM模式，而是采用一個(gè)簡(jiǎn)單的變頻電源，即根據(jù)矢量控制計(jì)算出來(lái)的給定三相電流直接生成異步電機(jī)定子三相電壓。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，用這種簡(jiǎn)化方式可以有效地縮短仿真時(shí)間和降低仿真資源的消耗，并且輸出的實(shí)驗(yàn)波形與采用PWM逆變器的結(jié)果基本相同，就對(duì)整個(gè)帶式輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究而言，這種仿真結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是普遍通常的作法，也是完全可以說(shuō)明問(wèn)題。
2、三電機(jī)主從控制模式的仿真
主從控制模式一般都是以某一個(gè)電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，其矢量控制模型中計(jì)算得到的給定轉(zhuǎn)矩和電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速作為控制其他電機(jī)的給定輸入。這里將同軸拖動(dòng)滾筒的電機(jī)稱為1號(hào)和2號(hào)，另外一臺(tái)稱為3號(hào)。三臺(tái)電機(jī)的負(fù)載力矩都取實(shí)際負(fù)載力矩的三分之一。速度都按照單機(jī)仿真效果較好的組合加速度給定。針對(duì)三種不同的主從控制策略進(jìn)行仿真。
方案一，以3號(hào)電機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，按照速度給定，1號(hào)和2號(hào)電機(jī)按照速度跟蹤3號(hào)電機(jī)，并進(jìn)行力矩限制，即l號(hào)和2號(hào)電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩不能大于3號(hào)電機(jī)。此方案的三電機(jī)電流波形如圖3所示，從上至下分別為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)電機(jī)的電流波形。可以看出，三電機(jī)的電流存在不同步性，2號(hào)和3號(hào)電機(jī)的振蕩相當(dāng)大，而這可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。
方案二，以l號(hào)電機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，按照速度給定．2號(hào)和3號(hào)電機(jī)按照速度跟隨，沒(méi)有力矩限制。此方案的三電機(jī)電流如圖4所示，從上至下分別為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)電機(jī)的波形。可以看出，三電機(jī)輸出電流不同步性較方案一更加明顯，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的概率更高。由此可見(jiàn)在主從控制中單純的速度跟蹤的效果并不是很理想，同時(shí)力矩限制對(duì)于主從控制來(lái)說(shuō)非常重要。
方案三，以l號(hào)電機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，1號(hào)電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩作為2號(hào)和3號(hào)電機(jī)的輸入信號(hào)。因此，在2號(hào)電機(jī)矢量控制模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，其速度調(diào)節(jié)器已經(jīng)沒(méi)有控制作用了，其給定的電磁轉(zhuǎn)矩完全是由1號(hào)電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩給出。在3號(hào)電機(jī)矢量控制模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，3號(hào)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩給定是由l號(hào)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩以及3號(hào)電機(jī)自身的速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩相比較之后產(chǎn)生的，兩者之間的的小者作為最終的給定電磁轉(zhuǎn)矩。此方案的三電機(jī)電流如圖5所示，三個(gè)電機(jī)的電流波形基本一致．沒(méi)有震蕩。相應(yīng)的詳細(xì)仿真結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)參考文獻(xiàn)。
3、結(jié)論
本文以國(guó)內(nèi)首條在煤礦中應(yīng)用的中壓變頻驅(qū)動(dòng)的大型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象。應(yīng)用MATLAB7.0.1/Simulink6.0建立了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的仿真模型。在不同的負(fù)載（空載、滿載）和加速度曲線的條件下對(duì)異步電機(jī)的定子電流、輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形等進(jìn)行了仿真研究。對(duì)三種主從控制原則，從三電機(jī)的電流、輸出電磁轉(zhuǎn)矩、輸出功率以及電機(jī)轉(zhuǎn)速方面進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究，驗(yàn)證了多滾筒、三電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的控制原則，1號(hào)電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，接速度給定，2號(hào)電動(dòng)機(jī)接力矩跟蹤，3號(hào)電動(dòng)機(jī)按給定速度的1-1倍跟蹤，并證明力矩限制的設(shè)計(jì)理論是正確的。
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