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摘 要：近年来，交流调速的发展迅速，其控制性能完全可以和直流调速系统相媲美。本文首先阐述了常用的交流变频调速控制的策略。其次，总结了交流变频调速系统设计的仿真方法及特点。最后，说明了当前交流变频调速控制系统常见的硬件实现方案。
关键词：交流变频调速；系统仿真；硬件设计
1.引言
近年来，随着电力电子技术、大规模集成电路和自动控制理论的飞速发展，电机拖动控制领域取得了巨大的进步。人们长期追求的交流调速代替直流调速的目标已经变成现实。目前交流变频调速系统是交流电机调速方法中性能最好、效率最高的控制策略。以调速范围宽、机械性能稳定、平滑性好为特征的变频调速的方法有很多，其中最具有代表性是：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。
2.交流电机变频调速主要控制策略
（1）恒压频比控制。其原理就是在一定条件下忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，利用定子相电压代替电机的电动势即U=E，令U/f=常值实现调速。恒压频比控制主要以气隙磁通为控制对象，不能实现转矩控制，其控制效果不佳。
（2）转差频率控制。根据交流电动机的模型，控制电机转差频率就可实现对电机的转矩和转速控制。但这种控制以电机静态模型为基础，在电机快速运行时很难达到理想的电机动态控制性能。
（3）矢量控制。其原理就是将定子电流分解为相互正交的2个分量，分别代表定子电流励磁分量和电流转矩分量。其控制效果接近直流电机的控制，具有较好的动态性能。但矢量控制需要进行坐标变换和准确的电机参数以及解耦的定子电流的两个分量，控制难度较高。尽管如此，矢量控制是一种比较有效的变频控制策略。
（4）直接转矩控制。其基本思想就是使定子磁链形成六边形的磁链轨迹并通过改变磁通角的大小以达到控制电动机的目的。这种方法可以实现对电动机磁链和转矩的直接控制，不考虑定子电流分量的解耦问题和复杂的坐标变化计算，但有关直接转矩精确控制的问题尚待进一步研究。
3.系统仿真
一般情况下，交流电机调速系统设计完毕后，首先需要进行仿真研究，确定所设计的系统稳定性、可靠性和准确性。因此，交流调速系统的仿真实验至关重要。
目前，实现仿真的工具和软件比较多，但是最具代表性的工具就是MATLAB。基于MATLAB的交流电机变频调速系统的仿真方法，一般分为三种类型，即模块型、m文件型、混合型。
（1）模块型。该种方法利用 MATLAB提供的Simulink 环境和 Power System Blocksets工具，根据已知的系统模型构建系统仿真模型，并对其动态及稳态性能进行仿真测试。经过多年研究表明，构建的仿真模型与实际变频调速系统非常接近。
Power System Blocksets工具箱（MATLAB5.2版本增加）内不但有各种电源模块，还包括了Machines模块。使用时比较简单，鼠标点击Machines模块图标后，弹出一个包含同步电机、异步电机、永磁同步电机、电机测量模块的对话框，根据需求可选取相应的电动机模块。当双击电机模型图标后，可以进行各种电机参数的设定，包括电机功率、定子电阻、转子电阻、定子和转子互感系数、转动惯量、极对数、转差率、定子电流和相角等系数。由于篇幅所限，在这里不一一介绍电机模块的具体接口的功能和使用方法[1]。在此基础上，利用Simulink环境下提供的电阻、电容等元件和一些专用元件模块，例如矢量控制的逆变器模块、Park变换及反变换模块、Clark变换及反变换、转子磁链计算模块等即可实现系统仿真实验。
当然，模块型设计方法虽然简单直观，但是也有不足。如果采用的控制算法或控制对象比较特殊或属于新的改进型， MATLAB一般不能直接提供，需要仿真人员自己编程设计。
（2） m文件型。针对模块型设计方法的不足，有些情况可以采用编写m文件的方法进行仿真实验。通过编写程序描述控制数学模型和控制算法，调用绘图函数Plot可以显示最后仿真结果。这种方法非常灵活，不用系统提供的工具箱也可以完成仿真。但是由于所有的工作都需要编写代码实现，因此，工作量较大，仿真过程较为复杂。
（3）混合型。这是最常用的一种仿真方法。这种方法将前两种方法结合起来，同时具有二者的优点。譬如，对于基于一种新型控制算法的交流变频调速控制系统，直接采用MATALB的电机模块，然后通过编写控制程序，形成m文件，再将m文件转换成自定义模块并加入到电机变频控制仿真系统中即可实现仿真。
4.硬件设计
交流变频调速控制系统硬件电路设计方面发展比较迅速，经历8位单片机控制系统、DSP控制系统和可编程门阵列（FPGA）控制系统等阶段。
硬件核心电路就是根据现场信号采样的结果，发出一系列PWM波，控制变频调速装置从而满足调速要求。以51为主的8位单片机虽然可以通过查表等方法实现PWM波的生成，但计算速度和准确性不够。DSP是32位机，浮点计算能力强，尤其是TMS320LF2407为代表的DSP可以比较容易的生成控制信号。FPGA是近年来应用在电机控制领域的一种新的控制核心。用户可以根据需要，利用VHDL等语言编写程序，对其内部进行重新编程，从而设计出符合用户需求的专用的集成电路。FPGA是采用纯硬件的方式实现软件功能，可以完成并行处理，不占用CPU的资源，不受常规控制器CPU的瓶颈限制。另外，除了核心控制模块外，FPGA还可以把AD转换模块、驱动接口模块、通信模块等集成在一块FPGA芯片上，同时在算法上实现位置控制、速度控制等控制功能，实现真正的片上可编程系统[2]。
5.结束语
本文详细介绍了交流电机变频调速的基本原理、方法以及仿真、实现等内容。这些内容有助于有关技术人员对交流变频调速技术的进一步研发工作。
参考文献：
[1] 陈承义.异步电机变频调速矢量控制系统的MATLAB仿真研究.煤炭技术，2012，31（2）.
[2] 魏然等.可编程门阵列在无刷直流电机控制中的应用. 微电机. 2006，39（2）.
关键词：交流变频调速；系统仿真；硬件设计
1.引言
近年来，随着电力电子技术、大规模集成电路和自动控制理论的飞速发展，电机拖动控制领域取得了巨大的进步。人们长期追求的交流调速代替直流调速的目标已经变成现实。目前交流变频调速系统是交流电机调速方法中性能最好、效率最高的控制策略。以调速范围宽、机械性能稳定、平滑性好为特征的变频调速的方法有很多，其中最具有代表性是：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。
2.交流电机变频调速主要控制策略
（1）恒压频比控制。其原理就是在一定条件下忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，利用定子相电压代替电机的电动势即U=E，令U/f=常值实现调速。恒压频比控制主要以气隙磁通为控制对象，不能实现转矩控制，其控制效果不佳。
（2）转差频率控制。根据交流电动机的模型，控制电机转差频率就可实现对电机的转矩和转速控制。但这种控制以电机静态模型为基础，在电机快速运行时很难达到理想的电机动态控制性能。
（3）矢量控制。其原理就是将定子电流分解为相互正交的2个分量，分别代表定子电流励磁分量和电流转矩分量。其控制效果接近直流电机的控制，具有较好的动态性能。但矢量控制需要进行坐标变换和准确的电机参数以及解耦的定子电流的两个分量，控制难度较高。尽管如此，矢量控制是一种比较有效的变频控制策略。
（4）直接转矩控制。其基本思想就是使定子磁链形成六边形的磁链轨迹并通过改变磁通角的大小以达到控制电动机的目的。这种方法可以实现对电动机磁链和转矩的直接控制，不考虑定子电流分量的解耦问题和复杂的坐标变化计算，但有关直接转矩精确控制的问题尚待进一步研究。
3.系统仿真
一般情况下，交流电机调速系统设计完毕后，首先需要进行仿真研究，确定所设计的系统稳定性、可靠性和准确性。因此，交流调速系统的仿真实验至关重要。
目前，实现仿真的工具和软件比较多，但是最具代表性的工具就是MATLAB。基于MATLAB的交流电机变频调速系统的仿真方法，一般分为三种类型，即模块型、m文件型、混合型。
（1）模块型。该种方法利用 MATLAB提供的Simulink 环境和 Power System Blocksets工具，根据已知的系统模型构建系统仿真模型，并对其动态及稳态性能进行仿真测试。经过多年研究表明，构建的仿真模型与实际变频调速系统非常接近。
Power System Blocksets工具箱（MATLAB5.2版本增加）内不但有各种电源模块，还包括了Machines模块。使用时比较简单，鼠标点击Machines模块图标后，弹出一个包含同步电机、异步电机、永磁同步电机、电机测量模块的对话框，根据需求可选取相应的电动机模块。当双击电机模型图标后，可以进行各种电机参数的设定，包括电机功率、定子电阻、转子电阻、定子和转子互感系数、转动惯量、极对数、转差率、定子电流和相角等系数。由于篇幅所限，在这里不一一介绍电机模块的具体接口的功能和使用方法[1]。在此基础上，利用Simulink环境下提供的电阻、电容等元件和一些专用元件模块，例如矢量控制的逆变器模块、Park变换及反变换模块、Clark变换及反变换、转子磁链计算模块等即可实现系统仿真实验。
当然，模块型设计方法虽然简单直观，但是也有不足。如果采用的控制算法或控制对象比较特殊或属于新的改进型， MATLAB一般不能直接提供，需要仿真人员自己编程设计。
（2） m文件型。针对模块型设计方法的不足，有些情况可以采用编写m文件的方法进行仿真实验。通过编写程序描述控制数学模型和控制算法，调用绘图函数Plot可以显示最后仿真结果。这种方法非常灵活，不用系统提供的工具箱也可以完成仿真。但是由于所有的工作都需要编写代码实现，因此，工作量较大，仿真过程较为复杂。
（3）混合型。这是最常用的一种仿真方法。这种方法将前两种方法结合起来，同时具有二者的优点。譬如，对于基于一种新型控制算法的交流变频调速控制系统，直接采用MATALB的电机模块，然后通过编写控制程序，形成m文件，再将m文件转换成自定义模块并加入到电机变频控制仿真系统中即可实现仿真。
4.硬件设计
交流变频调速控制系统硬件电路设计方面发展比较迅速，经历8位单片机控制系统、DSP控制系统和可编程门阵列（FPGA）控制系统等阶段。
硬件核心电路就是根据现场信号采样的结果，发出一系列PWM波，控制变频调速装置从而满足调速要求。以51为主的8位单片机虽然可以通过查表等方法实现PWM波的生成，但计算速度和准确性不够。DSP是32位机，浮点计算能力强，尤其是TMS320LF2407为代表的DSP可以比较容易的生成控制信号。FPGA是近年来应用在电机控制领域的一种新的控制核心。用户可以根据需要，利用VHDL等语言编写程序，对其内部进行重新编程，从而设计出符合用户需求的专用的集成电路。FPGA是采用纯硬件的方式实现软件功能，可以完成并行处理，不占用CPU的资源，不受常规控制器CPU的瓶颈限制。另外，除了核心控制模块外，FPGA还可以把AD转换模块、驱动接口模块、通信模块等集成在一块FPGA芯片上，同时在算法上实现位置控制、速度控制等控制功能，实现真正的片上可编程系统[2]。
5.结束语
本文详细介绍了交流电机变频调速的基本原理、方法以及仿真、实现等内容。这些内容有助于有关技术人员对交流变频调速技术的进一步研发工作。
参考文献：
[1] 陈承义.异步电机变频调速矢量控制系统的MATLAB仿真研究.煤炭技术，2012，31（2）.
[2] 魏然等.可编程门阵列在无刷直流电机控制中的应用. 微电机. 2006，39（2）.