矢量控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計

1、摘 要近年來，隨著電力半導(dǎo)體器件及微電子器件特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，再加上現(xiàn)代控制理論，特別是矢量控制技術(shù)向電氣傳動領(lǐng)域的滲透和應(yīng)用，使得交流電機調(diào)速技術(shù)日臻成熟。以矢量控制為代表的交流調(diào)速技術(shù)通過坐標變換重建電機模型，從而可以像直流電機那樣對轉(zhuǎn)矩和磁通進行控制，交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，研究由矢量控制構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)已成為當今交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中研究的主要發(fā)展方向。最后，綜合矩陣變換的控制策略及異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向理論，采用計算機仿真方法分別建立了矩陣變換仿真模型以及基于矩陣變換的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真模型，對矩陣變換的控制原理、輸入、輸

2、出性能以及矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)的抗擾能力及四象限運行特性進行分析驗證，展現(xiàn)了該新型交流調(diào)速系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，并針對基于矩陣變換的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的特點，著重對矢量控制單元進行了軟件設(shè)計。本設(shè)計研究的是矢量控制的異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)，采用MATLAB軟件在其simulink中進行仿真。關(guān)鍵詞：坐標變換 矢量控制 異步電動機 MATLAB simulink仿真ABSTRACTIn recent years, with the development of the power semiconductor device，the microelectronics component, the mi

3、crocomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day.Depend on the control principle of the MC a

4、nd the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrant operation have been testified,

5、which has proved that the system has wide application field. The software of the vector control unit was designed at the end.This design is the study of vector control of the induction motor speed control system,using MATLAB software in its simulink simulation.Key words: matrix converter vector cont

6、rol induction motor MATLAB simulink simulation.I目 錄1摘 要IABSTRACTII一.緒論41.1引言41.2 交流調(diào)速技術(shù)概況51.3仿真軟件的發(fā)展狀況與應(yīng)用61.4 MATLAB 概述61.5 Simulink 概述7二.矢量控制理論82.1 異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型82.2 坐標變換102.2.1變換矩陣的確定原則102.2.2功率不變原則102.3矢量控制112.3.1 問題分析112.3.2直流電機的轉(zhuǎn)矩控制112.3.3異步電機的轉(zhuǎn)矩分析112.3.4 矢量控制原理12三. 總體模塊設(shè)計143.1矢量控制結(jié)構(gòu)框圖143.2各子系統(tǒng)模塊

7、153.2.1求解磁鏈模塊153.2.2 求解轉(zhuǎn)子磁鏈角模塊163.2.3 ids*求解模塊163.2.4 iqs*求解模塊173.2.5 ABC到DQ坐標變換模塊173.2.6 DQ到ABC坐標變換模塊183.3 電機參數(shù)設(shè)置183.4矢量控制環(huán)節(jié)模塊203.5矢量控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)模塊20四. Simulink 仿真22五. 結(jié)論27致謝28參考文獻29附錄1 3s/2r 坐標變換30附錄2 *=100和*=150時的比較32一.緒論1.1引言交流電機特別是鼠籠異步電機，由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉，而且堅固耐用、慣量小、運行可靠、很少需要維護、可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

8、中得到了廣泛的應(yīng)用。但是交流電機調(diào)速比較困難，早期的應(yīng)用主要是調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，30年代提出了繞線式異步電機串級調(diào)速的方法，這些方法都是在電機旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速恒定的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率，效率都很低。另一類調(diào)速方法是調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度，這是一種高效的調(diào)速方法，可以通過變極或變頻來實現(xiàn)，其中變極調(diào)速只能是有極調(diào)速，應(yīng)用場合有限。 交流電機高效調(diào)速方法的典型是變頻調(diào)速，它既適用于異步電機，也適用于同步電機。交流電機采用變頻調(diào)速不但能實現(xiàn)無極調(diào)速，而且根據(jù)負載的特性不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關(guān)系，可使電機始終運行在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)特性。交

9、流變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時和直流電機變壓調(diào)速系統(tǒng)相似，機械特性基本上平行上下移動，而轉(zhuǎn)差功率不變。同時交流電機采用變頻起動更能顯著改善交流電機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩，所以變頻調(diào)速是一種理想的交流電機調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)目前應(yīng)用最為廣泛的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)，也稱為恒控制，這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，成本最低，適用于風(fēng)機、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般的平滑調(diào)速要求，但是靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。對此人們又提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)

10、差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，該方法根據(jù)異步電機轉(zhuǎn)矩的近似公式:，在轉(zhuǎn)差s很小的范圍內(nèi)，只要能夠保持氣隙磁通m不變，異步電機轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差頻率s成正比，控制s就達到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的。但是轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電機轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，電機除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。因此如何在動態(tài)過程中控制電機的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵，人們經(jīng)過深入的研究，提出了對異步電機更有效的控制策略。異步電機的數(shù)

11、學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，對其最有效的控制首推70年代提出的矢量控制技術(shù)。1971年德國西門子公司的F. Blaschke等提出的“感應(yīng)電機磁場定向的控制原理”和美國的P. C. Custman和A. A. Clark申請的專利“感應(yīng)電機定子電壓的坐標變換控制”，經(jīng)過不斷的實踐和改進，形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制技術(shù)的提出，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善，這無疑是交流傳動控制理論上的一個質(zhì)的飛躍。但是經(jīng)典的矢量控制方法還存在不少問題，矢量控制要以轉(zhuǎn)子磁鏈定向，然后才能把定子電流分解為磁化分量和轉(zhuǎn)矩分量，使兩者互相垂直，處于解耦狀態(tài)，因此要

12、先求得轉(zhuǎn)子磁鏈的相位，才能進行坐標變換。但是異步電機，特別使鼠籠式異步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈是無法直接測量的，只有實測電機氣隙磁鏈后再經(jīng)過計算才能求得，而且氣隙磁場本身也常由于齒諧波磁場的影響而難以準確測量，這就影響了以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的可靠性。對于這些問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的理論分析和實驗研究，取得了很多實際成果。常用的電機變頻調(diào)速控制方法有電壓頻率協(xié)調(diào)控制(即vF比為常數(shù))、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。其中，矢量控制是目前交流電動機較先進的一種控制方式。它又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的、無速度傳感器和有速度傳感器等多種矢量控制方式。其中基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式是在進行Uf

13、恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測異步電動機的實際速度n，并得到對應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對輸出頻率f進行控制的。采用這種控制方法可以使調(diào)速系統(tǒng)消除動態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動，從而在一定程度上改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，同時它又具有比其它矢量控制方法簡便、結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高等特點。 1.2 交流調(diào)速技術(shù)概況據(jù)統(tǒng)計，電機類的耗電量占企業(yè)總用電量的70%以上，因此電機節(jié)能對國家經(jīng)濟具有重要的意義，電氣傳動及其自動化技術(shù)是電氣技術(shù)的重要組成，電力傳動的技術(shù)發(fā)展水平也是體現(xiàn)國家科技水平的重要方面。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對電機進行節(jié)能技術(shù)改造，可以有效地節(jié)電量，

14、取得很好的經(jīng)濟效益。20世紀60年代以前的調(diào)速系統(tǒng)以直流機組及晶閘管構(gòu)成的直流V-M系統(tǒng)為主。隨著80年代IGBT等新型電力電子器件及微機控制技術(shù)的發(fā)展，及以矢量控制為代表的各種交流調(diào)速理論的發(fā)展，也伴隨著人們?yōu)榻鉀Q能源危機的巨大科研投入，交流調(diào)速技術(shù)得到迅速發(fā)展。交流傳動系統(tǒng)在性能上也已取得了長足發(fā)展，具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好技術(shù)性能，其動、靜態(tài)特性可以和直流傳動系統(tǒng)相媲美。交流調(diào)速系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)簡單、功率大、堅固耐用、慣量小、矢量控制等高性能控制動態(tài)響應(yīng)好、效率高、性價比高、高精度等特點，是目前運用最廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，在傳動系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位

15、，在工業(yè)應(yīng)用中遠遠超過了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，并有逐漸取代直流調(diào)速的趨勢。1.3仿真軟件的發(fā)展狀況與應(yīng)用早期的計算機仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個階段：20世紀40年代模擬計算機仿真；50年代初數(shù)字仿真；60年代早期仿真語言的出現(xiàn)等。80年代出現(xiàn)的面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)為系統(tǒng)仿真方法注入了活力。我國早在50年代就開始研究仿真技術(shù)了，當時主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計算機的仿真為主。70年代初開始應(yīng)用數(shù)字計算機進行仿真。隨著數(shù)字計算機的普及，近20年以來，國際、國內(nèi)出現(xiàn)了許多專門用于計算機數(shù)字仿真的仿真語言與工具，如CSMP，ACSL， SIMNOM， MATLAB/Simulink， Matrix/Syste

16、m Build， CSMP-C等。1.4 MATLAB 概述MATLAB是國際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實用的計算機工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學(xué)軟件，被譽為“巨人肩上的工具”。MATLAB是一種應(yīng)用于計算技術(shù)的高性能語言。它將計算、可視化和編程結(jié)合在一個易于使用的環(huán)境中，此而將問題解決方案表示成我們所熟悉的數(shù)學(xué)符號，其典型的使用包括:.數(shù)學(xué)計算.運算法則的推導(dǎo).模型仿真和還原.數(shù)據(jù)分析，采集及可視化.科技和工程制圖.開發(fā)軟件，包括圖形用戶界面的建立MATLAB是一個交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指定大小。通過它可以解決很多技術(shù)計算問題

17、，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)的問題，有時還能寫入非交互式語言如C和Fortran等。MATLAB的名字象征著矩陣庫。它最初被開發(fā)出來是為了方便訪問由LINPACK和EISPAK開發(fā)的矩陣軟件，其代表著藝術(shù)級的矩陣計算軟件。MATLAB在擁有很多用戶的同時經(jīng)歷了許多年的發(fā)展時期。在大學(xué)環(huán)境中，它作為介紹性的教育工具，以及在進階課程中應(yīng)用于數(shù)學(xué)，工程和科學(xué)。在工業(yè)上它是用于高生產(chǎn)力研究、開發(fā)、分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊應(yīng)用解決方案稱為工具箱（toolboxes）。作為用戶不可缺少的工具箱，它可以使你學(xué)習(xí)和使用專門技術(shù)。工具箱包含著M-file集，它使MATLAB可延展至解決特殊類

18、的問題。在工具箱的范圍內(nèi)可以解決單個過程、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波、仿真及其他很多問題。經(jīng)過幾十年的完善和擴充，它已發(fā)展成線形代數(shù)課程的標準工具。在美國，MATLAB是大學(xué)生和研究生必修的課程之一。美國許多大學(xué)的實驗室都安裝有MATLAB，供學(xué)習(xí)和研究之用。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境的組件，其包含有大量的模塊集，可以很方便的調(diào)取各種模塊來搭建所構(gòu)想的試驗平臺，同時SIMULINK還提供時域和頻域分析工具，能夠直接繪制系統(tǒng)的Bode圖和Nyquist圖。MA

19、TLAB系統(tǒng)可分為五個部分:MATLAB語言： 這是一種高級矩陣語言，其有著控制流程狀態(tài)，功能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出及面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。它既有“小型編程”的功能，快速建立小型可棄程序，又有“大型編程”的功能，開發(fā)一個完整的大型復(fù)雜應(yīng)用程序。MATLAB的工作環(huán)境：這是一套工具和設(shè)備方便用戶和編程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空間進行管理變量及輸入和采集數(shù)據(jù)的設(shè)備。同時也有開發(fā)、管理、調(diào)試profiling 、 M-files、 MATLABs applications的系列工具。圖形操作： 這是MATLAB的圖形系統(tǒng)。它包含有系列高級命令，其內(nèi)容包括二維及三維數(shù)據(jù)可視化，圖形處理，動畫

20、制作，表現(xiàn)圖形。同時它也提供低級命令便于用戶完全定制圖形界面并在你的MATLAB軟件中建立完整的用戶圖形界面。MATLAB數(shù)據(jù)功能庫：它擁有龐大的數(shù)學(xué)運算法則的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到復(fù)雜的求逆矩陣及求矩陣的特征值， Bessel功能和快速傅立葉變換。MATLAB應(yīng)用程序編程界面： 這是一個允許你在MATLAB界面下編寫C和Fortran程序的庫。它方便從MATLAB中調(diào)用例程(即動態(tài)鏈接)，使MATLAB成為一個計算器，用于讀寫MAT-files。1.5 Simulink 概述Simulink是用于仿真建模及分析動態(tài)系統(tǒng)的一組程序包，它支持線形和非線性系統(tǒng)，能在連續(xù)時間、離散時

21、間或兩者的復(fù)合情況下建模。系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率，也就是不同的部分用不同的速率來采樣和更新。Simulink提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標拖拉塊狀圖表即可完成建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型。相對于以前的仿真需要用語言和程序來表明不同的方程式而言有了極大的進步。Simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。同時也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級之分，因此可以由頂層往下的步驟也可以選擇從底層往上建模。可以在高層上統(tǒng)觀系統(tǒng)，然后雙擊模塊來觀看下一層的模型細節(jié)。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。在定義了一個模型后，就可以進行仿真了，用

22、綜合方法的選擇或用Simulink的菜單或MATLAB命令窗口的命令鍵入。菜單的獨特性便于交互式工作，當然命令行對于運行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他顯示模塊就可在模擬運行時看到模擬結(jié)果。進一步，可以改變其中的參數(shù)同時可以立即看到結(jié)果的改變，仿真結(jié)果可以放到MATLAB工作空間來做后處理和可視化。模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具，它們可以從MATLAB命令行直接訪問，同時還有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因為MATLAB和Simulink是一體的，所以可以仿真、分析，修改模型在兩者中的任一環(huán)境中進行。二.矢量控制理論2.1 異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電機的動態(tài)

23、數(shù)學(xué)模型是一高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型時，常做如下的假設(shè)：忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。忽略磁路飽和，認為各繞組的自感和互感都是恒定的。忽略鐵心損耗。不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。無論電動機轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)。折算后的定子和轉(zhuǎn)子匝數(shù)都相等。這樣，電機繞組就等效成圖2.1所示的三相異步電動機的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A

24、軸間的電角度為空間角位移變量。 圖2.1 三相異步電動機的物理模型數(shù)學(xué)模型的方程規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。這時，異步電動機的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。電壓方程式中 uA 、 uB 、 uC 、 ua 、ub 、uc -定子、轉(zhuǎn)子的各相電壓瞬時值； iA、 iB 、 iC 、ia 、ib 、 ic -定子、轉(zhuǎn)子的各相電流瞬時值； A、 B、 C、 a、 b、 c -各相繞組的全磁鏈； Rs 、 Rr - 定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻； p-微分算子。磁鏈方程每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其他繞組對它的互感磁鏈之和，六個繞組的磁鏈可表

25、達為:或?qū)懗桑?Li式中，L是6×6電感矩陣，其中對角線元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc分別為定轉(zhuǎn)子三相繞組的自耦自感，其余為定子相互間、轉(zhuǎn)子相互間、定轉(zhuǎn)子相互間的互感。轉(zhuǎn)矩方程由機電能量轉(zhuǎn)換原理，電磁轉(zhuǎn)矩Te等于電流不變時磁場儲能對機械角位移的偏導(dǎo)數(shù)：式中：電角速度； 電角度表示的空間角位移； Wm 磁場儲能； np 電機的極對數(shù)； m 機械角位移由上式可以推導(dǎo)得: T e =npLms(iAia+iBib+iCic)sin+(iAia+iBib+iCic)sin(+120°)+(iAia+iBib+iCic)sin(-120°) Lms最大互

26、感磁通對應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子互感;應(yīng)該指出，上述公式是在線性磁路、磁動勢在空間按正弦公布的假設(shè)條件下得出來的，但對定、轉(zhuǎn)子電流對時間的波形未做任何假定，式中的電流i都是實際瞬時值。因此，上述電磁轉(zhuǎn)矩公式完全適用于變壓變頻器供電的含有電流諧波的三相異步電動機調(diào)速系統(tǒng)。運動方程一般情況下，電機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：TL負載；J電機轉(zhuǎn)軸或傳動裝置的轉(zhuǎn)動慣量；D與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；K扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。對于恒定負載轉(zhuǎn)矩，可認為，D=0，K=0，則：2.2 坐標變換感應(yīng)電機的控制可以通過矢量的坐標變換來把感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)矩控制等效為直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制。所以，矢量的坐標變換是電動機矢量控制系統(tǒng)中非常重要的步驟

27、。矢量的坐標變換主要依據(jù)以下原則:2.2.1變換矩陣的確定原則在確定電機的電流變換矩陣時，應(yīng)該使得變換前后的旋轉(zhuǎn)磁場等效，即變換前后的電動機旋轉(zhuǎn)磁場相同。2.2.2功率不變原則功率不變原則所體現(xiàn)的是在確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時應(yīng)該遵守變換前后電機的功率不變的原則。如果能將交流電機的物理模型等效成直流電機的形式，然后再利用直流電機的控制方式，則可以使問題簡化。坐標變換正是按照這一思路進行的，在這里不同電機模型等效的原則是:在不同的坐標系下產(chǎn)生的磁動勢相同。三相平衡的正弦電流iA，iB，ic通到交流電機三相對稱的靜止繞組A、B、C會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F，在空間呈正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速1繞A-B-

28、C-A相序旋轉(zhuǎn)。它的物理模型如圖2.2 a)所示。然而任意相平衡電流通入相應(yīng)相的對稱繞組均可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，其中以兩相繞組最為簡單，兩相靜止繞組和，它們在空間相差90°，通以時間上相差90°的兩相平衡電流也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F，當圖2.2 a)和圖2.2 b)產(chǎn)生的磁動勢相等時，認為圖2.2 a)中的三相繞組和圖2.2 b)的兩相繞組等效。圖2.2 c)中的兩個匝數(shù)相同的繞組d和q互相垂直.它們分別被通以直流電流id和iq，產(chǎn)生合成磁動勢F，令整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速1旋轉(zhuǎn)，則磁動勢F成為旋轉(zhuǎn)磁動勢，如果將其大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖2.2 a)和圖2.2 b)的旋轉(zhuǎn)磁動勢相同，則這套

29、旋轉(zhuǎn)的直流繞組就和前面兩套交流繞組等效。當觀察者也站在鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在他看來，繞組d和q是兩個通以直流電而相互垂直的靜止繞組，如果控制磁通的位置在d軸上，這就和直流電機模型沒有什么區(qū)別了。a) b) c)圖2.2 等效的交流電動機繞組和直流電動機繞組物理模型a)三相交流繞組 b)兩相交流繞組 c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組2.3矢量控制2.3.1 問題分析無論采取何種方式對異步電機進行調(diào)速控制，其實質(zhì)都是直接或間接控制電機的轉(zhuǎn)矩。所謂異步電機的矢量控制，實際上就是借鑒直流電機的轉(zhuǎn)矩關(guān)系，通過坐標變換的方法，得到與直流電機轉(zhuǎn)矩形式相似的異步電機解耦轉(zhuǎn)矩表達式，進而對其進行方便調(diào)節(jié)的控制方式。下面首

30、先簡單介紹直流電機的轉(zhuǎn)矩控制方式，并通過直流電機與異步電機轉(zhuǎn)矩的比較引出矢量控制原理。2.3.2直流電機的轉(zhuǎn)矩控制已知直流電機的轉(zhuǎn)矩，即Te=KIa=K IaIf (假設(shè)If )式中，K 、 K為比例系數(shù)；Ia為直流電機轉(zhuǎn)子電樞電流，單位為A；If 為定子勵磁電流，單位為A；可認為是由定子勵磁電流單獨產(chǎn)生的氣隙主磁通，單位為Wb(忽略轉(zhuǎn)子電樞電流的電樞反應(yīng))。直從流電機的結(jié)構(gòu)知道，Ia和If相互正交（所謂正交是指兩個量在對方坐標軸的投影為0），我們稱Ia和If是解耦的。這樣一來Ia和If 彼此無關(guān)，都只與轉(zhuǎn)矩Te有關(guān)，因而可以分別加以控制，因此，當If 一定時，磁場恒定，可以通過調(diào)節(jié)電樞電流I

31、a來改變電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。同理，當Ia一定時，也可以通過改變If 來改變電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由于Ia和 If 與 T e之間的線性關(guān)系，通過它們來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速時可以獲得良好的動態(tài)指標。2.3.3異步電機的轉(zhuǎn)矩分析在三相異步電機中，定子上有空間對稱分布的三相繞組，轉(zhuǎn)子為鼠籠繞組（或繞線式繞組），在定子三相繞組通以三相對稱的交流電時，產(chǎn)生一個以速度1旋轉(zhuǎn)的空間磁場，該磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出轉(zhuǎn)子電流，最終轉(zhuǎn)子電流與空間磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，異步電機電磁轉(zhuǎn)矩的表達式，即Te=Km I2 cos2式中，K為比例系數(shù)；m為氣隙中的主磁通（一般來說，m 應(yīng)該是由異步電機的定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生的 ）

32、，單位為Wb；I2為轉(zhuǎn)子電流，單位為A；cos2 為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。從異步電機的結(jié)構(gòu)知道，對于鼠籠式的轉(zhuǎn)子來說，轉(zhuǎn)子電流I2及功率因數(shù)cos2顯然無法加以控制，而m由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同決定，也不能直接控制，因此通過直接改變定子電流來控制異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te顯然非常困難，要想實現(xiàn)類似于直流電機的解耦控制更是不可能的。在這樣的背景下，矢量控制原理就被提出來了。2.3.4 矢量控制原理參考直流電機中的解耦控制，如果能夠把異步電機的定子電流也分解為互相正交的磁場分量id和轉(zhuǎn)矩分量iq，(這里的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量分別對應(yīng)于直流電機的勵磁電流If及電樞電流Ia)，就可以得到異步電機另一種電磁轉(zhuǎn)矩表達式

33、，即TC =Kid iq顯然，如果以定子電流作為控制對象，想辦法得到相互解耦的id和iq，則對定子電流的控制就可轉(zhuǎn)化為對id和iq的控制，而id和iq又是解耦的，對id和iq分別控制就可以像直流電機一樣方便地控制電磁轉(zhuǎn)矩，這就是矢量控制，下面分析整個解耦過程。根據(jù)磁場完全等效的原則，將靜止坐標系下的三相定子電流i1(iA、iB、iC)轉(zhuǎn)化為與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩相正交電流id和iq(abc到dq0坐標系變換)。三相靜止坐標系到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的轉(zhuǎn)換矩陣VR，即其反變換矩陣為：通過上述變換，可將靜止坐標系下的三相電流ia、ib、ic等效地變換為旋轉(zhuǎn)坐標下(與磁場同步旋轉(zhuǎn))的兩相正交

34、的電流id和iq ( i0在三相對稱情況下為0)，而id和iq是互相解耦的，最終可以實現(xiàn)類似于直流電機的解耦控制。在旋轉(zhuǎn)坐標dq0下，可以得到電機的狀態(tài)方程及轉(zhuǎn)矩表達式。設(shè)有同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩組正交繞組，它們分別用來等效實際電機的三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組。其中ds-qs為定子兩相正交繞組的軸線位置，dr-qr為轉(zhuǎn)子兩相正交繞組的軸線位置，而且ds-qs和dr-qr在空間的位置始終是重合的。可以將兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下感應(yīng)電機的磁鏈表達式、電壓方程式及電機輸出轉(zhuǎn)矩和運動方程寫為:磁鏈方程：=電壓方程：轉(zhuǎn)矩方程: Te =np Lm (isq ird isd irq)運動方程與坐標變換無關(guān)，仍為 以

35、上關(guān)系說明，選擇轉(zhuǎn)子磁鏈的空間矢量方向為M軸方向進行定向，并控制m2的幅值不變，可實現(xiàn)磁場電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量之間的解耦。這樣控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流，就能達到控制T的目的。以磁場進行定向的M軸與定子繞組a軸間的夾角可看做是從定子側(cè)面觀測到的轉(zhuǎn)子磁通位置，它是一個空間變量，需要通過磁通監(jiān)測器或磁通運算回路監(jiān)測出來。 三. 總體模塊設(shè)計3.1矢量控制結(jié)構(gòu)框圖按照上述數(shù)學(xué)模型建立的矢量控制結(jié)構(gòu)框圖如實例圖3.1所示。圖3.1 矢量控制結(jié)構(gòu)框圖為了實現(xiàn)對電機的矢量控制，使電機滿足一定的性能指標(穩(wěn)定性、快速性和準確性)，并盡可能使仿真模型簡化，而采用電流和轉(zhuǎn)速負反饋控制方式。為了使仿真時間盡可能短并達到一

36、定的仿真精度，選用離散控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要分成6部分:速度控制器、矢量控制器、電流比較脈沖產(chǎn)生器、全橋逆變電路、異步電機和反饋回路。其具體結(jié)構(gòu)如實例圖3.2所示。圖3.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2各子系統(tǒng)模塊3.2.1求解磁鏈模塊壓縮后的子模塊如下圖所示：圖3.3 求解磁鏈模塊其中T=0.1557s，K=34.7e-3。由上圖可知： 3.2.2 求解轉(zhuǎn)子磁鏈角模塊壓縮后的子模塊如下圖所示：圖3.4 求解轉(zhuǎn)子磁鏈角模塊由上圖可知求解步驟如下：其中圖中。該模塊是計算角，也就是d軸的位置3.2.3 ids*求解模塊此模型的作用是根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通來計算定子電流的勵磁分量id*，模型如下所示壓縮后的子模

37、塊如下圖所示：圖3.5 ids*求解模塊求解過程如下：3.2.4 iqs*求解模塊此模塊的作用是計算定子電流在d、q坐標系下的q分量的給定值iqs*，其內(nèi)部構(gòu)造如下所示：壓縮后的子模塊如下圖所示：圖3.6 iqs*求解模塊求解步驟如下：3.2.5 ABC到DQ坐標變換模塊ABC-DQ子模塊完成從ABC三相定子坐標系到d、q坐標系的變換（3/2變換），在這個模塊中，根據(jù)定子電流在ABC三相定子坐標系下的分量，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換，得出電動機定子電流在d、q坐標系下的轉(zhuǎn)矩分量iqs和勵磁分量 ids。模塊的構(gòu)造如下圖：壓縮后的子模塊如下圖所示：圖3.7 ABC到DQ模塊3.2.6 DQ到ABC坐標變換模塊

38、DQ- ABC子模塊是根據(jù)定子電流在d、q坐標系下的分量，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換得出電動機定子的三相繞組電流的給定值iabc，變換過程如下所示壓縮后的子模塊如下圖所示：圖3.8 DQ到ABC模塊3.3 電機參數(shù)設(shè)置參數(shù)額定功率線電壓頻率定子電阻定子漏感互感數(shù)值37300w380v50Hz0.0870.8mH34.7mH參數(shù)轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子漏感轉(zhuǎn)動慣量摩擦系數(shù)極對數(shù)數(shù)值0.2280.8mH1.662kg·m20.1N·m·s2圖3.9 異步電動機參數(shù)表3.4矢量控制環(huán)節(jié)模塊圖3.10 矢量控制環(huán)節(jié)3.5矢量控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)模塊圖3.11 矢量控制的異步電動機調(diào)速模塊交流異

39、步電動機矢量控制系統(tǒng)如上圖所示，此系統(tǒng)為轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方式，按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制框圖。首先將角速度指令*和的偏差信號送至速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩給定指令值Te*；計算出轉(zhuǎn)矩電流給定值iq1*；由磁通給定值2*算出勵磁電流給定值id1*；其中2和s則由電機實際電流經(jīng)過坐標變換得到，d、q軸電流id、iq通過電流模型法算出。給定電流值id1*、iq1*經(jīng)過坐標反變換得到定子三相電流指定值iA、iB、iC。在電流調(diào)節(jié)部分，由電流給定指令值和實時檢測所得的三相電流實際值的偏差信號送至電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的輸出即為IGBT逆變器的控制信號，這樣就得到了異步電動機變頻調(diào)速矢量控制

40、系統(tǒng)。四. Simulink 仿真在實際電機工作中，通常會在電機運行比程中改變轉(zhuǎn)速，而當仿真模型在改變參數(shù)后再運行時，模型從零狀態(tài)并始.這與實際情況不符。為此需要記錄參數(shù)修改前系統(tǒng)狀態(tài)量，改變系統(tǒng)參數(shù)后再從記錄的狀態(tài)開始運行。要在MATLAB和SIMULINK中實現(xiàn)這一功能，過程如下:模塊運行前選中“Simulink/simulink parameters/worksplace I/O”的“Final state”(其中變量為xFinal), 然后按“OK”或“Apply”鍵。令*=120運行仿真模型。仿真完成后，在“Simulink/simulink parameters/worksplac

41、e I/O”中選中“Inital state”(其中變量為xInital)。在Matlab工作空間運行賦值語句：xInital=xFinal矢量控制系統(tǒng)改變前仿真結(jié)果如圖4.1所示。改變系統(tǒng)參數(shù)，令*=150再運行仿真模型，如圖4.2所示。4.1 a) *=120 時vab的波形4.1 b) *=120 時iabc的波形4.1 c) *=120 時Te的波形4.1 d) *=120 時 的波形圖4.1 *=120 時 各參數(shù)的波形4.2 a) *=150 時 vab的波形4.2 b)*=150 時 iabc的波形4.2 c)*=150 時 T e的波形4.2 d)*=150 時的波形圖4.2

42、*=150 時 各參數(shù)的波形可以看出，當*=120時，在啟動的瞬間，定子電流的峰值可達到450A，在恒轉(zhuǎn)矩啟動階段，定子電流基本上保持在150A，恒轉(zhuǎn)矩啟動階段的大約時間為0.7秒。在恒轉(zhuǎn)矩段，轉(zhuǎn)矩保持在極限值300N·m,這個極限值是在速度調(diào)節(jié)器參數(shù)表中設(shè)定的。而*=150時恒轉(zhuǎn)矩啟動階段大概時間為0.9秒。五. 結(jié)論近年來，由于電力電子器件、微處理器的發(fā)展和控制技術(shù)的進步，對交流調(diào)速系統(tǒng)向全數(shù)字化發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用。本文從實際應(yīng)用出發(fā)，研究了異步電動機矢量控制系統(tǒng)的控制策略，對矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速估計、磁鏈觀測進行了詳細的理論分析、仿真以及實驗研究，本文主要工作概括如下:簡要

43、探討了異步電機的調(diào)速情況，以及矢量控制的研究現(xiàn)狀，對于基于矢量控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)有了一個總體的了解；在磁場定向控制下，建立了異步電動機的數(shù)學(xué)模型和仿真模型；通過矢量控制，設(shè)計并建立了用于仿真的一空間矢量脈寬調(diào)制模塊，并通過實驗驗證了輸出結(jié)果和理論推導(dǎo)的一致性；致謝本論文是在導(dǎo)師曾進輝老師的精心指導(dǎo)下完成的，在做課程設(shè)計期間，得到了老師的悉心教誨和無微不至的關(guān)懷。尤其是在做課程設(shè)計時我忙于準備期末考試，沒有充分的時間查找MATLAB仿真學(xué)習(xí)資料，是曾老師自己花時間幫我們查找資料，然后再拿給我們，然后還給我們講解了矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)的基本概念和原理和用MATLAB對調(diào)速系統(tǒng)進行仿真的基本方法

44、，讓我們學(xué)到了很多。在此課程設(shè)計完成之際，對曾老師表示衷心的感謝和無限的敬意。在課程設(shè)計期間除了要感謝指導(dǎo)老師曾進輝外，還要感謝幫助我的同學(xué)。感謝他們在百忙之中還不厭其煩的為我解答各種難題。在此，由衷地向幫助我的同學(xué)們表示感謝，謝謝你們?？傊兄x所有關(guān)心、支持我的老師、同學(xué)朋友以及親人。參考文獻1胡虔生、胡敏強 .電機學(xué). 2005.北京：中國電力出版社.361頁.2李發(fā)海、朱東起.電機學(xué) .2007 .第四版. 北京：科學(xué)出版社. 475頁3孫旭東、馮大鈞.電機學(xué)習(xí)題與題解.2007.第二版.北京：科學(xué)出版社 .264頁4陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng)：運動控制系統(tǒng). 2003.第三版.北京：機械工業(yè)出版社.310頁5王忠禮、段慧達、高玉峰.MATLAB應(yīng)用技術(shù)：在電氣工程與自動化專業(yè)中的應(yīng)用. 2007北京：清華大學(xué)出版社 .286頁 6李維波 .MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用. 2007. 北京：中國電力出版社.432頁7 黃忠霖、黃京