2017畢業(yè)論文-異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

1、<p>　　異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)</p><p>　　中文摘要：矢量控制是在電機(jī)統(tǒng)一理論、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)變換理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的思想就是將異步電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)來控制，通過坐標(biāo)變換，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個(gè)直流分量并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。本文針對異步電動機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制進(jìn)行研究和探索。通過空間矢量的坐標(biāo)變換，

2、對系統(tǒng)進(jìn)行建模，其中包括直流電源、逆變器、電動機(jī)、轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型、ASR、ATR、AΨR等模塊。并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB/Simulink仿真分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：異步電動機(jī)、矢量控制、MATLAB仿真</p><p>　　Abstract：Vector control(VC) is based on motor unification principle,energ

3、y conversion and vector coordinate transformation theory.By transforming coordinate,</p><p>　　The stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled resp

4、ectively.So magnetic flux and torque are decoupled.</p><p>　　It controls the asynchronous motor as a synchronous way. This paper does some research works of the asynchronous motor flux vector control closed-

5、loop research and exploration. Through the space vector coordinate transformation, and the modeling of system,including DC power supply, inverter, AC motor, rotor flux current model, the ASR, ATR,AΨR and modules. And th

6、e control system is MATLAB/Simulink analysis.</p><p>　　Key Words：Asynchronous Motor,Vector Control,MATLAB Simulation</p><p><b>　　一、 緒論</b></p><p>　　1、交直流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)概念及比較<

7、/p><p>　　交流調(diào)速系統(tǒng)是以交流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自動控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)是以直流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自控系統(tǒng)。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)可以在額定轉(zhuǎn)速以下通過保持勵磁電流改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;在額定轉(zhuǎn)速以上通過保持電樞電壓改變勵磁電流來實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性，因此直流調(diào)速在很長時(shí)間以來(20

8、世紀(jì)80年代以前)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。</p><p>　　但是，由于直流電動機(jī)本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命弱點(diǎn)，這就給直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了一系列的限制，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:</p><p>　　(1)機(jī)械式換向器表面線速度及換向電流、電壓有一定的限值，這極大的限制了單臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行功率。而且，大功率的電機(jī)制造技術(shù)難，成本高。對于高轉(zhuǎn)速大功率的電動機(jī)應(yīng)用場合，

9、直流調(diào)速方法是行不通的。</p><p>　　(2)為使直流電動機(jī)的機(jī)械式換向器能夠可靠的工作，往往要增大電樞和換向器的直徑，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很大，對于要求快速響應(yīng)的生產(chǎn)場合就不能夠?qū)崿F(xiàn)。</p><p>　　(3)機(jī)械式換向器帶來的另外一個(gè)麻煩就是必須經(jīng)常檢修和維護(hù)，因?yàn)殡娝⒁仨毝ㄆ诟鼡Q。這樣導(dǎo)致直流調(diào)速系統(tǒng)的維護(hù)工作量大，運(yùn)行成本高，同時(shí)由于定期的停機(jī)檢修也造成了生產(chǎn)效率的下降。&l

10、t;/p><p>　　(4)由于電刷的電火花，直流電機(jī)也不能應(yīng)用于易燃易爆的生產(chǎn)場合，對于多粉塵和多腐蝕性氣體的地方也不適用。</p><p>　　總之，由于直流電動機(jī)存在的這些問題，使得直流電動機(jī)的應(yīng)用受到了極大的限制，也使得直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用受到相應(yīng)的限制。</p><p>　　相對于直流電動機(jī)而言，交流電動機(jī)(特別是鼠籠型異步電動機(jī))具有許多優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、

11、制造容易、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、轉(zhuǎn)動慣量小、運(yùn)行可靠、少維修、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　交流調(diào)速系統(tǒng)由于采用了無換向器的交流電動機(jī)作為調(diào)速傳動設(shè)備，突破了直流電動機(jī)所帶來的種種限制，可以滿足生產(chǎn)生活的各種需求，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p><p>　　2、交流調(diào)速系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀</p><p>　　電能是現(xiàn)代社會最廣泛使用的一種能量形式

12、，具有生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟(jì)、傳輸和分配比較容易，使用和控制比較方便的特點(diǎn)，因此成為國民經(jīng)濟(jì)各部門動力的主要來源。而電能的生產(chǎn)、交換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機(jī)來完成。所以電機(jī)傳動在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防軍事設(shè)施以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。其中許多的機(jī)械對調(diào)速有要求，如城市無軌電車，鐵路牽引機(jī)車，電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械等等，為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)工藝的要求需要調(diào)速;另一類機(jī)械如風(fēng)機(jī)、水泵等為了減少運(yùn)行損耗、節(jié)約電能

13、也需要調(diào)速。在20世紀(jì)70年代以前的很長一段時(shí)間內(nèi)，直流調(diào)速占統(tǒng)治地位，交流調(diào)速系統(tǒng)的方案雖然己有多種發(fā)明并得到實(shí)際應(yīng)用，但其性能始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。因?yàn)橹绷髡{(diào)速系統(tǒng)具有啟制動性能良好，調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高，控制方案簡單高效等突出的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)相比無論從理論土還是實(shí)踐上都十分成熟。對于直流電機(jī)而言，只需要改變電機(jī)的輸入電壓或勵磁電流，就可以在很廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且在磁場恒定的條件下它的轉(zhuǎn)矩和電

14、樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩易于控制。因此直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)比較容易獲得優(yōu)良的動態(tài)性能。并且</p><p>　　（1）首先電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)時(shí)，價(jià)格昂貴。在使用時(shí)由于換向器的存在，</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因?yàn)閾Q向器的機(jī)械強(qiáng)度不高，電刷易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)檢修。</p><p>　?。?)由于換向器的換向問題的存在，對調(diào)速系統(tǒng)容量和最高速度有限制。無

15、法感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究與仿真做成高速大容量的機(jī)組。</p><p>　　(3)無法應(yīng)用在粉塵、腐蝕性氣體和易燃易爆的場合。</p><p>　　所有這些使得直流拖動系統(tǒng)無法適應(yīng)現(xiàn)代拖動系統(tǒng)向高速大容量方向發(fā)展的趨勢。而交流電動機(jī)，特別是鼠籠型交流異步電動機(jī)，由于它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價(jià)格低廉，體積小(與同容量的直流電機(jī)相比)，并且堅(jiān)固耐用，轉(zhuǎn)動慣量小，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡單，可用于惡劣場

16、合等優(yōu)點(diǎn)，在各種場合得到了廣泛的應(yīng)用。但是交流調(diào)速比較困難，與直流電機(jī)氣隙磁場有勵磁繞組產(chǎn)生，交流電機(jī)的氣隙磁場則是有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組共同產(chǎn)生，這就使得交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不再與定子電流成正比關(guān)系。這樣就不能通過簡單的控制定子電流就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。自20世紀(jì)30年代人們開始進(jìn)行交流調(diào)速技術(shù)的研究，認(rèn)識到變頻調(diào)速是交流電動機(jī)的一種最好的調(diào)速方式，他既能實(shí)現(xiàn)寬范圍無級調(diào)速，又具有很好的動態(tài)性能。但是由于進(jìn)展不大，在20世紀(jì)的大部分時(shí)間直

17、流調(diào)速仍占據(jù)統(tǒng)治地位。直到上世紀(jì)六七十年代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的相繼出現(xiàn)和飛速發(fā)展最終促成高性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的交流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，到目前交流調(diào)速在電力拖動中已占據(jù)主導(dǎo)地位。七十年代初期，西門子公司的F.Blashke和WFlotor提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定</p><p>　　總的來說，由于電力電子器件的飛速發(fā)展，各種價(jià)格便宜，性能優(yōu)越的微處理器芯片的

18、不斷涌現(xiàn)如:適合運(yùn)動控制的16位高檔單片機(jī)以及德州儀器的TMS240X系列DSP芯片，促進(jìn)了交流調(diào)速系統(tǒng)從模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。運(yùn)算速度的提高以及各種針對運(yùn)動控制的片內(nèi)資源的豐富性使得以前看來無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的控制算法變得簡單起來，各種控制用微處理器的運(yùn)算速度的提</p><p>　　高，片內(nèi)資源的日益豐富，集成度的提高無一不促進(jìn)交流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化?？梢哉f數(shù)字化將成為控制技術(shù)的發(fā)展方向。</p&g

19、t;<p>　　3、本文的意義及主要工作</p><p>　　異步電機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是目前已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用的高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。這兩種方案作為高性能的調(diào)速系統(tǒng)，都能實(shí)現(xiàn)較高的靜、動態(tài)性能，但兩種系統(tǒng)的具體控制方法不一樣，因而具有不同的特色和優(yōu)缺點(diǎn)，除了普遍適用于高性能調(diào)速以外，又各有所側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域。針對目前變頻器技術(shù)的兩種技術(shù)”矢量控制”及”直接轉(zhuǎn)矩控制’，上海大學(xué)的陳伯

20、時(shí)教授在，交流變頻傳動控制的發(fā)展”的報(bào)告中，就兩種控制原理進(jìn)行了深入的對比，得出了技術(shù)本身并無本質(zhì)差別、各有優(yōu)缺點(diǎn)的結(jié)論。對比直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，矢量變換控制系統(tǒng)有可連續(xù)控制、調(diào)速范圍寬等顯著優(yōu)點(diǎn)，且多年來在簡化矢量變換控制系統(tǒng)方面亦己獲滿意的結(jié)果，為此矢量變換控制系統(tǒng)仍不失為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。</p><p>　　在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展下，電力傳動自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也受益于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成熟應(yīng)

21、用。通過建立計(jì)算機(jī)仿真模型，在人為的模擬環(huán)境下通過計(jì)算機(jī)的仿真運(yùn)行，就可以模擬替代真實(shí)電機(jī)在工作現(xiàn)場的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)條件，并得到可靠的數(shù)據(jù)，節(jié)約了研究時(shí)間和費(fèi)用。計(jì)算機(jī)仿真帶來的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初進(jìn)行仿真，可以預(yù)測系統(tǒng)行為特性并可通過計(jì)算機(jī)來不斷修改系統(tǒng)參數(shù)直到獲得理想的系統(tǒng)特性。這樣就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　本文的主要工作：</b></p>&

22、lt;p>　?。?）較為詳細(xì)地分析異步電機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)基本原理與系統(tǒng)組成。</p><p>　　（2）構(gòu)建異步電動機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)各模塊的仿真模型。</p><p>　　二、 異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng) </p><p>　　1、矢量控制系統(tǒng)原理</p><p>　　既然異步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動機(jī)，

23、那么，模仿直流電動機(jī)的控制策略，得到直流電動機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)，簡稱VC系統(tǒng)。VC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖中的給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號和電樞電流的給定信號，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換一得到和，再經(jīng)過2／3變換得到、和。把這三個(gè)電流控制信號和由控制器得到

24、的頻率信號加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電動機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。</p><p>　　圖2.1矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在設(shè)計(jì)VC系統(tǒng)時(shí)，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，并認(rèn)為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR相抵消，2／3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3／2變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖2.1中虛線框內(nèi)的部分可以刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了?？梢韵胂?，這樣的

25、矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。</p><p>　　2、坐標(biāo)變換的基本思路</p><p>　　坐標(biāo)變換的目的是將交流電動機(jī)的物理模型變換成類似直流電動機(jī)的模式，這樣變換后，分析和控制交流電動機(jī)就可以大大簡化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流、、，通過三相——兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流和，再通過同步旋轉(zhuǎn)

26、變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺直流電動機(jī)。</p><p>　　把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，得到圖2.l。從整體上看，輸人為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺異步電動機(jī)。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過3／2變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，便得到一臺由和輸入，由輸出的直流電動機(jī)。</p><p>　　圖2.2

27、異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3、坐標(biāo)變換</b></p><p>　?。?）三相——兩相坐標(biāo)系變換（3/2變換）</p><p>　　圖2.3為交流電機(jī)坐標(biāo)系等效變換圖。圖中的A，B，C坐標(biāo)軸分別代表電機(jī)參量分解的三相坐標(biāo)系。而,則表示電機(jī)參量分解的靜止兩相坐標(biāo)系。每一個(gè)坐標(biāo)軸上的磁動勢分量，可以通過在此坐標(biāo)軸的電流

28、i與電機(jī)在此軸上的匝數(shù)N的乘積來表示。</p><p>　　圖2.3 坐標(biāo)變換圖</p><p>　　假定A軸與a軸重合，三相坐標(biāo)系上電機(jī)每相繞組有效匝數(shù)是，兩相坐標(biāo)系上電機(jī)繞組每相有效匝數(shù)為，在三相定子繞組中，通入正弦電流，則磁動勢波形為正弦分布，因此，當(dāng)三相總安匝數(shù)與兩相總安匝數(shù)相等時(shí)，兩相繞組瞬時(shí)安匝數(shù)在軸上投影應(yīng)該相等。因此有式（2-1）和（2-2）。</p><

29、;p>　?。?-1） </p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　為了保持坐標(biāo)變換前后的總功率，即應(yīng)該保持變換前后有效繞組在氣隙中的磁通相等 </p><p>　?。?-3） </p><p>　　設(shè)三相繞組磁通公式：</

30、p><p><b>　　（2-4）</b></p><p><b>　　兩相繞組磁通公式：</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　上面兩式K為固定比例參數(shù)，通過增入一個(gè)分量，我們可以寫成矩陣形式為：</p><p>&l

31、t;b>　　(2-6)</b></p><p>　　將上兩式寫成矩陣形式并對其規(guī)格化得到下面方程：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　從上式解得，三相到兩相的匝數(shù)比應(yīng)該為：</p><p><b>　　(2-8)</b></p>&l

32、t;p>　　因此，可以得到下面的矩陣形式：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　當(dāng)電機(jī)使用星型接法時(shí)，有等式：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　則上面的變換矩陣可以寫成下面的形式：</p><p>&

33、lt;b>　　(2-11)</b></p><p>　　同時(shí)，我們可以得到從兩相到三相的變換矩陣，即為上面矩陣的逆變換：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　從原理上分析，上面的變換公式具有普遍性，同樣可以應(yīng)用于電壓或者其他參量的變換中。從三相坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)的變換，通常只是簡化電機(jī)模型的第一步

34、，為了滿足不同參考坐標(biāo)系的各個(gè)參量分量的分析，需要找出不同參考運(yùn)動坐標(biāo)系的變換方程，下面推導(dǎo)從靜止坐標(biāo)系到運(yùn)動坐標(biāo)系的變換公式。</p><p>　?。?）旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換）</p><p><b>　　q </b></p><p><b>　　d</b></p><p>　　圖2

35、.4 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換圖</p><p>　　下面通過相電流的等效變換，來說明旋轉(zhuǎn)變換原理。如圖2.4表示了從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq的電機(jī)相電流變換。此變換簡稱2s/2r變換。其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。從圖中可以看出，假定固定坐標(biāo)系的兩相垂直電流與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩相垂直的電流產(chǎn)生等效的、以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢，由于變換坐標(biāo)變換前后各個(gè)繞組的匝數(shù)相等，故能量恒定，因此變換前后的系數(shù)相等。當(dāng)合成磁動勢在

36、空間旋轉(zhuǎn)，分量的大小保持不變，相當(dāng)于在dq坐標(biāo)軸上繞組的電流是直流。軸與d軸夾角隨時(shí)間而變化。從圖上可以得到:</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　式中為2s/2r變換矩陣。</p><p>　　同理，經(jīng)過坐標(biāo)逆變換，也可以得到從兩相靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣：</p><p>

37、;<b>　?。?-14）</b></p><p>　　從上面電機(jī)的坐標(biāo)系變換中，可以看到，經(jīng)過3/2變換以及旋轉(zhuǎn)變換，可以將子三相繞組電流等效在空間任意角度坐標(biāo)系上。同理，對于任何電參數(shù)，都可以通過等效變換，將其變換在空間任意角度的坐標(biāo)系上。如果將上面推導(dǎo)的電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的電壓矩陣經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換，同樣可以將電機(jī)各個(gè)參量等效在空間任意位置的坐標(biāo)系中，因此當(dāng)選擇與轉(zhuǎn)子磁場固聯(lián)的坐標(biāo)系時(shí)，可以大大

38、簡化電機(jī)數(shù)學(xué)模型，便于電機(jī)解耦控制。在當(dāng)前電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的廣義旋轉(zhuǎn)變換電壓變換矩陣為:</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　上面的變換矩陣的系數(shù)是經(jīng)過規(guī)格化的。在不同控制方式中可將其等效在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，還可等效在旋轉(zhuǎn)磁場上，也可以等效于一個(gè)變量上，如電流，電壓，或者磁通等。不同的坐標(biāo)等效導(dǎo)致了不同的坐標(biāo)系和不同的控制方法。當(dāng)角度

39、為零時(shí)，就是上述的3/2變換，即為a，,0坐標(biāo)下的模型，當(dāng)坐標(biāo)于轉(zhuǎn)子軸上時(shí)，對異步電機(jī)來說:。</p><p>　　4、異步電動機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　（1）異步電動機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　對于異步電機(jī)定子側(cè)的電磁量我們用下角標(biāo)以s，對于轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁</p><p>　　量用下角標(biāo)r，氣隙電磁量則用

40、下角標(biāo)m，電壓矩陣方程為:</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　磁鏈方程為：</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩為： </p><p><b>

41、;　?。?-18）</b></p><p>　?。?）異步電動機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型 </p><p>　　因?yàn)槎x方向?yàn)閐軸，所以，=0通過變換，異步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型，電壓方程為：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　磁鏈方程為：&

42、lt;/b></p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩為： </p><p><b>　　（2-21）</b></p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算</b></p><p>　　按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

43、矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是的準(zhǔn)確定向，也就是說需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行控制的方法，稱作直接定向。</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測比較困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中多采用按模型計(jì)算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電動機(jī)數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來，也可以利用專題觀測器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測模型。在計(jì)算模型中，由

44、于主要實(shí)測信號的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。</p><p>　　在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型</p><p>　　由實(shí)測的三相定子電流通過3/2變換得到靜止兩相正交坐標(biāo)系上的電流，在利用坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型式計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在軸上的分量</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b

45、>　　也可表述為：</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　然后，采用直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換，就可得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛涂臻g位置，考慮到矢量變換中實(shí)際使用的是的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式</p><p><b>　　（2-24）</b></p>&

46、lt;p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　（2-26）</b></p><p>　　在坐標(biāo)系中計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，即系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由于電壓、電流和磁鏈均為正弦量，計(jì)算量大，程序幅值，對計(jì)算步長敏感。</p><p>　　圖2.5 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型</p>&l

47、t;p>　　計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型</p><p>　　根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動勢的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型叫做電壓模型。</p><p>　　坐標(biāo)系上定子電壓方程為：</p><p><b>　?。?-27）</b></p><p><b>　　磁鏈方程為： </

48、b></p><p><b>　?。?-28） </b></p><p>　　由式（2-27）前兩行解出：</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　代人式（2-28）后兩行得：</p><p><b>　?。?-30）</

49、b></p><p>　　由式（2-29）和式（2-30）得計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型為：</p><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型如圖6所示，其物理意義是：根據(jù)實(shí)測的電壓和電流信號。 </p><p&g

50、t;　　圖2.6 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型</p><p>　　計(jì)算定子磁鏈，然后，再計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈。電壓模型不需要轉(zhuǎn)速信號，且算法與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，只要定子電阻有關(guān)，而定子電阻相對容易測得。和電流模型相比，電壓模型受電動機(jī)參數(shù)變化的影響較小，而且算法簡單，便于應(yīng)用。但是，由于電壓模型包含純積分項(xiàng)，積分的初始值和累積誤差都影響計(jì)算結(jié)果，在低速時(shí)，定子電阻電壓降變化的影響也較大。</p><p>

51、　　比較起來，電壓模型更適用于中、高速范圍，而電流模型能使用低速。有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來，在低速時(shí)采用電流模型，在中、高速時(shí)采用電壓模型，只要解決好如何過渡的問題，就可以提高整個(gè)運(yùn)行范圍中計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確度。</p><p>　　三、異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　1、各模塊的仿真模型</p><p>　?。?）2s/2r

52、變換和2s/2r逆變換的仿真模型</p><p>　　由坐標(biāo)變換的原理建立3s/2r變換和3r/2s變換的仿真模型，如圖3.1，圖3.2所示。</p><p>　　圖3.1 2s/2r變換仿真模型</p><p>　　圖3.2 2s/2r逆變換仿真模型</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)子磁鏈模塊</b><

53、/p><p>　　在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，用到了坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)是轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確觀測，沒有它就不能進(jìn)行2s/2r變換及逆變換，而且轉(zhuǎn)子磁鏈還關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)磁場的定向磁鏈的閉環(huán)控制。本人采用的是轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型</p><p>　?。?）異步電動機(jī)仿真模型</p><p>　　異步電動機(jī)仿真

54、模塊如圖3.4</p><p>　　圖3.4 異步電動機(jī)仿真模型</p><p>　　2、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的電氣原理如圖15所示。在圖中，主電路采用了電流滯環(huán)控制型逆變器。在控制電路中，在轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的給定，而轉(zhuǎn)矩的反饋信

55、號，則通過矢量控制方程計(jì)算得到，電流中的磁鏈調(diào)節(jié)器用于電動機(jī)定子磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測環(huán)節(jié)。ATR和ApsiR的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量。和經(jīng)過2r/3s變換后得到三相定子電流的給定值，并通過電流滯環(huán)控制PWM逆變器控制電動機(jī)定子的三相電流。</p><p>　　圖3.9 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)電氣原理圖</p><p>　　帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、

56、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型如圖16所示。其中直流電源DC、逆變器、電動機(jī)和電動機(jī)測量模塊組成了模型的住店離開，逆變器的驅(qū)動信號由滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生。三個(gè)調(diào)節(jié)器ASR、ATR、AΨR均是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測使用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈模型。</p><p>　　四、異步電動機(jī)矢量控系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析</p><p><b>　　1、各模塊參數(shù)設(shè)置</

57、b></p><p>　　在完成模型建立后，根據(jù)得到的各波形圖的顯示，經(jīng)過反復(fù)的對各個(gè)模塊參數(shù)調(diào)試和更改，得到以下個(gè)模塊的相對標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。</p><p><b>　　電動機(jī)參數(shù)</b></p><p>　　表4-1 電動機(jī)參數(shù)</p><p><b>　　各調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p&g

58、t;<p>　　表4-2 各調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p><b>　　各給定參數(shù)</b></p><p>　　表4-3 各給定參數(shù)</p><p><b>　　2、仿真結(jié)果</b></p><p>　　(1) 定子磁鏈軌跡</p><p><b>　　圖

59、17</b></p><p>　?。?）三相電流給定波形</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)速響應(yīng)</b></p><p><b>　　圖19</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸

60、出</p><p><b>　　圖20</b></p><p><b>　　（5）輸出轉(zhuǎn)矩軌跡</b></p><p><b>　　圖21</b></p><p><b>　?。?）兩相調(diào)制信號</b></p><p><b&

61、gt;　　圖22</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR輸出</p><p><b>　　3、仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　在仿真結(jié)果中可以看到，在矢量控制下轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，加載后略有下降但隨即恢復(fù)，在0.35s時(shí)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)和1s加載時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流、轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的響應(yīng)。由于ATR和AΨR都是帶限幅的P

62、I調(diào)節(jié)器，在起動中兩個(gè)調(diào)節(jié)器都處于飽和限幅專題，因此定子電流的轉(zhuǎn)矩和勵磁分量都保持不變，定子電流的給定值也不變，所以在起動過程中定子電流基本保持不變，實(shí)現(xiàn)了恒流起動。帶磁鏈調(diào)節(jié)器后，在起動階段，磁場得建立過程比較平滑，磁鏈呈螺旋增加，同時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也不斷上升，整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高。輸出轉(zhuǎn)矩在空載起動時(shí)，上升很快，在0.35s是達(dá)到穩(wěn)定，在1s加載時(shí)，略有上升但很快也達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　　由以

63、上的仿真結(jié)果并結(jié)合系統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)框圖組合各個(gè)模塊及搭建的整</p><p>　　個(gè)系統(tǒng)的仿真模型可以看出，本論文所涉及的控制方法是可以實(shí)現(xiàn)的。上面所示的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了論文所述的設(shè)計(jì)思想基本能達(dá)到設(shè)想，使得異步交流電機(jī)接近直流電機(jī)特性，控制系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，在實(shí)際的應(yīng)用中可以有良好的一前景。</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p>

64、<p>　　本課題詳細(xì)介紹了異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的原理，利用MATLAB語言中的SIMULINK模塊和電力系統(tǒng)模塊庫(Power System Blockset)建立了異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。</p><p>　　現(xiàn)將所做的研究結(jié)果總結(jié)如下：</p><p>　　通過對矢量控制基本原理進(jìn)行的分析和闡述，在對不同的坐標(biāo)系變換算法進(jìn)行解釋的同時(shí)也建立了異步電動機(jī)在不

65、同的坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　在介紹了矢量控制方法的磁場方向原理轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算方法后，給出了按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，并給出了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　詳細(xì)地分析了磁鏈調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理，并設(shè)計(jì)了磁鏈調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b

66、></p><p>　　[1] 陳伯時(shí). 電力拖動自動控制系統(tǒng)--運(yùn)動控制系統(tǒng)（第三版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[2] 洪乃剛 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[3] 顧繩谷.電機(jī)及拖動基礎(chǔ)上（第四版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.</p><p>

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70、;/p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　大學(xué)生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實(shí)，當(dāng)我寫完這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的時(shí)候，有種如釋重負(fù)的感覺，感慨良多。</p><p>　　首先誠摯的感謝我的論文導(dǎo)師張必蘭老師，本設(shè)計(jì)的完成是在我們的張老師的細(xì)心指導(dǎo)下進(jìn)行的。在每次設(shè)計(jì)遇到問題時(shí)老師都不辭辛苦的講解才使得我的設(shè)計(jì)順利的進(jìn)行。從