异步电动机矢量控制系统仿真模型设计
中文摘：矢量控制电机统理机电量转换坐标变换理基础发展起思想异步电动机模拟成直流电动机控制通坐标变换定子电流矢量分解转子磁场定两直流分量分加控制实现磁通转矩解耦控制达直流电机控制效果文针异步电动机磁链闭环矢量控制进行研究探索通空间矢量坐标变换系统进行建模中包括直流电源逆变器电动机转子磁链电流模型ASRATRAΨR等模块控制系统进行MATLABSimulink仿真分析
关键词：异步电动机矢量控制MATLAB仿真
Abstract：Vector control(VC) is based on motor unification principleenergy conversion and vector coordinate transformation theoryBy transforming coordinate
The stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectivelySo magnetic flux and torque are decoupled
It controls the asynchronous motor as a synchronous way This paper does some research works of the asynchronous motor flux vector control closedloop research and exploration Through the space vector coordinate transformation and the modeling of systemincluding DC power supply inverter AC motor rotor flux current model the ASR ATRAΨR and modules And the control system is MATLABSimulink analysis
Key Words：Asynchronous MotorVector ControlMATLAB Simulation
绪
1交直流调速系统相关概念较
交流调速系统交流电动机作控制象电力传动动控制系统直流调速系统直流电动机作控制象电力传动控系统
直流调速系统额定转速通保持励磁电流改变电枢电压方法实现恒转矩调速额定转速通保持电枢电压改变励磁电流实现恒功率调速采转速电流双闭环直流调速系统获优良静动态调速特性直流调速长时间(20世纪80年代前)直占导位
直流电动机身结构存机械式换器电刷致命弱点直流调速系统开发应带系列限制具体表现方面
(1)机械式换器表面线速度换电流电压定限值极限制单台电动机转速运行功率功率电机制造技术难成高高转速功率电动机应场合直流调速方法行通
(2)直流电动机机械式换器够工作增电枢换器直径导致电机转动惯量求快速响应生产场合够实现
(3)机械式换器带外麻烦必须常检修维护电刷必须定期更换样导致直流调速系统维护工作量运行成高时定期停机检修造成生产效率降
(4)电刷电火花直流电机应易燃易爆生产场合粉尘腐蚀性气体方适
总直流电动机存问题直流电动机应受极限制直流调速系统发展应受相应限制
相直流电动机言交流电动机(特鼠笼型异步电动机)具许优点结构简单制造容易价格便宜坚固耐转动惯量运行少维修环境结构发展受限制等优点
交流调速系统采换器交流电动机作调速传动设备突破直流电动机带种种限制满足生产生活种需求具发展潜力
2交流调速系统历史现状
电现代社会广泛种量形式具生产变换较济传输分配较容易控制较方便特点成国民济部门动力源电生产交换传输分配控制等必须利电机完成电机传动工业农业交通运输国防军事设施日常生活中广泛应中许机械调速求城市轨电车铁路牵引机车电梯机床造纸机械纺织机械等等满足运行生产工艺求需调速类机械风机水泵等减少运行损耗节约电需调速20世纪70年代前长段时间直流调速占统治位交流调速系统方案然种发明实际应性始终法直流调速系统相匹敌直流调速系统具启制动性良调速范围广调速精度高控制方案简单高效等突出优点时直流调速系统交流调速系统相理土实践十分成熟直流电机言需改变电机输入电压励磁电流广范围实现级调速磁场恒定条件转矩电枢电流成正转矩易控制直流电动机调速系统较容易获优良动态性着半导体变流器件发展直流调速系统旋转变流机组(GM系统)静止控硅变流器调速系统(VM系统)发展目前止领域(铁路直流牵引机车城市轨电车等)广泛应直流斩波器脉宽度调制器直流调速系统直流电动机身具机械接触式换器直流电机调速系统应带问题
（1）首先电机结构复杂制造费时价格昂贵时换器存
调速系统维护费时费力换器机械强度高电刷易磨损需常维护检修
（2)换器换问题存调速系统容量高速度限制法感应电机矢量控制系统研究仿真做成高速容量机组
(3)法应粉尘腐蚀性气体易燃易爆场合
直流拖动系统法适应现代拖动系统高速容量方发展趋势交流电动机特鼠笼型交流异步电动机结构简单制造方便价格低廉体积(容量直流电机相)坚固耐转动惯量运行维护简单恶劣场合等优点种场合广泛应交流调速较困难直流电机气隙磁场励磁绕组产生交流电机气隙磁场定子绕组转子绕组产生交流电机电磁转矩定子电流成正关系样通简单控制定子电流控制电机转矩20世纪30年代开始进行交流调速技术研究认识变频调速交流电动机种调速方式实现宽范围级调速具动态性进展20世纪部分时间直流调速占统治位直世纪六七十年代电力电子技术控制技术相继出现飞速发展终促成高性直流调速系统相媲美交流调速系统出现目前交流调速电力拖动中已占导位七十年代初期西门子公司FBlashkeWFlotor提出感应电机磁场定控制原理通矢量旋转变换转子磁场定定子电流转子磁链空间方分解成励磁分量转矩分量样达交流电机磁链电流分控制目类似直流电机模型1980年日ANabas教授山村昌教授提出转差矢量控制系统标志着矢量控制理初步形成直接转矩控制(DTC)80年代中期提出转矩控制方法设计思路电机变频器作整体控制采空间电压矢量分析方法定子坐标系进行磁通转矩计算通磁通踪型PWM逆变器开关状态直接控制转矩DTC需定子电流进行解藕需复杂矢量变换计算控制结构简单目前矢量控制研究重分支时国学者致力速度传感器控制系统研究利定子电流电压等容易检测物理量电机速度进行线估计取代速度传感器进步拓展变频器适范围速度传感器矢量控制系统必须保证速度估算实时性满足实时控制求
总说电力电子器件飞速发展种价格便宜性优越微处理器芯片断涌现适合运动控制16位高档单片机德州仪器TMS240X系列DSP芯片促进交流调速系统模拟控制系统数字控制系统转变运算速度提高种针运动控制片资源丰富性前法实现复杂控制算法变简单起种控制微处理器运算速度提
高片资源日益丰富集成度提高促进交流调速系统数字化说数字化成控制技术发展方
3文意义工作
异步电机矢量变换控制系统直接转矩控制系统目前已获实际应高性异步电机调速系统两种方案作高性调速系统实现较高静动态性两种系统具体控制方法样具特色优缺点普遍适高性调速外侧重应领域针目前变频器技术两种技术矢量控制直接转矩控制’海学陈伯时教授交流变频传动控制发展报告中两种控制原理进行深入出技术身质差优缺点结直接转矩控制系统矢量变换控制系统连续控制调速范围宽等显著优点年简化矢量变换控制系统方面获满意结果矢量变换控制系统失现代交流调速重方
现代计算机应技术快速发展电力传动动控制系统设计受益计算机仿真技术成熟应通建立计算机仿真模型模拟环境通计算机仿真运行模拟代真实电机工作现场运行实验条件数节约研究时间费计算机仿真带优点系统设计初进行仿真预测系统行特性通计算机断修改系统参数直获理想系统特性样实现系统优化设计
文工作：
（1）较详细分析异步电机磁链闭环矢量控制系统基原理系统组成
（2）构建异步电动机磁链闭环矢量控制调速系统模块仿真模型
二 异步电动机矢量控制系统
1矢量控制系统原理
然异步电动机坐标变换等效成直流电动机模仿直流电动机控制策略直流电动机控制量相应坐标反变换够控制异步电动机进行坐标变换电流(代表磁动势)空间矢量样通坐标变换实现控制系统称矢量控制系统简称VC系统VC系统原理结构图21示图中定反馈信号类似直流调速系统控制器产生励磁电流定信号电枢电流定信号反旋转变换2／3变换三电流控制信号控制器频率信号加电流控制变频器输出异步电动机调速需三相变频电流
图21矢量控制系统原理结构图
设计VC系统时果忽略变频器产生滞认控制器面反旋转变换器电机部旋转变换环节VR相抵消2／3变换器电机部3／2变换环节相抵消图21中虚线框部分删剩直流调速系统想象样矢量控制交流变压变频调速系统静动态性完全够直流调速系统相媲美
2坐标变换基思路
坐标变换目交流电动机物理模型变换成类似直流电动机模式样变换分析控制交流电动机简化产生样旋转磁动势准三相坐标系定子交流电流通三相——两相变换等效成两相静止坐标系交流电流通步旋转变换等效成步旋转坐标系直流电流果观察者站铁心坐标系起旋转台直流电动机
述等效关系结构图形式画出图2l整体输ABC三相电压输出转速台异步电动机结构图部3／2变换转子磁链定步旋转变换便台输入输出直流电动机
图22 异步电动机坐标变换结构图
3坐标变换
（1）三相——两相坐标系变换（32变换）
图23交流电机坐标系等效变换图图中ABC坐标轴分代表电机参量分解三相坐标系表示电机参量分解静止两相坐标系坐标轴磁动势分量通坐标轴电流i电机轴匝数N积表示
图23 坐标变换图
假定A轴a轴重合三相坐标系电机相绕组效匝数两相坐标系电机绕组相效匝数三相定子绕组中通入正弦电流磁动势波形正弦分布三相总安匝数两相总安匝数相等时两相绕组瞬时安匝数轴投影应该相等式（21）（22）
（21）
(22)
保持坐标变换前总功率应该保持变换前效绕组气隙中磁通相等
（23）
设三相绕组磁通公式：
（24）
两相绕组磁通公式：
(25)
面两式K固定例参数通增入分量写成矩阵形式：
(26)
两式写成矩阵形式规格化面方程：
(27)
式解三相两相匝数应该：
(28)
面矩阵形式：
(29)
电机星型接法时等式：
(210)
面变换矩阵写成面形式：
(211)
时两相三相变换矩阵面矩阵逆变换：
（212）
原理分析面变换公式具普遍性样应电压者参量变换中三相坐标两相坐标变换通常简化电机模型第步满足参考坐标系参量分量分析需找出参考运动坐标系变换方程面推导静止坐标系运动坐标系变换公式
（2）旋转变换（2s2r变换）
q
d
图24 旋转坐标变换图
面通相电流等效变换说明旋转变换原理图24表示两相静止坐标系两相旋转坐标系dq电机相电流变换变换简称2s2r变换中s表示静止r表示旋转图中出假定固定坐标系两相垂直电流旋转坐标系两相垂直电流产生等效步转速旋转合成磁动势变换坐标变换前绕组匝数相等量恒定变换前系数相等合成磁动势空间旋转分量保持变相dq坐标轴绕组电流直流轴d轴夹角时间变化图
(213)
式中2s2r变换矩阵
理坐标逆变换两相静止坐标系变换旋转坐标系变换矩阵：
（214）
面电机坐标系变换中32变换旋转变换子三相绕组电流等效空间意角度坐标系理电参数通等效变换变换空间意角度坐标系果面推导电机数学模型中电压矩阵旋转变换样电机参量等效空间意位置坐标系中选择转子磁场固联坐标系时简化电机数学模型便电机解耦控制前电机控制系统中应广泛广义旋转变换电压变换矩阵
(215)
面变换矩阵系数规格化控制方式中等效电机转子等效旋转磁场等效变量电流电压者磁通等坐标等效导致坐标系控制方法角度零时述32变换a0坐标模型坐标转子轴时异步电机说
4异步电动机坐标系数学模型
（1）异步电动机坐标系数学模型
异步电机定子侧电磁量角标s转子侧电磁
量角标r气隙电磁量角标m电压矩阵方程
（216）
磁链方程：
（217）
电磁转矩：
（218）
（2）异步电动机两相旋转坐标数学模型
定义方d轴0通变换异步电机dq坐标系数学模型电压方程：
（219）
磁链方程：
（220）
电磁转矩：
（221）
（3）转子磁链计算
转子磁链定矢量控制系统关键准确定说需获转子磁链矢量空间位置根转子磁链实际值进行控制方法称作直接定
转子磁链直接检测较困难现实系统中采模型计算方法利容易测电压电流转速等信号助转子磁链模型实时计算磁链幅值空间位置转子磁链模型电动机数学模型中推导出利专题观测器状态估计理闭环观测模型计算模型中实测信号分电流模型电压模型两种
1） 坐标系计算转子磁链电流模型
实测三相定子电流通32变换静止两相正交坐标系电流利坐标系中数学模型式计算转子磁链轴分量
（222）
表述：
（223）
然采直角坐标极坐标变换转子磁链矢量幅值空间位置考虑矢量变换中实际正弦余弦函数采变换式
（224）
（225）
（226）
坐标系中计算转子磁链时系统达稳态电压电流磁链均正弦量计算量程序幅值计算步长敏感
Lm
Lm
图25 坐标系计算转子磁链电流模型
2） 计算转子磁链电压模型
根电压方程中感应电动势等磁链变化率关系取电动势积分磁链样模型做电压模型
坐标系定子电压方程：
（227）
磁链方程：
（228）
式（227）前两行解出：
（229）
代式（228）两行：
（230）
式（229）式（230）计算转子磁链电压模型：
（231）
计算转子磁链电压模型图6示物理意义：根实测电压电流信号
图26 计算转子磁链电压模型
计算定子磁链然计算转子磁链电压模型需转速信号算法转子电阻关定子电阻关定子电阻相容易测电流模型相电压模型受电动机参数变化影响较算法简单便应电压模型包含纯积分项积分初始值累积误差影响计算结果低速时定子电阻电压降变化影响较
较起电压模型更适中高速范围电流模型低速时提高准确度两种模型结合起低速时采电流模型中高速时采电压模型解决渡问题提高整运行范围中计算转子磁链准确度
三异步电动机矢量控制调速系统仿真模型
1模块仿真模型
（1）2s2r变换2s2r逆变换仿真模型
坐标变换原理建立3s2r变换3r2s变换仿真模型图31图32示
图31 2s2r变换仿真模型
图32 2s2r逆变换仿真模型
（2）转子磁链模块
设计系统中坐标变换基础转子磁链准确观测没进行2s2r变换逆变换转子磁链关系否实现磁场定磁链闭环控制采转子磁链电流模型图33示
图33 转子磁链电流模型
（3）异步电动机仿真模型
异步电动机仿真模块图34
图34 异步电动机仿真模型
2带转矩环转速磁链闭环矢量系统仿真模型
带转矩环转速磁链闭环矢量控制系统电气原理图15示图中电路采电流滞环控制型逆变器控制电路中转速环增加转矩控制环转速调节器ASR输出转矩调节器ATR定转矩反馈信号通矢量控制方程计算电流中磁链调节器电动机定子磁链控制设置电流变换磁链观测环节ATRApsiR输出分定子电流转矩分量励磁分量2r3s变换三相定子电流定值通电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子三相电流
图39 带转矩环转速磁链闭环矢量控制系统电气原理图
带转矩环转速磁链闭环矢量控制系统仿真模型图16示中直流电源DC逆变器电动机电动机测量模块组成模型住店离开逆变器驱动信号滞环脉发生器模块产生三调节器ASRATRAΨR均带输出限幅PI调节器转子磁链观测两相步旋转坐标系磁链模型
四异步电动机矢量控系统仿真结果分析
1模块参数设置
完成模型建立根波形图显示反复模块参数调试更改模块相标准参数
（1） 电动机参数
表41 电动机参数
Pn
(VA)
Vn
(Vrms)
fn
(Hz)
Rs
(ohm)
Lls
(H)
np
3730
460
50
1115
0005974
2
Rr
(ohm)
Llr
(H)
Lm
(H)
J
(kgm＇2)
F
(Nms)
1083
0005974
01
05
0005752
（2） 调节器参数
表42 调节器参数
调节器
例放器G1放倍数
积分放器G2放倍数
积分器限幅
调节器输出限幅
限
限
限
限
转速调节器ASR
38
08
80
80
150
150
转矩调节器ATR
45
12
60
60
200
200
磁链调节器
AΨR
18
100
15
15
13
13
（3） 定参数
表43 定参数
100
0
10
2仿真结果
(1) 定子磁链轨迹
图17
（2）三相电流定波形
图18
（3）转速响应
图19
（4）转速调节器ASR输出
图20
（5）输出转矩轨迹
图21
（6）两相调制信号
图22
（7）转矩调节器ATR输出
3仿真结果分析
仿真结果中矢量控制转速升稳加载略降恢复035s时达定转速时1s加载时系统调节器电流转矩相应响应ATRAΨR带限幅PI调节器起动中两调节器处饱限幅专题定子电流转矩励磁分量保持变定子电流定值变起动程中定子电流基保持变实现恒流起动带磁链调节器起动阶段磁场建立程较滑磁链呈螺旋增加时电动机转矩断升整系统动态响应快稳态精度高输出转矩空载起动时升快035s达稳定1s加载时略升快达稳定
仿真结果结合系统矢量控制结构框图组合模块搭建整
系统仿真模型出文涉控制方法实现面示仿真结果验证文述设计思想基达设想异步交流电机接直流电机特性控制系统具良动静态性实际应中良前景
五总结
课题详细介绍异步电动机矢量控制系统原理利MATLAB语言中SIMULINK模块电力系统模块库(Power System Blockset)建立异步电动机直接转矩控制系统仿真模型
现做研究结果总结：
1 通矢量控制基原理进行分析阐述坐标系变换算法进行解释时建立异步电动机坐标系数学模型
2 介绍矢量控制方法磁场方原理转子磁链计算方法出转子磁场定异步电动机矢量控制系统基结构出转子磁链观测器设计
3 详细分析磁链调节器转矩调节器转速调节器工作原理设计磁链调节器转矩调节器转速调节器
参考文献
[1] 陈伯时 电力拖动动控制系统运动控制系统（第三版）机械工业出版社2004
[2] 洪刚 电力电子电力拖动控制系统MATLAB仿真北京：机械工业出版社2006
[3] 顾绳谷电机拖动基础（第四版）机械工业出版社2009
[4] 顾绳谷电机拖动基础（第四版）机械工业出版社2009
[5] 张俭英异步电动机适应矢量控制系统研究仿真2009
[6] 王正林陈国 MATLABSimulink控制系统仿真 电子工业出版社2005
[7] 叶斌 电力电子应技术清华学出版社2006
[8] 李华德电力拖动控制系统电子工业出版出版社2006
[9] 郭庆鼎王成元异步电动机矢量变换控制原理应辽宁民出版社1988
[10]黄俊电力电子变流技术北京第三版机械工业出版社1995208220
[11]周渊深交直流调速系统MATLAB仿真北京中国电力出版社2007234272
[12]王维现代电力电子技术应南京东南学出版社200156120
[13] 杨耕罗应立等 电机运动控制系统 清华学出版社2006
[14] 王离九 电力拖动动控制系统 华中理工学出版社1991
致谢
学生活晃回首走岁月心中倍感充实写完篇毕业设计说明书时候种释重负感觉感慨良
首先诚挚感谢文导师XX老师设计完成张老师细心指导进行次设计遇问题时老师辞辛苦讲解设计利进行设计资料搜集修改整程中花费张老师宝贵时间精力导师表示衷心感谢导师严谨治学态度开拓进取精神高度责心学生受益终生
时感谢设计组学时设计中起探讨问题指出设计误区时发现问题设计利进行表示深深谢意
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中文摘：矢量控制电机统理机电量转换坐标变换理基础发展起思想异步电动机模拟成直流电动机控制通坐标变换定子电流矢量分解转子磁场定两直流分量分加控制实现磁通转矩解耦控制达直流电机控制效果文针异步电动机磁链闭环矢量控制进行研究探索通空间矢量坐标变换系统进行建模中包括直流电源逆变器电动机转子磁链电流模型ASRATRAΨR等模块控制系统进行MATLABSimulink仿真分析
关键词：异步电动机矢量控制MATLAB仿真
Abstract：Vector control(VC) is based on motor unification principleenergy conversion and vector coordinate transformation theoryBy transforming coordinate
The stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectivelySo magnetic flux and torque are decoupled
It controls the asynchronous motor as a synchronous way This paper does some research works of the asynchronous motor flux vector control closedloop research and exploration Through the space vector coordinate transformation and the modeling of systemincluding DC power supply inverter AC motor rotor flux current model the ASR ATRAΨR and modules And the control system is MATLABSimulink analysis
Key Words：Asynchronous MotorVector ControlMATLAB Simulation
绪
1交直流调速系统相关概念较
交流调速系统交流电动机作控制象电力传动动控制系统直流调速系统直流电动机作控制象电力传动控系统
直流调速系统额定转速通保持励磁电流改变电枢电压方法实现恒转矩调速额定转速通保持电枢电压改变励磁电流实现恒功率调速采转速电流双闭环直流调速系统获优良静动态调速特性直流调速长时间(20世纪80年代前)直占导位
直流电动机身结构存机械式换器电刷致命弱点直流调速系统开发应带系列限制具体表现方面
(1)机械式换器表面线速度换电流电压定限值极限制单台电动机转速运行功率功率电机制造技术难成高高转速功率电动机应场合直流调速方法行通
(2)直流电动机机械式换器够工作增电枢换器直径导致电机转动惯量求快速响应生产场合够实现
(3)机械式换器带外麻烦必须常检修维护电刷必须定期更换样导致直流调速系统维护工作量运行成高时定期停机检修造成生产效率降
(4)电刷电火花直流电机应易燃易爆生产场合粉尘腐蚀性气体方适
总直流电动机存问题直流电动机应受极限制直流调速系统发展应受相应限制
相直流电动机言交流电动机(特鼠笼型异步电动机)具许优点结构简单制造容易价格便宜坚固耐转动惯量运行少维修环境结构发展受限制等优点
交流调速系统采换器交流电动机作调速传动设备突破直流电动机带种种限制满足生产生活种需求具发展潜力
2交流调速系统历史现状
电现代社会广泛种量形式具生产变换较济传输分配较容易控制较方便特点成国民济部门动力源电生产交换传输分配控制等必须利电机完成电机传动工业农业交通运输国防军事设施日常生活中广泛应中许机械调速求城市轨电车铁路牵引机车电梯机床造纸机械纺织机械等等满足运行生产工艺求需调速类机械风机水泵等减少运行损耗节约电需调速20世纪70年代前长段时间直流调速占统治位交流调速系统方案然种发明实际应性始终法直流调速系统相匹敌直流调速系统具启制动性良调速范围广调速精度高控制方案简单高效等突出优点时直流调速系统交流调速系统相理土实践十分成熟直流电机言需改变电机输入电压励磁电流广范围实现级调速磁场恒定条件转矩电枢电流成正转矩易控制直流电动机调速系统较容易获优良动态性着半导体变流器件发展直流调速系统旋转变流机组(GM系统)静止控硅变流器调速系统(VM系统)发展目前止领域(铁路直流牵引机车城市轨电车等)广泛应直流斩波器脉宽度调制器直流调速系统直流电动机身具机械接触式换器直流电机调速系统应带问题
（1）首先电机结构复杂制造费时价格昂贵时换器存
调速系统维护费时费力换器机械强度高电刷易磨损需常维护检修
（2)换器换问题存调速系统容量高速度限制法感应电机矢量控制系统研究仿真做成高速容量机组
(3)法应粉尘腐蚀性气体易燃易爆场合
直流拖动系统法适应现代拖动系统高速容量方发展趋势交流电动机特鼠笼型交流异步电动机结构简单制造方便价格低廉体积(容量直流电机相)坚固耐转动惯量运行维护简单恶劣场合等优点种场合广泛应交流调速较困难直流电机气隙磁场励磁绕组产生交流电机气隙磁场定子绕组转子绕组产生交流电机电磁转矩定子电流成正关系样通简单控制定子电流控制电机转矩20世纪30年代开始进行交流调速技术研究认识变频调速交流电动机种调速方式实现宽范围级调速具动态性进展20世纪部分时间直流调速占统治位直世纪六七十年代电力电子技术控制技术相继出现飞速发展终促成高性直流调速系统相媲美交流调速系统出现目前交流调速电力拖动中已占导位七十年代初期西门子公司FBlashkeWFlotor提出感应电机磁场定控制原理通矢量旋转变换转子磁场定定子电流转子磁链空间方分解成励磁分量转矩分量样达交流电机磁链电流分控制目类似直流电机模型1980年日ANabas教授山村昌教授提出转差矢量控制系统标志着矢量控制理初步形成直接转矩控制(DTC)80年代中期提出转矩控制方法设计思路电机变频器作整体控制采空间电压矢量分析方法定子坐标系进行磁通转矩计算通磁通踪型PWM逆变器开关状态直接控制转矩DTC需定子电流进行解藕需复杂矢量变换计算控制结构简单目前矢量控制研究重分支时国学者致力速度传感器控制系统研究利定子电流电压等容易检测物理量电机速度进行线估计取代速度传感器进步拓展变频器适范围速度传感器矢量控制系统必须保证速度估算实时性满足实时控制求
总说电力电子器件飞速发展种价格便宜性优越微处理器芯片断涌现适合运动控制16位高档单片机德州仪器TMS240X系列DSP芯片促进交流调速系统模拟控制系统数字控制系统转变运算速度提高种针运动控制片资源丰富性前法实现复杂控制算法变简单起种控制微处理器运算速度提
高片资源日益丰富集成度提高促进交流调速系统数字化说数字化成控制技术发展方
3文意义工作
异步电机矢量变换控制系统直接转矩控制系统目前已获实际应高性异步电机调速系统两种方案作高性调速系统实现较高静动态性两种系统具体控制方法样具特色优缺点普遍适高性调速外侧重应领域针目前变频器技术两种技术矢量控制直接转矩控制’海学陈伯时教授交流变频传动控制发展报告中两种控制原理进行深入出技术身质差优缺点结直接转矩控制系统矢量变换控制系统连续控制调速范围宽等显著优点年简化矢量变换控制系统方面获满意结果矢量变换控制系统失现代交流调速重方
现代计算机应技术快速发展电力传动动控制系统设计受益计算机仿真技术成熟应通建立计算机仿真模型模拟环境通计算机仿真运行模拟代真实电机工作现场运行实验条件数节约研究时间费计算机仿真带优点系统设计初进行仿真预测系统行特性通计算机断修改系统参数直获理想系统特性样实现系统优化设计
文工作：
（1）较详细分析异步电机磁链闭环矢量控制系统基原理系统组成
（2）构建异步电动机磁链闭环矢量控制调速系统模块仿真模型
二 异步电动机矢量控制系统
1矢量控制系统原理
然异步电动机坐标变换等效成直流电动机模仿直流电动机控制策略直流电动机控制量相应坐标反变换够控制异步电动机进行坐标变换电流(代表磁动势)空间矢量样通坐标变换实现控制系统称矢量控制系统简称VC系统VC系统原理结构图21示图中定反馈信号类似直流调速系统控制器产生励磁电流定信号电枢电流定信号反旋转变换2／3变换三电流控制信号控制器频率信号加电流控制变频器输出异步电动机调速需三相变频电流
图21矢量控制系统原理结构图
设计VC系统时果忽略变频器产生滞认控制器面反旋转变换器电机部旋转变换环节VR相抵消2／3变换器电机部3／2变换环节相抵消图21中虚线框部分删剩直流调速系统想象样矢量控制交流变压变频调速系统静动态性完全够直流调速系统相媲美
2坐标变换基思路
坐标变换目交流电动机物理模型变换成类似直流电动机模式样变换分析控制交流电动机简化产生样旋转磁动势准三相坐标系定子交流电流通三相——两相变换等效成两相静止坐标系交流电流通步旋转变换等效成步旋转坐标系直流电流果观察者站铁心坐标系起旋转台直流电动机
述等效关系结构图形式画出图2l整体输ABC三相电压输出转速台异步电动机结构图部3／2变换转子磁链定步旋转变换便台输入输出直流电动机
图22 异步电动机坐标变换结构图
3坐标变换
（1）三相——两相坐标系变换（32变换）
图23交流电机坐标系等效变换图图中ABC坐标轴分代表电机参量分解三相坐标系表示电机参量分解静止两相坐标系坐标轴磁动势分量通坐标轴电流i电机轴匝数N积表示
图23 坐标变换图
假定A轴a轴重合三相坐标系电机相绕组效匝数两相坐标系电机绕组相效匝数三相定子绕组中通入正弦电流磁动势波形正弦分布三相总安匝数两相总安匝数相等时两相绕组瞬时安匝数轴投影应该相等式（21）（22）
（21）
(22)
保持坐标变换前总功率应该保持变换前效绕组气隙中磁通相等
（23）
设三相绕组磁通公式：
（24）
两相绕组磁通公式：
(25)
面两式K固定例参数通增入分量写成矩阵形式：
(26)
两式写成矩阵形式规格化面方程：
(27)
式解三相两相匝数应该：
(28)
面矩阵形式：
(29)
电机星型接法时等式：
(210)
面变换矩阵写成面形式：
(211)
时两相三相变换矩阵面矩阵逆变换：
（212）
原理分析面变换公式具普遍性样应电压者参量变换中三相坐标两相坐标变换通常简化电机模型第步满足参考坐标系参量分量分析需找出参考运动坐标系变换方程面推导静止坐标系运动坐标系变换公式
（2）旋转变换（2s2r变换）
q
d
图24 旋转坐标变换图
面通相电流等效变换说明旋转变换原理图24表示两相静止坐标系两相旋转坐标系dq电机相电流变换变换简称2s2r变换中s表示静止r表示旋转图中出假定固定坐标系两相垂直电流旋转坐标系两相垂直电流产生等效步转速旋转合成磁动势变换坐标变换前绕组匝数相等量恒定变换前系数相等合成磁动势空间旋转分量保持变相dq坐标轴绕组电流直流轴d轴夹角时间变化图
(213)
式中2s2r变换矩阵
理坐标逆变换两相静止坐标系变换旋转坐标系变换矩阵：
（214）
面电机坐标系变换中32变换旋转变换子三相绕组电流等效空间意角度坐标系理电参数通等效变换变换空间意角度坐标系果面推导电机数学模型中电压矩阵旋转变换样电机参量等效空间意位置坐标系中选择转子磁场固联坐标系时简化电机数学模型便电机解耦控制前电机控制系统中应广泛广义旋转变换电压变换矩阵
(215)
面变换矩阵系数规格化控制方式中等效电机转子等效旋转磁场等效变量电流电压者磁通等坐标等效导致坐标系控制方法角度零时述32变换a0坐标模型坐标转子轴时异步电机说
4异步电动机坐标系数学模型
（1）异步电动机坐标系数学模型
异步电机定子侧电磁量角标s转子侧电磁
量角标r气隙电磁量角标m电压矩阵方程
（216）
磁链方程：
（217）
电磁转矩：
（218）
（2）异步电动机两相旋转坐标数学模型
定义方d轴0通变换异步电机dq坐标系数学模型电压方程：
（219）
磁链方程：
（220）
电磁转矩：
（221）
（3）转子磁链计算
转子磁链定矢量控制系统关键准确定说需获转子磁链矢量空间位置根转子磁链实际值进行控制方法称作直接定
转子磁链直接检测较困难现实系统中采模型计算方法利容易测电压电流转速等信号助转子磁链模型实时计算磁链幅值空间位置转子磁链模型电动机数学模型中推导出利专题观测器状态估计理闭环观测模型计算模型中实测信号分电流模型电压模型两种
1） 坐标系计算转子磁链电流模型
实测三相定子电流通32变换静止两相正交坐标系电流利坐标系中数学模型式计算转子磁链轴分量
（222）
表述：
（223）
然采直角坐标极坐标变换转子磁链矢量幅值空间位置考虑矢量变换中实际正弦余弦函数采变换式
（224）
（225）
（226）
坐标系中计算转子磁链时系统达稳态电压电流磁链均正弦量计算量程序幅值计算步长敏感
Lm
Lm
图25 坐标系计算转子磁链电流模型
2） 计算转子磁链电压模型
根电压方程中感应电动势等磁链变化率关系取电动势积分磁链样模型做电压模型
坐标系定子电压方程：
（227）
磁链方程：
（228）
式（227）前两行解出：
（229）
代式（228）两行：
（230）
式（229）式（230）计算转子磁链电压模型：
（231）
计算转子磁链电压模型图6示物理意义：根实测电压电流信号
图26 计算转子磁链电压模型
计算定子磁链然计算转子磁链电压模型需转速信号算法转子电阻关定子电阻关定子电阻相容易测电流模型相电压模型受电动机参数变化影响较算法简单便应电压模型包含纯积分项积分初始值累积误差影响计算结果低速时定子电阻电压降变化影响较
较起电压模型更适中高速范围电流模型低速时提高准确度两种模型结合起低速时采电流模型中高速时采电压模型解决渡问题提高整运行范围中计算转子磁链准确度
三异步电动机矢量控制调速系统仿真模型
1模块仿真模型
（1）2s2r变换2s2r逆变换仿真模型
坐标变换原理建立3s2r变换3r2s变换仿真模型图31图32示
图31 2s2r变换仿真模型
图32 2s2r逆变换仿真模型
（2）转子磁链模块
设计系统中坐标变换基础转子磁链准确观测没进行2s2r变换逆变换转子磁链关系否实现磁场定磁链闭环控制采转子磁链电流模型图33示
图33 转子磁链电流模型
（3）异步电动机仿真模型
异步电动机仿真模块图34
图34 异步电动机仿真模型
2带转矩环转速磁链闭环矢量系统仿真模型
带转矩环转速磁链闭环矢量控制系统电气原理图15示图中电路采电流滞环控制型逆变器控制电路中转速环增加转矩控制环转速调节器ASR输出转矩调节器ATR定转矩反馈信号通矢量控制方程计算电流中磁链调节器电动机定子磁链控制设置电流变换磁链观测环节ATRApsiR输出分定子电流转矩分量励磁分量2r3s变换三相定子电流定值通电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子三相电流
图39 带转矩环转速磁链闭环矢量控制系统电气原理图
带转矩环转速磁链闭环矢量控制系统仿真模型图16示中直流电源DC逆变器电动机电动机测量模块组成模型住店离开逆变器驱动信号滞环脉发生器模块产生三调节器ASRATRAΨR均带输出限幅PI调节器转子磁链观测两相步旋转坐标系磁链模型
四异步电动机矢量控系统仿真结果分析
1模块参数设置
完成模型建立根波形图显示反复模块参数调试更改模块相标准参数
（1） 电动机参数
表41 电动机参数
Pn
(VA)
Vn
(Vrms)
fn
(Hz)
Rs
(ohm)
Lls
(H)
np
3730
460
50
1115
0005974
2
Rr
(ohm)
Llr
(H)
Lm
(H)
J
(kgm＇2)
F
(Nms)
1083
0005974
01
05
0005752
（2） 调节器参数
表42 调节器参数
调节器
例放器G1放倍数
积分放器G2放倍数
积分器限幅
调节器输出限幅
限
限
限
限
转速调节器ASR
38
08
80
80
150
150
转矩调节器ATR
45
12
60
60
200
200
磁链调节器
AΨR
18
100
15
15
13
13
（3） 定参数
表43 定参数
100
0
10
2仿真结果
(1) 定子磁链轨迹
图17
（2）三相电流定波形
图18
（3）转速响应
图19
（4）转速调节器ASR输出
图20
（5）输出转矩轨迹
图21
（6）两相调制信号
图22
（7）转矩调节器ATR输出
3仿真结果分析
仿真结果中矢量控制转速升稳加载略降恢复035s时达定转速时1s加载时系统调节器电流转矩相应响应ATRAΨR带限幅PI调节器起动中两调节器处饱限幅专题定子电流转矩励磁分量保持变定子电流定值变起动程中定子电流基保持变实现恒流起动带磁链调节器起动阶段磁场建立程较滑磁链呈螺旋增加时电动机转矩断升整系统动态响应快稳态精度高输出转矩空载起动时升快035s达稳定1s加载时略升快达稳定
仿真结果结合系统矢量控制结构框图组合模块搭建整
系统仿真模型出文涉控制方法实现面示仿真结果验证文述设计思想基达设想异步交流电机接直流电机特性控制系统具良动静态性实际应中良前景
五总结
课题详细介绍异步电动机矢量控制系统原理利MATLAB语言中SIMULINK模块电力系统模块库(Power System Blockset)建立异步电动机直接转矩控制系统仿真模型
现做研究结果总结：
1 通矢量控制基原理进行分析阐述坐标系变换算法进行解释时建立异步电动机坐标系数学模型
2 介绍矢量控制方法磁场方原理转子磁链计算方法出转子磁场定异步电动机矢量控制系统基结构出转子磁链观测器设计
3 详细分析磁链调节器转矩调节器转速调节器工作原理设计磁链调节器转矩调节器转速调节器
参考文献
[1] 陈伯时 电力拖动动控制系统运动控制系统（第三版）机械工业出版社2004
[2] 洪刚 电力电子电力拖动控制系统MATLAB仿真北京：机械工业出版社2006
[3] 顾绳谷电机拖动基础（第四版）机械工业出版社2009
[4] 顾绳谷电机拖动基础（第四版）机械工业出版社2009
[5] 张俭英异步电动机适应矢量控制系统研究仿真2009
[6] 王正林陈国 MATLABSimulink控制系统仿真 电子工业出版社2005
[7] 叶斌 电力电子应技术清华学出版社2006
[8] 李华德电力拖动控制系统电子工业出版出版社2006
[9] 郭庆鼎王成元异步电动机矢量变换控制原理应辽宁民出版社1988
[10]黄俊电力电子变流技术北京第三版机械工业出版社1995208220
[11]周渊深交直流调速系统MATLAB仿真北京中国电力出版社2007234272
[12]王维现代电力电子技术应南京东南学出版社200156120
[13] 杨耕罗应立等 电机运动控制系统 清华学出版社2006
[14] 王离九 电力拖动动控制系统 华中理工学出版社1991
致谢
学生活晃回首走岁月心中倍感充实写完篇毕业设计说明书时候种释重负感觉感慨良
首先诚挚感谢文导师XX老师设计完成张老师细心指导进行次设计遇问题时老师辞辛苦讲解设计利进行设计资料搜集修改整程中花费张老师宝贵时间精力导师表示衷心感谢导师严谨治学态度开拓进取精神高度责心学生受益终生
时感谢设计组学时设计中起探讨问题指出设计误区时发现问题设计利进行表示深深谢意
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