1、哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- I -感应电机的矢量控制及仿真摘 要感应电机矢量控制思想是将交流电动机模型等效成直流电机模型加以控制，利用坐标变换理论，将非线性、强耦合的交流电机模型进行解耦控制，从而将交流电机定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量，转矩电流分量。通过对两个矢量的控制，实现对磁场和转矩的控制。矢量控制经过几十年的发展，逐渐成为当今研究的热点之一。本文主要分析了感应电机的状态方程，阐述了坐标变换的原理，并且对电机运行进行了仿真分析，了解了电机运行时初始参数的重要性，并且了解了电机在运行时负载转矩突变的情况。三相电压型 PWM 逆变器输出电压控制方法有三角载波比较 PWM
2、方式和瞬时空间矢量圆轨迹法，并且经过分析发现SVPWM 方式比 SPWM 方式低次谐波特性要好。感应电机的矢量控制方法中有转差频率矢量控制方法和基于磁链控制的矢量控制方法，设计了 PI 控制器，并且在 Mat lab 中进行了仿真，仿真结果证明了定子电流和转子磁链跟踪各自指令值情况良好。本文在 Matlab 平台上进行了分析，得到了较好的分析结果，验证了 PWM和 SPWM 的区别以及矢量控制系统的优点。关键词：交流感应电机；矢量控制；PWM逆变器；转差频率矢量控制哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- II -Induction motor vector control and simulat
3、ionAbstractInduction motor vector control idea is to model into an equivalent model of ac motor control, using coordinate transformation theory, because of strong coupling and decoupling control of AC motor model, the ac motor stator current vector is decomposed into two components: the excitation c
4、urrent component, the torque current component. Through the two vector control to control system for the magnetic field and torque. Following decades of development, vector control gradually become one of the hot spot of current research. This paper mainly introduces the state equation of induction
5、motor, and this paper expounds the principle of coordinate transformation, when the motor running on the simulation analysis, understand the importance of the initial parameters when the motor running, and know the motor load torque mutations at run time. Three-phase voltage source PWM inverter outp
6、ut voltage control method with triangle carrier comparison instantaneous space vector PWM mode and circular locus method, and through the analysis found that SVPWM method is better than SPWM way low harmonic characteristics. Vector control method of slip frequency vector control method and the vecto
7、r control method based on the flux control, PI controller was designed, and simulated in the Mat lab, the simulation results show that the stator current and rotor flux trace their directive value in good condition. In this paper, analyzed are on the Matlab platform, and the analysis got better resu
8、lts. Results find out the difference between PWM and SPWM and the advantages of the vector control system.Key Words：ACIM, Vector control, PWM inverter, Slip frequency vector control哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- III -目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 本课题研究的目的和意义 .11.1.1 矢量控制系统常用方案 .11.1.2 控制方案比较 .21.1.3 研究的目的和
9、意义 .21.2 国内外研究现状概述 .31.2.1 矢量控制发展现状 .31.2.2 矢量控制发展趋势 .41.3 本文主要研究内容 .5第 2 章 交流感应电机的状态方程和仿真 .62.1 交流感应电机的状态方程 .62.2 坐标变换 .72.2.2 CLARKE 变换 .72.2.3 PARK 变换 .102.3 感应电机的仿真 .112.3.2 坐标系下的状态方程 .122.3.3 dq坐标系下的状态方程 .132.3.4 感应电机的 Matlab 仿真 .132.4 本章小结 .18第 3 章 三相电压型 PWM 逆变器 .193.1 PWM 的原理 .193.2 三角载波比较 PW
10、M 方式 .193.3 瞬时空间磁链矢量圆轨迹法 .213.4 系统仿真及分析 .253.4.1 三相电压型 SPWM 逆变器的仿真分析 .253.4.2 瞬时空间磁链轨迹法的 FFT 分析 .263.5 本章小结 .27第 4 章 感应电机矢量控制系统 .28哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- IV -4.1 矢量控制的基本思路 .284.2 转差频率矢量控制及仿真分析 .294.2.1 转差频率矢量控制基本原理 .294.2.2 转差频率矢量控制仿真流程图 .314.2.3 转差频率矢量控制仿真分析 .324.3 基于磁链观测器的矢量控制及仿真分析 .344.3.1 基于磁链观测器的矢量
11、控制 .344.3.2 转子磁链观测器的 Matlab 仿真 .374.4 本章小结 .39结论 .40致 谢 .41参考文献 .42哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 1 -第 1 章 绪论1.1 本课题研究的目的和意义1.1.1 矢量控制系统常用方案（1）转差频率矢量控制方案转差频率矢量控制是通过磁链估算器和转差频率计算器分别得到转子磁链大小和转差频率，再把转差频率和当前转速相加得到电源角频率之后，进行积分确定转子磁场的方向。此方法通过算法保证了 轴转子磁链扥与 0，使得控q制系统的 轴恒为转子磁场的方向。d（2）气隙磁场定向的矢量控制方案气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的 轴定向于气隙
12、磁场的方向，此时d气隙磁场的 轴分量为零。如果保持气隙磁通 轴分量恒定，转矩直接和 轴q q电流成正比。因此，通过控制 轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到q控制电机的目的 1。（3）定子磁场定向矢量控制方案定子磁场定向矢量控制方法，是将旋转坐标的 轴放在定子磁场方向上，d此时，磁通的 轴分量为零，如果保持定子磁通恒定，转矩直接和 轴电流成q q正比，从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器实现。然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。因此需要设计一个解耦器，对电流进行解耦 2。（4）转子磁场定
13、向的矢量控制方案转子磁场定向的矢量控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，把 、 轴dq坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使 轴与转子磁场的方向重合，磁势转子磁通 轴分量为零。只d q需检测出定子电流的 轴分量即可观测转子磁通幅值。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的 轴分量成正比，通过控制定子电流的 轴分量就可以控q制电磁转矩。因此称定子电流的 轴分量为励磁分量，定子电流的 轴分量为d转矩分量。在忽略反电动势引起的交叉耦合项以后，可以由电压方程的 轴分d哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 2 -量控制转子磁通， 轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩
14、的解耦控制 3。q1.1.2 控制方案比较（1）转差频率的矢量控制方案转差频率控制是依据电机电磁转矩和转差频率之间的关系来控制电机转矩的一种方式，即通过调节转差来控制转矩以到达良好的调速性能。优点：合理控制转矩，改善交流系统的静、动态性能。缺点：控制理论基于电机的稳态模型，不适合动态;电流调节器只控制电流幅值而不涉及定子电流的相位。两者都是从交流电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发，只能在稳态情况下维持气隙磁通恒定，因而动态性能不够理想。由于控制规律简单，目前仅用于一般调速系统中。（2）气隙磁场定向的矢量控制方案气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系存在耦合，需要增加解耦器，这使得它比转子磁通的
15、控制方式复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。（3）定子磁场定向的矢量控制方案定子磁场的矢量控制方案，在一般的调速范围内课利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单。然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。（4）转子磁场定向的矢量控制方案转子磁场定向的控制方案，缺点是磁链闭环控制系统总转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，降低了系统的性能。
16、但是它达到了完全的解耦控制，无需增加结藕器，控制方式简单，并且低速运行时具有大转矩，具有较好的动态性能和控制精度等优点 4,5。1.1.3 研究的目的和意义交流感应电机，以其结构简单牢固、制造成本低廉、运行方便、适应能力强以及易于向高电压、高转速和大容量方向发展等优势，在工农业生产中得到哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 3 -了极广泛的应用，但由于它自身多变量、非线性、强耦合的特点，使得交流电机控制不如直流电机简单。矢量控制也因此应运而生，矢量控制以磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行
17、分别控制。字 20 世纪 70 年代至今，矢量控制理论及应用技术已经经历了 40 多年的发展和实践，形成了当今在工业中得到了普遍应用的高性能交流调速系统6。1.2 国内外研究现状概述1.2.1 矢量控制发展现状1969 年 Hasse 博士初步提出了磁场定向控制理论，之后在 1971 年SIEMENS 公司 F.Blaschke 博等提出的“感应电机磁场定向控制原理”和美国P.C.C.Custman 与 A.A.Clark 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制 ”奠定了矢量控制的基础。矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，使交流电机控制系统的动态特性有了显著的改善。欧洲是矢量控制技
18、术的诞生地，其研究水平一直走在世界的前列。在 80年代中期到 90 年代初期的欧洲电力电子会议(EPE) 论文集中，涉及到矢量控制的论文占有很大比例，在这当中，德国 SIEMENS 公司、Aachen 技术大学电力电子和电气传动研究院和德国 Braunchweig 技术大学W.Leonhard、R.Gabriel、G.Heinemalm 等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献，在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展，促进了矢量控制的实用化 7。矢量控制核心理论的提出与以 DSP 为代表的高性能处理器的通用化，再加上电力电子器件取得的进步，并辅以现代控制理论，这几大因素的结合给电气传
19、动领域带来了深刻的变革。数字信号处理器(DSP)的高速运算能力使矢量控制尤其是 1983 年 R.KJoenen 提出的无速度矢量控(SensoriessVectorControl,SVC)系统的软硬件结构得到简化，这就为性能更优的SVC 方案的实施提供了物质保证。而 IGBT 的进一步发展也为 SVC 的应用提供了更好的舞台，IGBT 除了提高功率器件的开关速度，IGBT 还允许迅速地调整电机的工作电压。这使带宽相当高的无速度矢量控制成为可行，并能快速、高精度地控制转速(VelocityProfiling) 与定位。SVC 的实现吸引了产业界人士的哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 4 -
20、广泛关注，Toshiba GE、Yaskawa 等公司于 1987 年分别发表了研究成果，95年后，Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji 等知名公司纷纷推出自己的 SVC 控制产品，控制特性也在不断提高，无速度传感器矢量控制向高性能通用变频器迈出了一大步 8。进入 20 世纪以来，矢量控制的研究仍在如火如荼地进行，德国、日本和美国依然走在世界的前列，但这三个国家各有千秋。日本在研究无速度传感器方面较为先进，主要应用于通用变频器上；美国的研究人员在电机参数识别方面研究比较深入，并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的控制技术应用到
21、这方面，在正 EE 的会议和期刊上发表了许多文章。而德国在将矢量控制技术应用于大功率系统方面的实力很强， SIEMENS 公司已开始将矢量控制技术应用于交流传动电力机车等兆瓦级功率场合。随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出 9。1.2.2 矢量控制发展趋势现在，有无采用无速度传感器技术己经成为高性能通用变频器和一般变频器的分水岭。交流驱动器开发的一个重点是如何将驱动器与电机有机地结合在一起，开发出更低成本、高可靠性、高性能“驱动模块” 。基于这一思路，为进一步减小成本、提高可靠性，
22、开发人员在如何省去轴侧传感器以及电机相电流传感器进行了深入的研究，特别是高性能无速度传感器矢量控制(SVC)的实现吸引了各国研发人员的广泛关注，并己成为未来驱动控制研究的热点 10。在未来无速度传感器的矢量控制的动静态特性进一步提高，在逆变器、电机的模型、电机的磁路饱和、绕组肌肤效应、逆变器的非线性和参数的变化方面还要进一步的研究，在更精确的电机模型基础上低速转矩脉动更小，稳定精度进一步提高，对负载的扰动响应更快，对电机参数变化的稳定性进一步加强。未来的发展还体现在高速处理器和外设上。此外，无速度传感器矢量控制方式下的多机运行以及在高功率低速运行的应用也将成为未来的发展方向11,12。1.3
23、本文主要研究内容本文选取感应电机为研究对象，分析了感应电机的状态方程以及 SPWM和 SVPWM 的主要原理，同时由于感应电机矢量控制已经是目前主要研究的热哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 5 -点之一，因此本文也分析了感应电机的转差频率矢量控制和基于磁链观测器的矢量控制，主要研究内容包括：(1)交流电机的状态方程。主要进行交流电机的电压方程以及坐标变换（CLARKE 变换和 PARK 变换）的研究，并且对感应电机进行 Matlab 仿真，分析其转矩突变时的影响。(2) PWM 脉宽调制，主要了解 SPWM 以及 SVPWM 三相交流逆变器。并对逆变器进行仿真分析，期望得到感应电机在 坐标
24、系和 坐标系uvw、 、 、下的电压、电流波形。(3)转差频率矢量控制和基于磁链观测器的转子磁链矢量控制。需要对两种矢量控制方法进行了 Matlab 仿真，得出对于不同转速下的磁链估算值和电压、电流值，从而分析矢量控制的有效性。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 6 -交流感应电机的状态方程和仿真2.1 交流感应电机的状态方程从三相笼型感应电机的等效模型可得到如式（2-1）所示的电压方程式。* 2 coscos23 cs0s rereresusv srews MRPLPPMRL scs2coso32cscss rererereressrrererePPPPMMMRL usvwsuvrsriiMERGEFORMAT 3（2- 3）式中 相定子电压(V) ；,usvwsu、 、 相定子电流(A)；,i、 、 相转子电流(A)；r,uvwru、 、定子绕组电阻()；sR转子绕组电阻()；r转子绕组自感(H)；L转子绕组自感(H)；r定子绕组自感(H)；s
