1、 学科分类号： 08 湖南人文科技学院 本科生毕业论文 题 目 ： 异步电动机矢量控制技术的研究 湖南人文科技学院毕业论文 2 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供 过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明 本人完全了解 大学关
2、于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为 目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 湖南人文科技学院毕业论文 3 湖南人文科技学院本科毕业论文诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献
3、的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二 0一 年 月 日 湖南人文科技学院毕业论文 I 异步电动机矢量控制技术的研究 摘要： 现代电力电子技术 和 计算机控制技术的 快 速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代 了 直流调速，计算机数字控制取代 了 模拟控制己成为发展趋势。 电压空间矢量脉宽调制 (Space Vector Pulse Width Modulation，简称 SVPWM)控制技术则是一种优化了的 PWM控制技术， 和传统的 PWM法相比，不但具有直流利用率高 (比传统的 SPWM法提高了约 15%)，输出谐波少，控
4、制方法简单等优点，而且易于实现数字化。 论文在分析异步电机结构及特点基础上， 先对矢量控制技术进行详细的分析和推导，然后 运用空间电压矢量技术 (SVPWM)， 对空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的基本原理进行详细的分析和推导，并将 SVPWM 对比 PWM 和 SPWM各自的特点，最后介绍了 SVPWM的基本原理及其传统的实现算法 ,并 通过 SVPWM的 算法构建了 Matlab/Simulink 仿真模型 ,仿真结果验证了该算法的正确 性和可行性。 关键词 ： 矢量控制 ； 空间电压矢量 ； Matlab/SIMULINK 仿真 湖南人文科技学院毕业论文 II Research o
5、n asynchronous motor vector control technology Abstract ： With the development of modern power electronics and control technology based on computer, the technical revolution of electrical drive is promoted.It is a trend that AC drive replaces DC drive and computer-aided digital control takes the pla
6、ce of traditional analog control.Space-vector pulse width modulation (SVPWM)is a kind of superiorized PWM control technique: achieving the effective utilization of the DC supply voltage(compared with the traditional SPWM, reduced by 15.47%), having little harmonic output and the easy control method,
7、 furthermore easy to realize the digitization. The organization and characteristic of asynchronous motor was introduced.First vector control technology to conduct a detailed analysis and derivation,Then,Using the Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM) as the control algorithm,And the SVPWM contr
8、ast PWM and SPWM their own characteristics,Finally, the basic principle of SVPWM and the traditional algorithm are introduced, and constructing Matlab/Simulink simulation model by SVPWM algorithm .In the end, the simulation on results verifies the correctness and feasibility of the algorithm. Key wo
9、rds： vector control system； SVPWM； Matlab/Simulink 湖南人文科技学院毕业论文 III 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 现代交流调速系统的发展 . 1 1.2 矢量控制 . 3 1.3 研究内容 . 3 第二章 异步电动机的多变量数学模型 . 5 2.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质 . 5 2.1.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型 . 5 2.1.2 异步电动机在三相坐标系上数学模型的性质 . 11 2.2 坐标变换 . 12 2.2.1 三相静止 /两相静止坐标变换（ 3S/2S） . 13 2.2.2 两相静止 /
10、两相同步旋转的坐标变换（ 2S/2R） . 15 2.2.3 直角坐标 极坐标变换 (K/P). 17 2.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 . 17 2.3.1 两相任意旋转坐标系上的数学模型 . 17 2.3.2 两相静止坐标系上的数学模型 . 21 2.3.3 两相同步旋转坐标系上的数学模型 . 22 2.3.4 按转子磁场（磁通）定向的数学模型 . 23 第三章 电压空间矢量脉宽调制 (SVPVM) . 25 3.1 电压空间矢量的基本原理 . 25 3.2 电压空间矢量的实现 . 26 3.2.1 电压空间矢量的合成 . 26 3.2.2 电压空间矢量所在扇区的判断 . 27
11、3.3 电压空间矢量的线性组合与 SVPWM 控制 . 29 3.4 SVPWM 与 PWM、 SPWM 的比较 . 32 湖南人文科技学院毕业论文 IV 第四章 SVPWM 仿真及结果分析 .33 4.1 MATLAB 动态仿真工具 SIMULINK 简介 .33 4.2 SVPWM 的 SIMULINK 实现 .34 4.3 仿真结果及其波形分析 .39 第五章 结束语 .43 致 谢 .44 参考文献 .45 湖南人文科技学院毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 现代交流调速 系统的发展 长期以来在调速传动领域大多采用磁场电流和电枢电流可以独立控制的直流电动机传动系统，它的调速性能和转矩
12、控制特性比较理想，可以获得良好的动态响应，然而由于在结构上存在的问题使其在设计容量受到限制，不能适应高速大容量化的发展方向。交流电动机以其结构简单、制造方便、运行可靠，可以以更高的转速运转，可用于恶劣环境等优点得到了广泛的运用，但交流电动机的调速比较困难。在上个世纪 20 年代，人们认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速方法， 由于当时的变频电源设备庞大， 可靠性差，变频调速技术发展缓慢。60 年代 至今，电力电子技术和控制技术的发展 1，使交流调速性能可以与直流调速相媲美。现代电子技术 (包括大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机技术 )的飞速发展、电动机控制理论的不断完善以及计算机仿
13、真技术的日益成熟，极大的推动了交流电动机变频调速技术的发展 2。 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一。在当今社会中广泛应用着各式各样电气传动系统，其中许多机械有调速的要求：如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要调速的另一类设备如风机、水泵等为了减少运行损耗，节约电能也 需要调速。如果根据原动机来分类，那么原动机是直流电动机的系统称之为直流电气传动系统；反之原动机是交流电动机的系统，则称之为交流电气传动系统。如果根据转速的变化情况来分类，电气传动系统又可分为恒速电气传动系统和变速电气传动系统两大类。在上世纪 80 年代以前，直流传动是唯一的电气
14、传动方式。这是因为直流电动机调速方便，只要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以在宽广的范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它的转矩和电流成正比，从而使得它的转矩易于控制、转矩的调节性能和控制性能比较理想。但是，在直流电气传动系统中， 由于直流电动机本身在结构上存在严重的问题，它的机械接触换向器不但结构复杂，湖南人文科技学院毕业论文 2 制造费时，价格昂贵，而且在运行中容易产生火花，特别是由于换向器强度不高等问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组；此外由于电刷易于摩擦等问题存在，在运行中需要有经常性的维护检修，以上这些缺陷就造成了直流电气传动不尽理想。 1885 年交流鼠笼型异步电
15、动机的问世打破了直流传动作为唯一电气传动方式的局面。由于它结构简单、运行可靠、价格低廉而且坚固耐用，惯量小，便于维修，适用于恶劣环境等特点，使其在工农业生产中得到了极广泛的应用。但是交流 电动机调速比较困难，而且其调速性能 (调速范围、稳定性或静差、平滑性等 )却无法与直流调速系统相媲美，因此这些电机绝大部分都是恒速运行的。早在 19 世纪 30 年代，国外就开始研究各种交流电机变速传动。在早期采用的主要是绕线式异步电动机转子外串电阻和鼠笼型异步电动机变极调速。后来在50 年代异步电动机定子串饱和电抗器的调速方法也有了一定的发展。由于受电机结构和制造工艺的限制，变极调速通常只能实现两三种极对数
16、的变换，不能做到连续地调节速度，调速范围和极数都非常有限。此外还可以依靠改变定子电压 (改变电源电压或定子串阻抗 )， 或绕线型电动机转子串电阻，或带有转差离合器的异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。但是电机的损耗与转差率成比例地增大，效率随转速的降低而降低，由于电机在高转差、低转速下运行特性恶化，使实际可行的调速范围受到限制。在 60 年代大功率半导体变频装置的问世开创了电力电子技术发展的新时代，这种半导体电力电子器件具有体积小、价格低、坚固耐用、性能良好等优点，通过使用它可以连续地改变电源频率，十分理想地实现交流电动机的无级调速，从而使交流电机调速技术飞跃发展。尤其是 70 年代以来
17、，大规模集成电路和计算机控制技术的发展， 新型电力电子器件的出现，以及先进控制理论 (如自适应控制、模糊控制、神经网络控制等 )等的应用，为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件。如今交流调速领域相当活跃，新技术层出不穷。目前，交流调速系统正向集成化、实用化、智能化方向发展。诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调速、无换向电动机调速，特别是矢量控制技术、直接转矩控制技术的应用，使得交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、湖南人文科技学院毕业论文 3 快动态响应等良好的技术性能。原来的交直流拖动分工格局被逐渐打破，在各工业部门用可调速交流拖动取代直流拖动己指日可待，特别是在世界能 源紧张、能
18、源费用高涨的今天，交流调速技术作为节约能源的一个重要手段，引起了人们的高度重视。总之，交流调速技术的应用有着广阔的前景，随着生产技术的不断发展，交流调速逐步代替直流调速的时代己经到来 3。 1.2 矢量控制 当前异步电动机调速总体控制方案中， V/F 控制方式是最早实现的调速方式。该控制方案结构简单，通过调节逆变器输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定 V/F 曲线，其可靠性高。但是，由于其速度属于开环控制方式，调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容 忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。矢量控制是当前工业系统变频应用的
19、主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解耦控制而实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以对异步电动机的磁通和转矩电流进行控制和检测，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于 0.5%，转速响应也较快。采用矢量变频器一般电机变频调速三可以达到控制结构 简单、可靠性高的效果，主要表现在以下几个方面 4： （ 1） 可以从零转速起进行控制，因此调速范围很广； （ 2） 可以对转矩实行较为精确控制； （ 3） 系统的动态响应速度快； （ 4） 电动机的加速度特性好。 1.3 研究内容 本课题 用 MATLAB/SIMULINK 软件 搭建数学模型 仿真实现 SVPWM 变频调速矢量控制系统的仿真：
