1、本科毕业设计（20届）异步电机的矢量控制所在学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】异步电机是个复杂的系统，其调速方法也因系统的非线性性而复杂，但是直流电机调速却是个良好的线性调速系统。从直流电机的模型中和矢量控制的原理上得到启示，我们将异步电机的各种方程通过转换，可以得到与直流电机相似的调速模型。在MATLAB/SIMULINK的工作环境下，采用结构化合模块化的方法，对异步电机的各个部分进行子系统设计，最后综合所有模块得到系统的建模并对它仿真，从而得到一个矢量控制的异步电机调速系统。完成对系统性能的测量。【关键词】异步电机；矢量控制；数学模型；MATL
2、AB/SIMULINKIIABSTRACT【ABSTRACT】ASYNCHRONOUSMOTORISACOMPLEXSYSTEM,ITSSPEEDCONTROLMETHODSFORNONLINEARNATUREANDCOMPLEXITYOFTHESYSTEM,BUTTHEDCMOTORISAGOODLINEARSPEEDCONTROLSYSTEMFROMTHEDCMOTORMODELANDTHEPRINCIPLEOFVECTORCONTROLONTHEINSPIRATION,WEWILLALLEQUATIONSBYASYNCHRONOUSMOTORCONVERSION,CANBESIMILAR
3、WITHTHEDCMOTORSPEEDCONTROLMODELINMATLAB/SIMULINKWORKINGENVIRONMENT,COMPOUNDEDBYAMODULESTRUCTUREMETHOD,THEVARIOUSPARTSOFTHEASYNCHRONOUSMOTORSUBSYSTEMDESIGN,ANDFINALLYINTEGRATEDALLTHEMODULESARESYSTEMMODELINGANDITSSIMULATION,ANDTHUSOBTAINAVECTORCONTROLOFASYNCHRONOUSMOTORSPEEDCONTROLSYSTEMCOMPLETIONOFSY
4、STEMPERFORMANCEMEASUREMENTS【KEYWORDS】ASYNCHRONOUSMOTORVECTORCONTROLMATHEMATICALMODELMATLAB/SIMULINKIII目录第1章绪论111电力电子技术是现代交流调速的物质基础112交流调速系统控制技术的发展113矢量控制技术开创了交流调速与直流调速相竞争的时代214脉宽调制技术315论文的内容及意义3第2章MATLABSIMLINK基本使用介绍521软件背景5211仿真软件MATLAB的概述5212MATLAB/SIMULINK软件的介绍622模块库6221信号源模块库7222连续系统模块库9223离散系统模
5、块库10224表格查询模块库11225数学操作模块库12226非连续系统模块库13227接收模块库14228信号路由模块库15229端口与子系统模块库152210其他模块库1523SIMULINK模型的建立17231模型窗口建立17232模块的连接与简单处理1824仿真环境19241微分方程求解设置19242MATLAB工作空间设置WORKSPACEI/O20243仿真错误警告21244高级仿真属性设置22IV245实时工具对话框22第3章三相异步电机数学模型2431三相异步电机工作原理2432三相异步电机数学模型的性质2433三相异步电机物理模型2734坐标变换29341三相静止坐标系和两相
6、静止坐标系的变换（简称3S/2S变换30342两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换简称2S/2R变换31343直角坐标/极坐标变换3135异步电机在二相静止坐标系上的数学模型32第4章系统仿真模型3441速度控制器3442矢量控制器35421DQ到ABC坐标变换模块36422ABC坐标到DQ变换模块37423转子磁链幅值计算模块37424转子磁链角计算模块38425转矩电流计算模块38426励磁电流计算模块3843电流比较脉冲产生器和全桥逆变电路3944异步电机、测量装置及异步电机的模块封装4045其他的模块4246系统仿真模型42第5章仿真结果43总结46致谢47参考文献48附录一程序49附
7、录二插图清单521第1章绪论在20世纪大部分年代里，直流调速技术在实践上和理论上较为成熟，而交流调速技术却一直落后于直流调速。直流电机具有很多优点，如起制动性能良好，可以实现广范围内平滑调速等。直流传动所具有优越的调速性能，因而高性能可调速传动都使用直流电动机，而异步电动机的调速性能难以满足生产要求,所以不变速传动多采用交流电动机。随着生产技术的不断发展，直流电机的薄弱环节逐步显示出来，由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量，最高转速以及使用环境都受到限制，稳定性差，成本高，人们把目光转向结构非常简单，运行十分可靠，便于维护、价格非常低廉的交流电机1。交流电机变频调速是一种相
8、当理想调速方法，其实早在20世纪20年代人们对这就有比较切确的认识既能在宽广的速度范围内达到无级调速，也不会在调速过程中使运行效率下滑，更可获得比较好的起动运行特性。但由于当时一直受技术或手段的限制而进展缓慢未能推广使用。到了现代,随着电力电子技术和控制技术的飞速发展，交流调速系统的应用比重逐年上升。而矢量控制技术的产生，又使交流电机的调速技术登上了一个新台阶,矢量控制能够对电压、电流以及它们产生的磁势、磁链的瞬间值进行控制，并且能够实现磁通和转矩的解耦,从而大大提高电机的动、静态性能,使交流电机获得了与直流电机相仿甚至超越直流电机的高动态性能2。11电力电子技术是现代交流调速的物质基础现代交
9、流调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的。电力电子器件是近代交流传动的基础和支柱，传动技术的发展总是随着器件的发展而发展的。任何一种新器件的问世，都使交流传动技术向前推进一步。电力电子器件发展经过了三个阶段晶闸管是第一代电力电子器件，出现于20世纪50年代中期。集成度和工作频率高、功能强的全控型电力电子器件出现于20世纪70年代中期。近十多年来，智能功率模块迅速发展，该模块将电力电子器件、触发驱动、过电流保护、过电压保护、过热保护以及故障监测等功能集于一体，非常先进。近年来，随着电力电子器件迅猛的发展，交流调速控制技术也得到迅速的发展。它经历了转差频率控制技术、相位控制技术、脉宽调制技术
10、PWM、VVVF控制技术及矢量控制技术，其中PWM变频调速是一种很有发展前途的变频调速方法，而矢量控制技术是很有发展前途的一种新的控制技术3。12交流调速系统控制技术的发展交流变频调速理论在二十世纪三十年代，就被人开始提出，到了六十年代，由于电力电子器件的发展，变频调速技术开始向实用性方面发展；到了七八十年代，变频调速技术得到广泛应用，变频调速己经实现了产品化，性能不断提高的同时发挥了交流调速的优越性并且在各个工业部门得到2广泛应用，部分取代了直流调速系统；自九十年代以来，数字化控制的变频调速系统突飞猛进，先进的电机控制理论如直接转矩控制、磁场定向矢量控制被广泛应用。交流系统的控制远比直流系统
11、复杂的多。在传动控制领域，电机转矩的控制精度、动态转矩的控制等都会对运动控制的稳定性和系统跟踪误差产生巨大的影响，现在实用的交流调速系统的控制方法有以下几种1）V/F控制V/F控制是交流电机最为普遍的一种控制方法，通过控制过程中一直保持V/F为常数来保证转子磁通的恒定。由于V/F控制是一种开环的控制方式，电机转矩利用率低，速度动态特性较差，控制参数还必须根据负载的不同情况来进行相应的调整，尤其是在低速时由于逆变器和定子电阻等器件的开关延时的存在，系统或许会发生不稳定的现象4。2）转差频率控制转差频率控制引入了速度闭环控制，使转速变化频率与实际转速同步上升或同步降落，与V/F控制相比而言，加、减
12、速更为平滑，且更容易使系统得到稳定。但是转差频率控制尚未实施对电机瞬时转矩的闭环控制，而且系统实际的动态响应是有动态电流相位的延时而引起的。3）矢量控制矢量控制系统理论，标志着交流调速理论的重大突破。矢量控制通过坐标变换将交流异步电机模型等效为直流电动机，实现了电机转矩和电机磁通的解耦，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应的特性5。4）直接转矩控制DTC直接转矩控制是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过磁通控制误差和转矩误差，按一定的原则选择逆变器开关状态来控制施加在定子端的三相电压，调节电机的输出功率以及转速，从而达到控制电机转速的目
13、的。然而DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数的改变表现为状态干扰而不是参数干扰，在某种意义上来说，DTC方法优于矢量控制方法，具有比较高的鲁棒性。但任何事情都有正反面，DTC也存在着不足，其中最大的困难就是低速性能不够理想6。以上方法中，矢量控制在实际中的应用最广泛。矢量控制具有先进性、实用性和新颖性的特点，是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的。其原理就是将异步电机的模型通过坐标的变化，使之成直流电机模型，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。13矢量控制技术开创了交流调速与直流调速相竞争
14、的时代31971年德国人提出了矢量控制理论的方法，它是一种新的控制技术。它处理了交流电机的转矩控制问题，矢量控制技术根据磁动势相同原则，通过坐标变换以后，二相系统取代了三相系统，然后经过按磁场定向的同步旋转变换达到了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到了对交流电动机的电流和磁链各自控制的方法。这样直流电机取代了三相电机来控制，所以得到了与直流调速系统同样的静、动态特性。80年代中期，磁场定向的矢量控制基本原理理论研究成熟。矢量控制方式主要有两种磁场定向和转差频率矢量控制，但无论采用何种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的最主要的关键，直接关系到矢量控制性能的好坏。一般地，转子磁链
15、检测可以利用直法或的方法来实现。直接法即在电机内部埋设感应线圈以检测电机磁链，这种方式不但会使简单的交流电机结构复杂化而且降低了系统的可靠性。间接法通过检测电机的定子转速、电压、电流等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观察电机的参数，如果环境改变就会引起电机参数的改变，就会影响到磁链准确观测。为补偿参数改变的影响，人们又引入了各种参数在线辨识算法和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统算法非常复杂化。矢量控制方法的问题提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著性的改善，并且使交流传动控制在理论上达到一个质的飞跃,从而使交流调速最终代替直流调速成为可能。实践证明了采用矢量控制的交流调速的优越性高于
16、直流调速系统7。14脉宽调制技术脉宽调制技术PWM指的是利用全控型电力电子器件的关断和导通把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压变频控制并且消除谐波的技术，是电力电子控制器的核心技术之一，电力电子电路任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的，对于电机控制而言，目前应用最广泛的是正弦脉宽调制SPWM，1964年德国人把通信系统的调制技术应用到交流传动中，由此出现了正弦脉宽调制变频变压的思想，PWM技术的发展经历了一个漫长的过程，从最开始追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等8。随着新型电力电子器件的不断涌现以
17、及微电子技术的不断发展，变频技术也获得了飞速发展，目前已经有多种可以供人们选择的技术。从实际应用来看，SPWM在各种产品中仍占据着主导地位，并一直是人们研究的热点。从最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制的方法，对自然采样的SPWM做了简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上又提出了准优化PWM技术，而后又出现了空间电压矢量PWM技术和电流滞环比较PWM以及在它基础上发展起来的无差拍控制PWM技术。脉宽调制技术为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了一条新道路9。15论文的内容及意义4对于调速理论来说，如何改善系统的性能是调速系统发展的目标，而从工程上的实现方式来说，可实现性是
18、调速系统研究所追求的目标。随着异步电动机控制规律探讨的深入，矢量控制具有实用性、先进性和新颖性的特点。它作为一种先进的控制方式，被人们所接受并且随着时间推移而不断发展。本文对矢量控制系统进行了初步的研究，论文主要由以下几部分组成首先是绪论部分，回顾了交流传动和变频调速的概况，列举了实用的交流调速系统的几种控制方法和技术，其次对MATLAB/SIMULINK的基本使用，三相异步电机的工作原理，三相异步电机的数学模型和物理模型，以及矢量控制所需的坐标变换等进行了介绍。接下来在MATLAB/SIMULINK的工作环境下，采用结构化合模块化的方法，对异步电机的各个部分进行子系统设计，最后综合所有模块得
19、到系统的建模并对它仿真，从而得到一个矢量控制的异步电机调速系统。完成对系统性能的测试。异步电动机比直流电机结构简单、维护方便、工作可靠、成本低、效率高。因此，对异步电机进行矢量控制系统研究，具有重要的意义。5第2章MATLABSIMLINK基本使用介绍21软件背景211仿真软件MATLAB的概述MATLAB是MATRIXLABORATORY的简写，它是以矩阵为基础的编程语言。以前的MATLAB用于解决工程和科学领域的复杂数学问题。由于它具有编程效率高、输入方便、运算高效、符合科技工程人员的操作方式，并且具有绘图功能，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外科研学术教学
20、和科学研究的必备软件。MATHWORKS公司在1984年推出MATLAB，历经几代版本升级，现在MATLAB78版已经面世。早期的MATLAB是在DOS环境下运行，在1990年推出了WINDOWS版本，1993年MATHWORKS公司又推出了MATLAB的微机版本，并且充分支持在MICROSOFTWINDOWS界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界应用广泛，是各科学计算软件中使用次数较高的软件7。MATLAB只有一种数据类型和一种标准的输入输出语句，它以解释方式工作，不需要编译，一般学者经过自学就可以掌握。还可以通过帮助HELP和演示DEMO功能项目来进行学习。MATLAB拥有大量的
21、功能函数命令，这些MATLAB函数仅基本命令部分就有700多个，其中常用的有200300个，掌握和记忆起来都比较困难。1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK串接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以模块框图进行仿真和计算。SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它具有不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的方便。在SIMULINK仿真平台上，根据所需要的模型，将相应的模块元件进行连接就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB
22、命令和函数仿真时，现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK，其版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB40/SIMULINK10版到2001年的MATLAB61/SIMULINK41版，2002年6月又推出了MATLAB65/SIMULINK50版，在计算方法、图形功能、图形用户界面设计、编程手段和工具等方面都有重大改进。MATLABR系列是从2006年开始发布的，MATHWORKS公司在技术层面上实现了一次飞跃。产品发布模式也将改变，将在每年的3月和9月进行两次产品发布，版本的命令方式为“R年份代码”，对应上下半年的代码分别为A和B。每一次发布都会包含所有新的产品模块，如产品的N
23、EWFEATURE、BUGFIXES和新产品模块的推出。目前毕业设计所使用的是MATHWORKS公司在2009年3月份推出的MATLABR2009A产品18。MATLAB不再是单一的“矩阵实验室“，它已经成为高级的数学计算和仿真平台，SIMULINK仿真工具箱起初是为控制系统的仿真而建立的，由于它在使用中可以处理MATLAB不容易解决的变系数、非6线性等问题。MATLAB可以仿真较复杂的系统，例如它能够进行连续系统和离散系统的仿真、离散连续混合系统的仿真、线性和非线性系统的仿真、多种采样频率系统的仿真。因此，各科学应用领域可以根据仿真模型的需要，以MATLAB为基础来开发相应的仿真模块程序，并
24、将这些程序以模块的形式导入到SIMULINK中形成模块库。SIMULINK的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具模块、通信系统工具模块等也并行列入模块库的目录中，逐级打开模块库浏览器SIMULINKLIBRARYBROWSER的目录，就可以看到相应的模块。电力系统模块库POWERSYSTEMBLOCKSET是从SIMULINK41版开始，该模块库主要由加拿大HYDROQUEBEC和TECSIM公司共同研究开发。在SIMULIN
25、K环境下用电力系统模块库的模块，可以进行电力电子电路、RLC电路、电机控制系统和电力系统的仿真。在介绍SIMULINK之前，首先介绍MATLAB的一些基本命令和函数，尤其是MATLAB的绘图功能，是在直流电机特性及仿真分析中经常使用的10。212MATLAB/SIMULINK软件的介绍SIMULINK是一种基于MATLAB的框图设计环境，是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统仿真、建模以及分析的一个软件包，在非线性系统、线性系统、数字控制以及数字信号处理的建模和仿真中等到广泛应用。SIMULINK可以用离散、连续采样时间或者两种混合的采样时间进行建模，同时也支持多速率系统，换句话
26、说系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。SIMULINK是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。SIM
27、ULINK与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义11。22模块库在MATLAB命令窗口下个出SIMULINK命令，或单击MATLAB工具栏中的SIMULINK图标，则打开SIMULINK模型库窗口，如图21所示。从图21所示的界面左侧可以看出，整个SIMULINK模块库是由各个模块组构成，故该界面又称7为模块库浏览器。可以看出，在标准的SIMULINK模块库中，包括信号源模块（SOURCES）、输出池模块组SINKS、连续模块组CONTINUOUS、离散模块组DISCRETE、数
28、学模块组MATH、非线性模块组NONLINEAR、函数与表格模块组FUNCTION49输出，调用“计算模块输出”子函数结束，调用“结束仿真”子函数CASE1,2,4,9SYS其他的FLAGOTHERWISEDASTUDIOERRORSIMULINKBLOCKSUNHANDLEDFLAG,NUM2STRFLAGENDENDSFUNTMPL“模块初始化”子函数返回大小、初始条件和样本FUNCTIONSYS,X0,STR,TSMDLINITIALIZESIZES调用SIMSIZES函数，返回规范格式的SIZES构架这条指令不要修改SIZESSIMSIZES模块的连续状态个数，0是默认值用户可以根据自
29、己的要求进行修改SIZESNUMCONTSTATES0模块的离散状态个数，0是默认值用户可以根据自己的要求进行修改SIZESNUMDISCSTATES0模块的输出个数，0是默认值用户可以根据自己的要求进行修改SIZESNUMOUTPUTS1模块的输入个数，0是默认值用户可以根据自己的要求进行修改SIZESNUMINPUTS1模块中包含的直通前向馈路个数，1是默认值50用户可以根据自己的要求进行修改SIZESDIRFEEDTHROUGH1模块中采样时间的个数，1是默认值，至少需要一个样本时间用户可以根据自己的要求进行修改SIZESNUMSAMPLETIMES1初始化后的构架SIZES经SIMSI
30、ZES函数处理后向SYS赋值这条指令不要修改SYSSIMSIZESSIZES给模块初始值变量赋值，是默认值用户可以根据自己的要求进行修改X0系统保留变量切勿改动，保持为空STR“二元对”描述采样时间及偏移量。00是默认值00适用于连续系统10则表示该模块采样时间继承其前的模块采样时间设置TS10ENDMDLINITIALIZESIZES计算模块输出向量FUNCTIONSYSMDLOUTPUTST,X,U此处填写计算模块输出向量的指令是模块的默认值用户必须把算得的模块输出向量赋给SYSSYSU/347ENDMDLOUTPUTS51附录二插图清单图21SIMULINK模块库界面7图22信号源模块库
31、8图23连续系统模块库9图24离散系统模块库10图25表格查询模块库11图26数学操作模块库13图27非连续系统模块库13图28接收模块库14图29信号路由模块库15图210端口与子系统模块库16图211模块编辑窗口18图212系统反馈回路上的模块18图213系统模块的影藏名称和阴影效果操作18图214仿真参数对话框19图214A定步长算法20图214B变步长算法20图215工作空间输入输出对话框21图216仿真错误诊断对话框21图217高级属性设置对话框22图218实时控制设定对话框23图31异步电机的多变量控制结构图25图32三相异步电动机的物理模型图28图33二极直流电机的物理模型图29
32、图34三相绕组与二相绕组的轴线设定30图35两相静止和旋转坐标系的变换31图36异步电机等效成直流电机结构图32图41系统结构框图34图42速度控制器34图43速度控制器的封装及其对话框3552图44矢量控制环节35图45矢量控制环节子系统36图46两相到三相坐标变化模块及子系统框图36图47三相到两相坐标变化模块及子系统框图37图48转子磁链幅值计算模块及子系统模型37图49转子磁链角计算模块及子系统模型38图410转矩电流计算模块及子系统模型38图411励磁电流计算模块及子系统模型39图412电流比较脉冲产生器的模块及子系统模型39图413逆变电路的模块及参数设置对话框40图414异步电机模块及参数设置框41图415测量装置模块41图416系统的仿真模型42图51带负载启动43图52变速调速44图53变负载调速45图54局部放大图45
