基于MATLAB異步電機矢量控制的仿真研究

1、 學科分類號：_湖南人文科技學院本科生畢業(yè)論文題 目：基于MATLAB異步電機矢量控制的仿真研究學生姓名： 張 瑜 學號 06421107 系 部： 通信與控制工程系 專業(yè)年級： 自動化2006級 指導教師： 羅良才 李新君 職 稱： 教授 助教 湖南人文科技學院教務處制湖南人文科技學院本科畢業(yè)設計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果

2、由本人承擔。 作者簽名： 二 年 月 日基于MATLAB異步電機矢量控制的仿真研究摘 要：矢量控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有非常好的性能和效率，在許多要求高性能和高精度的場合，矢量控制體現(xiàn)出來了其巨大的優(yōu)勢。對于電氣傳動系統(tǒng)的研究，往往會遇到數(shù)學物理計算的難題，難于得到比較貼近實際系統(tǒng)的模型，隨著計算機的飛速發(fā)展，建立比較理想的模型成為可能。利用強大的仿真工具，通過建立逼真的仿真模型，對復雜問題進行綜合分析、比較和優(yōu)化處理，得到系統(tǒng)模型的各項參數(shù)。對模型進行仿真，得到精確的圖形和實驗數(shù)據(jù)，為科學決策提供了非?？煽康囊罁?jù)。文章首先介紹了交流系統(tǒng)的發(fā)展歷史以及目前的發(fā)展現(xiàn)狀，概述了矢量控制的基本概念，

3、論文研究的內(nèi)容、目的和意義。接下來對異步電動機數(shù)學模型的建立進行了詳細的推導，得到了合理可行的數(shù)學模型。然后是本文的重點部分，構建出了矢量控制系統(tǒng)的具體模型，并對系統(tǒng)進行實驗仿真，研究了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性、有擾動情況以及系統(tǒng)參數(shù)變化時對系統(tǒng)性能的影響。論文最后對仿真的結果進行了詳細的分析和總結，為系統(tǒng)的改進奠定了堅實的基礎。關鍵詞：異步電機；SPWM；矢量控制；仿真Based on MATLAB Induction Motor Vector Control SimulationAbstract：Vector control of AC variable speed system has

4、a very good performance and efficiency, in many occasions that require high performance and high precision vector control manifested in its great advantage.Research on electric drive system often encounters problems of mathematical physics calculations,so it is difficult to get close to the actual s

5、ystem model. With the rapid development of computer,establishing an ideal model become possible. Through using powerful simulation tools,establishing of realistic simulation model,to analyse,compare and optimize complex issues comprehensively,then obtained the parameters of the system model.Simulate

6、 the model to get accurate graphics and experimental data provides the scientific decision a very reliable basis.The article first describe the AC system development history and current development status, briefly introduce the basic concepts of vector control, the content that the paper studies,the

7、 purpose and the meaning.Next derived the mathematical model of induction motor detailedly and got the reasonable and feasible model. Then the key part of this paper, constructed a specific model of vector control system, and simulated the system to study the systems steady-state characteristics,dyn

8、amic characteristics, the disturbance and the influence on the system performance when system parameters change.Finally analysed and summarized the simulation results detailedly,which laid a solid foundation on improvements of the system. Key words: induction motor; SPWM; vector control; simulation目

9、 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc260306764 第1章緒論 PAGEREF _Toc260306764 h 1 HYPERLINK l _Toc260306765 1.1異步電機交流調(diào)速系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc260306765 h 1 HYPERLINK l _Toc260306766 1.2論文的研究目的及意義 PAGEREF _Toc260306766 h 3 HYPERLINK l _Toc260306767 1.3論文的主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc260306767 h 4 HYPERLINK l _Toc26030676

10、8 第2章異步電機的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc260306768 h 5 HYPERLINK l _Toc260306769 2.1異步電機工作原理簡述 PAGEREF _Toc260306769 h 5 HYPERLINK l _Toc260306770 2.2異步電機數(shù)學模型的建立 PAGEREF _Toc260306770 h 6 HYPERLINK l _Toc260306771 2.2.1異步電機的基本方程 PAGEREF _Toc260306771 h 6 HYPERLINK l _Toc260306772 2.2.2三相異步電機的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc2603

11、06772 h 8 HYPERLINK l _Toc260306773 2.3異步電機在兩相坐標系上的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc260306773 h 8 HYPERLINK l _Toc260306774 2.3.1異步電機在二相靜止坐標系上的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc260306774 h 8 HYPERLINK l _Toc260306775 2.3.2異步電機在d、q坐標系上的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc260306775 h 9 HYPERLINK l _Toc260306776 第3章異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真研究 PAGEREF _Toc260306776

12、h 11 HYPERLINK l _Toc260306777 3.1矢量控制的基本概念及特點 PAGEREF _Toc260306777 h 11 HYPERLINK l _Toc260306778 3.1.1矢量控制的概念 PAGEREF _Toc260306778 h 11 HYPERLINK l _Toc260306779 3.1.2矢量控制的特點 PAGEREF _Toc260306779 h 13 HYPERLINK l _Toc260306780 3.2仿真工具 PAGEREF _Toc260306780 h 14 HYPERLINK l _Toc260306781 3.2.1MA

13、TLAB的簡介 PAGEREF _Toc260306781 h 14 HYPERLINK l _Toc260306782 3.2.2MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用 PAGEREF _Toc260306782 h 15 HYPERLINK l _Toc260306783 3.3異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真 PAGEREF _Toc260306783 h 16 HYPERLINK l _Toc260306784 3.3.1SPWM變頻調(diào)速矢量控制的實現(xiàn) PAGEREF _Toc260306784 h 16 HYPERLINK l _Toc260306785 3.3.2仿真結構圖 PA

14、GEREF _Toc260306785 h 18 HYPERLINK l _Toc260306786 3.3.3仿真模型的驗證 PAGEREF _Toc260306786 h 20 HYPERLINK l _Toc260306787 3.3.4矢量控制系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc260306787 h 23 HYPERLINK l _Toc260306788 第4章擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響 PAGEREF _Toc260306788 h 27 HYPERLINK l _Toc260306789 4.1外界擾動對系統(tǒng)性能影響的分析 PAGEREF _Toc260306789 h

15、27 HYPERLINK l _Toc260306790 4.2系統(tǒng)參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響分析 PAGEREF _Toc260306790 h 27 HYPERLINK l _Toc260306791 第5章總結和展望 PAGEREF _Toc260306791 h 29 HYPERLINK l _Toc260306792 致謝 PAGEREF _Toc260306792 h 30 HYPERLINK l _Toc260306793 參考文獻 PAGEREF _Toc260306793 h 31緒論交流異步電機具有環(huán)境適應能力強、過流能力大、牢固耐用、結構簡單、容易維護及價格低廉等優(yōu)點，但異

16、步電機的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。隨著電力電子器件的產(chǎn)生和控制理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論越來越多的應用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，使得交流調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美、相競爭，交流調(diào)速系統(tǒng)的應用領域不斷擴大。隨著交流傳動系統(tǒng)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)正以良好的動態(tài)、靜態(tài)性能廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域，打破了過去傳動領域內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)所占的統(tǒng)治地位。二十一世紀將是交流調(diào)速占統(tǒng)治的時代。異步電機交流調(diào)速系統(tǒng)概述現(xiàn)代交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個階段：早期通用變頻器，大多數(shù)為開環(huán)恒壓頻比的控制方式。其優(yōu)點是控制結構簡單、成本較低。缺點是系統(tǒng)控制的異步電機矢量控制以及調(diào)速性能不高，比較適合應用

17、在風機、水泵等場合，其控制曲線會隨著負載的變化而變化，轉矩響應慢，電磁轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差。八十年代初日本學者提出了基于磁通軌跡的電壓空間矢量法（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制，它通過引入頻率補償控制，消除速度控制穩(wěn)態(tài)誤差，基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對調(diào)速性能的影響。實現(xiàn)輸出電壓、電流閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時在一定程度

18、上獲得電流波形的改善。這種控制方法的另一個優(yōu)點是對再生過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現(xiàn)快速的加減速。近年來，隨著數(shù)字化控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)獲得巨大發(fā)展，先進的電機控制理論（如磁場定向矢量控制、直接轉矩控制）被廣泛應用，變頻裝置中的電力電子器件性能大大提高，同時核心控制計算機從16位機發(fā)展到32位機，并且普遍使用高速數(shù)字信號處理器(DSP)進行復雜的控制算法運算，實現(xiàn)了快速運算和高精度控制?，F(xiàn)代的數(shù)字化控制變頻調(diào)速系統(tǒng)噪聲大大降低，元器件大幅度減少，并且可以得到良好的電流波形，從而使系統(tǒng)更加可靠。同時系統(tǒng)在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動態(tài)響應、輸出性能、功率因數(shù)、運行效率和使用的方便性等方面都是其

19、它交流調(diào)速方式不可比擬的。目前全數(shù)字化控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的電流響應可達到0.10.7ms，速度響應可達到24ms，足以滿足傳動領域的要求。當前，數(shù)字化變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中普遍使用的控制方式是PWM矢量控制方式（包括電壓矢量、磁通矢量和磁場定向等），圖1.1示給出了矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的結構圖。矢量控制能夠對電壓、電流以及它們產(chǎn)生的磁勢、磁鏈的瞬間值進行控制，并且能夠實現(xiàn)磁通和轉矩的解耦，從而大大提高電機的動、靜態(tài)性能。使交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生了質的飛躍，逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為主要的傳動裝置。例如現(xiàn)代高速列車、地鐵、電動汽車都采用了交流調(diào)速系統(tǒng)。圖1.1矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的結構圖矢量控制理論解決了交流電機的

20、轉矩控制問題，應用坐標變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，在經(jīng)過按轉子磁場定向的同步旋轉變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的。直接轉矩控制是80年代中期提出的又一轉矩控制方法，其思路是把電機與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉矩計算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關狀態(tài)直接控制轉矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去了矢量變換的復雜計算，控制結構簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學者的重視2。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電機控制技術的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、神經(jīng)元控制、模糊控制等各種新的控制策略正在

21、不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進一步推動交流調(diào)速技術的發(fā)展。論文的研究目的及意義電機及其控制在國民經(jīng)濟中起著重要作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設施還是日常生活中的家用電器，都大量地使用各種各樣的電機。電機是電能應用的主要形式，是應用最廣泛的電能到機械能的變換裝置，世界上超過60%的發(fā)電量用于驅動各種各樣的以電動機為原動機的電力傳動裝置與系統(tǒng)。在以滿足生產(chǎn)工藝要求為目的的調(diào)速控制方面，直流電機調(diào)速系統(tǒng)占據(jù)主導地位。但是直流電機本身在機構上存在嚴重的問題，它的機械接觸式換向器不但結構復雜，制造復雜，制造費時，價格昂貴，而且運行中容易產(chǎn)生火花，以及換向器的機

22、械強度不高，電刷易于磨損等問題的存在，在運行中需要有經(jīng)常性的維護檢修：對環(huán)境要求也比較高，不能使用于化工、礦山等周圍環(huán)境中有粉塵、腐蝕性氣體和易燃、易爆氣體的場合。而交流調(diào)速系統(tǒng)具有眾多的優(yōu)點，如：交流電動機特別是鼠籠型異步電動機的價格遠低于直流電動機，而且結構簡單，重量輕，制造方便，堅固耐用，慣性??；可靠性和運行效率高，不易出故障，維修工作量??；使用場合沒有限制，能在惡劣的甚至是含有易燃易爆性氣體的環(huán)境中安全運行；單機容量遠大于直流電動機。正是由于交流電動機的這種優(yōu)勢，使它在電力拖動系統(tǒng)中的應用范圍比直流電動機要廣泛得多，約占整個電力拖動總容量的80%以上。在整個交流調(diào)速中占有重要的地位。矢

23、量控制理論很好的解決了交流電機的轉矩控制問題，應用坐標變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，在經(jīng)過按轉子磁場定向的同步旋轉變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的。使交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生了質的飛躍，逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為主要的傳動裝置。例如，現(xiàn)代高速列車、地鐵、電動汽車等都采用了交流調(diào)速系統(tǒng)。實際生活系統(tǒng)往往是動態(tài)的、復雜的。本文論述了使用MATLAB軟件中SIMULNIK仿真工具對異步電機SPWM矢量控制系統(tǒng)的仿真與研究。通過建立仿真模型，很好的對系統(tǒng)的各種參數(shù)進行設置，不斷的實驗、測試，以至達到較好的系統(tǒng)性能。論文的主要研究內(nèi)容本文介紹了交流調(diào)

24、速系統(tǒng)的概況和矢量控制的基本概念并分析其特點；利用MATLAB軟件建立異步電動機矢量控制的數(shù)學模型并進行仿真，從而研究系統(tǒng)的動靜態(tài)性能；分析研究在有擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化等因素影響下對系統(tǒng)性能的影響；在前人研究的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)的仿真結果對現(xiàn)有的控制算法進行一些改進，使系統(tǒng)具有更好的動靜態(tài)性能。 異步電機的數(shù)學模型異步電機工作原理簡述三相異步電機的工作原理就是通過一種旋轉磁場與由這種旋轉磁場借助于感應作用在轉子繞組內(nèi)所產(chǎn)生的電流相互作用，以產(chǎn)生電磁轉矩來實現(xiàn)拖動作用。其工作原理如圖2.1所示。圖2.1 三相異步電動機的工作原理定子的旋轉磁場的轉速n0由下式?jīng)Q定： (2-1)式中：f 電源的頻率；

25、p 旋轉磁場的磁極對數(shù)。 當磁場旋轉時，轉子繞組的導體切割磁通將產(chǎn)生感應電勢，在轉子繞組中產(chǎn)生轉子電流。轉子的旋轉速度（即電動機的轉速）總是比旋轉磁場的旋轉速度 （稱為同步轉速）小，轉子和旋轉磁場之間的轉速差n0-n與同步轉速n0的比值稱為異步電動機的轉差率，用S表示，即： (2-2)轉差率S是分析異步電動機運行情況的主要參數(shù)。由式2-1及2-2可得到三相異步電動機的轉速表達式為： (2-3)三相異步電動機的調(diào)速方法有： (1) 改變極對數(shù)p；(2) 調(diào)節(jié)電源頻率f；(3) 使電動機的轉差率發(fā)生變化。異步電機數(shù)學模型的建立設計研制一個品質優(yōu)良的系統(tǒng)，要確定最佳的控制方式，都必須對系統(tǒng)的靜態(tài)和動

26、態(tài)特性進行充分的研究。交流電機是交流變速傳動系統(tǒng)中的一個主要環(huán)節(jié)，其靜態(tài)和動態(tài)特性以及控制技術遠比直流電機復雜，而建立一個適當?shù)漠惒诫姍C數(shù)學模型則是研究交流變速傳動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性及其控制技術的理論基礎。異步電機的基本方程1、電壓方程三相定子繞組電壓平衡方程式為： (2-4) (2-5) (2-6)三相轉子繞組折算到定子側后的電壓方程式為： (2-7) (2-8) (2-9)式中，定子和轉子相電壓的瞬時值；，定子和轉子相電流的瞬時值； ，各相繞組的全磁鏈；，定子和轉子繞組的電阻。p微分算子，代替微分符號d/dt. 上述各量都己折算到定子側。將電壓方程用矩陣形式表示可寫成： (2-10)電壓方

27、程也可寫為： (2-11)2、磁鏈方程式每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其他繞組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組磁鏈可表達為： (2-12)或寫成 (2-13)式中L是66階的電感矩陣，其中對角線元素，是各相關繞組的自感，其余各項則是繞組間的互感。把磁鏈方程式(2-9)代入電壓方程式(2-7)，則得展開后的電壓方程為：(2-14)式中Ldi/dt項屬于電磁感應電動勢中的變壓器電動勢，項屬于電磁感應電動勢中與轉速成正比的旋轉電動勢。3、運動方程式作用在電動機軸上的轉矩與電動機速度變化之間的關系可以用運達，一般情況下，電氣傳動系統(tǒng)的運動方程式為： (2-15)式中負載阻力矩，機組的轉動慣量，

28、轉子旋轉電角速度，D旋轉阻尼系數(shù)，K扭轉彈性轉矩系數(shù)。對于恒轉矩負載，D0，K=0，則： (2-16)三相異步電機的數(shù)學模型將上述式(2-11)式(2-13)歸納起來便構成在恒轉矩負載下三相異步電動機的多變量非線性數(shù)學模型： (2-17) (2-18) 由以上方程式可知，異步電機的強耦合性主要表現(xiàn)在磁鏈和轉矩方程式中，既有三相繞組之間的耦合，又有定、轉子繞組之間的耦合，還存在轉矩方程式中磁場與定、轉子電流之間的相互影響。其根源在于它有一個很復雜的電感矩陣。通常需要用坐標變換的方法加以改造，最后得出與三相異步電機等效的直流電機模型。異步電機在兩相坐標系上的數(shù)學模型異步電機在二相靜止坐標系上的數(shù)學

29、模型電壓方程： (2-19)其中，電機同步角頻率，電機轉差角頻率，電機轉子的電氣角速度；，、軸定子電壓，、軸轉子電壓，、軸定子電流，、軸轉子電流；，定、轉子電阻；定、轉子間的互感，定、轉子自感；磁鏈方程： (2-20)其中，、軸定子磁鏈，、軸轉子磁鏈。轉矩方程： (2-21)電磁轉矩異步電機在d、q坐標系上的數(shù)學模型此時，d軸與轉子磁場方向重合。轉子磁通d軸分量為，q軸分量為零。電壓方程： (2-22)其中，d、q軸定子電壓，d、q軸轉子電壓；，d、q軸定子電流，d、q軸轉子電流。磁鏈方程： (2-23)其中，d、q軸定子磁鏈，d、q軸轉子磁鏈轉矩方程： (2-24)電磁轉矩運動方程： (2-

30、25)其中電機極對數(shù)，機組轉動慣量，電磁轉矩，負載轉矩。 異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真研究矢量控制的基本概念及特點矢量控制的概念異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，在研究其數(shù)學模型時所做的假設為：(1)忽略空間諧波，認為三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；(2)忽略磁飽和，各繞組的自感和互感都是線性的；(3)忽略鐵芯損耗；(4)不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。圖1.2為矢量控制中異步電機的物理模型。其中，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標軸，轉子繞組a、b、c隨轉子旋轉，轉子a軸和定子A軸之間的電角度為空間角位移變量。圖1.2矢量控制中

31、異步電機的物理模型異步電機定子通過三相電流iA、iB、iC和兩相垂直的電流i、i可產(chǎn)生等效的旋轉磁場。因而三相電流iA、iB、iC和兩相電流i、i之間存在著確定的矢量變換關系。以產(chǎn)生同樣的旋轉磁場為準則，在三相定子坐標系下的定子電流iA、iB、iC通過三相二相坐標變換可以等效成兩相靜止坐標系下的交流電流i、i。再通過按轉子磁場定向的旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系下的直流電流id、iq。圖1.3為異步電機的幾個坐標系的關系。圖1.3異步電機的坐標系這樣就實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電機的磁通和轉矩分別控制的目的。d-q繞組相當于直流電機的勵磁繞組和電樞繞組，電機

32、在同步旋轉坐標系d、q上的物理模型如圖1.4所示。圖1.4 同步旋轉坐標系上的異步電機物理模型由于這些被控矢量在物理上不存在，我們還必須再經(jīng)坐標變換，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述直流給定量變換成物理上存在的交流給定量，在定子坐標系對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。整個矢量控制過程可用圖1.5框圖所示。圖1.5 矢量控制過程框圖其中，從三相靜止坐標系A、B、C系變換到兩相靜止坐標系、系的坐標變換矩陣(3s/2s變換)為： (1-1)從兩相靜止坐標系、系變換到兩相旋轉坐標系d、q系的變換矩陣（旋轉變換）為： (1-2)矢量控制的特點矢量控制變頻器可以分別對異步電動機的磁通和轉矩電流進行

33、檢測和控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機控制靜態(tài)精度和動態(tài)品質。轉速精度約等于0.5%，轉速響應也較快。采用矢量變頻器異步電機變頻調(diào)速是可以達到控制結構簡單，可靠性高的效果。其特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(l)可以從零轉速起進行速度控制，調(diào)速范圍廣；(2)可以對轉矩實行較為精確控制；(3)系統(tǒng)的動態(tài)響應速度快；(4)電動機的加速度特性好。 仿真工具MATLAB的簡介八十年代以來，計算機仿真成為交流電機及其調(diào)速系統(tǒng)分析，研究和設計的有利工具。應用計算機的仿真技術，我們可以用軟件建立起電機及其傳動、控制的仿真模型，再以這個模型在計算機內(nèi)人為模

34、擬的環(huán)境或條件下的運行研究，替代真實電機在實際場合下的運行實驗，既可得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時間及費用。MATLAB是美國Mathworks公司自1984年推出的一種使用簡便的工程計算語言，它以矩陣運算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合到了一個交互的工作環(huán)境中，在這里可以實現(xiàn)工程計算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學和工程繪圖、應用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設定）等等功能，而且，MATLAB提供的工具箱為各行各業(yè)的用戶提供了豐富而實用的資源。MATLAB語言具有以下特點：1.功能強大MATLAB不但在數(shù)值計算和符號計算方面具有強大的功能，而且在計算結果的分析和數(shù)據(jù)可視化方面

35、也有著其他類似軟件難以匹敵的優(yōu)勢。此外，MATLAB的Notebook為用戶提供了把數(shù)學和文字進行統(tǒng)一處理的功能，而MATLAB的SIMULINK功能則將其應用擴展到各行各業(yè)的仿真領域。不僅如此，公司更推出了針對各專業(yè)應用的MATLAB工具箱。2.界面友好、編程效率高MATLAB是一種以矩陣計算為基礎的程序設計語一言，其指令表達方式與標準教科書的數(shù)學表達式非常接近。用戶不需要有較高的計算機編程基礎，只要按照計算要求輸入表達式，MATLAB將為用戶計算出結果。此外，使用語言設計的程序，其編譯和執(zhí)行速度遠遠超過了傳統(tǒng)的C語言設計的程序，可以說，MATLAB在工程計算方面的編譯效率遠遠高于其它編程語

36、言。3.擴展性強MATLAB的重要特點之一就是其可擴展性，這個特點使得用戶能夠自由地開發(fā)自己的應用程序，這些年來，許多使用MATLAB的數(shù)學家、工程師和科學家已經(jīng)開發(fā)出相當多的不同應用領域的應用程序。MATLAB的這些特點使它獲得了對應用學科，特別是對邊緣學科和交叉學科的極強的適應能力，并很快成為應用學科計算機輔助分析、設計、仿真以及教學等不可缺少的基礎軟件。MATLAB提供的SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的，它具有相對獨立的功能和使用方法。SIMULINK的出現(xiàn)使得仿真

37、工作以結構圖的形式加以進行。它提供各種功能模塊，包括了連續(xù)系統(tǒng)(Continues)、離散系統(tǒng)(Discrete)、非線性系統(tǒng)(Nonlinear)幾類基本系統(tǒng)構成模塊，還包括連接、運算類模塊:函數(shù)與表(Functions&Tables)、數(shù)學運算模塊(Math)、信號與系統(tǒng)(Signals&System)。而輸入源模塊(sources)和接收模塊(Sinks)則為模型仿真提供了信號源和結果輸出設備。便于用戶對模型進行仿真和分析。用戶只要從模塊庫中拖放合適的模塊組合在一起（也可以是自己的系統(tǒng)），就可以直接對它進行仿真?？梢赃x擇合適的輸入源模塊作信號輸入，用適當?shù)慕邮漳K觀察系統(tǒng)響應、分析系統(tǒng)特

38、性。各種數(shù)值算法，仿真步長等重要參數(shù)可通過方便易用的對話框確定，十分簡捷，同時可以借助模擬示波器將仿真動態(tài)結果加以顯示，省去了以往仿真研究中的大量手工編程過程，避免了編程錯誤造成的數(shù)值不穩(wěn)定，計算結果錯誤等不該發(fā)生的意外事件出現(xiàn)，大大提高了算法研究與實際應用的效率和可靠性。MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用啟動SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口鍵人“SIMULNIK”命令，此時出現(xiàn)一個SIMULINK窗口。這個窗口包含7個模塊庫，它們分別是信號源模塊庫(sources)、輸出模塊庫(Sinks)、離散模塊庫(Diserete)、線性模塊庫(Linear)、非線性模塊庫(N

39、onlinear)、連接與接口模塊庫(Connections)和擴展模塊庫(Extrax)。建立一個控制系統(tǒng)結構框圖,則應選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項，這樣SIMULINK就會自動打開一個空白的模塊編輯窗口，允許用戶輸人自己的模塊框圖。只要從各模塊庫中取出模塊，定義好模塊參數(shù)。將各模塊連接起來，然后設置系統(tǒng)參數(shù)，如仿真時間、仿真步長和計算方法等。模塊的取出可以采用在模塊庫中選中模塊后拖動到編輯窗口的復制方法。連接兩個模塊是相當容易，簡單地用鼠標左鍵先點一下起點模塊的輸出端（三角符號），然后拖動鼠標器。這時就會出現(xiàn)一條帶箭頭的直線，將它的箭頭拉到終點模塊的輸入端再釋放鼠標左鍵，

40、則SIMULNIK會自動產(chǎn)生一條帶箭頭的連線，將兩個模塊連接起來。如果連線出現(xiàn)錯誤，可以使用鼠標左鍵選中該線，然后再使用Edit中cut命令將該線刪除掉。定義模塊參數(shù)采取用鼠標左鍵雙擊模塊圖標的辦法，即可得到模塊參數(shù)設置對話框。選擇Start命令可以啟動仿真程序，在仿真結束時，計算機會用聲音給予提示，可以通過虛擬示波器Scope觀察系統(tǒng)仿真結果輸出。把Scope連接到任何你想觀測的點，調(diào)整好Scope的掃描量程與顯示幅值量程，同時調(diào)整Scope的窗口大小及位置，觀察系統(tǒng)的仿真過程13。異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真SPWM變頻調(diào)速矢量控制的實現(xiàn)方程(2-16)(2-22)構成了一個完整的異步電機矢

41、量變換模型，然而在矢量控制系統(tǒng)中，被控量是定子電流，因而必須從上述數(shù)學模型中找到定子電流的兩個分量，即勵磁分量與轉矩分量與其它物理量的關系。從式(3-19)(2-20)可以推導出： (3-1)對于恒磁通控制，則有： (3-2)進一步推導還可以得出： (3-3) (3-4) (3-5)集合式(3-1)、(3-2)、(3-3)和式：可以得到原理型異步電機矢量變換模型，如圖3-1所示。利用MATLAB下的SIMULINK模塊庫可以比較方便的得到異步電機的仿真模型。其中有建立在靜止坐標、坐標系下，兩相同步旋轉坐標M、T坐標系下的電機仿真模型等。應用狀態(tài)方程直接得到異步電機仿真模型。將方程(2-16)改

42、變成狀態(tài)方程(3-6)。圖3.1異步電機矢量變換原理模型(3-6)再通過上述式(2-1)、(2-2)的3/2、2/3變換得到輸入為三相電壓，輸出為電機的轉速、轉矩信號的異步電機的仿真模型，如圖3.2所示。圖3.2異步電機矢量控制仿真結構圖仿真結構圖進行矢量控制，首先得把電機的定子三相電流、電壓、磁鏈等經(jīng)過坐標變換，變到靜止的，兩相坐標系，然后再由，兩相坐標系轉換到以轉子磁場定向的M、T兩相旋轉坐標系。進行這些變換以及反變換可以通過專門的電路或者是微處理器來實現(xiàn)。這里我們使用MATLAB工具箱中的SIMULINK先予以仿真1。異步電機矢量控制系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)構成：主 Subsystem ,Sub

43、system 3s/2r、Subsystem 2s/3r、subsystem U/I的仿真結構圖如圖3.33.6所示。圖3.3 主subsystem仿真結構圖圖3.4 3s/2r轉換模塊圖3.5 U/I轉換模塊圖3.6 2r/3s轉換模塊仿真模型的驗證為了驗證仿真模型的正確性，本文采用了北京電機總廠生產(chǎn)的3KW ( =3KW)、4極(2)、Y系列三相異步電機來進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的驗證。電機實測參數(shù)為：=1420r/min，=21.45n.m，=6.8A，=3.27A，=1.898，=1.45，196mH，=196mH，=l87mH，=0.0067，=135.2ms。把、等電機參數(shù)代入圖3.2所示的

44、電機仿真模型中，得到如附錄所示的仿真模型圖，并進行相應的仿真實驗。1、異步電機機械特性的仿真曲線=0時，轉速和電磁轉矩之間關系如圖3.7所示：圖3.7 TL=0時，轉速和電磁轉矩之間關系2、異步電機仿真模型的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的仿真a.穩(wěn)態(tài)仿真給圖3.2所示模型中的電機定子施加三相380V、50Hz的額定電壓，預先施加勵磁信號，帶額定負載直接從靜止啟動，進入穩(wěn)態(tài)后，電機仿真曲線如圖3.8所示。(a)(b)(c)圖3.8 電機穩(wěn)態(tài)仿真曲線從仿真曲線可以看出，電機進行全壓啟動時，在0. 4秒內(nèi)的速度、轉矩等瞬態(tài)值基本趨于穩(wěn)定而進入了穩(wěn)態(tài)過程。這說明了電機啟動性能好，電機很快完成了全壓啟動過程。在額定負載下

45、，實際轉速(n=1437.42r/min)略比額定值高的原因是仿真模型中忽略了鐵心損耗及風阻等因素的影響。b.動態(tài)仿真給圖3.3所示模型中的電機定子施加三相380V、50Hz的額定電壓，空載直接啟動，過1秒后突加10N.m負載，過2秒后突加5N.m負載，過3秒后突減10N.m負載，總的轉動慣量為0.009kg.m2，電機動態(tài)過程仿真中的各主要物理量的變化曲線如圖3.9所示。(a)(b)(c)圖3.9 電機動態(tài)仿真曲線從仿真曲線可以看出，異步電機進行空載啟動時，轉子以同步轉速進行運轉，隨著負載增加，轉速有所降低，轉差率s增大，這時轉子電流增大，以產(chǎn)生增大的電磁轉矩與負載平衡。隨著負載的減小，轉速

46、有所增加，轉差率s減小，這說明電機自適應能力強。另外在增加或減少負載的情況下，實際轉速有所減少或增加而且能很快穩(wěn)定下來，這說明轉速的穩(wěn)定性好。在最初啟動的0.1秒內(nèi)，轉矩和轉速的波動不會有仿真結果那么大，這主要是由于假設在瞬態(tài)過程中電動機參數(shù)與穩(wěn)態(tài)運時相同，這與實際情況有出入，因為沒有考慮電機在瞬態(tài)大電流下的飽和效應。在0.1秒以后，瞬態(tài)轉矩與瞬態(tài)轉速的波動趨于平穩(wěn)，這基本與實際情況相符，因為這是電機的飽和程度己大大降低，電機的參數(shù)己接近穩(wěn)態(tài)參數(shù)。通過SIMULNIK仿真可以看到此模型的正確性。此模型是顯示電機的定子電壓、電流及轉子磁鏈；能顯示電磁轉矩、負載轉矩、電機轉速、同步角頻率、轉差角頻

47、率等許多電機的物理量?？梢苑奖愕赜糜陔姍C及控制系統(tǒng)的動態(tài)研究。矢量控制系統(tǒng)仿真異步電動機矢量控制系統(tǒng)的結構圖如圖1.1所示，異步電機的仿真模型結構如圖3.2所示，系統(tǒng)仿真是利用SIMULINK仿真軟件在系統(tǒng)結構上進行的。電機參數(shù)為： =3KW，2，=1420r/min，=21.45n.m，=6.8A，=3.27A，=1.898，=1.45，196mH，=196mH，=l87mH，=0.0067，=135.2ms。轉速階躍給定為1500r/min，2秒后突加2N.m負載，4秒后突減15N.m負載，6秒后突加25N.m負載，8秒后突減20N.m負載，電機動態(tài)過程仿真中的各主要物理量的變化曲線如圖3

48、.10所示。(a)(b)(c)圖3.10 電機動態(tài)過程仿真中的各主要物理量的變化曲線轉速階躍給定為1500r/min，帶10N.m的負載啟動電動機，1.5秒后突加10N.m負載，2.5秒后突減5N.m負載，電機動態(tài)過程仿真曲線如圖3.11所示。(a) (b)(c)圖3.11 電機動態(tài)過程仿真曲線從仿真曲線可以看出，上升時間約為0.2秒，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高，在0.3秒以內(nèi)，速度、轉矩和電流已基本達到穩(wěn)定。對負載變化波動小，并且很快達到穩(wěn)定。對給定值具有良好的動靜態(tài)跟蹤能力，控制系統(tǒng)的各個部分協(xié)調(diào)運行。 擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響外界擾動對系統(tǒng)性能影響的分析由圖3.8分析得電機進行全壓啟

49、動速度、轉矩等瞬態(tài)值基本趨于穩(wěn)定而進入了穩(wěn)態(tài)過程。體現(xiàn)出電機良好的啟動性能，電機在非常短的時間內(nèi)很快完成了全壓啟動的整個過程。在額定負載下略比額定值高，在實際的矢量控制系統(tǒng)中存在著鐵心損耗、器件之間的摩擦等因素的影響。圖3.9所示仿真曲線可以看出，異步電機進行空載啟動時，轉子以同步轉速進行運轉，隨著負載增加，轉速有所降低，轉差率s增大，這時轉子電流增大，以產(chǎn)生增大的電磁轉矩與負載平衡。隨著負載的減小，轉速有所增加，轉差率s減小，這說明電機自適應能力強。另外在增加或減少負載的情況下，實際轉速有所減少或增加而且能很快穩(wěn)定下來，這說明轉速的穩(wěn)定性好。在最初啟動的0.1秒內(nèi)，轉矩和轉速的波動不會有仿真

50、結果那么大，這主要是由于假設在瞬態(tài)過程中電動機參數(shù)與穩(wěn)態(tài)運行時相同，這與實際情況有出入，因為沒有考慮電機在瞬態(tài)大電流下的飽和效應。在0.1秒以后，瞬態(tài)轉矩與瞬態(tài)轉速的波動趨于平穩(wěn)，這基本與實際情況相符，因為這是電機的飽和程度己大大降低，電機的參數(shù)己接近穩(wěn)態(tài)參數(shù)。經(jīng)過在不同負載情況下，比較電機各項性能指標，負載的變化直接影響著電磁轉矩、負載轉矩、電機轉速、同步角頻率、轉差角頻率等許多電機的物理量并且定子電壓、電流及轉子磁鏈也會發(fā)生相應的變化，所以在系統(tǒng)設計時，必須充分考慮負載對系統(tǒng)性能的影響。通過SIMULNIK仿真可以看到此模型的正確性。此模型是顯示電機的定子電壓、電流及轉子磁鏈；能顯示電磁轉

51、矩、負載轉矩、電機轉速、同步角頻率、轉差角頻率等許多電機的物理量?？梢苑奖愕赜糜陔姍C及控制系統(tǒng)的動態(tài)研究。系統(tǒng)參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響分析選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)磁場定向控制，需要測出轉子磁鏈的幅值和相位，但是磁鏈是電動機內(nèi)部的物理量，直接檢測在技術上難以實現(xiàn)。因此，多采用間接觀測的方法，即檢測與磁鏈有關的電動機運行參數(shù)，如定子電壓、電流或轉速等，然后根據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型，通過運算，實時計算轉子磁鏈的幅值和相位。此外也可以根據(jù)系統(tǒng)運行的指令值、檢測到的轉子位置信號或轉子速度信號，通過計算求得磁鏈的幅值和相位。同時利用能夠實際測量的物理量的不同組合，可以得到不同形式的各有利弊的轉子磁鏈觀測模

52、型。矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)亦是如此。如果為了選優(yōu)，建立幾種調(diào)速系統(tǒng)進行比較或對一種系統(tǒng)建立不同的調(diào)速方案進行實際比較必然會浪費太多的人力和物力，若是應用系統(tǒng)仿真的方法進行優(yōu)選，這就是系統(tǒng)仿真方法具有可控性、無破壞性、安全、不受外界條件的限制等優(yōu)點的體現(xiàn)，它能通過建立逼真的仿真模型和在計算機上反復的仿真試驗，對復雜問題進行綜合分析和比較，從而為科學決策提供可靠的依據(jù)。它除實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律外，也便于故障監(jiān)視、診斷和保護、人機對話等功能的實現(xiàn)。在仿真時如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能不理想，則可用人機對話的方式改變控制器的參數(shù)、結構以至改變控制方式，直到滿意為止。這樣得到的參數(shù)可直接加在系統(tǒng)上，避免了實際調(diào)試的盲

53、目性及發(fā)生故障的可能性。系統(tǒng)仿真可顯示和打印各種工況下的運行特性。所以系統(tǒng)參數(shù)的選擇就占據(jù)著舉足輕重的地位。系統(tǒng)參數(shù)的設置很大程度上決定著矢量控制系統(tǒng)的總體性能，從3.10圖可以看出，盡管外界負載發(fā)生了顯著的變化，但電機的速度、轉矩和電流在0.3秒以內(nèi)就達到了穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)精度高，而且超調(diào)量小，對負載變化波動也小，并且很快達到穩(wěn)定。體現(xiàn)出了對給定值的良好動靜態(tài)跟蹤能力，此時的系統(tǒng)參數(shù)是比較理想的，充分發(fā)揮了系統(tǒng)的性能。 總結和展望本文在查閱大量文獻的基礎上，分析了近年來矢量控制在現(xiàn)代電氣傳動領域中運用的狀況，并通過仿真實驗研究了矢量控制系統(tǒng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應用。本文前部分對矢量控制系統(tǒng)做了詳細的

54、數(shù)學推導和分析，建立了矢量控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型。在得到交流電動機矢量控制部分的仿真模型的前提下，應用MATLAB軟件中強大的SIMULINK仿真工具進行大量的仿真實驗驗證了模型的正確性。通過仿真實驗研究了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性、有擾動情況以及系統(tǒng)參數(shù)變化等因素對系統(tǒng)性能的影響。仿真實驗結果表明了通過矢量變換建立的電機模型的正確性、有效性。同時分析了系統(tǒng)在空載加擾動，滿載加擾動等多種情況下系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。系統(tǒng)仿真表明，適當?shù)剡x取調(diào)節(jié)參數(shù)和合適的仿真參數(shù)，可使該系統(tǒng)得到良好的動態(tài)性能，系統(tǒng)的動態(tài)響應快，超調(diào)量小，抗干擾能力強，對給定值具有良好的動態(tài)跟蹤能力，控制系統(tǒng)的各個部分協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)了優(yōu)化，獲得了具有理想性能的調(diào)速系統(tǒng)。在應用MATLAB進行系統(tǒng)仿真時，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能不理想，則可用人機對話的方式改變控制器的參數(shù)、結構以至改變控制方式，直到滿意為止。這樣得到的參數(shù)可直接加在系統(tǒng)上，避免了實際調(diào)試的盲目性及發(fā)生故障的可能性。系統(tǒng)仿真可顯示和打印各種工況下的運行特性，包括實際不可能的工況或對設備會產(chǎn)生故障的工況，還可以應用于教學和培訓中，具有廣闊的發(fā)