基于MATLAB異步電機(jī)矢量控制的仿真研究

1、 學(xué)科分類號(hào)：_湖南人文科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文題 目：基于MATLAB異步電機(jī)矢量控制的仿真研究學(xué)生姓名： 張 瑜 學(xué)號(hào) 06421107 系 部： 通信與控制工程系 專業(yè)年級(jí)： 自動(dòng)化2006級(jí) 指導(dǎo)教師： 羅良才 李新君 職 稱： 教授 助教 湖南人文科技學(xué)院教務(wù)處制湖南人文科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果

2、由本人承擔(dān)。 作者簽名： 二 年 月 日基于MATLAB異步電機(jī)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(chǎng)合，矢量控制體現(xiàn)出來了其巨大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的研究，往往會(huì)遇到數(shù)學(xué)物理計(jì)算的難題，難于得到比較貼近實(shí)際系統(tǒng)的模型，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，建立比較理想的模型成為可能。利用強(qiáng)大的仿真工具，通過建立逼真的仿真模型，對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行綜合分析、比較和優(yōu)化處理，得到系統(tǒng)模型的各項(xiàng)參數(shù)。對(duì)模型進(jìn)行仿真，得到精確的圖形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)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(duì)異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，得到了合理可行的數(shù)學(xué)模型。然后是本文的重點(diǎn)部分，構(gòu)建出了矢量控制系統(tǒng)的具體模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，研究了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、有擾動(dòng)情況以及系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。論文最后對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)，為系統(tǒng)的改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；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(jī)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?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc260306767 h 4 HYPERLINK l _Toc26030676

10、8 第2章異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc260306768 h 5 HYPERLINK l _Toc260306769 2.1異步電機(jī)工作原理簡(jiǎn)述 PAGEREF _Toc260306769 h 5 HYPERLINK l _Toc260306770 2.2異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 PAGEREF _Toc260306770 h 6 HYPERLINK l _Toc260306771 2.2.1異步電機(jī)的基本方程 PAGEREF _Toc260306771 h 6 HYPERLINK l _Toc260306772 2.2.2三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc2603

11、06772 h 8 HYPERLINK l _Toc260306773 2.3異步電機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc260306773 h 8 HYPERLINK l _Toc260306774 2.3.1異步電機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc260306774 h 8 HYPERLINK l _Toc260306775 2.3.2異步電機(jī)在d、q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc260306775 h 9 HYPERLINK l _Toc260306776 第3章異步電機(jī)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(diǎn) 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(diǎn) 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(jiǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc260306784 h 16 HYPERLINK l _Toc260306785 3.3.2仿真結(jié)構(gòu)圖 PA

14、GEREF _Toc260306785 h 18 HYPERLINK l _Toc260306786 3.3.3仿真模型的驗(yàn)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(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響 PAGEREF _Toc260306788 h 27 HYPERLINK l _Toc260306789 4.1外界擾動(dòng)對(duì)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(duì)系統(tǒng)性能的影響分析 PAGEREF _Toc260306790 h 27 HYPERLINK l _Toc260306791 第5章總結(jié)和展望 PAGEREF _Toc260306791 h 29 HYPERLINK l _Toc260306792 致謝 PAGEREF _Toc260306792 h 30 HYPERLINK l _Toc260306793 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc260306793 h 31緒論交流異步電機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、過流能力大、牢固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維護(hù)及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但異

16、步電機(jī)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(yīng)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(jìng)爭(zhēng)，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。隨著交流傳動(dòng)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)正以良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，打破了過去傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)所占的統(tǒng)治地位。二十一世紀(jì)將是交流調(diào)速占統(tǒng)治的時(shí)代。異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)概述現(xiàn)代交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)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(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。缺點(diǎn)是系統(tǒng)控制的異步電機(jī)矢量控制以及調(diào)速性能不高，比較適合應(yīng)用

17、在風(fēng)機(jī)、水泵等場(chǎng)合，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電磁轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差。八十年代初日本學(xué)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(jī)氣隙理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(bǔ)償控制，消除速度控制穩(wěn)態(tài)誤差，基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號(hào)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(shí)定子電阻對(duì)調(diào)速性能的影響。實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)再生過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實(shí)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(jìn)的電機(jī)控制理論（如磁場(chǎng)定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制）被廣泛應(yīng)用，變頻裝置中的電力電子器件性能大大提高，同時(shí)核心控制計(jì)算機(jī)從16位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)，并且普遍使用高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行復(fù)雜的控制算法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了快速運(yùn)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(shí)系統(tǒng)在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運(yùn)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(yīng)可達(dá)到0.10.7ms，速度響應(yīng)可達(dá)到24ms，足以滿足傳動(dòng)領(lǐng)域的要求。當(dāng)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(chǎng)定向等），圖1.1示給出了矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。矢量控制能夠?qū)﹄妷?、電流以及它們產(chǎn)生的磁勢(shì)、磁鏈的瞬間值進(jìn)行控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦，從而大大提高電機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)性能。使交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為主要的傳動(dòng)裝置。例如現(xiàn)代高速列車、地鐵、電動(dòng)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(jié)構(gòu)圖矢量控制理論解決了交流電機(jī)的

20、轉(zhuǎn)矩控制問題，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，在經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制是80年代中期提出的又一轉(zhuǎn)矩控制方法，其思路是把電機(jī)與逆變器看作一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對(duì)定子電流進(jìn)行解耦，免去了矢量變換的復(fù)雜計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國(guó)學(xué)者的重視2。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電機(jī)控制技術(shù)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(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。論文的研究目的及意義電機(jī)及其控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)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(jī)。電機(jī)是電能應(yīng)用的主要形式，是應(yīng)用最廣泛的電能到機(jī)械能的變換裝置，世界上超過60%的發(fā)電量用于驅(qū)動(dòng)各種各樣的以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是直流電機(jī)本身在機(jī)構(gòu)上存在嚴(yán)重的問題，它的機(jī)械接觸式換向器不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造復(fù)雜，制造費(fèi)時(shí)，價(jià)格昂貴，而且運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花，以及換向器的機(jī)

22、械強(qiáng)度不高，電刷易于磨損等問題的存在，在運(yùn)行中需要有經(jīng)常性的維護(hù)檢修：對(duì)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(chǎng)合。而交流調(diào)速系統(tǒng)具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，如：交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)低于直流電動(dòng)機(jī)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，制造方便，堅(jiān)固耐用，慣性小；可靠性和運(yùn)行效率高，不易出故障，維修工作量?。皇褂脠?chǎng)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(yùn)行；單機(jī)容量遠(yuǎn)大于直流電動(dòng)機(jī)。正是由于交流電動(dòng)機(jī)的這種優(yōu)勢(shì)，使它在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍比直流電動(dòng)機(jī)要廣泛得多，約占整個(gè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康?0%以上。在整個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，在經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)交流電動(dòng)機(jī)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(zhì)的飛躍，逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為主要的傳動(dòng)裝置。例如，現(xiàn)代高速列車、地鐵、電動(dòng)汽車等都采用了交流調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際生活系統(tǒng)往往是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的。本文論述了使用MATLAB軟件中SIMULNIK仿真工具對(duì)異步電機(jī)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(duì)系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，不斷的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試，以至達(dá)到較好的系統(tǒng)性能。論文的主要研究?jī)?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(diǎn)；利用MATLAB軟件建立異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真，從而研究系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能；分析研究在有擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化等因素影響下對(duì)系統(tǒng)性能的影響；在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)現(xiàn)有的控制算法進(jìn)行一些改進(jìn)，使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)靜態(tài)性能。 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)工作原理簡(jiǎn)述三相異步電機(jī)的工作原理就是通過一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與由這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)借助于感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所產(chǎn)生的電流相互作用，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)作用。其工作原理如圖2.1所示。圖2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0由下式?jīng)Q定： (2-1)式中：f 電源的頻率；

25、p 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。 當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體切割磁通將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）總是比旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度 （稱為同步轉(zhuǎn)速）小，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)速差n0-n與同步轉(zhuǎn)速n0的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用S表示，即： (2-2)轉(zhuǎn)差率S是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： (2-3)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： (1) 改變極對(duì)數(shù)p；(2) 調(diào)節(jié)電源頻率f；(3) 使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立設(shè)計(jì)研制一個(gè)品質(zhì)優(yōu)良的系統(tǒng)，要確定最佳的控制方式，都必須對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)

26、態(tài)特性進(jìn)行充分的研究。交流電機(jī)是交流變速傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及控制技術(shù)遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜，而建立一個(gè)適當(dāng)?shù)漠惒诫姍C(jī)數(shù)學(xué)模型則是研究交流變速傳動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性及其控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。異步電機(jī)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(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程式為： (2-7) (2-8) (2-9)式中，定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；，定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值； ，各相繞組的全磁鏈；，定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻。p微分算子，代替微分符號(hào)d/dt. 上述各量都己折算到定子側(cè)。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(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組磁鏈可表達(dá)為： (2-12)或?qū)懗?(2-13)式中L是66階的電感矩陣，其中對(duì)角線元素，是各相關(guān)繞組的自感，其余各項(xiàng)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(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的變壓器電動(dòng)勢(shì)，項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。3、運(yùn)動(dòng)方程式作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)速度變化之間的關(guān)系可以用運(yùn)達(dá)，一般情況下，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為： (2-15)式中負(fù)載阻力矩，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，

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

29、模型電壓方程： (2-19)其中，電機(jī)同步角頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)子的電氣角速度；，、軸定子電壓，、軸轉(zhuǎn)子電壓，、軸定子電流，、軸轉(zhuǎn)子電流；，定、轉(zhuǎn)子電阻；定、轉(zhuǎn)子間的互感，定、轉(zhuǎn)子自感；磁鏈方程： (2-20)其中，、軸定子磁鏈，、軸轉(zhuǎn)子磁鏈。轉(zhuǎn)矩方程： (2-21)電磁轉(zhuǎn)矩異步電機(jī)在d、q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型此時(shí)，d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電壓；，d、q軸定子電流，d、q軸轉(zhuǎn)子電流。磁鏈方程： (2-23)其中，d、q軸定子磁鏈，d、q軸轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩方程： (2-24)電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)方程： (2-

30、25)其中電機(jī)極對(duì)數(shù)，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真研究矢量控制的基本概念及特點(diǎn)矢量控制的概念異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在研究其數(shù)學(xué)模型時(shí)所做的假設(shè)為：(1)忽略空間諧波，認(rèn)為三相繞組對(duì)稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)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(duì)繞組電阻的影響。圖1.2為矢量控制中異步電機(jī)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(biāo)軸，轉(zhuǎn)子繞組a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(jī)的物理模型異步電機(jī)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(zhuǎn)磁場(chǎng)。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(guān)系。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，在三相定子坐標(biāo)系下的定子電流iA、iB、iC通過三相二相坐標(biāo)變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流i、i。再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流id、iq。圖1.3為異步電機(jī)的幾個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系。圖1.3異步電機(jī)的坐標(biāo)系這樣就實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)交流電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別控制的目的。d-q繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，電機(jī)

32、在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q上的物理模型如圖1.4所示。圖1.4 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的異步電機(jī)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(biāo)變換，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)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(biāo)系對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。整個(gè)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(biāo)系A(chǔ)、B、C系變換到兩相靜止坐標(biāo)系、系的坐標(biāo)變換矩陣(3s/2s變換)為： (1-1)從兩相靜止坐標(biāo)系、系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q系的變換矩陣（旋轉(zhuǎn)變換）為： (1-2)矢量控制的特點(diǎn)矢量控制變頻器可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行

33、檢測(cè)和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。采用矢量變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的效果。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(l)可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，調(diào)速范圍廣；(2)可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行較為精確控制；(3)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；(4)電動(dòng)機(jī)的加速度特性好。 仿真工具M(jìn)ATLAB的簡(jiǎn)介八十年代以來，計(jì)算機(jī)仿真成為交流電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)分析，研究和設(shè)計(jì)的有利工具。應(yīng)用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，我們可以用軟件建立起電機(jī)及其傳動(dòng)、控制的仿真模型，再以這個(gè)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)人為模

34、擬的環(huán)境或條件下的運(yùn)行研究，替代真實(shí)電機(jī)在實(shí)際場(chǎng)合下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，既可得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時(shí)間及費(fèi)用。MATLAB是美國(guó)Mathworks公司自1984年推出的一種使用簡(jiǎn)便的工程計(jì)算語(yǔ)言，它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互的工作環(huán)境中，在這里可以實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設(shè)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(shí)用的資源。MATLAB語(yǔ)言具有以下特點(diǎn)：1.功能強(qiáng)大MATLAB不但在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算方面具有強(qiáng)大的功能，而且在計(jì)算結(jié)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(shì)。此外，MATLAB的Notebook為用戶提供了把數(shù)學(xué)和文字進(jìn)行統(tǒng)一處理的功能，而MATLAB的SIMULINK功能則將其應(yīng)用擴(kuò)展到各行各業(yè)的仿真領(lǐng)域。不僅如此，公司更推出了針對(duì)各專業(yè)應(yīng)用的MATLAB工具箱。2.界面友好、編程效率高M(jìn)ATLAB是一種以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)一言，其指令表達(dá)方式與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式非常接近。用戶不需要有較高的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，只要按照計(jì)算要求輸入表達(dá)式，MATLAB將為用戶計(jì)算出結(jié)果。此外，使用語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序，其編譯和執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序，可以說，MATLAB在工程計(jì)算方面的編譯效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它編程語(yǔ)

36、言。3.擴(kuò)展性強(qiáng)MATLAB的重要特點(diǎn)之一就是其可擴(kuò)展性，這個(gè)特點(diǎn)使得用戶能夠自由地開發(fā)自己的應(yīng)用程序，這些年來，許多使用MATLAB的數(shù)學(xué)家、工程師和科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)多的不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序。MATLAB的這些特點(diǎn)使它獲得了對(duì)應(yīng)用學(xué)科，特別是對(duì)邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的極強(qiáng)的適應(yīng)能力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、仿真以及教學(xué)等不可缺少的基礎(chǔ)軟件。MATLAB提供的SIMULINK是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)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(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)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(jìn)程的，它具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。SIMULINK的出現(xiàn)使得仿真

37、工作以結(jié)構(gòu)圖的形式加以進(jìn)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(gòu)成模塊，還包括連接、運(yùn)算類模塊:函數(shù)與表(Functions&Tables)、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊(Math)、信號(hào)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(hào)源和結(jié)果輸出設(shè)備。便于用戶對(duì)模型進(jìn)行仿真和分析。用戶只要從模塊庫(kù)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(duì)它進(jìn)行仿真?？梢赃x擇合適的輸入源模塊作信號(hào)輸入，用適當(dāng)?shù)慕邮漳K觀察系統(tǒng)響應(yīng)、分析系統(tǒng)特

38、性。各種數(shù)值算法，仿真步長(zhǎng)等重要參數(shù)可通過方便易用的對(duì)話框確定，十分簡(jiǎn)捷，同時(shí)可以借助模擬示波器將仿真動(dòng)態(tài)結(jié)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(cuò)誤造成的數(shù)值不穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果錯(cuò)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(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性。MATLAB中的SIMULINK仿真模塊的使用啟動(dòng)SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口鍵人“SIMULNIK”命令，此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)SIMULINK窗口。這個(gè)窗口包含7個(gè)模塊庫(kù)，它們分別是信號(hào)源模塊庫(kù)(sources)、輸出模塊庫(kù)(Sinks)、離散模塊庫(kù)(Diserete)、線性模塊庫(kù)(Linear)、非線性模塊庫(kù)(N

39、onlinear)、連接與接口模塊庫(kù)(Connections)和擴(kuò)展模塊庫(kù)(Extrax)。建立一個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,則應(yīng)選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項(xiàng)，這樣SIMULINK就會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)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(kù)中取出模塊，定義好模塊參數(shù)。將各模塊連接起來，然后設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如仿真時(shí)間、仿真步長(zhǎng)和計(jì)算方法等。模塊的取出可以采用在模塊庫(kù)中選中模塊后拖動(dòng)到編輯窗口的復(fù)制方法。連接兩個(gè)模塊是相當(dāng)容易，簡(jiǎn)單地用鼠標(biāo)左鍵先點(diǎn)一下起點(diǎn)模塊的輸出端（三角符號(hào)），然后拖動(dòng)鼠標(biāo)器。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一條帶箭頭的直線，將它的箭頭拉到終點(diǎn)模塊的輸入端再釋放鼠標(biāo)左鍵，

40、則SIMULNIK會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一條帶箭頭的連線，將兩個(gè)模塊連接起來。如果連線出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以使用鼠標(biāo)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(biāo)左鍵雙擊模塊圖標(biāo)的辦法，即可得到模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。選擇Start命令可以啟動(dòng)仿真程序，在仿真結(jié)束時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)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(jié)果輸出。把Scope連接到任何你想觀測(cè)的點(diǎn)，調(diào)整好Scope的掃描量程與顯示幅值量程，同時(shí)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(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真SPWM變頻調(diào)速矢量控制的實(shí)現(xiàn)方程(2-16)(2-22)構(gòu)成了一個(gè)完整的異步電機(jī)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(xué)模型中找到定子電流的兩個(gè)分量，即勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量與其它物理量的關(guān)系。從式(3-19)(2-20)可以推導(dǎo)出： (3-1)對(duì)于恒磁通控制，則有： (3-2)進(jìn)一步推導(dǎo)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(jī)矢量變換模型，如圖3-1所示。利用MATLAB下的SIMULINK模塊庫(kù)可以比較方便的得到異步電機(jī)的仿真模型。其中有建立在靜止坐標(biāo)、坐標(biāo)系下，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)M、T坐標(biāo)系下的電機(jī)仿真模型等。應(yīng)用狀態(tài)方程直接得到異步電機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)的異步電機(jī)的仿真模型，如圖3.2所示。圖3.2異步電機(jī)矢量控制仿真結(jié)構(gòu)圖仿真結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行矢量控制，首先得把電機(jī)的定子三相電流、電壓、磁鏈等經(jīng)過坐標(biāo)變換，變到靜止的，兩相坐標(biāo)系，然后再由，兩相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的M、T兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。進(jìn)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(shí)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(jī)矢量控制系統(tǒng)由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：主 Subsystem ,Sub

43、system 3s/2r、Subsystem 2s/3r、subsystem U/I的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3.33.6所示。圖3.3 主subsystem仿真結(jié)構(gòu)圖圖3.4 3s/2r轉(zhuǎn)換模塊圖3.5 U/I轉(zhuǎn)換模塊圖3.6 2r/3s轉(zhuǎn)換模塊仿真模型的驗(yàn)證為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，本文采用了北京電機(jī)總廠生產(chǎn)的3KW ( =3KW)、4極(2)、Y系列三相異步電機(jī)來進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的驗(yàn)證。電機(jī)實(shí)測(cè)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(jī)參數(shù)代入圖3.2所示的

44、電機(jī)仿真模型中，得到如附錄所示的仿真模型圖，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。1、異步電機(jī)機(jī)械特性的仿真曲線=0時(shí)，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系如圖3.7所示：圖3.7 TL=0時(shí)，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系2、異步電機(jī)仿真模型的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的仿真a.穩(wěn)態(tài)仿真給圖3.2所示模型中的電機(jī)定子施加三相380V、50Hz的額定電壓，預(yù)先施加勵(lì)磁信號(hào)，帶額定負(fù)載直接從靜止啟動(dòng)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電機(jī)仿真曲線如圖3.8所示。(a)(b)(c)圖3.8 電機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真曲線從仿真曲線可以看出，電機(jī)進(jìn)行全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，在0. 4秒內(nèi)的速度、轉(zhuǎn)矩等瞬態(tài)值基本趨于穩(wěn)定而進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)過程。這說明了電機(jī)啟動(dòng)性能好，電機(jī)很快完成了全壓?jiǎn)?dòng)過程。在額定負(fù)載下

45、，實(shí)際轉(zhuǎn)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(fēng)阻等因素的影響。b.動(dòng)態(tài)仿真給圖3.3所示模型中的電機(jī)定子施加三相380V、50Hz的額定電壓，空載直接啟動(dòng)，過1秒后突加10N.m負(fù)載，過2秒后突加5N.m負(fù)載，過3秒后突減10N.m負(fù)載，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.009kg.m2，電機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)態(tài)仿真曲線從仿真曲線可以看出，異步電機(jī)進(jìn)行空載啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速有所降低，轉(zhuǎn)差率s增大，這時(shí)轉(zhuǎn)子電流增大，以產(chǎn)生增大的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載平衡。隨著負(fù)載的減小，轉(zhuǎn)速

46、有所增加，轉(zhuǎn)差率s減小，這說明電機(jī)自適應(yīng)能力強(qiáng)。另外在增加或減少負(fù)載的情況下，實(shí)際轉(zhuǎn)速有所減少或增加而且能很快穩(wěn)定下來，這說明轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好。在最初啟動(dòng)的0.1秒內(nèi)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)不會(huì)有仿真結(jié)果那么大，這主要是由于假設(shè)在瞬態(tài)過程中電動(dòng)機(jī)參數(shù)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)時(shí)相同，這與實(shí)際情況有出入，因?yàn)闆]有考慮電機(jī)在瞬態(tài)大電流下的飽和效應(yīng)。在0.1秒以后，瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)趨于平穩(wěn)，這基本與實(shí)際情況相符，因?yàn)檫@是電機(jī)的飽和程度己大大降低，電機(jī)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(jī)的定子電壓、電流及轉(zhuǎn)子磁鏈；能顯示電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、同步角頻率、轉(zhuǎn)差角頻

47、率等許多電機(jī)的物理量?？梢苑奖愕赜糜陔姍C(jī)及控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究。矢量控制系統(tǒng)仿真異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示，異步電機(jī)的仿真模型結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，系統(tǒng)仿真是利用SIMULINK仿真軟件在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的。電機(jī)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(zhuǎn)速階躍給定為1500r/min，2秒后突加2N.m負(fù)載，4秒后突減15N.m負(fù)載，6秒后突加25N.m負(fù)載，8秒后突減20N.m負(fù)載，電機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)態(tài)過程仿真中的各主要物理量的變化曲線轉(zhuǎn)速階躍給定為1500r/min，帶10N.m的負(fù)載啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，1.5秒后突加10N.m負(fù)載，2.5秒后突減5N.m負(fù)載，電機(jī)動(dòng)態(tài)過程仿真曲線如圖3.11所示。(a) (b)(c)圖3.11 電機(jī)動(dòng)態(tài)過程仿真曲線從仿真曲線可以看出，上升時(shí)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(zhuǎn)矩和電流已基本達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)負(fù)載變化波動(dòng)小，并且很快達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)給定值具有良好的動(dòng)靜態(tài)跟蹤能力，控制系統(tǒng)的各個(gè)部分協(xié)調(diào)運(yùn)行。 擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響外界擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能影響的分析由圖3.8分析得電機(jī)進(jìn)行全壓?jiǎn)?/p>

49、動(dòng)速度、轉(zhuǎn)矩等瞬態(tài)值基本趨于穩(wěn)定而進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)過程。體現(xiàn)出電機(jī)良好的啟動(dòng)性能，電機(jī)在非常短的時(shí)間內(nèi)很快完成了全壓?jiǎn)?dòng)的整個(gè)過程。在額定負(fù)載下略比額定值高，在實(shí)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(jī)進(jìn)行空載啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速有所降低，轉(zhuǎn)差率s增大，這時(shí)轉(zhuǎn)子電流增大，以產(chǎn)生增大的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載平衡。隨著負(fù)載的減小，轉(zhuǎn)速有所增加，轉(zhuǎn)差率s減小，這說明電機(jī)自適應(yīng)能力強(qiáng)。另外在增加或減少負(fù)載的情況下，實(shí)際轉(zhuǎn)速有所減少或增加而且能很快穩(wěn)定下來，這說明轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好。在最初啟動(dòng)的0.1秒內(nèi)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)不會(huì)有仿真

50、結(jié)果那么大，這主要是由于假設(shè)在瞬態(tài)過程中電動(dòng)機(jī)參數(shù)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)相同，這與實(shí)際情況有出入，因?yàn)闆]有考慮電機(jī)在瞬態(tài)大電流下的飽和效應(yīng)。在0.1秒以后，瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)趨于平穩(wěn)，這基本與實(shí)際情況相符，因?yàn)檫@是電機(jī)的飽和程度己大大降低，電機(jī)的參數(shù)己接近穩(wěn)態(tài)參數(shù)。經(jīng)過在不同負(fù)載情況下，比較電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，負(fù)載的變化直接影響著電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、同步角頻率、轉(zhuǎn)差角頻率等許多電機(jī)的物理量并且定子電壓、電流及轉(zhuǎn)子磁鏈也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮負(fù)載對(duì)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(jī)的定子電壓、電流及轉(zhuǎn)子磁鏈；能顯示電磁轉(zhuǎn)

51、矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、同步角頻率、轉(zhuǎn)差角頻率等許多電機(jī)的物理量?？梢苑奖愕赜糜陔姍C(jī)及控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究。系統(tǒng)參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制，需要測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，但是磁鏈?zhǔn)请妱?dòng)機(jī)內(nèi)部的物理量，直接檢測(cè)在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)。因此，多采用間接觀測(cè)的方法，即檢測(cè)與磁鏈有關(guān)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如定子電壓、電流或轉(zhuǎn)速等，然后根據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位。此外也可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的指令值、檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)或轉(zhuǎn)子速度信號(hào)，通過計(jì)算求得磁鏈的幅值和相位。同時(shí)利用能夠?qū)嶋H測(cè)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(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)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(jìn)行比較或?qū)σ环N系統(tǒng)建立不同的調(diào)速方案進(jìn)行實(shí)際比較必然會(huì)浪費(fèi)太多的人力和物力，若是應(yīng)用系統(tǒng)仿真的方法進(jìn)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(diǎn)的體現(xiàn)，它能通過建立逼真的仿真模型和在計(jì)算機(jī)上反復(fù)的仿真試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行綜合分析和比較，從而為科學(xué)決策提供可靠的依據(jù)。它除實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律外，也便于故障監(jiān)視、診斷和保護(hù)、人機(jī)對(duì)話等功能的實(shí)現(xiàn)。在仿真時(shí)如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能不理想，則可用人機(jī)對(duì)話的方式改變控制器的參數(shù)、結(jié)構(gòu)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(shí)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(yùn)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(shè)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(fù)載發(fā)生了顯著的變化，但電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩和電流在0.3秒以內(nèi)就達(dá)到了穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)精度高，而且超調(diào)量小，對(duì)負(fù)載變化波動(dòng)也小，并且很快達(dá)到穩(wěn)定。體現(xiàn)出了對(duì)給定值的良好動(dòng)靜態(tài)跟蹤能力，此時(shí)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(jié)和展望本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了近年來矢量控制在現(xiàn)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中運(yùn)用的狀況，并通過仿真實(shí)驗(yàn)研究了矢量控制系統(tǒng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文前部分對(duì)矢量控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的

54、數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(dòng)機(jī)矢量控制部分的仿真模型的前提下，應(yīng)用MATLAB軟件中強(qiáng)大的SIMULINK仿真工具進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。通過仿真實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、有擾動(dòng)情況以及系統(tǒng)參數(shù)變化等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了通過矢量變換建立的電機(jī)模型的正確性、有效性。同時(shí)分析了系統(tǒng)在空載加擾動(dòng)，滿載加擾動(dòng)等多種情況下系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)仿真表明，適當(dāng)?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(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)給定值具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤能力，控制系統(tǒng)的各個(gè)部分協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，獲得了具有理想性能的調(diào)速系統(tǒng)。在應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能不理想，則可用人機(jī)對(duì)話的方式改變控制器的參數(shù)、結(jié)構(gòu)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(shí)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(yùn)行特性，包括實(shí)際不可能的工況或?qū)υO(shè)備會(huì)產(chǎn)生故障的工況，還可以應(yīng)用于教學(xué)和培訓(xùn)中，具有廣闊的發(fā)