基于MATLAB异步电机矢量控制的仿真研究Word文档格式.doc

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自动化2006级

指导教师：

罗良才李新君

职称：

教授助教

湖南人文科技学院教务处制

湖南人文科技学院毕业论文

湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的本科毕业设计，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，本设计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○年月日

III

基于MATLAB异步电机矢量控制

的仿真研究

摘要：

矢量控制的交流变频调速系统具有非常好的性能和效率，在许多要求高性能和高精度的场合，矢量控制体现出来了其巨大的优势。

对于电气传动系统的研究，往往会遇到数学物理计算的难题，难于得到比较贴近实际系统的模型，随着计算机的飞速发展，建立比较理想的模型成为可能。

利用强大的仿真工具，通过建立逼真的仿真模型，对复杂问题进行综合分析、比较和优化处理，得到系统模型的各项参数。

对模型进行仿真，得到精确的图形和实验数据，为科学决策提供了非常可靠的依据。

文章首先介绍了交流系统的发展历史以及目前的发展现状，概述了矢量控制的基本概念，论文研究的内容、目的和意义。

接下来对异步电动机数学模型的建立进行了详细的推导，得到了合理可行的数学模型。

然后是本文的重点部分，构建出了矢量控制系统的具体模型，并对系统进行实验仿真，研究了系统的静态特性、动态特性、有扰动情况以及系统参数变化时对系统性能的影响。

论文最后对仿真的结果进行了详细的分析和总结，为系统的改进奠定了坚实的基础。

关键词：

异步电机；

SPWM；

矢量控制；

仿真

BasedonMATLABInductionMotorVector

ControlSimulation

Abstract：

VectorcontrolofACvariablespeedsystemhasaverygoodperformanceandefficiency,inmanyoccasionsthatrequirehighperformanceandhighprecisionvectorcontrolmanifestedinitsgreatadvantage.Researchonelectricdrivesystemoftenencountersproblemsofmathematicalphysicscalculations,soitisdifficulttogetclosetotheactualsystemmodel.Withtherapiddevelopmentofcomputer,establishinganidealmodelbecomepossible.Throughusingpowerfulsimulationtools,establishingofrealisticsimulationmodel,toanalyse,compareandoptimizecomplexissuescomprehensively,thenobtainedtheparametersofthesystemmodel.Simulatethemodeltogetaccurategraphicsandexperimentaldataprovidesthescientificdecisionaveryreliablebasis.

ThearticlefirstdescribetheACsystemdevelopmenthistoryandcurrentdevelopmentstatus,brieflyintroducethebasicconceptsofvectorcontrol,thecontentthatthepaperstudies,thepurposeandthemeaning.Nextderivedthemathematicalmodelofinductionmotordetailedlyandgotthereasonableandfeasiblemodel.Thenthekeypartofthispaper,constructedaspecificmodelofvectorcontrolsystem,andsimulatedthesystemtostudythesystem'

ssteady-statecharacteristics,dynamiccharacteristics,thedisturbanceandtheinfluenceonthesystemperformancewhensystemparameterschange.Finallyanalysedandsummarizedthesimulationresultsdetailedly,whichlaidasolidfoundationonimprovementsofthesystem.

Keywords:

inductionmotor;

SPWM;

vectorcontrol;

simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 异步电机交流调速系统概述 1

1.2 论文的研究目的及意义 3

1.3 论文的主要研究内容 4

第2章 异步电机的数学模型 5

2.1 异步电机工作原理简述 5

2.2 异步电机数学模型的建立 6

2.2.1 异步电机的基本方程 6

2.2.2 三相异步电机的数学模型 8

2.3 异步电机在两相坐标系上的数学模型 8

2.3.1 异步电机在二相静止坐标系上的数学模型 8

2.3.2 异步电机在d、q坐标系上的数学模型 9

第3章 异步电机矢量控制系统的仿真研究 11

3.1 矢量控制的基本概念及特点 11

3.1.1 矢量控制的概念 11

3.1.2 矢量控制的特点 13

3.2 仿真工具 14

3.2.1 MATLAB的简介 14

3.2.2 MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用 15

3.3 异步电机矢量控制系统的仿真 16

3.3.1 SPWM变频调速矢量控制的实现 16

3.3.2 仿真结构图 18

3.3.3 仿真模型的验证 20

3.3.4 矢量控制系统仿真 23

第4章 扰动和系统参数变化对系统性能的影响 27

4.1 外界扰动对系统性能影响的分析 27

4.2 系统参数改变对系统性能的影响分析 27

第5章 总结和展望 29

致谢 30

参考文献 31

第1章绪论

交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。

随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。

随着交流传动系统的飞速发展，交流调速系统正以良好的动态、静态性能广泛应用于工业生产的各个领域，打破了过去传动领域内直流调速系统所占的统治地位。

二十一世纪将是交流调速占统治的时代。

1.1异步电机交流调速系统概述

现代交流电机变频调速系统的发展，主要经历了以下几个阶段：

早期通用变频器，大多数为开环恒压频比的控制方式。

其优点是控制结构简单、成本较低。

缺点是系统控制的异步电机矢量控制以及调速性能不高，比较适合应用在风机、水泵等场合，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电磁转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差。

八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量法（或称磁通轨迹法）。

该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。

这种方法被称为电压空间矢量控制，它通过引入频率补偿控制，消除速度控制稳态误差，基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对调速性能的影响。

实现输出电压、电流闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时在一定程度上获得电流波形的改善。

这种控制方法的另一个优点是对再生过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。

近年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，先进的电机控制理论（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）被广泛应用，变频装置中的电力电子器件性能大大提高，同时核心控制计算机从16位机发展到32位机，并且普遍使用高速数字信号处理器（DSP）进行复杂的控制算法运算，实现了快速运算和高精度控制。

现代的数字化控制变频调速系统噪声大大降低，元器件大幅度减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使系统更加可靠。

同时系统在调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率和使用的方便性等方面都是其它交流调速方式不可比拟的。

目前全数字化控制变频调速系统的电流响应可达到0.1~0.7ms，速度响应可达到2~4ms，足以满足传动领域的要求。

当前，数字化变频调速控制系统中普遍使用的控制方式是PWM矢量控制方式（包括电压矢量、磁通矢量和磁场定向等），图1.1示给出了矢量控制调速系统的结构图。

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。

使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系统，成为主要的传动装置。

例如现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了交流调速系统。

图1.1矢量控制调速系统的结构图

矢量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。

直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。

因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视[2]。

随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、神经元控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。

1.2论文的研究目的及意义

电机及其控制在国民经济中起着重要作用。

无论是在工农业生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都