异步电动机矢量控制系统设计及仿真综述.docx
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异步电动机矢量控制系统设计及仿真综述
异步电动机矢量控制系统设计及仿真
摘要
现代交流调速系统在矢量控制技术出现以前多用恒压频比的控制策略，采用这个控制策略的不足之处是在电动机低速转动或者在加减速、加减负载等动态情况下，系统性能显著降低，致使交流调速系统在低速、启动时转矩的动态响应以及整个系统的稳定度方面比直流调速系统逊色，这样就不能满足人们的高精度需求。
后来，交流异步电动机控制开始大踏步从标量控制向矢量控制迈进了。
下面就来简要介绍下矢量控制理论。
矢量控制发展起来的基础和核心理论支撑是坐标转换原理，机电能量转换理论等一些电机学的概念。
这一控制的根本思想方法其实就是将异步电动机模仿成直流电动机来控制。
只要建立出与三相交流绕组等效的两相绕组，即可建立与异步电动机等效的直流电机模型，再加上相应的比例积分调节环节，于是就可按对直流电机的控制策略对异步电动机进行控制。
因而使用矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，使得调速性能得以优化提高。
这次毕设中我根据这个思路成功地进行了MATLAB仿真。
关键词：
交流电动机；矢量控制调速系统；仿真
TheDesignandSimulationofVectorControlSystemofAsynchronousMotor
Abstract
Beforethetechniqueofvectorcontrolsystemwasinvented,alternatingcurrentspeedcontrolsystemusedconstantV/fratiocontrolmethodwitchisnormallyknownasscalarcontrol.Systemswhichtakethismethodshowvitaldefectwhenthemotorrunningatlowspeedorundercircumstanceslikeacceleration,deceleration,addingload,reducingload.Alternatingcurrentmotorwitchusevectorcontrolcanachievethesamecontrolperformanceasconstantcurrentmotor,evenbetter.
Vectorcontroldevelopedfromthefoundationofthetheoryofmotorintegration,mechanical-electricenergytransition,coordinatestransition.Itsmainideaissimulatingconstantcurrentmotortocontrolalternatingcurrentmotor.Oncetheequivalentamongthree-phasealternatingcurrentwingding,two-phasealternatingcurrentwindandrotatingconstantcurrentwindingisestablished,themodeofalternatingcurrentmotorthatsimulatingconstantcurrentmotorcanbecreatedaswell.Therefore,asynchronousmotorcanbecontrolledinwaysaccordingtosynchronousmotor.Sothatvectorcontrolcanachievedynamiccontrolofelectricaltorqueofasynchronousmotorandreachahighlevelofspeedcontrolperformance.IhavesuccessfullymadeaMATLABsimulationofthesystem.
KeyWords:
AsynchronousMotor;VectorControl;Simulation
第1章绪论
1.1交、直流调速系统
一般来说，电力传动控制系统由电动机和控制装置组成。
交流调速系
统是一种以控制对象为交流电动机的电力传动自控系统；与此同理，当以直流电动机为控制对象时的电力传动自控系统便是直流调速系统啦，这个不难理解。
直流调速系统在20世纪中期前都有着毫无疑问的重大作用对电气工程事业的发展起到推动作用，它之所以受青睐主要是因为它采用电流、转速两个闭环调速系统能获得良好的静、动态调速特性。
一方面，该系统在额定转速以上通过使电枢电压保持不变而改变励磁电流实现恒功率调速即所谓的弱磁调速；另一方面，能实现恒转矩调速。
不过什么事都是一分为二的，直流电机也存在其自身致命缺陷和不足，那就是它在结构上有接触摩擦式电刷与换向器结构。
如下图1-1所示。
图1-1直流电机的换向器和电刷
换相结构对直流调速系统的发展的限制具体表现在：
有会产生火花的隐患，直接导致其不能适合严谨存在火花的场合，否则极易造成火灾爆炸事故；为了让直流电机的换向器能可靠地工作，需要增大换向器和电枢的直径，这样又导致电机的转动惯量很大，不能满足有快速响应的生产场合的需要。
这样以来便使得直流调速系统的维护工作量相当大，为了其正常工作需要储备一定的资源，故成本高昂，与此同时定期的停机检修也会使得工厂车间的生产效率降低；最后，换相器为防止环火的发生对电机运转速度及换相电流、电压有限定值，这会极大地限制了每台直流电动机的最大转速和运行功率。
显然大功率的电动机制造起来更难，成本高昂，故直流调速对大功率高转速的电机应用场合不适合。
简而言之，直流调速系统的发展及其应用因此受到桎梏。
交流电动机因而有不少的优点，比如，因为异步电动机的结构较直流电机简单只有定子三相电压输入，所以在体积相同的情况下异步电动机的输出功率一般都会比直流电动机的输出功率大很多。
故而在输出功率相同的时候，异步电动机的体积一般也会比直流电动机的体积小很多。
同样，在输出同样大功率的情况下，异步电动机的重量比直流电动机的重量轻很多。
不仅如此，异步电动机的结构简单而且牢固，运行很久都不会出现故障问题，它的维修量比直流电动机小得多。
另外，异步电动机转速特性和牵引力特性都优于直流电动机，异步电动机调速范围广，速度高牵引力小，速度低时牵引力高，非常适合机车运行的实际需要，而相比之下直流电机尤其是他励直流电机，它的速度特性较硬，在电枢电流变化很多即负载变化较大的情况下输出转速变化不够大，这样不利于机车的速度控制，比如机车在起动时转矩要大，但速度要小才能平稳起动。
异步电动机的输入电压可通过三相桥式全控电力电子电路控制，通过每个桥臂上的晶闸管的一次交替导通即可实现对异步电动机的调速控制可无触点转换，不会像直流电动机那样有电刷和换向器等触点，于是也就不存在因触点存在而产生的如环火、电刷及换相器磨损和定期更换等麻烦的事情，省时省力又省心，同时由于控制异步电动机的电路是电力电子电路，这样便于实现对异步电动机的自动控制。
再次，异步电动机的功率利用好，功率利用系数等于异步电动机最大转速时的电枢电流除以额定转速时的电流。
最后一点也是很重要的，就是异步电动机的谐波干扰小，这个有点的好处不用多说，大家都知道，谐波干扰小就不会对外电子设备的正常工作产生不利影响，对系统本身来说这样也能增强其鲁棒性，降低因干扰而中断工作的概率。
总而言之，直流电机由于其换向器和电刷的存在严重限制了直流电机的发展，而异步电动机不存在这个问题，再加上理论和制造工艺上的日益完善进步，异步电动机的发展前途较直流电机大得多，可以说异步电动机在工业、国防以及人们生活中取代直流电机是大势所趋。
1.2交流调速系统概述
电能，这种中间能源它不管是在生产中亦或是在变换中均相对十分的不费钱，传输和分配的技术成熟，只要硬件部分如发电厂、变电站、电线杆等建设到位电能便不再占用耕地，使用它不会产生废物和垃圾，控制方便，电气工程师们开发了组态王等软件可以实时监视控制电能的产生、变换、传输和使用，而且电能又是绿色能源，使用起来不会造成温室效应、环境污染之类的问题，所以电能是国民经济个部门动力的主要源泉。
而关键正是在于电机对于在电能重大意义，前者在后者的产生、变化、配置和用户使用等各个环节都扮演着非同寻常之角色，发电厂要有发电机，电扇、冰箱、空调、搅拌机、切割机、机床、机器人、汽车、火车等所有民用或军用的电器或电气设备无一不用到电动机，这其中绝大部分均是异步电动机。
据可靠的统计显示，电机类产生的能耗占到企业总能耗的百分之七十甚至更多，其中众多的机械对电机有调速要求。
因此，我们国家科技水平的一个重要体现点就是电力传动的技术水准。
上节已经详细介绍了直流调速系统的特点与不足。
随着电力电子器件和微机控制技术的发展进步，当然还有矢量控制理论等关键技术的发展、国家对科技发展的大力支持与资助，交流调速技术于是便得以快速之发展。
交流电动机尤其是鼠笼型的三相交流异步电动机，它的结构十分坚固因而持久耐用，其转动惯量小，易于控制，而且它结构简单体积小，维修不费力，可应用于外部条件十分恶劣的场合。
图1-2交流异步电动机结构
直流电机的气隙磁场由由励磁绕组的励磁电流产生，与此不同交流异步电动机的气隙磁场是由定、转子绕组一起共同作用而产生，于是交流异步电动机的电磁转矩
不是和定子电流
，
，
成正比。
实际上，异步电动机的数学模型是个强耦合、非线性、高阶的多输入多输出系统，对其进行有效控制的策略便是矢量控制。
成功用于交流调速的
矢量控制理论得益于以下几个方面的突破：
电力电子器件的强势发展为交流调速系统的成长奠定了物质基础；现代微机控制技术和集成电路的发展为交流电动机调速提供了必要的技术手段；脉冲宽度调制技术即PWM技术使得变频器装置性能得到优化提高，这为交流调速系统的普及发挥了重要技术支撑作用。
PWM技术具有相控技术不能比拟的优势，即能让三相交流异步电动机定子获得与正弦波相等效的输入电压和电流，这样便提高了异步电动机的输出效率和功率因数；矢量控制技术诞生。
该理论采取状态重构和参数重构法等现代自控理论实现了将三相交流异步电动机的定子电流的分解为励磁电流
和转矩电流
。
于是便可仿照直流电动机的控制办法来控制交流异步电动机，交流调速系统也因而有了可靠的性能。
上世纪70年代，F.Blaschke等人提出了，不就美国人P.C.Custman和A.A.Clark申关于电动机定向的原理，并请了相关的专利。
一个独创性理论的诞生其产生的相应的一系列的革新作用不容小觑，这些都奠定了矢量控制理论的基础。
在当代科技是把锋利的宝剑，可以说任何技术突破和产业的升级换代都离不开科技创新。
我国的科技研发和转化水平较西方和日本还有几十年的差距，这令我们这一代共和国的青年技术工作者感到一股强烈的振兴科技、促进科技强国成形的巨大使命感，我们一定要在3-5年内研究或发明出有自己民族自主品牌的技术，且该技术转化成商业产品后要具有全球影响力，让其他国家的本科或者硕士学生在写毕业论文时也必然要引用到我们发明的技术。
交流调速技术适合自动控制系统的TMS240X系列的DSP芯片还有一些高档的单片机大大促进了交流调速系统由模拟控制向着数字控制系统过度，各种针对运动控制的的片内丰富资源以及运算速度的大大提高使得很多控制算法具有了可行性。
交流调速是目前有着最广泛的应用和最有发展潜力的调速方式，在电力传动系统占据主导地位，其在工业上的应用大大超过了直流调速系统。
所以作为当代的电气工程及其自动化专业的年轻人我想借着本次毕设机会好好的集中研究一下交流调速传动系统，这不仅可以增长见识，巩固专业知识，也是为不就的将来走上工作岗位打下坚实的基础。
我们的国家的现代化事业需要的是有真才实干的人。
切实掌握当代最先进的矢量控制调速技术对今后的在交通事业方面发展无疑有重大积极意义。
第2章异步电动机之矢量控制理论
2.1异步电动机之数学模型
生产生活中对于工厂里的机器人、车间里的轧钢机、数控机床还有大楼的载客电梯等这些都是有高动态性能的调速系统或伺服系统，采用平滑调速的恒压频比的异步电动机调速控制显然满足不了要求。
要实现高动态性能则需对异步电动机的数学模型有深刻的认识。
2.1.1关于异步电动机数学模型之性质
研究异步电动机的动态数学模型人们自然而然的会先将异步电动机同同步电动机在结构以及工作原理等方面作一番比较。
因为电机学中直流电机结构和工作原理是人们最容易理解和学会的。
做完了比较后，大家就会发现原来异步电动机的结构和原理其实没那么发杂可怕。
直流电机是个单输入单输出系统，即一个输入变量电枢电压，一个输出变量转速。
而异步电动机是有输入电压和输入频率两个输入变量以及磁通和转速这两个输出变量的。
三相异步电动机的定子和转子分别有三个绕组，每个绕组都有自身的电感同时相互之间也会产生互感，再加上变频装置可能产生的滞后因素以及运动系统转速与转角的积分关系等都使得它和他励直流电动机的数学模型在本质上不同。
当然，就一个绕组而言，感应电动势正比于转速乘以磁通，
，电磁转矩正比于电流乘以磁通，
，这是电动机中的基本的电磁公式，不论对异步电动机还是同步电动机均是适用的。
值得提出的是直流他励电动机的磁通是恒定的（由励磁绕组得到励磁电流产生），而在异步电动机中，只有一个三相交流电压从定子输入，所以在电机中磁通的形成和转速的变化同时发生，转矩和电动势也是由两个交变量相乘而得，所以异步电动机的模型一定不会是线性的，这就比线性的同步电动机模型复杂很多。
交、直流电动机的不同的结构、不同的工作原理决定了二者的数学模型差异。
2.1.2数学模型构建
在做出三相异步电动机的数学模型必须要先预设出一个合理的前提条件，即使得那些会影响电动机工作的次要因素或者非主要的因素先设为常数或者假设其对电机工作无影响。
这些假设有：
不考虑频率变化以及温度变化对电机中定、转子绕组电阻的影响；不考虑磁路饱和的影响即定子和转子的各个绕组的电感及它们相互间的互感均是常数；不计铁芯损耗；不计齿槽效应以及空间谐波影响，而认为三相绕组对称，它们在空间上互差120度电角度，故而其产生沿着气隙周围按正弦规律变化的磁动势。
若三相感应电动机转子是绕线式的则应先对转子进行归算一下，之后再将转子参数折算至定子的那一侧就好了；若转子为鼠笼型，则先将转子等效为绕线式转子再归算到定子侧。
这样可做三相异步电动机的模型如图2-1：
图2-1基于异步电动机物理构造而绘制的模型
图2-1中显而易见三相绕组的轴线A、B和C在空间上是固定点的这点不难理解；与此不同的是转子的三个绕组a、b、c是跟随着转子旋转的，因而亦为旋转的，与此同时，
称作空间角位移变量。
这样一个异步电动机的构造就清晰的勾勒出来了，有了这幅构造图，其他的公式的得来就不难理解了。
以此为依据依次写出异步电动机的运动方程、转矩方程、磁链方程和电压方程等一系列的研究电动机至关重要的方程。
首先是异步电动机运动方程
（2-1）
其中
为电动机电磁转矩（N*m），
为负载转矩（N*m）,
为机组转动惯量，
为极对数
其次是转矩方程
（2-2）
式中
:
磁场中的储能，
：
磁共能
电磁转矩
等于磁共能随着机械角位移
（等于电角位移除以极对数）的变化率：
（2-3）
接下来是磁链方程式
（2-4）
或者写成：
（2-5）
（2-6）
最后是电压方程式
（2-7）
或者写成
（2-8）
，
为定、转子绕组电阻，
、
、
、
、
、
为定、转子相应电压瞬时值，
、
、
、
、
、
为定、转子相应电流瞬时值。
这样由以上方程便可综合得到异步电动机的动态数学模型：
（2-9）
模型如下图2-3
图2-2交流电机非线性多变量结构
2.2异步电动机的坐标变换
交流电动机的控制是通过矢量的坐标变换把交流电机的转矩控制等效为直流电机的转矩控制，因而矢量的坐标变换是实现对交流异步电动机转速控制的重要一环。
2.2.1坐标变换的原则思路
以产生同样的旋转磁动势为原则以及根据坐标变换前后的功率不变原则可以将交流异步电动机的三相绕组等效成直流电动机的两相绕组，如图2-2。
图2-3等效成的两相直流型电动机的模型
根据坐标变换原则，异步电机定子电流
、
、
和静止坐标系下两相垂直的交流电流
、
产生相同的旋转磁场。
故上述三相电流和两相电流之间存在着唯一对应的函数关系，再通过按转子磁场定向的的旋转变换，便得到同步旋转坐标系下的直流电流
、
。
这样便可模拟直流机来控制啦。
这一等效思想奇妙之处就在于此。
在这里也可以看出科学家们是多么的善于转化和创新。
我们读者也应受到启发，异步电机发杂的结构和工作原理原来是有办法控制的，不过需要我们换一个角度思考问题。
科学家们提倡办法总比问题多，鼓励年轻人多提问题原来就是告诉人们要有发散性思维，不受思维定式的桎梏。
当然这些等效的矢量在物理上是不存在，这么等效是为了方便计算，当计算出结果后再通过反左边变换来控制物理上实际存在的定子交变电流。
3/2变换矩阵为：
（2-10）
同理2/3变换矩阵为：
（2-11）
其中，类比类推或由数学上的矩阵公式推导一下即可得到：
（2-12）
易求得
（2-13）
只要动下笔计算便可以证明，磁链和电压的变换矩阵与上述电流变换矩阵是一致的。
坐标变换前后没有违反变换前后产生一致的旋转磁场这一原则，而变换后的
坐标系上的数学模型，十分有利于对异步电动机调速系统的分析和设计，需要强调的是尽管如此，异步电动机性质并没有改变，这一切只是计算电动机某些分量以供控制系统实现闭环稳定控制。
在定子坐标系对交流电压进行控制时要将经3/2变换、旋转变换计算得到的直流给定量在经过相应坐标反变换变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系控制输入的交流电压使其实际值与给定值相等。
整个控制过程如下图2-4
图2-4异步电动机的矢量控制坐标变换过程图
2.3异步地电动机根据矢量控制法则设计的调速系统
矢量控制变频器能交流电动机的转矩和磁通电流进行检测控制，并自动改变输入的电压的频率和幅值，使检测实际值与给定值达到一致，从而实现对异步电动机的变频调速。
这样便提高了电机控制的动态品质和静态精度。
采用矢量控制电机调速系统的优点有可以对转矩实现较为精确的控制；系统的动态响应快；电动机的加速度特性好；能从0转速起进行速度控制，调速范围广泛。
异步电动机的矢量控制调速理论基于上节所讲的坐标变换理论，通过控制，把上述比拟直流电动机的控制关系用结构画出来如图2-5
图2-5调速系统结构图
由图2-5可看出，整体上电动机定子输入为A、B、C三相电压，输出为角速度
，乃是一台交流异步电机，但是从内部分析却是台通过3/2变换和矢量旋转变换后的由
、
输入，
输出的直流电机。
由模型可推导出：
（2-14）
为转子电路时间常数。
（2-15）
（2-16）
（2-17）
（2-18）
可根据这些条件实现对定子电流解耦和转子磁链观测，如图2-6、图2-7
图2-6异步电动机通过矢量变换实现定子电流解耦数学模型
图2-7旋转坐标系中转子磁链观测模
最后是PWM变频器模块的设计。
PWM技术应该说是当代电力电子技术中的一项比较厉害的技术了，大三上学期本人在电力电子课上曾经认认真真的学习和研究了一下这门技术，当时课的老师胡文华老师讲的也是很详细而且深入浅出，由于这项技术不仅是名字听起来很高大上，而且在现代社会也有着十分重要的作用，在高科技领域占有一席之地，是我们电气工程及其自动化专业的学生必须了解和掌握的一项技术。
本人在大三下学期的计算机仿真课上曾做过大量的电力电子学仿真。
其中，由于特殊的兴趣，我做了大量的有关PWM的仿真，比如单极单极性SPWM，三相双极性SPWM和单相双极性SPWM。
这些仿真实验的成功都让我对PWM技术有了一定的认识和了解，为我在这次的毕业设计积累的必要的技术储备。
所以现在一到我看到PWM这个字眼，就会感到一股亲切的似曾相识感。
原来知识不仅能改变命运，还是巨大快乐的源泉。
PWM的英文名全称叫做pulsewidthmodulation，翻译过来即是脉冲宽度调制的意思。
它的理论依据就是等效原则，所谓等效指的的面积的等效，比如把幅值和宽度调整到一定值时一组宽度各异的脉冲在时间轴上围得面积就可以做到与给定正弦脉冲在时间轴上所围的面积相等。
基于这一等效原则得到的等效脉冲波形往往对一个系统具有重大意义，因为可以通过调节使得这组宽度各异的脉冲波与任意连续的信号脉冲想等效，可以想象通过PWM技术得到的一组脉冲波可以有任意的频率和有效值，其中就可能有某一一组脉冲的频率和有效值能满足控制异步电动机的需要。
由于电机运行状态可能会比较复杂，如加减速或加减负载，为了使异步电动机能在这样的动态条件下仍有稳健的运行性能，要求系统要有迅速的自我调节、维持稳定的能力，这自然让人们想到现代自动控制理论中关于维持系统稳定的相关知识，学过自控原理的人都知道这需要设计一个闭环控制系统，以实时地调整定子电压输入。
这样经过PWM技术输入到三相异步电动机定子的输入电压是动态变化的，当达到动态平衡时，电动机即会稳定运行下去。
在对本仿真的应用是对电流的闭环控制故可采用电流滞环跟踪控制技术，采用了这个技术就可以做到对定子电流幅值和频率的控制，而且此法响应速度很快，其电路原理图如下图2-8所示。
图2-8（a）电流滞环跟踪控制的原理
图2-8（b）电流滞环跟踪控制的原理
第3章矢量控制系统的仿真
3.1MATLAB仿真工具介绍
20世纪80年代以来，人们越来越多的利用计算机仿真工具来对交流电机及其调速系统进行设计分析和研究。
这样在计算机模拟环境下运行既可以得到可靠的数据又节省了在实际实验室条件下研究的成本和时间。
MATLAB是美国工程师发明的一种以矩阵运算为基础的工程计算语言。
其功能十分强大，不仅体现在计算方面而且在计算结果的分析和数据的可视化方面。
另外MATLAB还有界面友好、编程效率高、扩展性强等优点。
MATLAB提供的SIMUINK她能神奇地对动态的实际情景进行模拟和分析。
它适合连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统、以及线性、非线性系统。
用户从其模块库中选取各种功能模块或电路元器件按一定顺序组合到一起构成某个系统便可开始对该系统仿真，系统一般由输入模块、主电路、接收模块组成。
各个电路模块元件双击后便可赋值和设计参数，非常简便，同时还能用仿真元器件中的示波器元件动态地显示仿真结果，直观地向设计者反馈系统是否正常运行等信息。
当仿真电路过于庞大或复杂时还可以通过构造子模块使得仿真电路看起来更清晰简洁、一目了然。
MATLAB的绘图能力也是值得一提，它能示波器里观测到的波形保存并传到工作空间，这样就可以到工作空间用MATLAB里相关的命令语言重新打开所需要的波形图，并能对该图做合理的加工，比如增长或缩短横轴或者纵轴的单位长度使图形更加清晰。
当然还能对图形颜色进行加工，让不同路信号的波形同时出现在一幅图里便于比较和观测。
这些都不过是MATLAB强大功能的冰山一角。
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