异步电机调速的矢量控制技术研究.docx
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异步电机调速的矢量控制技术研究
南京工程学院
康尼学院
本科毕业设计（论文）
题目：
异步电机调速矢量控制技术研究
专业：
自动化（数控）
班级：
K数控ZB103
学号：
240107119
学生姓名：
李康
指导教师：
施昕昕讲师
起迄日期：
2014.2～2014.6
设计地点：
工程实践中心
GraduationDesign（Thesis）
TheVectorControlofInductionMotorControl
By
LiKang
Supervisedby
Lecturer.SHIXinxin
SchoolofAutomation
NanjingInstituteofTechnology
June,2014
摘要
三相交流异步电机广泛应用与现代化工业生产中，与其他电机相比较而言，异步电机的结构相对简单，在制造、使用、维护等方面较为方便，并且其运行性能比较可靠。
但是异步电机的调速性能较差，异步电机在控制方面比较复杂，而直流电机在这方面则较为理想，在当今工业迅速发展的时代，异步电机不能满足很多场合的要求，因此需要新的替代品来满足工业发展的需要。
矢量控制的基本原理就是通过一系列的坐标变换形式，把异步电机等效成直流电机的控制方式，这样既实现了异步电机的诸多良好性能，又可以运用较为简单的控制方法。
矢量控制的雏形是由德国科学家提出的，经过不断的研究与改进已经得到了很好的发展。
结合异步电机的优越性能和直流电机的控制方法简单，科学家研究出了矢量控制技术方法，根据交流三相异步电动机的模型性质，构建矢量控制的整体框图，同时得出三相异步电动机在A、B、C静止坐标系统和二相同步旋转MT坐标系下数学模型，运用MATLAB搭建系统的仿真框图，最后进行系统的仿真调试。
关键词：
异步电机；矢量控制；MATLAB仿真
ABSTRACT
ThreephaseACasynchronousmotoriswidelyusedinmodernindustrialproduction,comparedwithothermotor,asynchronousmotorstructureisrelativelysimple,inthemanufacture,use,maintenanceandotheraspectsaremoreconvenient,anditsperformanceisreliable.Buttheasynchronousmotorspeedcontrolperformanceispoor,theinductionmotorcontroliscomplicated,andtheDCmotorinthisregardisideal,intheindustrialeraofrapiddevelopment,theasynchronousmotorcannotmeettherequirementsofmanyoccasions,soweneednewalternativestomeettheneedsofindustrialdevelopment.
Thebasictheoryofvectorcontrolisthroughtheformofaseriesofcoordinatetransformation,theasynchronousmotorisequivalenttocontrolDCmotor,itcanimplementalotofgoodperformanceoftheasynchronousmotor,butalsocanusethecontrolmethodissimple.TheprototypevectorcontrolwasproposedbyGermanscientists,throughresearchandcontinuousimprovementhasobtainedtheverygooddevelopment.
CombiningthecontrolmethodofasynchronousmotorexcellentperformanceandsimpleDCmotor,scientistshavedevelopedavectorcontrolmethod,accordingtothemodelofthreephaseACasynchronousmotor,constructsthewholeblockdiagramofvectorcontrol,themathematicsmodelofthreephaseasynchronousmotorsynchronizationinA,B,Cstaticcoordinatesystemandtwo-phaserotatingMTcoordinatesystem,simulationblockdiagramusingtheMATLABbuildsystem,finaldebuggingsystemsimulation.
Keywords:
Inductionmotor;vectorcontrol;MATLABsimulation
目录
第1章绪论........................................................................................1
1.1引言.............................................................................................................1
1.2选题背景与意义..........................................................................................1
1.3异步电机矢量控制的研究现状.................................................................2
1.3.1交流调速系统控制技术的发展.........................................................2
1.3.2直流电机的脉宽调制技术的发展.....................................................3
1.3.3运动控制系统的历史与发展.............................................................3
1.4本文结构.....................................................................................................4
第二章异步电机工作原理及数学模型...........................................5
2.1三相异步电机的工作原理.........................................................................5
2.2三相异步电机的物理模型.........................................................................5
2.3坐标变换......................................................................................................7
2.3.1坐标变换的目的.................................................................................7
2.3.2三相-两相变换（3/2变换）..................................................................8
2.3.3静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）..............................................10
2.4异步电机在正交坐标系上的动态数学模型.............................................11
2.5本章小结.....................................................................................................12
第3章异步电机调速矢量控制系统设计.......................................13
3.1按转子磁链定向矢量控制的基本原理....................................................13
3.1.1矢量控制的基本原理........................................................................13
3.1.2电流闭环控制方式............................................................................14
3.1.3转矩控制方式....................................................................................15
3.1.4转子磁链计算....................................................................................16
3.1.5电压空间矢量技术............................................................................17
3.2异步电机调速矢量控制系统设计.............................................................19
3.2.1系统各部分模块分析........................................................................19
3.2.2PI控制器模块的设计.........................................................................24
3.3本章小结.....................................................................................................25
第4章异步电机调速矢量控制系统建模仿真...............................27
4.1仿真工具MATLAB与SIMULINK.........................................................27
4.1.1MATLAB概述...................................................................................27
4.1.2SIMULINK概述................................................................................27
4.2系统建模与仿真.........................................................................................28
4.2.1模型设计............................................................................................28
4.2.2参数设置............................................................................................29
4.2.3仿真结果与分析................................................................................30
4.3本章小结.....................................................................................................33
第五章结论......................................................................................35
5.1论文总结.....................................................................................................35
5.1.1主要工作及结论................................................................................35
5.1.2存在的问题........................................................................................35
5.2感想与收获.................................................................................................36
致谢......................................................................................................38
参考文献..............................................................................................39
附录A..................................................................................................41
附录B..................................................................................................42
第一章绪论
1.1引言
直流电气传动和交流电气传动在19世纪中先后诞生，交流调速和直流调速在工业中的优劣性长期以来一直存在争议。
在交流电机调速技术发展之前，直流电机直流调速技术在理论上和实践上都较为成熟，在调速场合几乎占据了垄断的地位。
但是随着工业化的发展，直流电机存在着调速系统稳定性差、成本高、功率低、难维护、容量、电流、电压、受到多方面的原因，直流电机难以满足当代工业化的生产要求。
由于直流电机存在的种种缺点进而促使交流电机的发展，交流电机首先在不调速的领域慢慢取代了直流电机。
交流电机本身是一个非线性、强耦合、高阶、多变量系统，但是其可控性能较差，随着工农业生产的不断发展和社会进步，人们对系统的调速性能要求也越来越高，而异步电动机在这一方面欠缺太多，并且交流电机的电磁转矩关系复杂难以实现有效的控制[1]。
直流电机由于其机构的不同可以进行对电枢电流和励磁电流进行单独控制和调节，因而直流电机的电磁转矩具有控制简单灵活的特点。
然而直流电机和交流电机在磁通控制方面有相似的部分，因此科学家研究出了矢量控制的方法，该技术可以结合交流电机的优越性能和直流电机的易于控制的特性从而达到很好的控制和工作要求。
但是矢量控制调速系统是国内当前电气传动和自动化领域研究的热点和技术攻坚的难点，要有突破性的技术实施还需要进一步研究。
矢量控制技术作为一种先进的控制策略，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，具有先进性、新颖性和实用性的特点。
1.2选题背景与意义
当今社会随着工业化的发展对自动化设备性能要求越来越高，电机作为很多设备中不可缺少的重要组成部分，并且电机的发展相当一定程度上决定了工业化的发展方向和前景。
直流电机调速方面控制简单，但是不能达到预期的工作状态，交流电机工作效果良好，但是其复杂的控制系统难以实现。
经过研究发现直流电机和交流电机在磁通控制方面有相同的地方，因此科学家根据这一特点出来矢量控制的方法，矢量控制技术有效结合交流电机的优越性能和直流电机调速方面易于控制的特点，从而达到很好的控制要求和工作要求。
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，非常先进且应用广泛。
随着电力电子器件的迅猛发展，交流调速控制技术也得到迅速的发展。
它经历了相位控制技术、VVVF（VariableVoltageandVariableFrequency）控制技术、转差频率控制技术、脉宽调制技术（PulseWidthModulation,PWM）及矢量控制技术，其中PWM调速是一种很有发展前途的调速方法，而矢量控制技术是很有发展前途的一种新的控制技术[2]。
因此异步电机矢量控制系统的研究对于现代工业发展将会有巨大的帮助，矢量控制系统也是当今科学领域的一个难点和重点。
这一系统的控制理论对于我们自身今后的发展也是有很大帮助的，可以了解当前工业发展的前沿目标，更好的掌握最新的知识。
1.3异步电机矢量控制的研究现状
直流电机虽然调速性能良好，但也存在着难以克服的弱点：
调速系统稳定性差，成本高，功率低，难维护，容量、电压、电流和转速受到换相条件的制约，实际应用对环境要求很高。
交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。
矢量控制方法的提出，使交流传动系统在动态特性方面得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。
矢量变换控制的异步电机调速系统是一种高性能的调速系统，已经在许多需要高精度，高性能的场合中得到应用[3]。
1.3.1交流调速系统控制技术的发展
交流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，调速技术开始向实用性方面发展；到了七八十年代，调速技术得到推广应用，调速己经实现了产品化，性能不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛应用在各工业部门，并且部分取代了直流调速系统；进入九十年代，数字化控制的调速系统获得巨大发展：
先进的电机控制理论被广泛应用。
交流系统的控制远比直流系统复杂的多。
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较大的影响目前实用的交流调速系统的控制方法，有V/F控制,转差频率控制,矢量控制三种[4]，其中矢量控制方法作为最为显著的能有效实现交流系统调速的控制方法，今年来科学家也在致力于完善矢量控制的技术研究，在工业生产中矢量控制也都被广泛的采用，今后很长一段时间内都将作为一项发展的难点和重点项目。
本文的一下章节也主要针对异步电机的矢量控制技术进行简单分析与建模仿真调试，异步电机的调速性能作为一个重点内容。
1.3.2直流电机的脉宽调制技术
异步电机矢量控制最终的目标就是把交流电机等效为直流电机的一种控制方式，为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
它越来越广泛地应用在各种功率的调速系统中。
脉宽调制技术，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。
所采用的电力电子器件都采用全控型器件，如功率MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）等[5]。
PWM技术的发展过程经历了从最初的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。
随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，技术也获得了飞速发展。
从实际应用来看，SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。
人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样的SPWM做简单的近似，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新的道路。
1.3.3运动控制系统的历史与发展
直流电机电力拖动与交流电机电力拖动在19世纪中叶先后诞生，在20世纪前半叶，约占整个电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电机，只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电机。
20世纪后半叶，电力电子技术和微电子技术带动了新一代交流调速系统的兴起于发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局[6]。
进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已成为当今发展的趋势。
直流电机的数学模型简单，转矩易于控制。
其换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。
1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速发展，对直流拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工程设计方法。
交流电机具有结构简单等诸多优点，但其动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电机复杂的多。
早期交流调速系统的控制方法是基于交流电机稳
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