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1、. . . . 矢量控制的异步电动机调速系统仿真设计摘 要近年来，随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，再加上现代控制理论，特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用，使得交流电机调速技术日臻成熟。以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型，从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制，交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。因此，研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。最后，综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机
2、矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。本设计研究的是矢量控制的异步电动机的调速系统，采用MATLAB软件在其simulink中进行仿真。关键词：坐标变换 矢量控制 异步电动机 MATLAB simulink仿真ABSTRACTIn recent years, with the development of the power semiconductor device，the microele
3、ctronics component, the microcomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day.Depend on the con
4、trol principle of the MC and the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrant opera
5、tion have been testified, which has proved that the system has wide application field. The software of the vector control unit was designed at the end.This design is the study of vector control of the induction motor speed control system,using MATLAB software in its simulink simulation.Key words: ma
6、trix converter vector control induction motor MATLAB simulink simulation. . . . 目 录1摘 要IABSTRACTII一.绪论41.1引言41.2 交流调速技术概况51.3仿真软件的发展状况与应用61.4 MATLAB 概述61.5 Simulink 概述7二.矢量控制理论82.1 异步电机的动态数学模型82.2 坐标变换102.2.1变换矩阵的确定原则102.2.2功率不变原则102.3矢量控制112.3.1 问题分析112.3.2直流电机的转矩控制112.3.3异步电机的转矩分析112.3.4 矢量控制原理12三
7、. 总体模块设计143.1矢量控制结构框图143.2各子系统模块153.2.1求解磁链模块153.2.2 求解转子磁链角模块163.2.3 ids*求解模块163.2.4 iqs*求解模块173.2.5 ABC到DQ坐标变换模块173.2.6 DQ到ABC坐标变换模块183.3 电机参数设置183.4矢量控制环节模块203.5矢量控制的异步电动机调速系统模块20四. Simulink 仿真22五. 结论27致28参考文献29附录1 3s/2r 坐标变换30附录2 *=100和*=150时的比较32一.绪论1.1引言交流电机特别是鼠笼异步电机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、惯量
8、小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。但是交流电机调速比较困难，早期的应用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速，30年代提出了绕线式异步电机串级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调节转差率，效率都很低。另一类调速方法是调节电机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速方法，可以通过变极或变频来实现，其中变极调速只能是有极调速，应用场合有限。 交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率
9、之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。变频调速系统目前应用最为广泛的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒控制，这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控制系统结构最简单，成本最低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提高静、动态
10、性能，首先要用带转速反馈的闭环控制。对此人们又提出了转速闭环转差频率控制的变频调速系统，该方法根据异步电机转矩的近似公式:，在转差s很小的围，只要能够保持气隙磁通m不变，异步电机转矩就近似与转差频率s成正比，控制s就达到间接控制转矩的目的。但是转差频率控制是从异步电机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电机转速做出快速响应的动态过程中，电机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电机的转矩，是影响系统动态性能的关键，人们经过
11、深入的研究，提出了对异步电机更有效的控制策略。异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其最有效的控制首推70年代提出的矢量控制技术。1971年德国西门子公司的F. Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国的P. C. Custman和A. A. Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，经过不断的实践和改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。矢量控制技术的提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法还存在不少问题，矢量控制要以转子磁链定向，然后才能把定子电流分解
12、为磁化分量和转矩分量，使两者互相垂直，处于解耦状态，因此要先求得转子磁链的相位，才能进行坐标变换。但是异步电机，特别使鼠笼式异步电机的转子磁链是无法直接测量的，只有实测电机气隙磁链后再经过计算才能求得，而且气隙磁场本身也常由于齿谐波磁场的影响而难以准确测量，这就影响了以转子磁链定向的矢量控制技术的可靠性。对于这些问题，国外学者进行了大量的理论分析和实验研究，取得了很多实际成果。常用的电机变频调速控制方法有电压频率协调控制(即vF比为常数)、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制等。其中，矢量控制是目前交流电动机较先进的一种控制方式。它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量
13、控制方式。其中基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行Uf恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对输出频率f进行控制的。采用这种控制方法可以使调速系统消除动态过程中转矩电流的波动，从而在一定程度上改善了系统的静态和动态性能，同时它又具有比其它矢量控制方法简便、结构简单、控制精度高等特点。 1.2 交流调速技术概况据统计，电机类的耗电量占企业总用电量的70%以上，因此电机节能对国家经济具有重要的意义，电气传动及其自动化技术是电气技术的重要组成，电力传动的技术发展水平也是体现国家科技水平的重要方面。应
14、用变频调速技术对电机进行节能技术改造，可以有效地节电量，取得很好的经济效益。20世纪60年代以前的调速系统以直流机组及晶闸管构成的直流V-M系统为主。随着80年代IGBT等新型电力电子器件及微机控制技术的发展，及以矢量控制为代表的各种交流调速理论的发展，也伴随着人们为解决能源危机的巨大科研投入，交流调速技术得到迅速发展。交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美。交流调速系统其结构简单、功率大、坚固耐用、惯量小、矢量控制等高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，是目前运用最广泛
15、且最有发展前途的调速方式，在传动系统领域占据了主导地位，在工业应用中远远超过了直流电机调速系统的应用，并有逐渐取代直流调速的趋势。1.3仿真软件的发展状况与应用早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL， SIMNOM， MATLAB/Simulink， Matrix/System Build， CSMP-C等。1.4 MATLAB 概述MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件
