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1、基于MATLAB的三相感应电动机调速系统的设计与仿真摘 要随着社会经济的发展，在实际的工业应用中各行业电气化生产程度不断提高，由于生产工艺日趋复杂，加工工序更加细致。这就要求电动机必须能够完成快速、平稳、多频次的调速任务。笔者通过学校图书馆以及互联网查阅了三项感应电动机的相关文献资料，对于三项感应电动机的数学模型以及矢量控制原理进行了解，为论文研究提供理论基础。在此基础上对基于MATLAB的三项感应电动机调速系统进行仿真设计，通过介绍仿真软件，以及仿真模型的组成，来进行适量坐标变换的仿真工作，通过SVPWM仿真对三相电动机矢量控制调速系统进行防振设计，最后完成控制系统设计。关键词：MATLAB
2、；三相感应电动机；调速系统；设计IIIAbstractWith the development of social economy, the degree of electrification production in various industries in practical industrial applications has been continuously improved. Due to the increasingly complex production process, the processing procedures are more detailed. This
3、 requires that the motor must be able to complete the fast, stable, multi-frequency speed regulation task. Through the school library and the Internet, the author consulted the relevant literature of the three induction motors, and understood the mathematical model of the three induction motors and
4、the principle of vector control, which provided the theoretical basis for the study of the paper. On this basis, three induction motor speed control systems based on MATLAB are simulated and designed. By introducing the simulation software and the composition of the simulation model, the appropriate
5、 coordinate transformation is simulated. The anti-vibration design of three-phase motor vector control speed control system is carried out through SVPWM simulation, and the control system design is completed finally.Key words: MATLAB; three induction motors; speed control system; design目 录1. 引言42. 三
6、相感应电动机的数学模型42.1 一、三相静止坐标系下的数学模型42.2矢量控制原理83.基于MATLAB的三相感应电动机调速系统的仿真103.1仿真软件介绍103.2系统仿真模型的组成103.2.1感应电动机接正弦电压工作103.2.2电动机系统仿真133.3矢量坐标变换的仿真163.4三相感应电动机的SVPWM仿真183.5三相感应电动机矢量控制调速系统的仿真203.5.1构建仿真框图203.5.2对矢量控制模型仿真224.控制系统的软件设计274.1人机交互界面设计274.2 矢量控制程序实现33结论38参考文献39谢 辞40咸阳师范学院2019届本科毕业论文（设计）引言随着科学技术水平的
7、不断提高，相应的电动机调速系统也愈加复杂化，越来越多先进科学控制技术被广泛应用其中，对电动机调速稳定性和暂态性能提升也有着极大帮助作用。因而这就需要相关人员在展开电动机调速系统设计开发时能够充分借助网络计算机存在优势，有效改善优化控制模式，从而便于实现电动机调速系统使用性能的最大限度发挥。1. 三相感应电动机的数学模型1.1 一、三相静止坐标系下的数学模型三相感应电机虽然结构简单，但其数学模型却是相当复杂的，系统的输入为三相交流电压，从数学的角度考虑，则输入变量有两个，电压幅值与电压频率。系统的输出除了转速以外，还有磁链的输出，因此输出变量也有多个，而且输入与输出之间的关系是非线性的，变量与变
8、量之间也不是彼此独立的，因此三相感应电机的数学模型特点是：多变量，非线性与强耦合。实际三相感应电动机就可被等效为如图 1所示1。图 1三相交流感应电机的数学模型三相感应电机有6个绕组，定子的三相绕组的相对位置是固定的，因此它们之间的互感为常数，同理转子直接的互感也为常数，而转子与定子之间也存在互感，转子与定子之间的位置变化导致了互感的变换。由于互感的情况十分复杂，三相感应电机的数学模型也更加复杂了。根据基本的电磁定律可以推导出如下四个微分方程2。（1）电压方程式三相定子绕组的电压方程式为: (1)三相转子绕组的电压方程式： （2）式中自感: 互感:转矩方程式：运动方程式：三相感应电动机的电磁转
9、矩由定转子互感，定转子三相电流和磁通角多个因素同时决定，其中包含有7个变量。对于这样一个复杂的转矩方程想要得到恒定的转矩输出是相当困难的，因此需要寻找新的方法来简化电动机的数学模型，时电磁转矩能由尽可能少的变量来决定，变量数目减少了，才能简单而又有针对性的改变变量值，实现对转矩的轻松控制3。2.2矢量控制原理矢量控制最早由德国人发明，后来在日本得到了较大的发展，如今矢量控制在三相感应电机，永磁同步电机，无刷直流电机的调速系统中得到了广泛的应用。矢量控制系统具有控制简单，调速精准，无定子冲击电流，转矩响应迅速且波动小等优良特点，因而它具有很高的研究价值。根据矢量控制原理的基本思路可知，矢量控制系
10、统调速过程的关键在于得到两轴坐标系下的直流电流，然后对其加以修正，使其修正值能够产生恰当的磁链大小和转矩，用以控制电动机的转速。所以矢量控制系统的大致步骤可以分成三块，首先，将三相定子交流电流通过坐标变换变换到两相旋转坐标系下得到励磁电流和转矩电流的大小，然后用标准的调节器对这两个电流进行调节，最后再将调节好的两个电流分量通过坐标变换逆变为三相交流电流，然后输入到逆变器模块中，驱动其工作，输出三相交流电压。对于基于转子磁链定向的矢量控制系统，转子磁链位置角是三相感应电动机的矢量控制中一个非常重要的参数，没有它就无法进行Park变换和逆变换。因此有必要推导如何获取该参数。下面介绍转子磁链位置的计
11、算过程4。在d-q坐标系中，电动机的电流模型满足下面两式:转子磁链角速度等于转子电角速度与转差角速度的和，即:有以上三式可以计算出磁链的角速度，那么磁链的位置便很容易计算得到了。转子磁链位置角计算公式为:矢量控制的步骤可归纳如下（1）测量定子三相电流和电动机旋转速度;(2)根据上次采样计算的转子磁链角对定子电流作Clake-Park变换;(3)根据坐标变换得到的电流值观测出转子磁链和电磁转矩大小，用于后面的磁链调节和转矩调节;(4)根据转子磁链、转矩电流和电动机转速计算出磁链转速，对其积分即可得到转子磁链位置角(用于下一次的Clake-Park变换和接下来的Park-Clake反变换)。(5)
12、根据给定的磁链大小和反馈的磁链大小对磁链调节，输出参考励磁电流;(6)根据给定的速度大小和反馈的速度大小对速度调节，输出参考电磁转矩;C7)根据参考电磁转矩和反馈的电磁转矩对转矩调节，输出转矩电流。(8)将参考励磁电流与参考转矩电流作Park-Clake反变换，得到参考定子三相电流;(9)将参考定子三相电流与实际定子三相电流作差，经过电流滞环比较器产生6路PWM波，用以驱动逆变电路工作5。矢量控制的基本框图如图 2所示:图 2矢量控制系统基本框图其中2r/3s变换与3s/2:变换所使用到的角度均为转子磁链角，由控制器计算得出，励磁电流和转矩电流的调节过程也由空中器完成。这只是一个粗略的矢量控制
13、系统，没有具体的实现模块，关于更详细的系统框图实现，将在下一章的控制系统的仿真中给出6。3.基于MATLAB的三相感应电动机调速系统的仿真3.1仿真软件介绍MATLAB是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需要。在MATLAB中，每个变量代表一个矩阵，可以有n*m个元素，每个元素都被看作复数摸索有的运算都对矩阵和复数有效，输入算式立即可得结果，无需编译。MATLAB强大而简易的做图功能，能根据输入数据自动确定坐标绘图，能自定义多种坐标系(极坐标系、对数坐标系等7。3.2系统仿真模型的组成3.2.1感应电动机接正弦电压工作 感应电动机由正弦电压直接供电是最常见
14、的工作方式，使用最广泛，仿真这种工况可以对感应电动机的特点有更深刻的理解。正弦电压直接供电的感应电动机的工作模型如图 3所示。模型中三相电动机模型(Asynchronous Machine)连接三相电源(ua, ub, uc)，电动机负载由阶跃信号输入设定，电动机参数通过电动机测量模块(Machines Measurement Demux)测量，通过示波器观测电动机定子三相电流(isa, isb, isc)、转子三相电流(ira, irb, irc)、转速(speed)和转矩(Te ) ,并且由XY图示仪(XY Graph )观测电动机的机械特性(转速一转矩特性)。图 3感应电动机的特性研究模
15、型表 1感应电动机特性研究模型仿真参数三相电源电压220V频率50Hz电动机电压Un380V频率fn50Hz定子绕组电阻Rs0.68ohm定子绕组漏感LIs0.0042H转子绕组电阻Rr0.45Ohm转子绕组漏感LIr0.0042H互感Lm0.1486H转动惯量J0.05kg摩擦系数F0.0081极对数P2负载设定TL加载时间0.5S加载值132仿真参数算法Ode23t相对误差10-5电动机在额定电压下空载启动的波形如图 4所示。在电动机起动到空载运行再到过载运行过程中，电动机的定子电流和转子电流波形如图3.2(a)和图3.2(b)所示，在起动的瞬间，定子电流很大，随着转速的上升，定子电流减小，在空载运行时，电流几乎为零，在0._5s加载后定子电流友迅速增大，定子电流为_SOHz的正弦波。转子电流的变换与定子电流大致相同。图3.2Cc)是电动机的转矩响应，在起动过程中，电动机的转矩是有波动的，在空载速度稳定时，转矩几乎为零，加载后，转
