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1、天津科技大学2012届本科生毕业设计异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究THE DISIGN OF THE ASYNCHRONOUS MOTOR VECTOR CONTROL SYSTEM AND ITS SIMULATION STUDY专业：电气工程及其自动化姓名：高智指 导 教 师 ：申请学位级别：学士论文提交日期：学位授予单位：天津科技大学42摘要本文的研究内容是“异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究”。在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳
2、定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的。它的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，建立三相交流绕组、两项交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电机进行控制。因此他可以
3、实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。本文针对异步电动机磁链闭环矢量控制进行研究和探索。通过空间矢量的坐标变换，对系统进行建模，其中包括直流电源、逆变器、电动机、转子磁链电流模型、ASR、ATR、AR等模块。并对控制系统进行了MATLAB/Simulink仿真分析。关键词：异步电动机； 矢量控制； MATLAB仿真ABSTRACT： The content of this study is the design of the Asynchronous motor vector control system and its simulation study. Before the a
4、dvent of vector control technology, most of alternating current speed control system are constant V/f ratio control method which is also often referred as the scalar control. This approach in low-speed and dynamic (such as acceleration and deceleration), such as addition and subtraction load, the sy
5、stem showed obvious defects, so the stability of AC variable speed system, start torque at low speed dynamic response is not such as a DC tune speed system. With the development of power electronics technology, the AC induction motor control technology fully from the scalar control to vector control
6、, vector control of AC motor can be comparable and DC motor control effects, even more than the DC speed control system. Vector control is developed on the basis of the motor unified theory of electrical and mechanical energy conversion and coordinate transformation theory. Its ideology is the async
7、hronous motor simulation into a DC motor to control, coordinate transformation, decomposition of the stator current vector for the rotor field oriented two DC components were controlled, in order to achieve the decoupling of flux and torque control, three-phase AC winding, two exchanges winding and
8、rotation of the DC winding equivalence between the three, in order to find the equivalent asynchronous motor winding DC motor model, in order to control the DC motor control method for asynchronous motor . So that he can achieve dynamic control of the electromagnetic torque, optimize the performance
9、 of the speed control system. In this paper, the closed-loop vector control of asynchronous motor flux research and exploration. By the coordinates of the space vector transformation of the system modeling, including a DC power supply, inverter, motor, the rotor flux current model, the ASR, ATR AR a
10、nd other modules. And control system for the MATLAB / SIMULINK simulation analysis.Key Words：Asynchronous Motor；Vector Control；MATLAB Simulation目 录第一章 绪论1第一节交直流调速系统的相关概念及比较1第二节 交流调速系统的历史和现状2第三节 异步电机矢量调速系统的发展5第二章异步电动机的数学建模分析7第一节三相电机的模型分析7第二节 同步旋转坐标系上的数学模型及状态方程11第三节异步电动机的数学模型12第四节坐标变换和变换矩阵13第五节 异步电动机在
11、不同坐标系下的数学模型20第三章 异步电动机矢量控制的基本原理.23第一节异步电机的电磁转矩23第二节 矢量控制思路的演变过程23第三节 矢量控制的磁场定向26第四节 转子磁链观测器28第五节 异步电机矢量控制系统30第四章 异步电动机矢量控制系统的仿真分析33第一节SIMULINK软件基本介绍33第二节 异步电机矢量控制系统仿真模型的建立33第三节 各模块参数设置36第四节仿真结果37第五章 全文总结40参考文献41致谢42天津科技大学2012届本科生毕业设计第一章 绪论第一节交直流调速系统的相关概念及比较电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。交流调速系统是以交流电动机作为控制对象的电力传
12、动自动控制系统。直流调速系统是以直流电动机作为控制对象的电力传动自控系统。直流调速系统可以在额定转速以下通过保持励磁电流改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上通过保持电枢电压改变励磁电流来实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的静、动态调速特性，因此直流调速在很长时间以来(20世纪80年代以前)一直占据主导地位。 但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这就给直流调速系统的开发及应用带来了一系列的限制，具体表现在以下几个方面：(1)机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一定的限值，这极大的限制了单台电动机的转速和运行功率。而且，大功率
13、的电机制造技术难，成本高。对于高转速大功率的电动机应用场合，直流调速方法是行不通的。(2)为使直流电动机的机械式换向器能够可靠的工作，往往要增大电枢和换向器的直径，导致电机转动惯量很大，对于要求快速响应的生产场合就不能够实现。(3)机械式换向器带来的另外一个麻烦就是必须经常检修和维护，因为电刷要必须定期更换。这样导致直流调速系统的维护工作量大，运行成本高，同时由于定期的停机检修也造成了生产效率的下降。(4)由于电刷的电火花，直流电机也不能应用于易燃易爆的生产场合，对于多粉尘和多腐蚀性气体的地方也不适用。 总之，由于直流电动机存在的这些问题，使得直流电动机的应用受到了极大的限制，也使得直流调速系
14、统的发展和应用受到相应的限制。相对于直流电动机而言，交流电动机(特别是鼠笼型异步电动机)具有许多优点：结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。 交流调速系统由于采用了无换向器的交流电动机作为调速传动设备，突破了直流电动机所带来的种种限制，可以满足生产生活的各种需求，具有很大的发展潜力。第二节 交流调速系统的历史和现状电能是现代社会最广泛使用的一种能量形式，具有生产和变换比较经济、传输和分配比较容易，使用和控制比较方便的特点，因此成为国民经济各部门动力的主要来源。而电能的生产、交换、传输、分配、使用和控制等，都必须利用电机来完成。所
15、以电机传动在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中得到了广泛的应用。其中许多的机械对调速有要求，如城市无轨电车，铁路牵引机车，电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行、生产工艺的要求需要调速;另一类机械如风机、水泵等为了减少运行损耗、节约电能也需要调速。在20世纪70年代以前的很长一段时间内，直流调速占统治地位，交流调速系统的方案虽然己有多种发明并得到实际应用，但其性能始终无法与直流调速系统相匹敌。因为直流调速系统具有启制动性能良好，调速范围广，调速精度高，控制方案简单高效等突出的优点。同时直流调速系统与交流调速系统相比无论从理论土还是实践上都十分成熟。对于直流电机而言，只需要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以在很广的范围内实现无级调速，而且在磁场恒定的条件下它的转矩和电枢电流成正比，转矩易于控制。因此直流电动机调速系统比较容易获得优良的动态性能。并且随着半导体变流器件的发展，直流调速
