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1、摘要本科毕业设计（论文）感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真*燕 山 大 学2012 年 6月 摘 要由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。经过最近十几年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经可以与直流调速系统相媲美。目前广泛研究应用的异步电动机变频调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本文采用异步电动机的矢量控制调速技术，具有动态响应快、低速性能好和调速范围宽等优点。矢量控制思想是将交流电动机模型等效成直流电动机模型加以控制，利用坐标变换理论，将非线性、强耦合的交流电机模型解耦，把交
2、流电动机定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量，转矩电流分量。通过对这两个矢量分别控制，从而实现对磁场和转矩的分别控制。本文设计了一个带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统。系统的动态响应能力快和抗干扰能力强，转矩内环有助于提高转速和磁链闭环控制系统的解耦性能。 运用MATLAB的工具软件SIMULINK对矢量控制系统进行仿真研究，仿真结果表明了本设计的合理性。关键词 异步电机；矢量控制；磁场定向IAbstract AbstractAs a result of the limitation of direct-current speed control modulation and the
3、superiority of alternating speed control modulation and the unceasing development of computer technology and electric power device, the frequency conversion velocity modulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. After the application and development in the past 10 years, t
4、he frequency conversion velocity modulation performance of asynchronous motor can be comparable with the direct current velocity modulation system.At present, the asynchronous motor frequency control, vector control and direct torque check etc. are in detailed studies. This paper uses the modulation
5、 method of asynchronous motor, which has the dynamic response quickly and low-speed performance and wide velocity modulation scope.Vector control is developed based on the idea that the controlling means of induction motor can be equivalent to the DC motor，The induction motor mathematic model that i
6、s high nonlinear and complex coupling can be separated by coordinate transformation theory，Stator current can be decomposed into excitation current component and the torque current component, then the magnetic field and torque can be separately controlled by controlling the two current componentsThi
7、s paper designed flux regulator, torque regulator and speed regulator, constituting the inner ring with torque of speed, closed-loop flux vector control system.To improve the system dynamic response and anti-jamming capability, the torque of the inner ring helps to improve the speed and flux decoupl
8、ing of the closed-loop control system performance. It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the vector control system and the simulation results show that the rationality of the design.Keywords Asynchronous Motor； Vector Control；Magnetic Field DirectionIII 目录
9、摘要IAbstractII目录IV第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外发展现状及发展趋势21.3 交流调速系统的主要控制策略41.3.1 基于稳态模型的控制策略51.3.2 基于动态模型的控制策略51.4 论文研究的主要内容和结构安排7第2章 异步电动机矢量调速原理82.1 引言82.2 异步电动机矢量调速的实质82.3 异步电动机矢量调速控制系统92.4 矢量控制系统常用方案及比较102.4.1 矢量控制系统常用的方案102.4.2 控制方案的比较112.5 异步电动机的数学模型122.5.1 三相坐标系下的数学模型122.5.2 坐标变换152.5.3 两相同步旋转坐
10、标系上的异步电机模型192.6 异步电动机按转子磁场定向的矢量控制202.6.1 矢量控制的基本思路202.6.2 矢量控制的磁场定向212.6.3 异步电动机按转子磁场定向的数学模型212.6.4 异步电动机按转子磁场定向的矢量控制方程232.7 转子磁链的观测252.7.1 转子磁链的获取方法252.7.2 转子磁链观测模型262.8 电流追踪型逆变器工作原理272.9 本章小结30第3章 矢量控制调速系统的仿真分析313.1 仿真系统的模型及参数313.2 系统模块及仿真分析323.2.1 系统模块简介323.2.2 仿真波形分析353.3 本章小结40结论41参考文献42致谢44附录1
11、 文献综述45附录2 开题报告51附录3 中期报告58附录4 英文文献翻译70附录5 英文文献原文72III章1章 绪论第1章 绪论直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。随着电力电子器件的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明，它在控制性能方面完全可以和直流传动相媲美，并已在大多数场合取代了直流传动系统1。1.1 课题研究的背景及意义二十世纪中期以来，全球范围内的能源消费量
12、大幅增长，随着国民经济的飞速发展，我国已经成为世界第二大能源消费国，能源消费总量约占世界能源消费总量的11。与此同时，经济快速发展与能源约束的矛盾也日益突出，能源价格一路攀升，许多行业都受到了不同程度的影响。而且，我国能源利用的质量很低，能源浪费情况严重。一次能源转换电能的比例和电力占终端能源消费的比例过低，作为能源消耗大国之一，在节能方面是大有潜力可挖的。在用电系统中，电动机为主要的动力设备而广泛地应用于农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80，成为用电量最多的电气设备。我国各类应用电机中交流电动机拥有量最多
13、，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的，80以上为0.55220KW以下的中小型感应电动机，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位2。但是在如此庞大的经济规模中，未经变频调速控制的交流电机拖动系统如此之多，这样所造成的能源浪费就大得惊人，由此可见，提高能源的有效利用率在我国已经显得非常迫切。因此，在电机系统节能方面将有很大的发展空间，所以感应电机的变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能对提高产品的质
14、量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。所以需要高性能的交流调速理论和技术才能满足当今的调速要求，但是感应电机是一个多变量、强耦合、非线性时变参数系统，很难通过外加信号准确控制电磁转矩，矢量控制应运而生，矢量控制以磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制4。自20世纪70年代至今，矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发展和实践，形成了当今在工业生产中得到普遍应用的高性能交流调速系统。1.2 国内外发展现状及发展趋势1、矢量控制发展现状欧洲是矢量控制技术的诞生地，其研究水平一
15、直走在世界的前列。在80年代中期到90年代初期的欧洲电力电子会议(EPE)论文集中，涉及到矢量控制的论文占有很大比例，在这当中，德国SIEMENS公司、Aachen技术大学电力电子和电气传动研究院和德国Braunchweig技术大学W.Leorthard、R.Gabriel、G.Heinemann等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献，在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展，促进了矢量控制的实用化。矢量控制核心理论的提出与以DSP为代表的高性能处理器的通用化，再加上电力电子器件取得的进步，并辅以现代控制理论，这几大因素的结合给电气传动领域带来了深刻的变革。数字信号处理器(DSP)的高速运算能力使矢量控制尤其是1983年R.K.Joenen提出的无速度矢量控 (Sensorless Vector Control，SVC)系统的软硬件结构得到简化，这就为性能更优的SVC方案的实施提供了物质保证。而IGBT的进一步发展也为SVC的应用提供了更好的舞台，IGBT除了提高功率器
