本科毕业论文----基于SPWM变频调速矢量控制系统研究.doc

本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 题题 目目 基于 SPWM 变频调速矢量控制系统研 究 作作 者者： 陈 加 明 学科专业学科专业： 电气工程及其自动化 指导教师指导教师： 吴 晓 新 完成日期完成日期： 2008.06 原原 创创 性性 声声 明明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 本论文使用授权说明本论文使用授权说明 本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 （保密的论文在解密后应遵守此规定保密的论文在解密后应遵守此规定） 学生签名： 指导教师签名： 日期： 南通大学毕业设计（论文）立题卡 课题名称出题人 课题表述 （简述课 题的背景、 目的、意 义、主要 内容、完 成课题的 条件、成 果形式等） 课题类型理论型设计型 实 验 型 计 算 型 教 学 型 横 向 课题来源 科 研纵 向 实验室 建设 自 拟 其 它 拟接受学 生情况 教研室 意见 教研室主任签名：_ _年_月_日 学院意见 院长签名：_ _年_月_日 此表一式二份，系(部、室)、学院各一份。 南南 通通 大大 学学 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题目 基于 SPWM 变频调速矢量控制系统研究 学 生 姓 名 陈加明 学 院 电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电 041 学 号 0412022028 起 讫 日 期 2008.022008.06 指导教师 吴晓新 职称 讲师 发任务书日期 2008 年 1 月 14 日 课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题） 研究内容：矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三 相交流电流通过坐标变换变换到同步旋转坐标系 M-T 轴系下的两相直流电流。本课题拟对 基于 SPWM 变频调速矢量控制系统利用 MATLAB 软件建立数学仿真模型，通过对其进行 仿真来研究分析交流变频调速系统的性能 研究目标：查阅资料，深入研究矢量控制系统的基础理论，并在此基础上建立基于 SPWM 矢量控制系统仿真系统。 解决的关键问题：1. 异步电动机动态数学模型在 MATLAB/SIMULINK 软件中的建立，其 中包括异步电动机电压方程、磁链方程、转矩方程、运动方程以及 3/2 变换和 2/3 变换各 个子系统的建立。 2. 在 SIMULINK 环境下建立基于 SPWM 的矢量控制系统仿真模型。 课题的研究方法和技术路线 研究方法：利用电机学及电机运动控制知识建立异步电机参数模型，运用 MATLAB/SIMULINK 软件建立基于 SPWM 变频调速矢量控制系统的数学模型进行仿真，来 分析系统的稳态特性、动态特性及各种扰动情况及参数变化对系统性能的影响。 技术路线如下： 熟悉课题及要求，检索有关资料，调研； 提出基本方案，对课题的实现方案以及研究情况撰写综述和开题报告； 建立异步电机和矢量控制系统的基本数学模型； 进行仿真实验，得到结论； 课题总结，编写设计说明书 基 础 条 件 本课题来源于理论研究，前期工作已经进行了一部分，所以学生在熟练掌握 MATLAB 仿真软件的基础上，经过努力应能完成课题。 本课题需要的基本设备为计算机以及 MATLAB 仿真软件，目前院实验室已具备。 本课题直接涉及的已学知识包括运动控制 、 电机学等。本课题涉及的知识有 “异步电机的高性能调速系统”等。参加毕业设计的学生理应已经具备或能够掌握。 参考文献 1 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，2003：147-217 2 阮毅，陈维钧运动控制系统M北京：清华大学出版社，2003：137-241 3R. Kennel , E. E. El-kholy , Improved direct torque control for induction motor drives with rapid prototyping systemJEnergy Conversion and Management 47(2006): 1999-2010 4严杰，阮毅，徐静 基于DSP的SVPWM研究J电气传动自动化， 2005，27(6)： 6-8 5贾建强，韩如成,，左龙基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真 J电机与控制学报，2000，6(2)：91-93 6 胡寿松. 自动控制原理（4 版）M. 北京：科学出版社，2001：78-82，224 7 邱晓林系统仿真工具-Simulink 3.0/4.xM.西安：西安交通大学出版社 8 何衍庆. 控制系统分析,设计和应用-MATLAB 语言的应用M. 北京：化学工业出版 社，2002.12：305-337 9 J.B Wang,C.m.Liaw, Performance improvement of a field-oriented induction motor driver via controlJ. Electric machines and power Systems, 27: 93-105, 1999 10竺伟，陈伯时高压变频调速技术J电工技术杂志，1999，5(3)：26-28 本课题必须完成的任务： 1分析矢量控制系统的基本概念，建立异步电机仿真数学模型； 2建立基于 SPWM 变频调速矢量控制系统分析系统的稳态特性和动态特性； 3撰写开题报告、毕业设计说明书。 4翻译英文资料。 成果形式 1相关仿真模型和波形图； 2资料文档，翻译资料； 3毕业设计说明书 进度计划 起讫日期工作内容备 注 2.183.2查阅中外参考文献，翻译一份英文资料 3.33.16消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告 3 月 14 日 上交 3.174.13 基于 SPWM 变频调速矢量控制系统数学仿真模型 的建立。 3.174.23 完成开题答辩 （4.214.27）毕业设计中期检查 4 月 27 日前 完成中期检查 4.145.18 仿真研究，分析基于 SPWM 的交流调速系统的优 点 5.195.25撰写毕业论文（设计说明书） 5 月 25 日 交毕业论文草稿 5.266.1修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收 6 月 1 日前 毕业论文定稿 6.26.8准备和进行毕业论文答辩 教研室审核 意 见 教研室主任签名： 年 月 日 学院意见 学院长签名： 年 月 日 南通大学本科生毕业设计（论文）开题报告 学生姓名陈加明学 号 0412022028 专业 电气工程 及其自动 化 课题名称基于 SPWM 变频调速矢量控制系统研究 国内文献 22 篇 开题日期 2008.03.20阅读文献 情 况 国外文献 2 篇 开题地点 11#621 1文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考 文献） 1 1 课题研究的现状及发展趋势课题研究的现状及发展趋势 直流电力拖动和交流电力拖动在 19 世纪先后诞生1。在 20 世纪大部分时间中，直流拖动由 于具有优越的调速性能而被广泛使用，因而一直处于主导地位。直到 20 世纪中期，随着电力电 子技术、微电子技术、电机学以及自动控制技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流变频调 速系统应运而生。此时，早期的直流电动机的缺点显示出来了，如机械式换向器结构复杂，制造 费时，价格昂贵，且在换向时易产生火花。相比之下，交流电动机就具有许多的优点：结构简单， 重量轻，制造方便，可靠性和运行效率高，不易出故障，适用场合不受限制等，交流电机的价格 也远远低于直流电机， 。再者，直流电机由于换向器的存在，单机容量不可能很大，而交流电机 则没有这个缺点。正是由于交流电机有这些优点，使得它在电力拖动系统中的应用日益比直流电 动机广泛1819。 在电气传动中，广泛应用脉宽调制（PWMpulse width modulation）控制技术4，脉宽调 制技术的发展和应用优化了变频器装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交流调速技术的普 及发挥了主要的作用。脉宽调制技术种类很多，并且还在不断的发展中，现有的技术基本可以分 为四类：等宽 PWM 法、正弦 PWM 法（SPWM） 、磁链追踪型 PWM 法和电流跟踪型 PWM 法。PWM 技术克 服了相控技术的弊端，有效地抑制了高次谐波，使得交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压 和电流，提高了电机的功率因素和输出效率19。 传统的交流变频变压脉宽调制技术是用正弦波来调制等腰三角波而获得一系列等幅不等宽的 PWM 矩形波1，而正弦波脉宽调制（SPWM）则是将正弦波与三角波信号相比较，在交点时刻控制 开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲13。通过改变 正弦波控制信号的幅值和频率，即可实现变频变压的控制和消除谐波。SPWM 控制技术有单极式控 制和双极式控制两种方式，三相桥式 PWM 逆变器一般采用双极式控制方式。 近年来，随着电力电子技术的发展及交流电动机本身具有的优越性，为交流调速提供了广泛 的应用前景。由于交流异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，采用 经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法，不能完全适应于现代交流调速系统13。上世 纪 70 年代提出的异步电动机矢量控制和 80 年代提出的异步电动机直接转矩控制系统则是比较好 的电机控制方案，然而，作为高性能的调速系统，这两种方案虽能实现较高的静、动态性能，但 这两种系统的具体控制方式不一样，因而具有不同的优缺点。直接转矩控制系统由于采用砰砰 控制能够带来很好的转矩响应，但同时由于其开关频率的不确定性，使得直接转矩控制系统存在 输出电压，电流的谐波较大，输出电压偏低等缺点而使其稳态指标比矢量控制系统差19。 矢量控制系统的理论是通过坐标变换和磁场定向控制，把交流电动机的定子电流分解成磁场 定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，从而实现两者之间的解耦，得到类 似于直流电机的转矩模型并可仿照直流电机进行快速的转矩控制和磁通控制，使系统动态性能得 到显著改善，从而使交流电机的调速技术了突破性的进展。目前，运用矢量控制已成为当今交流 变频调速系统的主流。 2 2 课题研究的意义和价值课题研究的意义和价值 矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标转换将三相系统等效为两相系统， 再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，从而达到对 交流电机的磁链和电流分别控制的目的。使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系 统，成为主要的传动装置。例如，现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了交流调速系统。 上世纪70年代，许多专家学者经过潜心研究，并在实践中不断改进，终于形成了目前所普遍 应用的异步电动机矢量控制变频调速系统。为此，建立异步电动机矢量控制系统的仿真模型，可 以有效地节省控制系统的设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出，同 时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同 工作情况下的动、静态特性。MATLAB提供的动态系统仿真工具SIMULINK，是众多仿真软件中功能 最强大、最优秀、最容易使用的一种。它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视 化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。在分析异步电动机矢量控制方法的基础上，使 用MATLAB的SIMULINK建立异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型，利用仿真模型，进行控 制系统的仿真实验1318。 3 3 参考文献参考文献 1 1 1 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，2003：147-217 2 徐维克SPWM变频调速矢量控制系统的建模与仿真大连海事大学硕士学位论文D， 20050101 3 李文静，熊光煜基于MATLAB的异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真J电力学报， 2006 2(21):147153 4 阮毅，陈维钧运动控制系统M北京：清华大学出版社，2003：137-241 5 R. Kennel , E. E. El-kholy , Improved direct torque control for induction motor drives with rapid prototyping systemJEnergy Conversion and Management 47(2006): 1999-2010 6 严杰，阮毅，徐静 基于DSP的SVPWM研究J电气传动自动化， 2005，27(6)： 6-8 7 贾建强，韩如成,，左龙基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真J电 机与控制学报，2000，6(2)：91-93 8 胡寿松. 自动控制原理（4版）M. 北京：科学出版社，2001：78-82，224 9 邱晓林系统仿真工具-Simulink 3.0/4.xM.西安：西安交通大学出版社 10 何衍庆. 控制系统分析,设计和应用-MATLAB语言的应用M. 北京：化学工业出版社， 2002.12：305-337 11 J.B Wang,C.m.Liaw, Performance improvement of a field-oriented induction motor driver via controlJ. Electric machines and power Systems, 27：93-105, 1999 12 竺伟，陈伯时高压变频调速技术J电工技术杂志，1999，5(3)：26-28 13 林立，梁刚.基于simulink的交流变频调速系统建模与仿真J.上海海事大学学报， 2007,9(3)：33-37 14 钱明华矢量控制技术J电气牵引， 2006 1：69 15 胡君臣异步电机矢量控制系统的仿真J电气开关，2006 1：113 16 杨勇,谢永安,张建峡,许德志基于MATLAB/SIMULINK直接矢量控制的研究J中青年学 者， 2005，05：7173 17 尉冰娟,王明渝,张淑国基于MATLAB的感应电机电流控制方法分析与比较J控制工程， 2006，03(2)：97100 18 王成元,夏加宽,杨俊友孙宜标.电机现代控制技术M北京:机械工业出版社，2006：85 91 19 洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M北京:机械工业出版社， 2006，1：90215 20 谢高路变频调速异步电机设计及其SPWM逆变器控制系统的研究昆明理工大学硕士学位 论文D，20020101 21 刘国光一种异步电动机SPWM变频调速的新方案机械工程与自动化J，2005(2)：65 70 22 张武荣.异步电机矢量控制研究.沈阳工业大学硕士学位论文D,20070121 2本课题的基本内容，预计解决的难题 研究内容：矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相交流 电流通过坐标变换变换到同步旋转坐标系 M-T 轴系下的两相直流电流。本课题拟对基于 SPWM 变频调速矢量控制系统利用 MATLAB 软件建立数学仿真模型，通过对其进行仿真来研究分析交 流变频调速系统的性能 研究目标：查阅资料，深入研究矢量控制系统的基础理论，并在此基础上建立基于 SPWM 矢量控制系统仿真系统。 解决的关键问题： 1. 异步电动机动态数学模型在 MATLAB/SIMULINK 软件中的建立，其中包括异步电动机 电压方程、磁链方程、转矩方程、运动方程以及 3/2 变换和 2/3 变换各个子系统的建立。 2. 在 SIMULINK 环境下建立基于 SPWM 的矢量控制系统仿真模型。 3课题的研究方法、技术路线 研究方法：利用电机学及电机运动控制知识建立异步电机参数模型，运用 MATLAB/SIMULINK 软件建立基于 SPWM 变频调速矢量控制系统的数学模型进行仿真，来分析系 统的稳态特性、动态特性及各种扰动情况及参数变化对系统性能的影响。 技术路线如下： 熟悉课题及要求，检索有关资料，调研； 提出基本方案，对课题的实现方案以及研究情况撰写综述和开题报告； 建立异步电机和矢量控制系统的基本数学模型； 进行仿真实验，得到结论； 课题总结，编写设计说明书 1 SPWM 原理及调制方法原理及调制方法 SPWM 变频调速是交流调速系统中较为常见且较为有效的一种调速方式。其思路是江亦可条 幅调频的正弦波调制成一串等距、等幅、中间宽两边窄的脉冲信号。如图 1 所示，如果把正弦波 的上半部分 n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与轴所包围的面积都用一个与此面积相等的t 矩形脉冲来等效。矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这 n 个中 间宽两边窄的等幅矩形脉冲与正弦波的半周等效，成为 SPWM 波形。 Ud U t o o 图 1 与正弦波等效的 SPWM 波形 若用 SPWM 波形作为逆变器的触发脉冲，则逆变器在理想状态下也应该输出 SPWM 波形， 通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期（即正弦 波的周期）可以控制其输出频率，从而在逆变器上可以同时进行输出电压与频率的控制，满足变 频调速对电压与频率协调控制的要求。SPWM 各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源 供电，另外，SPWM 波形与正弦波等效，这样使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转 矩脉动小，提高了系统的性能。 采用高开关频率的全控型电力电子器件组成逆变电路时，先假定器件的开与关均无延时，于 是可将要求变频器输出三相 SPWM 波的问题转化为如何获得与其形状相同的三项 SPWM 控制信 号的问题，用这些信号作为逆变器中各电力电子器件的基极（栅极）驱动型号。 参 考 信 号 发 生 器 三角波发生 器 Ua Ub Uc Ura Urb Urc Ut 图 2 SPWM 变压变频器的模拟控制框图 图 2 是 SPWM 变压变频器的模拟控制框图。三相对称的参考正弦电压调制信号、 ra U rb U 有参考信号发送器提供，其频率和幅值都可调，三角载波信号有由三角波发送器提供，各 rc U t U 项公用。它分别与每一相调制信号进行比较，产生 SPWM 脉冲波序列。 a U b U c U 三相桥式 PWM 逆变器所实现的目标是将恒定的直流输入电压整形为正弦波形的三相输出电 压，并控制输出电压的幅值和频率，为了输出对称平衡的三相输出电压，可将互差 120的三个 正弦波控制信号电压与同一个三角载波比较，产生所需的开关控制信号 三相桥式 PWM 逆变器采用双极性控制方式。在图 3 所示的原理图中，VT1 VT6 由 SPWM 波驱动 M VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VD1 VD2 VD3 VD4 VD5 VD6 Ud 图 3 三相桥式 PWM 逆变器原理图 2 矢量控制原理矢量控制原理 1 矢量控制的提出 直流电机的动态数学模型只有一个输入变量（电枢电压）和一个输出变量（转速） ，在控制 对象中含有机电时间常数 Tm 和电枢回路电磁时间常数他 Tl以及晶闸管的滞后时间常数 Ts ，可 以描述为单变量的三阶线性系统。而异步电动机在变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的 协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量，如果考虑三相交流电，其实际输入变 量还要多。在异步电动机中，电压（电流） 、频率、磁通、转速之间相互都有影响，是强耦合的 多变量系统。三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时 都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，因此异步电动机是一个高阶、非线性、强耦 合的多变量系统。而矢量控制就是一种将三相交流的磁场系统转变为一个旋转体上的直流磁场系 统。 2 矢量控制的基本构思 如上所述，要把一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，就需要一个两相 系统作为过度，可以互相进行等效变换。 1 A B C iA iB iC F 1 i i F 1 M T iM iT F 图 4 三相交流绕组 图 5 两相交流绕组 图 6 两相旋转绕组 当异步电动机多相对称绕组通已多相对称的电流时，能够产生磁场，如图 4 所示是三相对称 绕组 A、B、C 通以三相对称交流电流时，在空间产生一个角速度为 1的旋转磁场；图 5 是两 个空间位置互相垂直的绕组 和 ，通以两相对称交流电流（相位差为 90）时，也产生一个 旋转磁场，当两个旋转磁场的大小、转向、转速与合成磁场都相同时，图 4 和 5 两套绕组是等效 的，图 6 是两个相等且互相垂直的 M 和 T 绕组，他们与旋转磁场同步旋转，M 绕组的轴线与三相 合成磁场方向平行，T 绕组的轴线则与之垂直，绕组中分别通以直流电流 和，产生的磁场 M i T i 与三相合成磁场等效，则与合成旋转磁场平行的电流分量相等于电动机的励磁电流分量，用它 M i 来产生电动机的磁场；与垂直的分量相当于电动机的转矩电流分量。调节的大小可以改 T i M i 变磁场的强弱，调节的大小可以在磁场一定时改变转矩。这样 中的绕组与 中的绕组等效。 T i 因此，只要通过变换运算，有规律的控制、,就能达到预想的调节 和的目的，这 A i B i C i M i T i 就是异步电动机矢量变换控制的基本思想。 A i C B i im it 3/2 VR 等效直流电机 模型 异步电动机 图 7 异步电动机的坐标变换结构图 由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系 统就叫做矢量控制系统。图 7 是上述等效关系的结构图，从整体上来看，是一台输入为 A、B、C 三相电压，输出为转速 的异步电动机。从内容看，经过 3/2 变换和同步变换，变成一台和 M i 输入，输出的直流电动机。 T i 4研究工作条件和基础 本课题需要的基本设备为计算机以及 MATLAB 仿真软件，目前院实验室已具备。 本课题直接涉及的已学知识包括运动控制 、 电机学等。本课题涉及的知识有“异步电 机的高性能调速系统”等。 五、进度计划 起讫日期工作内容 2.183.2查阅中外参考文献，翻译一份英文资料 3.33.16消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告 3.174.13基于 SPWM 变频调速矢量控制系统数学仿真模型的建立。 （4.214.27）毕业设计中期检查 4.145.18仿真研究，分析基于 SPWM 的交流调速系统的优点 5.195.25撰写毕业论文（设计说明书） 5.266.1修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收 6.26.8准备和进行毕业论文答辩 文献调研完成日期论文实验完成日期 论文阶段完成 日期 撰写论文完成日期评议答辩完成日期 指 导 教 师 评 语 导师签名： 年 月 日 教 研 室 意 见 教研室主任签名： 年 月 日 学院 意见 通过开题（ ） 开题不通过（ ） 教学院长签名： 年 月 日 南通大学毕业设计（论文）中期检查表南通大学毕业设计（论文）中期检查表 学院： 专业： 填表日期： 年 月 日 毕业设计（论文）题目： 学生姓名： 学号： 文献、资料检索阅读：中文 篇，外文 篇；是否具备独立查阅文献资料的能力 。 开题完成情况： 好（ ） 较好（ ） 一般（ ） 差（ ） 未完成（ ） 外文资料翻译情况： 好（ ） 较好（ ） 一般（ ） 差（ ） 未完成（ ） 学习态度: 好（ ） 较好（ ） 一般（ ） 差（ ） 出勤情况：出勤记载是否详实 ；请假次数： ，缺席次数： 。 毕业设计（论文）的进度（与任务书进度相对照）：正常（ ） 过快（ ） 偏慢（ ） 中期检查综合评价： 存在问题和改进措施： 中期检查结论：好（ ） 较好（ ） 一般（ ） 差（ ） 注：1本表由检查教师填写，交学院保存备查，最终归入学生毕业设计（论文）档案； 2本表仅供参考，各学院根据检查需要，可对检查内容进行必要的调整。 检查教师： 教研室主任： 南通大学电气工程学院 2008 年 06 月 题目 基于 SPWM 变频调速矢量控制系统研究 姓 名： 陈加明 指导教师： 吴晓新 学科专业：电气工程及其自动 化 南 通 大 学 毕 业 设 计（论文） 南通大学毕业设计（论文） I 摘 要 变频调速是交流电动机各种调速方式中效率最高、性能最好的调速方法,在整个交流 调速中占有重要的地位。采用 MATLAB 软件包中的 SIMULINK 对基于数学模型基础上的电 气传动控制系统进行仿真建模，具有建模简便、结构直观、操作灵活等优点，并且仿真 结果具有较高的精度。 本文介绍了现代交流调速系统的概况、矢量控制的基本概念以及在三相坐标系和两 相坐标系下的异步电动机的数学模型。并在此基础上应用 MATLAB 下的仿真工具 SIMULINK 软件建立了按转子磁场定向的异步电动机的数学模型，并对其进行仿真分析。重点是对 交流电机 SPWM 变频调速矢量控制系统的建模和仿真，并给出了仿真模型和仿真结果。 关键词：MATLAB/SIMULINK，矢量控制，异步电动机，仿真 南通大学毕业设计（论文） II ABSTRACT Variable-frequency speed regulation is the most efficient way and the best performance and plays an important role in the whole motor speed control. The electric transmission control system simulation models are based on mathematical models used the SIMULINK which belongs to the MATLAB software package to simulate, it provides with modeling a simple, intuitive structure, operational flexibility and other advantages, and the simulation results with high accuracy. This paper mainly introduced the development of AC regulating speed system and the basis idea of Vector control and the dynamic models of induction motor which in the 3-phase references and 2-phase reference. Using SIMULINK in software MATLAB establish and simulate the dynamic model in the 2-phase synchronous rotary references. The emphases are to simulate about vector control system of the SPWM variable frequency control, and to give the simulation result and the analysis of the result. Key words: MATLAB/SIMULINK, Vector control, Asynchronous motor, Simulation 南通大学毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 第一章 概 述.1 1.1 现代交流调速系统的发展 .1 1.2 矢量控制 .2 1.3 研究内容 .3 第二章 异步电动机的多变量数学模型4 2.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质 .4 2.1.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型.4 2.1.2 异步电动机在三相坐标系上数学模型的性质.9 2.2 坐标变换 .10 2.2.1 三相静止/两相静止坐标变换（3S/2S）.11 2.2.2 两相静止/两相同步旋转的坐标变换（2S/2R）.13 2.2.3 直角坐标极坐标变换(K/P).14 2.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 .15 2.3.1 两相任意旋转坐标系上的数学模型.15 2.3.2 两相静止坐标系上的数学模型.18 2.3.3 两相同步旋转坐标系上的数学模型.19 2.3.4 按转子磁场（磁通）定向的数学模型.19 第三章 异步电动机的矢量控制策略.22 3.1 矢量控制的基本思想 .22 3.1.1 矢量控制方法的提出.22 3.1.2 矢量控制变换的思路.22 3.2 按转子磁场定向的矢量控制的实现 .23 3.3 正弦波脉宽调制技术 .26 3.3.1 正弦波脉宽调制的原理.26 3.3.2 SPWM 控制方法26 3.3.3 电压型三相桥式逆变器.27 第四章 模型的建立和仿真结果分析.28 4.1 MATLAB/SIMULINK 简介28 4.2 异步电动机仿真模型子系统的建立 .28 4.2.1 3S/2R 变换.28 4.2.2 2R/3S 变换.29 4.2.3 电压电流变换.30 南通大学毕业设计（论文） IV 4.2.4 异步电动机矢量控制模型.30 4.2.5 电流电压变换.31 4.2.6 逆变器模型仿真结构.31 4.3 异步电动机模型仿真 .31 4.3.1 异步电动机转速和电磁转矩的关系.33 4.3.2 系统仿真.33 4.4 基于 SPWM 变频调速矢量控制系统的仿真35 4.4.1 SPWM 变频调速矢量控制系统的模型建立.35 4.4.2 系统仿真.36 4.5 系统仿真的比较 .38 第五章 结论与展望.39 5.1 结论 .39 5.2 研究展望 .39 参考文献40 致 谢41 南通大学毕业设计（论文） 1 第一章 概 述 1.1 现代交流调速系统的发展 长期以来在调速传动领域大多采用磁场电流和电枢电流可以独立控制的直流电动机 传动系统，它的调速性能和转矩控制特性比较理想，可以获得良好的动态响应，然而由 于在结构上存在的问题使其在设计容量受到限制，不能适应高速大容量化的发展方向。 交流电动机以其结构简单、制造方便、运行可靠，可以以更高的转速运转，可用于恶劣 环境等优点得到了广泛的运用，但交流电动机的调速比较困难。在上个世纪 20 年代，人 们认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速方法， 由于当时的变频电源设备庞大， 可靠性差，变频调速技术发展缓慢。60 年代至今，电力电子技术和控制技术的发展1， 使交流调速性能可以与直流调速相媲美。现代电子技术(包括大规模集成电路技术、电力 电子技术和计算机技术)的飞速发展、电动机控制理论的不断完善以及计算机仿真技术的 日益成熟，极大的推动了交流电动机变频调速技术的发展2。 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一。在当今社会中广泛应用着各式各 样电气传动系统，其中许多机械有调速的要求：如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织 机械等等，为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要调速的另一类设备如风机、水泵 等为了减少运行损耗，节约电能也需要调速。如果根据原动机来分类，那么原动机是直 流电动机的系统称之为直流电气传动系统；反之原动机是交流电动机的系统，则称之为 交流电气传动系统。如果根据转速的变化情况来分类，电气传动系统又可分为恒速电气 传动系统和变速电气传动系统两大类。在上世纪 80 年代以前，直流传动是唯一的电气传 动方式。这是因为直流电动机调速方便，只要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以 在宽广的范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它的转矩和电流成正比，从而 使得它的转矩易于控制、转矩的调节性能和控制性能比较理想。但是，在直流电气传动 系统中，由于直流电动机本身在结构上存在严重的问题，它的机械接触换向器不但结构 复杂，制造费时，价格昂贵，而且在运行中容易产生火花，特别是由于换向器强度不高 等问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组；此外由于电刷易于摩擦等问题 存在，在运行中需要有经常性的维护检修，以上这些缺陷就造成了直流电气传动不尽理 想。1885 年交流鼠笼型异步电动机的问世打破了直流传动作为唯一电气传动方式的局面。 由于它结构简单、运行可靠、价格低廉而且坚固耐用，惯量小，便于维修，适用于恶劣 环境等特点，使其在工农业生产中得到了极广泛的应用。但是交流电动机调速比较困难， 而且其调速性能(调速范围、稳定性或静差、平滑性等)却无法与直流调速系统相媲美， 南通大学毕业设计（论文） 2 因此这些电机绝大部分都是恒速运行的。早在 19 世纪 30 年代，国外就开始研究各种交 流电机变速传动。在早期采用的主要是绕线式异步电动机转子外串电阻和鼠笼型异步电 动机变极调速。后来在 50 年代异步电动机定子串饱和电抗器的调速方法也有了一定的发 展。由于受电机结构和制造工艺的限制，变极调速通常只能实现两三种极对数的变换， 不能做到连续地调节速度，调速范围和极数都非常有限。此外还可以依靠改变定子电压 (改变电源电压或定子串阻抗)，或绕线型电动机转子串电阻，或带有转差离合器的异步 电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。但是电机的损耗与转差率成比例地增大，效 率随转速的降低而降低，由于电机在高转差、低转速下运行特性恶化，使实际可行的调 速范围受到限制。在 60 年代大功率半导体变频装置的问世开创了电力电子技术发展的新 时代，这种半导体电力电子器件具有体积小、价格低、坚固耐用、性能良好等优点，通 过使用它可以连续地改变电源频率，十分理想地实现交流电动机的无级调速，从而使交 流电机调速技术飞跃发展。尤其是 70 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发 展，新型电力电子器件的出现，以及先进控制理论(如自适应控制、模糊控制、神经网络 控制等)等的应用，为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件。如今交流调速领域相 当活跃，新技术层出不穷。目前，交流调速系统正向集成化、实用化、智能化方向发展。 诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调速、无换向电动机调速，特别是矢量控制 技术、直接转矩控制技术的应用，使得交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、 快动态响应等良好的技术性能。原来的交直流拖动分工格局被逐渐打破，在各工业部门 用可调速交流拖动取代直流拖动己指日可待，特别是在世界能源紧张、能源费用高涨的 今天，交流调速技术作为节约能源的一个重要手段，引起了人们的高度重视。总之，交 流调速技术的应用有着广阔的前景，随着生产技术的不断发展，交流调速逐步代替直流 调速的时代己经到来2。 1.2 矢量控制 当前异步电动机调速总体控制方案中，V/F 控制方式是最早实现的调速方式。该控制 方案结构简单，通过调节逆变器输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定 V/F 曲线，其可靠性高。但是，由于其速度属于开环控制方式，调速精度和动态响应特性并 不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难， 不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。矢量控制是当前工业系统变频应用的主流， 它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解耦控制而实现的。针对不同的应 用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢 南通大学毕业设计（论文） 3 量控制变频器可以对异步电动机的磁通和转矩电流进行控制和检测，自动改变电压和频 率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态 精度和动态品质。转速精度约等于 0.5%，转速响应也较快。采用矢量变频器一般电机变 频调速三可以达到控制结构简单、可靠性高的效果，主要表现在以下几个方面3： （1） 可以从零转速起进行控制，因此调速范围很广 （2） 可以对转矩实行较为精确控制 （3） 系统的动态响应速度快 （4） 电动机的加速度特性好 1.3 研究内容 本课题用 MATLAB/SIMULINK 软件搭建数学模型仿真实现 SPWM 变频调速矢量控 制系统的仿真 1、从矢量控制的思想出发,在坐标系和矢量控制技术的基础上,针对多变量、非线性、 强耦合的异步电动机系统，使用按转子磁场定向的方法来建立系统的数学模型。 2、在 MATLAB 的 SIMULINK 对电机模型、正弦波脉宽调制(SPWM)、SPWM 变频调速矢量 控制系统进行仿真，验证该系统的可行性和可靠性。 南通大学毕业设计（论文） 4 第二章 异步电动机的多变量数学模型 一般来说，交流变速传动系统，特别是变频传动系统的控制是比较复杂的，要设计 研制一个品质优良的系统，要确定最佳的控制方式，都必须对系统的静态和动态特性进 行充分的研究。交流电机是交流变速传动系统中的一个主要环节，其静态和动态特性以 及控制技术远比直流电机复杂，而建立一个适当的异步电机数学模型则是研究交流变速 传动系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础。 2.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质 2.1.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型 异步电动机是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。这是因为首先异步电动机 在进行变频调速时，电压和频率之间必须进行协调控制，故输入变量有电压和频率。而 在输出变量中，除转速以外，由于在调速过程中必须保持磁通为恒定，所以磁通也是一 个控制量，而且是一个独立的输出量。再考虑异步电动机是三相的，所以异步电动机的 动态数学模型是一个多输入、多输出(多变量)的系统，而电压(电流)、频率、磁通、转 速之间又相互影响，所以它是一个强耦合的多变量系统。其次，异步电动机的电磁转矩 是磁通和电流相互作用产生的，旋转感应电动势是转速和磁通相互作用产生的，因此， 在数学模型中会含有两个变量的乘积项，再考虑磁饱和的因素，所以异步电动机的数学 模型是一个非线性的系统。最后，由于异步电动机定、转子三相绕组中的电流产生的磁 通存在电磁惯性，转速的变化存在机械惯性等因素，所以异步电动机的数学模型是一个 高阶系统。 在研究异步电动机的多变量数学模型时，常做如下假设1： 1、 忽略空间谐波，设三相绕组对称(在空间互差 120电角度)，所产生的磁动势沿 气隙圆周按正弦规律分布;定子、及三相转子绕组、 在空间对称分布ABCabc 2、 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的 3、 忽略铁心损耗 4、 不考虑温度和频率的变化对电机参数的影响 无论电动机转子是绕线型的还是鼠笼型的，都将它等效成绕线转子，并折算到定子 侧，折算后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电动机就被等效为图 2.1 示的三相异步 电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线、在空间是固定的，故定义为三ABC 南通大学毕业设计（论文） 5 相静止坐标系。设轴为参考坐标轴，转子以速度旋转，转子绕组轴线为、 随Aabc 转子旋转。转子轴和定子轴间的电角度差为空间角位移变量。规定各绕组电压、电aA 流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这时，异步电动机的数学模型由下 述的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 C A B a b c uA uB uC ua ub uc iA iB iC ia ib ic 图 2.1 三相异步电动机的物理模型 1 电压方程式 三相定子绕组电压平衡方程式为 （2-1） dt d Riu A sAA （2-2） dt d Riu B sBB （2-3） dt d Riu C sCC 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为 （2-4） dt d Riu a raa (2-5) dt d Riu b rbb dt d Riu c rcc (2-6) 南通大学毕业设计（论文） 6 式中， ，定子和转子相电压的瞬时值； A u B u C u a u b u c u ， 定子和转子相电流的瞬时值； A i B i C i a i b i c i ， 各相绕组的全磁链； A B C a b c ， 定