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毕业论文SPWM异步电动机变频调速仿真研究学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业论文SPWM异步电动机变频调速仿真研究摘要本文主要对SPWM异步电动机变频调速系统进行建模与仿真。在各种调速方式中变频调速系统效率最高、性能最好的，因此异步电动机经常采用变频调速技术。电气传动控制系统计算机仿真是应用现代软件工具对其工作特性进行研究的一种分重要的方法。通过仿真试验，可以直观的看到所研究对象的变化情况，优化并确定相关参数。因此进行系统仿真是不可或缺的，这为科学决策提供了可靠的依据。本文介绍了交流调速系统概况、SPWM的基本概念以及异步电动机变频调速系统在MATLAB/Simulink仿真工具中数学模型的建立以及参数设置。本文通过对交流异步电动机矢量控制调速系统各部分仿真，得出该系统各部分的运行特性，并通过对转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的异步电动机矢量控制系统的仿真，直观了解到个研究量的变化情况。关键词： SPWM，异步电动机，仿真，数学模型SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OFASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLABAbstractThis paper focuses on asynchronous motor SPWM VVVF system modeling and simulation. In various speed mode frequency control system efficiency, highest performance, and therefore often asynchronous motor with frequency control technology. Electric drive control system computer simulation is the application of modern software tools for a sub-study of the important methods of its operating characteristics. Through simulation, we can visually see the changes in the study and to determine the relevant parameters optimization. Therefore, system simulation is indispensable, which provides a reliable basis for scientific decision-making.This article describes the AC drive system before, and the basic concepts of SPWM Variable Frequency Induction Motor System build mathematical models and parameters in MATLAB / Simulink simulation tools. On the one hand, this article through the AC induction motor vector control system simulation of the various parts, obtain operating characteristics of each part of the system; on the other hand, through the inner torque loop speed, closed-loop flux vector control system of induction motor changes in vector control system simulation, intuitive understand the amount of research Key words :SPWM,asynchronous motor,Simulation,mathematical Models中北大学2015届毕业论文目录1 引言11.1 概论11.2 交流变频调速技术的国内外研究现状21.3 课题的主要研究内容22 SPWM变频调速技术32.1 SPWM技术简介32.2 SPWM技术的实现和应用43 异步电动机调速系统的动态模型建立53.1 异步电动机的简介及特性53.2 异步电动机的数学模型53.3 异步电动机三相动态模型的数学表达式63.3.1 磁链方程63.3.2 电压方程73.3.3 运动方程83.4 坐标变换83.4.1 三相-两相变换（3/2变换）103.4.2 两相-三相变换（2/3变换）113.4.3 静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）113.5 异步电动机在两相坐标系上的数学模型123.5.1 在任意两相旋转坐标系(dq坐标系)上的数学模型123.5.2 按转子磁场定向的两相同步旋转坐标系上的数学模型144 异步电动机变频调速原理155 异步电动机变频调速控制系统的建立与仿真分析175.1 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统方案设计175.2 带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型18 第I页 共II页5.2.1 转速、转矩与磁链调节模块195.2.2 电流变换与磁链观测模块215.2.3 滞环脉冲发生模块225.2.4 电机模块225.3 仿真波形及分析23参考文献27致谢28 第II页 共II页中北大学2015届毕业论文1. 引言1.1 概论近10年来，随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅猛发展，电气自动化面临一场历史革命。交流调速将取代直流调速和控制技术，并成为了未来的发展趋势。交流调速能提高产品质量和改善工艺流程，是推动技术进步的一种主要手段。交流电动机的调速方法有三种：变频调速，改变转率调速和变极调速。在这三种方法中，变频调速的效果最好。变频调速有很多的优点，高效率，节电功能，适用范围广泛，并且有着优异的调速和止动性能，被国内外公认为最有发展前途的调速方式。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，具有调速启动优异，制动性能好，高效率，高功率因数和节电效果以及广泛的应用范围等优点。交流异步电动机变频调速系统种类非常多，也有着各种各样的分类方法，从控制方式实质的角度可以将交流电机调速系统分为标量控制方法和矢量控制方法。标量控制方法比较适合于动态和静态性能要求不高的场合，矢量控制方法需要实现转子参数辨识，控制系统比较复杂，在近几年才逐渐进入实用。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的。一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气隙来中转，把它变成定子电流。然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。1.2 交流变频调速技术的国内外研究现状 随着电力电子器件技术的不断发展，电气传动技术广泛使用耐高压、大电流型的电力电子器件，使得世界各大电气公司将研究的重点放在中、高压大功率变频调速上，高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面有很大的技术难度，成为各大电气公司竞争的热点。在国外，随着工业自动化的不断发展，变频调速有着非常大的市场需求，与此同时，控制理论、电力电子技术和矢量控制等各种技术的不断进步，各种工业、制造业的不断发展，不仅为变频调速发展提供的充实的理论依据，更为其生产的社会化、专业化造就了良好的条件。变频调速技术被越来越多的应用于各个领域，发挥着不可忽视的作用。从国内来看，我国的电气传动技术较国际先进水平还有一定的差距，但我国学者一直在坚持不懈的做着这方面的研究，并且取得了一定的成绩，在八十年代引入了矢量控制技术，针对交流电机的多变量、强耦合和非线性的特点，采用线性解耦和非线性解耦的方法，探索交流电机的变频调速控制。随着大功率变频器的不断发展，应用越来越广泛，吸引了众多国内外企业的不断研究和生产。1.3 课题的主要研究内容本文主要通过对电机学、电力电子技术以及MATLAB/Simulink仿真软件的学习和应用，研究基于SPWM的异步电动机的变频调速原理，并将三相异步电动机作为研究对象，建立旋转坐标系下的数学模型，并在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建矢量控制模型，通过异步电动机的动态模型来研究异步电动机的变频调速原理。在本文中通过对交流异步电动机变频调速技术，SPWM脉宽调制变频调速技术和矢量控制技术的了解，继而建立了异步电动机变频调速系统的数学模型，并通过坐标变换，从而为仿真模型的搭建提供理论依据。在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建矢量控制模型，介绍并了解各个模块的功能和参数设置，并通过仿真得到所需要的仿真波形，从而更加系统的了解和掌握SPWM异步电动机变频调速系统原理。2. SPWM变频调速技术20世纪以来,随着电力电子技术及大规模集成电路的飞发展，运行可靠、结构简单、节能效果显著、性价比高，因为这些特点SPWM电路构成的变频调速系统得到广泛应用。SPWM控制技术一直是变频调速技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。现在的交流电机变频调速系统大多数是采用PWM调制的方式来实现各种控制方法。变频调速系统采用SPWM技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制的要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了工作效率，扩大了调速系统的调速范围。2.1 SPWM技术简介PWM技术是利用半导体开关器件的关断与导通将直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲周期或电压脉冲宽度来达到改变电压的目的，也可以通过控制电压脉冲序列的周期和电压脉冲宽度来达到变频和变压的目的。在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。在PWM优化模式控制中相当于基波分量的信号波（调制波）可以是正弦波，也可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。随着PWM控制技术的不断发展，可以有许多种分类。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即正弦波PWM法（SPWM）、等脉宽PWM法、电流跟踪PWM法磁链跟踪PWM法（SVPWM）和磁链跟踪PWM法（SVPWM）等。本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的技术,它的理论基础是在采样控制理论中一个非常重要结论:形状不同而冲量相等的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。用和正弦波等效的脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的断通，使所希望输出的正弦波与其输出的脉冲电压的面积在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。2.2 SPWM技术的实现和发展SPWM正弦脉宽脉宽调制技术这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用，在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。SPWM控制技术应用面极其广泛，例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动、汽车。船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等都是采用了SPWM逆变技术。另一个主要应用领域就是不间断电源，在通信系统、航空管理系统、国防系统、医疗系统以及银行、电信等重要部门，如果供电突然中断或者供电质量达不到要求，极易造成数据丢失、系统运行异常甚至瘫痪，从而引起难以估量和挽回的损失，均要求对其持续提供频率和幅值稳定、无浪涌、无尖峰干扰的优质交流电源。3 异步电动机调速系统的动态模型建立 3.1 异步电动机的简介及特性 异步电动机具有多变量、强耦合、非线性的特点，只有从动态模型出发，了解和分析异步电动机的磁链和转矩控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案并获得高动态调速性能。在基于动态模型的高性能交流电动机调速系统中，矢量控制系统是一种已经获得成熟应用的一种调速系统。矢量控制系统通过按转子磁链定向和矢量变换，得到等效的直流电动机模型，然后模仿直流电动机的控制策略设计控制系统。3.2 异步电动机的数学模型 在研究异步电动机的多变量数学模型时，常做如下假设： （1）忽略空间谐波，假设三相绕组是对称的，在空间相互差120(电角度)，所产生的磁动势沿气隙圆周按照正弦规律分布； （2）不考虑温度和频率的变化对电机参数的影响。 （3）忽略磁路饱合，各绕组的自感和互感都是恒定的； （4）忽略铁心损耗； 无论电动机转子是鼠笼型的还是绕线型的，都将它等效成绕线转子，经过折算，折算到定子侧后的每相绕组匝数都相等。这样，图3-1所示的三相异步电动机的物理模型就等效为实际电动机。在三相异步电动机的物理模型中，在空间，定子三相绕组的轴线A、B、C是固定的，所以定义为是三相静止坐标系。假设A轴为参考坐标轴，转子以速度在旋转，转子绕组的轴线为a、b、c，并随着转子旋转。则空间角位移变量就是转子a轴和定子A轴之间的电角度差q。图3.1 三相异步电动机物理模型3.3 异步电动机三相动态模型的数学表达式3.3.1 磁链方程 异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组磁链如下所示： （式3-1） 式中，L6x6阶的电感矩阵，其中对角线元素是各相关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。对于每一项绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏磁通之和，因此，定子和转子各相自感为： （式3-2） （式3-3）两相绕组之间只有互感，互感的情况较为复杂，定子和转子的六个绕组之间的互感可考虑有两类：一类是A、B、C相绕组及a、b、c相绕组之间因位置固定，故互感为常数；另一类是定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移的函数。由于三相绕组的轴线在空间的相位差是120电角度，在假设气隙磁通为正弦分布的情况下，有： （式3-4） （式3-5） 定、转子间的互感为： （式3-6） （式3-7） （式3-8） 矩阵方程写成分块矩阵的形式： （式3-9） 定子自感矩阵： （式3-10）转子自感矩阵： （式3-11）定、转子间互感矩阵： （式3-12） 和两个分块矩阵互为转置，且与转子位置有关，是时变元素，这是因为系统非线性的根源，可以用坐标变换把变参数转换成参数。3.3.2 电压方程 （式3-13）方程中，UA,UB,UC为定子三相电压；iA，iB，iC为定子三相电流；A，B，C为定子三相绕组磁链；r1为定子各相绕组电阻。三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： （式3-14）方程中，Ua,Ub,Uc为定子三相电压；ia，ib，ic为定子三相电流；a，b，c为定子三相绕组磁链；r2为定子各相绕组电阻。3.3.3 运动方程 （式3-15） 式中，为电磁转矩；为负载转矩；为电机机械角速度；为转动惯量.3.4 坐标转换三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效替代，等效原则是产生相等是磁动势。两相绕组间无约束条件，即不存在约束条件，就叫做独立；两相绕组在空间上互差90o即称为是正交；两相绕组的匝数和阻值相等就叫做对称。两相绕组、，通过两相平衡交流电流和，也可以产生旋转磁动势。而当两相绕组和三相绕组产生的两个旋转磁动势转速和大小都相等时，即认为三相绕组与两相绕组等效，这就是3/2变换。三相坐标系和两相坐标系物理模型如图3-2所示。 图3,2 三相坐标系和两相坐标系物理模型异步电动机的三相原始动态模型是非常复杂，因为有一个复杂的转矩方程和电感矩阵，所以异步电动机数学模型如此复杂，求解和分析这组非线性方程非常困难。它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。因此，需要从电磁耦合关系来解决这个问题。相互正交的并且两相匝数相等的绕组d、q，分别通以直流电流和，然后产生了合成磁势F，相对于绕组来说它位置是固定的。假设人为地让整个铁心包括两个绕组以相同的转速即同步转速旋转，合成磁势F自然也随之旋转起来，则成为了旋转磁动势。如果固定的交流绕组产生的旋转磁动势与这个旋转磁动势的转速和大小相等，那么前面两套固定的交流绕组就与这套旋转的直流绕组等效了。旋转正交坐标系的物理模型如图3-3所示。图3.3 旋转正交坐标系的物理模型可以看出来，以产生的旋转磁动势相同为准则，两相交流绕组、三相交流绕组和旋转的直流绕组彼此等效。也可以说，在两相坐标系下的、和三相坐标系下、以及在旋转正交坐标系下的直流和产生的旋转磁动势相等。就d、q两个绕组而言，当观察者是站在地面上看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果是从旋转着的铁心上看，它们就是一个直流电动机的物理模型。这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三绕组等效的直流电动机模型。坐标变换的任务就是要求出三相坐标系下、与两相坐标系下、和旋转正交坐标系下、之间准确的等效关系。3.4.1 三相-两相变换（3/2变换） 三相静止绕组为A、B、C，N3为每相绕组的有效匝数，通以三相平衡的正弦电流，产生合成磁动势F，以同步转速旋转，A、B、C轴称为三相静止坐标系；两相静止绕组为、，为每相绕组的有效匝数，它们在空间互差90o，并且通入时间上互差90O的两相电流，也产生与上相同的磁动势F，并以同步转速旋转，、轴称为两相静止坐标系。当进行三相/两相坐标变换时，两相总磁动势应该与三相总磁动势相等，两套绕组瞬时总磁动势在、轴上的投影都应相等，写成矩阵形式，得： （式3-16）按照变换前后总功率不变，匝数比为： （式3-17）则三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵为： （式3-18）3.4.2 两相三相变换（2/3变换）两相绕组和三相绕组A、B、C之间的变换，称作两相正交坐标系和三相坐标系间的变换，简称2/3变换。 （式3-19） 3.4.3 静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系dq的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称2s/2r变换，变换的原则是产生的磁动势相等。OFqd图3.4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量以上图形中所示关系用矩阵可表示为： （式3-20）静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵： （式3-21）旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵： （式3-22）定子旋转变换阵： （式3-23）转子旋转变换阵： （式3-24）电压方程： （式3-25）磁链方程： （式3-26）转矩方程： （式3-27）旋转正交坐标系中的磁链方程和转矩方程与静止两相正交坐标系中相同，仅下标发生变化。可以看出来，静止两相正交坐标系相比于旋转正交坐标系中的数学模型更简单，正是由于旋转正交坐标系上增加了一个输入量，使得系统控制的自由度提高了。3.5 异步电动机在两相坐标系上的数学模型3.5.1 在任意两相旋转坐标系(dq坐标系)上的数学模型两相坐标系既可以是旋转的的，也可以是静止的，最常见的就是任意旋转的坐标系，因此，这就比较容易求某一具体两相坐标系上的数学模型。假设设三相坐标A轴与两相坐标d轴的夹角为，dq坐标系相对于定子的角速度是=；dq坐标系相对于转子的角速度是。将三相静止坐标系上的电压方程、磁链方程和转矩方程都变换到两相旋转坐标系上来，将方程式中的定子和转子的电流、电压、磁链和转矩都通过3S/2S变换转换到两相静止坐标系，上，然后将这些变量用旋转变换矩阵变换到两相旋转坐标系dq上。用下标1表示定子各量，用下标2表示转子各量，变换后得到的数学模型如下。（1） dq坐标系中的电压方程（式3-28）（2） dq坐标系中的磁链方程 数学模型简化的根本原因可从磁链方程和dq坐标系物理模型上看出，其磁链方程为： （式3-29） 由于变换到dq坐标系上以后，定子和转子等效绕组都落在两根轴上，而且两轴互相垂直，他们之间没有互感的耦合关系，互感磁链只在同轴绕组之间存在，所以式中每个磁链分量只剩下两项了。（3） dq坐标系中的转矩方程和运动方程 将坐标变换矩阵代入ABC三相坐标系中的转矩方程中，简化后，得到dq0坐标系中的转矩方程为： （式3-30） 所以在dq0坐标系中的运动方程为： （式3-31）3.5.2 按转子磁场定向的两相同步旋转坐标系上的数学模型设d轴沿着转子磁链的方向，称之M轴；q轴逆时针旋转，即垂直于M轴，称为T轴；这样两相同步旋转的坐标系就具体规定为MT坐标系，即按转子磁场定向的坐标系。坐标系旋转速度等于同步角速度转子旋转机械角速度为；MT轴相对于转子的角速度为，即为转差的角速度。MT坐标系上的数学模型： （式3-32）4. 异步电动机变频调速原理 交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流调速是通过改变电动机定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转起来。电机磁场转速成为同步转速，用表示。 （式4-1）由上式可知，极对数p越多，转速就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速要慢一些，所以称为异步电动机。这个差别用转差率s表示通过学习电机学的理论知识，我们可知交流异步电机的转速表达式为 （式4-2）由这个公式可知，电机转速受电源频率，转差率和电机极对数的影响，改变电机的极对数会使其结构变得复杂，不方便且不能实现无极调速；改变转差率会带来较大的误差损耗，使电机效率降低，调速的范围也会受到影响。所以，能使交流电动机调速效果最佳的为通过改变电源频率f的方法,即变频调速。由异步电机定子电动势： （式4-3）可知，如果略去定子阻抗下降，则交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的感应电动势: （式4-4）由上式可知,若定子U电压不变,则磁通随着频率f的提高而减小,使得电动机的动力不足而过载能力下降；若 随频率f的减小而增加,则使励磁电流上升,增加了铁损,从而降低了电动机的效率。可见,只有使气隙磁通为一常量的条件下,改变频率f的同时协调的改变定子电压U,才能使电动机获得较好的工作性能。要保证=C为一常数,就必须在将频率f从基频fsn向下调节时,同时降低E,即满足: E/F=C （式4-5）上式说明在频率降低过程中能保证=C,从而使转矩Tc=Tcmax=C,取得较好控制效果。在基频fsn以上调速时,频率可增大,但是端电压U最多只能维持在额定值Um,这样，随着运行频率的升高，比值下降气隙磁通随之减小，弱磁后额定电流时的转矩将减小，特性变软。如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流,这时电机都能在温度允许下长期运行，其运行转矩基本上随磁通变化,即在基频以下为恒转矩调速,以上为恒功率调速。把基频以上和基频以下的控制特性画在一起，如下图所示：图4.1 异步电机基频以上及基频以下控制特性 通过以上分析，我们可以看到变频调速可得到几乎与直流电机调压调速相同“硬度”的机械特性。5. SPWM异步电动机变频调速控制系统的建立与仿真分析按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法来控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量通过反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也可称作矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制（Vector Control，VC）系统或按转子磁链定向控制（Flux Orientation，FOC）系统。逆变器电流变换与磁链观测电机SPWM控制（滞环脉冲发生器）转速转速调节转矩调节坐标变换磁链磁链调节函数模块 图5.1 系统结构框图在上图中，以产生同样的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流，等过程中实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果，得到直流电动机的控制量。本章主要对带转矩内环的转速和磁链闭环异步电动机矢量控制系统的异步电动机矢量控制系统，并通过改变模型参数比较和分析交流异步电动机矢量控制调速系统的特性，加强对交流异步电动机矢量控制系统的理解。5.1 转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统方案设计带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统主电路采用电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转矩控制内环，转矩调节器ATR的给定是转速调节器ASR的输出，而转矩的反馈信号，则通过矢量控制方程计算得到。电动机定子磁链由电路中磁链调节器ApsiR的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节。定子磁链由ATR和ApsiR的输出的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节。定子电流的转矩分量和励磁分量。和经过2r/3s变换后得到三相定子电流的给定值、分别是ATR和APsiR的输出，并通过电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流。5.2 带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型在带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型中，主电路由电动机本体模块（AsynchronousMachineSIUnits）、逆变器（UniversalBridge）、直流电源（DC voltage）、负载转矩（Constant）和电机测量单元模块（MachinesMeasurementDemux）组成。逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器产生。三个调节器ASR、ATR和ApsiR是带输出限幅的PI调节器（见图5.2图5.4）。转子磁链观测使用两相同步旋转坐标系上的磁链模型（Currentmodel），函数模块Fcn用于计算转矩，两相旋转坐标系/三相静止坐标系变换模块（dq0-to-abc）实现了矢量控制中的2r/3s的坐标变换。带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型如图5-1所示。图5.2 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统仿真模型5.2.1 转速、转矩与磁链调节模块 ASR为转速调节器，ATR为转矩调节器，ApsiR为磁链调节器。三个调节器结构相同，只是内部参数设置不同。带输出限幅的PI调节器ASR、ATR和ApsiR都含有饱和模块（Saturation），其主要作用是限制信号的范围，使信号变化在符合实际要求的范围之内。ASR为转速调节器如图5.3所示，ATR为转矩调节器如图5.4所示，ApsiR为磁链调节器如图5.5所示。其中PI调节器中的各个参数设置如下表所示表5-1 各调节器参数设置调节器KpKi上下限幅ASR108175,-175ATR4.51260,-60AR1.810013,-13图5.3 ASR转速调节器及其参数设置 图5.4 ATR转速调节器及其参数设置 图5.5 ApsiR转速调节器及其参数设置5.2.2 电流变换与磁链观测模块 电流变换与磁链观测模型及封装如图5.6所示，图中gain1模块是为了使幅值从三相坐标变换到两相坐标时保持不变，参数设为，gain2为定子与转子之间的互感，由电机参数设置可知它为0.069。，Fcn模块参数对话框中，参数设定为，Lm的数值是0.069，u(1)是信号，信号用u(2)表示，数值是0.087，由于u(2)是变量，为防止在仿真过程中出现0而导致仿真中止，在分母中加入1e-3也就是0.001. 图5.6 电流变换与磁链观测仿真模型及封装后子系统5.2.3 滞环脉冲发生模块 滞环脉冲发生器是由Sum模块、Relay模块和Data Type Conversion等模块组成，如图5.7所示。 图5.7 滞环脉冲发生器及其封装后子系统5.2.4 电机模块 电动机参数：参数设置为交流异步电动机线电压为380V，频率为50Hz，二对极，Rs=0.045，,，,，即线电压、频率和转动惯量J改动，其他参数均为默认环值，如图5.8所示。 图5.8电动机及其参数设置5.3 仿真波形及分析 仿真选择算法为ode23tb，仿真开始时间为0，结束时间为1.0s，仿真结果如图5.9图5.11所示。图5.9 =280r/min矢量控制转速波形 从仿真结果可以看出，当给定信号=280r/min时，在调节器作用下，电机转速为上升阶段，电流接近最大值，使得电机开始平稳上升，在t=0.2s左右时转速超调，电流很快下降，转速达到稳态280r/min。异步电动机的转速随着给定信号的变化而发生改变，整个变化曲线同实际情况非常类似。图5.10 =280r/min矢量控制转矩波形 从仿真结果可以看出，在启动过程中由于启动转矩较大，所以电动机产生较大的电磁转矩，当起动结束后，此时电磁转矩Te值接近于负载转矩60N*m。图5.11 =280r/min矢量控制电流波形从仿真结果可以看出，A相定子电流值始终围绕经2r/3s变换的A相电流给定值在规定范围内波动，在启动过程中由于定子电流的转矩和励磁分量都保持不变，定子电流的给定值也保持不变，所以在启动过程中定子电流基本保持不变。图5.12 =280r/min转矩-转速波动曲线 从图中可以看出，X轴为转矩，Y轴为转速，在启动阶段，转矩波动较大。图5.13 =280r/min定子磁链轨迹如图5.13所示，在启动过程中，磁场的建立过程是平滑的，呈螺旋状增加。图5.14 =280r/min 逆变器输出电压波形如上图所示的逆变器输出电压波形符合双极性SPWM输出波形的规律. 通过带转矩内环的转速和磁链闭环矢量控制系统仿真结果，我们可以知道，实际电流都能快速的跟随给定值，充分发挥了闭环控制的优越性。因为根据异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型可知，转子磁链定向实现了定子电流的转矩分量和励磁分量的解耦，转子的角速度主要受定子电流的转矩分量控制。采用电流闭环控制，通过改变转子角速度的给定值，通过反馈环节可以实现对定子电流转矩分量的控制。当系统受到扰动时，定子电流转矩分量虽然发生变化，但是由于反馈环节的作用，能够很快的恢复到扰动之前的状态。 通过带转矩内环的转速和磁链闭环的矢量控制系统仿真模型，转速给定通过转速调节器（ASR）得到转矩调节器（ATR）的给定转矩，而仿真模型中增加了转矩内环，和矢量控制方程计算出的反馈信号在转矩调节器（ATR）中作用，得出定子电流的转矩分量给定值。转矩内环的作用是：当转子磁链发生波动时，通过转矩调节器及时调整电流转矩分量的给定值，以抵消磁链变化的影响，尽可能不影响或者少影响电