基于MATLAB异步电机矢量控制的仿真研究.doc

学科分类号：_ 湖南人文科技学院湖南人文科技学院 本科生毕业论文 题 目：基于MATLAB异步电机矢量控 制的仿真研究 学生姓名： 张 瑜 学号 06421107 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 自动化2006级 指导教师： 罗良才 李新君 职 称： 教授 助教 湖南人文科技学院教务处制 湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注 明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二 年 月 日 湖南人文科技学院毕业论文 I 基于 MATLAB 异步电机矢量控制 的仿真研究 摘 要：矢量控制的交流变频调速系统具有非常好的性能和效率，在许多要求高性能 和高精度的场合，矢量控制体现出来了其巨大的优势。对于电气传动系统的研究，往 往会遇到数学物理计算的难题，难于得到比较贴近实际系统的模型，随着计算机的飞 速发展，建立比较理想的模型成为可能。利用强大的仿真工具，通过建立逼真的仿真 模型，对复杂问题进行综合分析、比较和优化处理，得到系统模型的各项参数。对模 型进行仿真，得到精确的图形和实验数据，为科学决策提供了非常可靠的依据。 文章首先介绍了交流系统的发展历史以及目前的发展现状，概述了矢量控制的基 本概念，论文研究的内容、目的和意义。接下来对异步电动机数学模型的建立进行了 详细的推导，得到了合理可行的数学模型。然后是本文的重点部分，构建出了矢量控 制系统的具体模型，并对系统进行实验仿真，研究了系统的静态特性、动态特性、有 扰动情况以及系统参数变化时对系统性能的影响。论文最后对仿真的结果进行了详细 的分析和总结，为系统的改进奠定了坚实的基础。 关键词：异步电机；异步电机；SPWM；矢量控制；仿真；矢量控制；仿真 湖南人文科技学院毕业论文 II Based on MATLAB Induction Motor Vector Control Simulation Abstract：Vector control of AC variable speed system has a very good performance and efficiency, in many occasions that require high performance and high precision vector control manifested in its great advantage.Research on electric drive system often encounters problems of mathematical physics calculations,so it is difficult to get close to the actual system model. With the rapid development of computer,establishing an ideal model become possible. Through using powerful simulation tools,establishing of realistic simulation model,to analyse,compare and optimize complex issues comprehensively,then obtained the parameters of the system model.Simulate the model to get accurate graphics and experimental data provides the scientific decision a very reliable basis. The article first describe the AC system development history and current development status, briefly introduce the basic concepts of vector control, the content that the paper studies,the purpose and the meaning.Next derived the mathematical model of induction motor detailedly and got the reasonable and feasible model. Then the key part of this paper, constructed a specific model of vector control system, and simulated the system to study the systems steady-state characteristics,dynamic characteristics, the disturbance and the influence on the system performance when system parameters change.Finally analysed and summarized the simulation results detailedly,which laid a solid foundation on improvements of the system. Key words: induction motor; SPWM; vector control; simulation 湖南人文科技学院毕业论文 III 目目 录录 第 1 章绪论.1 1.1异步电机交流调速系统概述.1 1.2论文的研究目的及意义.3 1.3论文的主要研究内容.4 第 2 章异步电机的数学模型.5 2.1异步电机工作原理简述.5 2.2异步电机数学模型的建立.6 2.2.1异步电机的基本方程.6 2.2.2三相异步电机的数学模型.8 2.3异步电机在两相坐标系上的数学模型.8 2.3.1异步电机在二相静止坐标系上的数学模型.8 2.3.2异步电机在 d、q 坐标系上的数学模型.9 第 3 章异步电机矢量控制系统的仿真研究.11 3.1矢量控制的基本概念及特点.11 3.1.1矢量控制的概念.11 3.1.2矢量控制的特点.13 3.2仿真工具.14 3.2.1MATLAB 的简介.14 3.2.2MATLAB 中的 SIMULINK 仿真模块的使用.15 3.3异步电机矢量控制系统的仿真.16 3.3.1SPWM 变频调速矢量控制的实现.16 3.3.2仿真结构图.18 3.3.3仿真模型的验证.20 3.3.4矢量控制系统仿真.23 第 4 章扰动和系统参数变化对系统性能的影响.27 4.1外界扰动对系统性能影响的分析.27 4.2系统参数改变对系统性能的影响分析.27 湖南人文科技学院毕业论文 IV 第 5 章总结和展望.29 致谢.30 参考文献.31 湖南人文科技学院毕业论文 1 第 1 章绪论 交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维 护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件 的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使 得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。 随着交流传动系统的飞速发展，交流调速系统正以良好的动态、静态性能广泛应用于 工业生产的各个领域，打破了过去传动领域内直流调速系统所占的统治地位。二十一 世纪将是交流调速占统治的时代。 1.1 异步电机交流调速系统概述 现代交流电机变频调速系统的发展，主要经历了以下几个阶段： 早期通用变频器，大多数为开环恒压频比的控制方式。其优点是控制结构简单、 成本较低。缺点是系统控制的异步电机矢量控制以及调速性能不高，比较适合应用在 风机、水泵等场合，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电磁转矩利 用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差。 八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量法（或称磁通轨迹法） 。 该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹为 目的，一次生成三相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制，它通过引入频率 补偿控制，消除速度控制稳态误差，基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电 流，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对调速性能的影响。 实现输出电压、电流闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时在 一定程度上获得电流波形的改善。这种控制方法的另一个优点是对再生过电压、过电 流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。 近年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，先进的电机控制理论 湖南人文科技学院毕业论文 2 （如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）被广泛应用，变频装置中的电力电子器件性 能大大提高，同时核心控制计算机从 16 位机发展到 32 位机，并且普遍使用高速数字 信号处理器(DSP)进行复杂的控制算法运算，实现了快速运算和高精度控制。现代的数 字化控制变频调速系统噪声大大降低，元器件大幅度减少，并且可以得到良好的电流 波形，从而使系统更加可靠。同时系统在调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、 功率因数、运行效率和使用的方便性等方面都是其它交流调速方式不可比拟的。目前 全数字化控制变频调速系统的电流响应可达到 0.10.7ms，速度响应可达到 24ms，足 以满足传动领域的要求。 当前，数字化变频调速控制系统中普遍使用的控制方式是 PWM 矢量控制方式 （包括电压矢量、磁通矢量和磁场定向等） ，图 1.1 示给出了矢量控制调速系统的结构 图。矢量控制能够对电压、电流以及它们产生的磁势、磁链的瞬间值进行控制，并且 能够实现磁通和转矩的解耦，从而大大提高电机的动、静态性能。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。 逆 变 器 异步电 动机 SPW M信 号发 生器 ATCR ATCR ASR 磁通 函数 表 角 计算 模块 M,T ， ， a,b,c M,T ， r + - i iTr 图 1.1 矢量控制调速系统的结构图 矢量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为 两相系统，在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 湖南人文科技学院毕业论文 3 量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。直接转矩控制 是 80 年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采 用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型 PWM 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换 的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视2。 随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、 神经元控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景， 必将进一步推动交流调速技术的发展。 1.2 论文的研究目的及意义论文的研究目的及意义 电机及其控制在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、交通运输、国 防宇航、医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都大量地使用各种 各样的电机。电机是电能应用的主要形式，是应用最广泛的电能到机械能的变换装置， 世界上超过 60%的发电量用于驱动各种各样的以电动机为原动机的电力传动装置与系 统。在以满足生产工艺要求为目的的调速控制方面，直流电机调速系统占据主导地位。 但是直流电机本身在机构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂， 制造复杂，制造费时，价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度 不高，电刷易于磨损等问题的存在，在运行中需要有经常性的维护检修：对环境要求 也比较高，不能使用于化工、矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易燃、易爆气 体的场合。 而交流调速系统具有众多的优点，如：交流电动机特别是鼠笼型异步电动机的价 格远低于直流电动机，而且结构简单，重量轻，制造方便，坚固耐用，惯性小；可靠 性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小；使用场合没有限制，能在恶劣的甚至 是含有易燃易爆性气体的环境中安全运行；单机容量远大于直流电动机。正是由于交 流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机要广泛得多， 约占整个电力拖动总容量的 80%以上。在整个交流调速中占有重要的地位。 湖南人文科技学院毕业论文 4 矢量控制理论很好的解决了交流电机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统 等效为两相系统，在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 转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动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、电动汽车等都采用了交流调速系统。 实际生活系统往往是动态的、复杂的。本文论述了使用 MATLAB 软件中 SIMULNIK 仿真工具对异步电机 SPWM 矢量控制系统的仿真与研究。通过建立仿真模 型，很好的对系统的各种参数进行设置，不断的实验、测试，以至达到较好的系统性 能。 1.3 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 本文介绍了交流调速系统的概况和矢量控制的基本概念并分析其特点；利用 MATLAB 软件建立异步电动机矢量控制的数学模型并进行仿真，从而研究系统的动静 态性能；分析研究在有扰动和系统参数变化等因素影响下对系统性能的影响；在前人 研究的基础上，根据系统的仿真结果对现有的控制算法进行一些改进，使系统具有更 好的动静态性能。 湖南人文科技学院毕业论文 5 第 2 章 异步电机的数学模型 2.1 异步电机工作原理简述 三相异步电机的工作原理就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作 用在转子绕组内所产生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。其工作原 理如图 2.1 所示。 图 2.1 三相异步电动机的工作原理 定子的旋转磁场的转速 n0由下式决定： (2-1)0 60 f n p 式中：f 电源的频率； p 旋转磁场的磁极对数。 当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电势，在转子绕组中产生转 子电流。转子的旋转速度（即电动机的转速）总是比旋转磁场的旋转速度 （称为同步 转速）小，转子和旋转磁场之间的转速差 n0-n 与同步转速 n0的比值称为异步电动机的 转差率，用 S 表示，即： 湖南人文科技学院毕业论文 6 (2-2) 0 0 nn S n 转差率 S 是分析异步电动机运行情况的主要参数。 由式 2-1 及 2-2 可得到三相异步电动机的转速表达式为： (2-3) 60 (1)fS S p 三相异步电动机的调速方法有： (1) 改变极对数 p； (2) 调节电源频率 f； (3) 使电动机的转差率发生变化。 2.2 异步电机数学模型的建立 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。 2.2.1异步电机的基本方程 1、电压方程 三相定子绕组电压平衡方程式为： (2-4) 1AAAui rp (2-5) 1BBBui rp (2-6) 1CCCui rp 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为： (2-7) 2aaaui rp (2-8) 2bbbui rp (2-9) 2cccui rp 式中，定子和转子相电压的瞬时值；AuBuCuaubucu 湖南人文科技学院毕业论文 7 ，定子和转子相电流的瞬时值；AiBiCiaibici ，各相绕组的全磁链；ABCabc ，定子和转子绕组的电阻。1r2r p微分算子，代替微分符号 d/dt. 上述各量都己折算到定子侧。将电压方程用矩 阵形式表示可写成： (2-10) 1 1 1 2 2 2 00000 00000 00000 00000 00000 00000 AAA BBB CCC aaa bbb ccc uri uri uri p uri uri uri 电压方程也可写为： (2-11) urip 2、磁链方程式 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 个绕组磁链可表达为： (2-12) AAAABACAaAbAcA BBABBBCBaBbBcB ACACBCCCaCbCcC aaAaBaCaaabaca bbAbBbCbabbbcb ccAcBcCcacbccc LLLLLLi LLLLLLi LLLLLLi LLLLLLi LLLLLLi LLLLLLi 或写成 (2-13)LI 式中 L 是 66 阶的电感矩阵，其中对角线元素，AALBBLCCLaaLbbL 是各相关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。ccL 把磁链方程式(2-9)代入电压方程式(2-7)，则得展开后的电压方程为： ()/(/)/(/)urip LiriLdi didL dt iriLdi dtdL di (2-14) 式中 Ldi/dt 项属于电磁感应电动势中的变压器电动势，项属于电磁感应(/)dL di 电动势中与转速成正比的旋转电动势。 湖南人文科技学院毕业论文 8 3、运动方程式 作用在电动机轴上的转矩与电动机速度变化之间的关系可以用运达，一般情况下， 电气传动系统的运动方程式为： (2-15)eL nnn J dDK TT PdtPP 式中负载阻力矩，机组的转动惯量， 转子旋转电角速度，D旋转LTJ 阻尼系数，K扭转弹性转矩系数。对于恒转矩负载，D0，K=0，则： (2-16) r eL n J d TT Pdt 2.2.2三相异步电机的数学模型 将上述式(2-11)式(2-13)归纳起来便构成在恒转矩负载下三相异步电动机的多变量 非线性数学模型： (/)(/)uriL di dtdL di (2-17) (2-18) r eL nt J d TT Pd /ddt 由以上方程式可知，异步电机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程式中，既有 三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程式中磁场与定、 转子电流之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩阵。通常需要用坐标 变换的方法加以改造，最后得出与三相异步电机等效的直流电机模型。 2.3 异步电机在两相坐标系上的数学模型异步电机在两相坐标系上的数学模型 2.3.1异步电机在二相静止坐标系上的数学模型 湖南人文科技学院毕业论文 9 电压方程： (2-19) 11111 11111 22222 22222 00 00 0 0 m m mrmr rmmr uurL PL Pi uurL PL Pi uL PLrL PLi uLL PLrL Pi 其中，电机同步角频率，电机转差角频率，电机转子的1rs1sr 电气角速度；，、 轴定子电压，、 轴转子电压，1u1u2u2u1i1i 、 轴定子电流，、 轴转子电流；，定、转子电阻；定、转2i2i1r2rmL 子间的互感，定、转子自感；1L2L 磁链方程： (2-20) 2 2 1 1 2 2 1 1 00 00 00 00 i i i i LL LL LL LL rm rm ms ms 其中 1 ， 1 、 轴定子磁链， 2 ， 1 、 轴转子磁链。 转矩方程： 1212()epmTN L i ii i (2-21) 电磁转矩eT 2.3.2异步电机在 d、q 坐标系上的数学模型 此时，d 轴与转子磁场方向重合。转子磁通 d 轴分量为 2 ，q 轴分量为零。 电压方程： (2-22) 11111 11111 22222 22222 00 00 0 0 ddmd qqmq dmrmrd qrmmrq uurL PL Pi uurL PL Pi uL PLrL PLi uLL PLrL Pi 其中，d、q 轴定子电压，d、q 轴转子电压；，d、q 轴1du1qu2du2qu1di1qi 湖南人文科技学院毕业论文 10 定子电流，d、q 轴转子电流。2di2qi 磁链方程： (2-23) 111 1 111 1 222 2 22 1 00 00 00 000 dmd d qmq q md d mq q LLi LLi LLi LLi 其中，d、q 轴定子磁链，d、q 轴转子磁链1d1q2d1q 转矩方程： (2-24) 12122()epmqddqTN L i ii i 电磁转矩eT 运动方程： (2-25) () p eL dN TT dtJ 其中电机极对数，机组转动惯量，电磁转矩，负载转矩。pNJeTLT 湖南人文科技学院毕业论文 11 第 3 章 异步电机矢量控制系统的仿真研究 3.1 矢量控制的基本概念及特点矢量控制的基本概念及特点 3.1.1矢量控制的概念 异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究其数学模型时所做 的假设为： (1)忽略空间谐波，认为三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分 布； (2)忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； (3)忽略铁芯损耗； (4)不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 图 1.2 为矢量控制中异步电机的物理模型。其中，定子三相绕组轴线 A、B、C 在 空间是固定的，以 A 轴为参考坐标轴，转子绕组 a、b、c 随转子旋转，转子 a 轴和定 子 A 轴之间的电角度为空间角位移变量。 图 1.2 矢量控制中异步电机的物理模型 异步电机定子通过三相电流 iA、iB、iC和两相垂直的电流 i、i可产生等效的旋转 磁场。因而三相电流 iA、iB、iC和两相电流 i、i之间存在着确定的矢量变换关系。以 湖南人文科技学院毕业论文 12 产生同样的旋转磁场为准则，在三相定子坐标系下的定子电流 iA、iB、iC通过三相二 相坐标变换可以等效成两相静止坐标系下的交流电流 i、i。再通过按转子磁场定向的 旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流 id、iq。图 1.3 为异步电机的几个 坐标系的关系。 图 1.3 异步电机的坐标系 这样就实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的 磁通和转矩分别控制的目的。d-q 绕组相当于直流电机的励磁绕组和电枢绕组，电机在 同步旋转坐标系 d、q 上的物理模型如图 1.4 所示。 图 1.4 同步旋转坐标系上的异步电机物理模型 由于这些被控矢量在物理上不存在，我们还必须再经坐标变换，从旋转坐标系回 湖南人文科技学院毕业论文 13 到静止坐标系，把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系对 交流量进行控制，使其实际值等于给定值。整个矢量控制过程可用图 1.5 框图所示。 测量交 流量 计算被控矢量各 分量的值 交流量 控制 坐标变换 （静动） 坐标变换 （动静） （静止系） （旋转系） （静止系） 图 1.5 矢量控制过程框图 其中，从三相静止坐标系 A、B、C 系变换到两相静止坐标系 、 系的坐标变换 矩阵(3s/2s 变换)为： (1-1) 11 1 222 333 0 22 A B C i i i i i 从两相静止坐标系 、 系变换到两相旋转坐标系 d、q 系的变换矩阵（旋转变换） 为： (1-2) cossin sincos d q ii ii 3.1.2矢量控制的特点 矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，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 变频器异步电机变频调速是可以达到控制结构简单，可靠性高的效果。其特点主要表 现在以下几个方面： (l)可以从零转速起进行速度控制，调速范围广； (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； 湖南人文科技学院毕业论文 14 (4)电动机的加速度特性好。 3.2 仿真工具 3.2.1MATLAB 的简介 八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究和设计的有利 工具。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起电机及其传动、控制的仿真模 型，再以这个模型在计算机内人为模拟的环境或条件下的运行研究，替代真实电机在 实际场合下的运行实验，既可得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。 MATLAB 是美国 Mathworks 公司自 1984 年推出的一种使用简便的工程计算语言，它 以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，在 这里可以实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘 图、应用程序开发（包括图形用户界面设定）等等功能，而且，MATLAB 提供的工具 箱为各行各业的用户提供了丰富而实用的资源。 MATLAB 语言具有以下特点： 1.功能强大 MATLAB 不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分 析和数据可视化方面也有着其他类似软件难以匹敌的优势。此外，MATLAB 的 Notebook 为用户提供了把数学和文字进行统一处理的功能，而 MATLAB 的 SIMULINK 功能则将其应用扩展到各行各业的仿真领域。不仅如此，公司更推出了针 对各专业应用的 MATLAB 工具箱。 2.界面友好、编程效率高 MATLAB 是一种以矩阵计算为基础的程序设计语一言，其指令表达方式与标准教 科书的数学表达式非常接近。用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算要 求输入表达式，MATLAB 将为用户计算出结果。此外，使用语言设计的程序，其编译 和执行速度远远超过了传统的 C 语言设计的程序，可以说，MATLAB 在工程计算方面 的编译效率远远高于其它编程语言。 3.扩展性强 湖南人文科技学院毕业论文 15 MATLAB 的重要特点之一就是其可扩展性，这个特点使得用户能够自由地开发自 己的应用程序，这些年来，许多使用 MATLAB 的数学家、工程师和科学家已经开发出 相当多的不同应用领域的应用程序。MATLAB 的这些特点使它获得了对应用学科，特 别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、 设计、仿真以及教学等不可缺少的基础软件。 MATLAB 提供的 SIMULINK 是一个用来对动态系统建模，仿真和分析的软件包。 它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而 且系统可以是多进程的，它具有相对独立的功能和使用方法。SIMULINK 的出现使得 仿真工作以结构图的形式加以进行。它提供各种功能模块，包括了连续系统(Continues)、 离散系统(Discrete)、非线性系统(Nonlinear)几类基本系统构成模块，还包括连接、运算 类模块:函数与表(Functions&Tables)、数学运算模块(Math)、信号与系统 (Signals&System)。而输入源模块(sources)和接收模块(Sinks)则为模型仿真提供了信号 源和结果输出设备。便于用户对模型进行仿真和分析。用户只要从模块库中拖放合适 的模块组合在一起（也可以是自己的系统） ，就可以直接对它进行仿真。可以选择合适 的输入源模块作信号输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性。各种数 值算法，仿真步长等重要参数可通过方便易用的对话框确定，十分简捷，同时可以借 助模拟示波器将仿真动态结果加以显示，省去了以往仿真研究中的大量手工编程过程， 避免了编程错误造成的数值不稳定，计算结果错误等不该发生的意外事件出现，大大 提高了算法研究与实际应用的效率和可靠性。 3.2.2MATLAB 中的 SIMULINK 仿真模块的使用 启动 SIMULINK 只需在 MATLAB 的命令窗口键人“SIMULNIK”命令，此时出现 一个 SIMULINK 窗口。这个窗口包含 7 个模块库，它们分别是信号源模块库(sources)、 输出模块库(Sinks)、离散模块库(Diserete)、线性模块库(Linear)、非线性模块库 (Nonlinear)、连接与接口模块库(Connections)和扩展模块库(Extrax)。 建立一个控制系统结构框图,则应选择文件(File)中的新文件(New)菜单项，这样 SIMULINK 就会自动打开一个空白的模块编辑窗口，允许用户输人自己的模块框图。 只要从各模块库中取出模块，定义好模块参数。将各模块连接起来，然后设置系统参 湖南人文科技学院毕业论文 16 数，如仿真时间、仿真步长和计算方法等。模块的取出可以采用在模块库中选中模块 后拖动到编辑窗口的复制方法。连接两个模块是相当容易，简单地用鼠标左键先点一 下起点模块的输出端（三角符号） ，然后拖动鼠标器。这时就会出现一条带箭头的直线， 将它的箭头拉到终点模块的输入端再释放鼠标左键，则 SIMULNIK 会自动产生一条带 箭头的连线，将两个模块连接起来。如果连线出现错误，可以使用鼠标左键选中该线， 然后再使用 Edit 中 cut 命令将该线删除掉。定义模块参数采取用鼠标左键双击模块图 标的办法，即可得到模块参数设置对话框。 选择 Start 命令可以启动仿真程序，在仿真结束时，计算机会用声音给予提示，可 以通过虚拟示波器 Scope 观察系统仿真结果输出。把 Scope 连接到任何你想观测的点， 调整好 Scope 的扫描量程与显示幅值量程，同时调整 Scope 的窗口大小及位置，观察 系统的仿真过程13。 3.3 异步电机矢量控制系统的仿真 3.3.1SPWM 变频调速矢量控制的实现 方程(2-16)(2-22)构成了一个完整的异步电机矢量变换模型，然而在矢量控制系 统中，被控量是定子电流，因而必须从上述数学模型中找到定子电流的两个分量，即 励磁分量与转矩分量与其它物理量的关系。从式(3-19)(2-20)可以推导出： 2 12 2 12 1 1 d m s q m T p i L T i L (3-1) 对于恒磁通控制，则有： 2 1d m i L (3-2) 进一步推导还可以得出： 12 2 m epq L TNi L (3-3) 湖南人文科技学院毕业论文 17 () p rel N TT dt J (3-4) 1()srdtdt (3-5) 集合式(3-1)、(3-2)、(3-3)和式： 21 21 1q s d T p i Ti 可以得到原理型异步电机矢量变换模型，如图 3-1 所示。 利用 MATLAB 下的 SIMULINK 模块库可以比较方便的得到异步电机的仿真模型。 其中有建立在静止坐标 、 坐标系下，两相同步旋转坐标 M、T 坐标系下的电机仿真 模型等。应用状态方程直接得到异步电机仿真模型。将方程(2-16)改变成状态方程(3-6)。 2 m p L N L 21 mL T p p p N J 2 1di 1i Ai Bi Ci 1i 3/2 变 换 旋 转 变 换 1qi 1T eT - 图 3.1 异步电机矢量变换原理模型 1 2 122212 2 122121 12 2 121122112 1 2 112212 1 2 0 0 1 0 0 mm m mmm mmm m mm m i r Lr LL LiLL iLL Lr LiLur L r Lr LL LiLuL LLL L i L LL Lr LiLr L i (3-6) 再通过上述式(2-1)、(2-2)的 3/2、2/3 变换得到输入为三相电压，输出为电机的转 速、转矩信号的异步电机的仿真模型，如图 3.2 所示。 湖南人文科技学院毕业论文 18 图 3.2 异步电机矢量控制仿真结构图 3.3.2仿真结构图 进行矢量控制，首先得把电机的定子三相电流、电压、磁链等经过坐标变换，变 到静止的，两相坐标系，然后再由，两相坐标系转换到以转子磁场定向的 M、T 两相旋转坐标系。进行这些变换以及反变换可以通过专门的电路或者是微处理器 来实现。这里我们使用 MATLAB 工具箱中的 SIMULINK 先予以仿真1。 异步电机矢量控制系统由四个子系统构成：主 Subsystem ,Subsystem 3s/2r、Subsystem 2s/3r、subsystem U/I 的仿真结构图如图 3.33.6 所示。 图 3.3 主 subsystem 仿真结构图 湖南人文科技学院毕业论文 19 图 3.4 3s/2r 转换模块 图 3.5 U/I 转换模块 图 3.6 2r/3s