异步电动机矢量控制系统设计及仿真

1、中文摘要异步电动机矢量控制系统设计及仿真摘要现代交流调速系统在矢量控制技术出现以前多用恒压频比的控制策略，采用这个控制策略的不足之处是在电动机低速转动或者在加减速、加减负载等动态情况下，系统性能显著降低，致使交流调速系统在低速、启动时转矩的动态响应以及整个系统的稳定度方面比直流调速系统逊色，这样就不能满足人们的高精度需求。后来，交流异步电动机控制开始大踏步从标量控制向矢量控制迈进了。下面就来简要介绍下矢量控制理论。矢量控制发展起来的基础和核心理论支撑是坐标转换原理，机电能量转换理论等一些电机学的概念。这一控制的根本思想方法其实就是将异步电动机模仿成直流电动机来控制。只要建立出与三相交流绕 组等

2、效的两相绕组，即可建立与异步电动机等效的直流电机模型，再加上相应的比例积分调节环节，于是就可按对直流电机的控制策略对异步电动机进行控制。因而使用矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，使得调速性能得以优化提高。这次毕设中我根据这个思路成功地进行了MATLAB仿真。 关键词： 交流电动机； 矢量控制调速系统； 仿真The Design and Simulation of Vector Control System of Asynchronous MotorAbstractBefore the technique of vector control system was invented,

3、alternating current speed control system used constant V/f ratio control method witch is normally known as scalar control. Systems which take this method show vital defect when the motor running at low speed or under circumstances like acceleration, deceleration, adding load, reducing load. Alternat

4、ing current motor witch use vector control can achieve the same control performance as constant current motor, even better.Vector control developed from the foundation of the theory of motor integration, mechanical-electric energy transition, coordinates transition. Its main idea is simulating const

5、ant current motor to control alternating current motor. Once the equivalent among three-phase alternating current wingding, two-phase alternating current wind and rotating constant current winding is established, the mode of alternating current motor that simulating constant current motor can be cre

6、ated as well. Therefore, asynchronous motor can be controlled in ways according to synchronous motor. So that vector control can achieve dynamic control of electrical torque of asynchronous motor and reach a high level of speed control performance. I have successfully made a MATLAB simulation of the

7、 system. Key Words: Asynchronous Motor; Vector Control; SimulationIII目录目录摘要IAbstractII第 1章 绪论11.1交、直流调速系统11.2交流调速系统概述2第2章 异步电动机之矢量控制理论52.1异步电动机之数学模型52.1.1关于异步电动机数学模型之性质52.1.2数学模型构建52.2异步电动机的坐标变换82.3异步地电动机根据矢量控制法则设计的调速系统10第3章 矢量控制系统的仿真143.1 MATLAB仿真工具介绍143.2 电动机的具体仿真设计153.2.1总体仿真结构图153.2.2仿真系统各子模块设计及

8、参数设置163.3仿真结果分析243.3.1空载运行结果分析243.3.2电机带额定负载运行263.3.3电机动态运行性能28第4章 总结与展望32谢辞33参考文献34附录A外文文献原文35附录B外文文献译文43华东交通大学毕业设计（论文）第 1章 绪论1.1 交、直流调速系统一般来说，电力传动控制系统由电动机和控制装置组成。交流调速系1华东交通大学毕业设计（论文） 统是一种以控制对象为交流电动机的电力传动自控系统；与此同理，当以直流电动机为控制对象时的电力传动自控系统便是直流调速系统啦，这个不难理解。直流调速系统在20世纪中期前都有着毫无疑问的重大作用对电气工程事业的发展起到推动作用，它之所

9、以受青睐主要是因为它采用电流、转速两个闭环调速系统能获得良好的静、动态调速特性。一方面，该系统在额定转速以上通过使电枢电压保持不变而改变励磁电流实现恒功率调速即所谓的弱磁调速；另一方面，能实现恒转矩调速。不过什么事都是一分为二的，直流电机也存在其自身致命缺陷和不足，那就是它在结构上有接触摩擦式电刷与换向器结构。如下图1-1所示。图1-1直流电机的换向器和电刷换相结构对直流调速系统的发展的限制具体表现在：有会产生火花的隐患，直接导致其不能适合严谨存在火花的场合，否则极易造成火灾爆炸事故；为了让直流电机的换向器能可靠地工作，需要增大换向器和电枢的直径，这样又导致电机的转动惯量很大，不能满足有快速响

10、应的生产场合的需要。这样以来便使得直流调速系统的维护工作量相当大，为了其正常工作需要储备一定的资源，故成本高昂，与此同时定期的停机检修也会使得工厂车间的生产效率降低；最后，换相器为防止环火的发生对电机运转速度及换相电流、电压有限定值，这会极大地限制了每台直流电动机的最大转速和运行功率。显然大功率的电动机制造起来更难，成本高昂，故直流调速对大功率高转速的电机应用场合不适合。简而言之，直流调速系统的发展及其应用因此受到桎梏。交流电动机因而有不少的优点，比如，因为异步电动机的结构较直流电机简单只有定子三相电压输入，所以在体积相同的情况下异步电动机的输出功率一般都会比直流电动机的输出功率大很多。故而在

11、输出功率相同的时候，异步电动机的体积一般也会比直流电动机的体积小很多。同样，在输出同样大功率的情况下，异步电动机的重量比直流电动机的重量轻很多。不仅如此，异步电动机的结构简单而且牢固，运行很久都不会出现故障问题，它的维修量比直流电动机小得多。另外，异步电动机转速特性和牵引力特性都优于直流电动机，异步电动机调速范围广，速度高牵引力小，速度低时牵引力高，非常适合机车运行的实际需要，而相比之下直流电机尤其是他励直流电机，它的速度特性较硬，在电枢电流变化很多即负载变化较大的情况下输出转速变化不够大，这样不利于机车的速度控制，比如机车在起动时转矩要大，但速度要小才能平稳起动。异步电动机的输入电压可通过三

12、相桥式全控电力电子电路控制，通过每个桥臂上的晶闸管的一次交替导通即可实现对异步电动机的调速控制可无触点转换，不会像直流电动机那样有电刷和换向器等触点，于是也就不存在因触点存在而产生的如环火、电刷及换相器磨损和定期更换等麻烦的事情，省时省力又省心，同时由于控制异步电动机的电路是电力电子电路，这样便于实现对异步电动机的自动控制。再次，异步电动机的功率利用好，功率利用系数等于异步电动机最大转速时的电枢电流除以额定转速时的电流。最后一点也是很重要的，就是异步电动机的谐波干扰小，这个有点的好处不用多说，大家都知道，谐波干扰小就不会对外电子设备的正常工作产生不利影响，对系统本身来说这样也能增强其鲁棒性，降

13、低因干扰而中断工作的概率。总而言之，直流电机由于其换向器和电刷的存在严重限制了直流电机的发展，而异步电动机不存在这个问题，再加上理论和制造工艺上的日益完善进步，异步电动机的发展前途较直流电机大得多，可以说异步电动机在工业、国防以及人们生活中取代直流电机是大势所趋。1.2交流调速系统概述电能，这种中间能源它不管是在生产中亦或是在变换中均相对十分的不费钱，传输和分配的技术成熟，只要硬件部分如发电厂、变电站、电线杆等建设到位电能便不再占用耕地，使用它不会产生废物和垃圾，控制方便，电气工程师们开发了组态王等软件可以实时监视控制电能的产生、变换、传输和使用，而且电能又是绿色能源，使用起来不会造成温室效应

14、、环境污染之类的问题，所以电能是国民经济个部门动力的主要源泉。而关键正是在于电机对于在电能重大意义，前者在后者的产生、变化、配置和用户使用等各个环节都扮演着非同寻常之角色，发电厂要有发电机，电扇、冰箱、空调、搅拌机、切割机、机床、机器人、汽车、火车等所有民用或军用的电器或电气设备无一不用到电动机，这其中绝大部分均是异步电动机。据可靠的统计显示，电机类产生的能耗占到企业总能耗的百分之七十甚至更多，其中众多的机械对电机有调速要求。因此，我们国家科技水平的一个重要体现点就是电力传动的技术水准。上节已经详细介绍了直流调速系统的特点与不足。随着电力电子器件和微机控制技术的发展进步，当然还有矢量控制理论等

15、关键技术的发展、国家对科技发展的大力支持与资助，交流调速技术于是便得以快速之发展。交流电动机尤其是鼠笼型的三相交流异步电动机，它的结构十分坚固因而持久耐用，其转动惯量小，易于控制，而且它结构简单体积小，维修不费力，可应用于外部条件十分恶劣的场合。图1-2交流异步电动机结构直流电机的气隙磁场由由励磁绕组的励磁电流产生，与此不同交流异步电动机的气隙磁场是由定、转子绕组一起共同作用而产生，于是交流异步电动机的电磁转矩不是和定子电流， ，成正比。实际上，异步电动机的数学模型是个强耦合、非线性、高阶的多输入多输出系统，对其进行有效控制的策略便是矢量控制。成功用于交流调速的3江流：异步电动机矢量控制系统及

16、其仿真矢量控制理论得益于以下几个方面的突破：电力电子器件的强势发展为交流调速系统的成长奠定了物质基础；现代微机控制技术和集成电路的发展为交流电动机调速提供了必要的技术手段；脉冲宽度调制技术即PWM技术使得变频器装置性能得到优化提高，这为交流调速系统的普及发挥了重要技术支撑作用。PWM技术具有相控技术不能比拟的优势，即能让三相交流异步电动机定子获得与正弦波相等效的输入电压和电流，这样便提高了异步电动机的输出效率和功率因数；矢量控制技术诞生。该理论采取状态重构和参数重构法等现代自控理论实现了将三相交流异步电动机的定子电流的分解为励磁电流 和转矩电流 。于是便可仿照直流电动机的控制办法来控制交流异步

17、电动机，交流调速系统也因而有了可靠的性能。上世纪70年代，F.Blaschke等人提出了，不就美国人P.C.Custman和A.A.Clark申关于电动机定向的原理，并请了相关的专利。一个独创性理论的诞生其产生的相应的一系列的革新作用不容小觑，这些都奠定了矢量控制理论的基础。在当代科技是把锋利的宝剑，可以说任何技术突破和产业的升级换代都离不开科技创新。我国的科技研发和转化水平较西方和日本还有几十年的差距，这令我们这一代共和国的青年技术工作者感到一股强烈的振兴科技、促进科技强国成形的巨大使命感，我们一定要在3-5年内研究或发明出有自己民族自主品牌的技术，且该技术转化成商业产品后要具有全球影响力，

18、让其他国家的本科或者硕士学生在写毕业论文时也必然要引用到我们发明的技术。交流调速技术适合自动控制系统的TMS240X系列的DSP芯片还有一些高档的单片机大大促进了交流调速系统由模拟控制向着数字控制系统过度，各种针对运动控制的的片内丰富资源以及运算速度的大大提高使得很多控制算法具有了可行性。交流调速是目前有着最广泛的应用和最有发展潜力的调速方式，在电力传动系统占据主导地位，其在工业上的应用大大超过了直流调速系统。所以作为当代的电气工程及其自动化专业的年轻人我想借着本次毕设机会好好的集中研究一下交流调速传动系统，这不仅可以增长见识，巩固专业知识，也是为不就的将来走上工作岗位打下坚实的基础。我们的国

19、家的现代化事业需要的是有真才实干的人。切实掌握当代最先进的矢量控制调速技术对今后的在交通事业方面发展无疑有重大积极意义。9 华东交通大学毕业设计（论文）第2章 异步电动机之矢量控制理论2.1异步电动机之数学模型 生产生活中对于工厂里的机器人、车间里的轧钢机、数控机床还有大楼的载客电梯等这些都是有高动态性能的调速系统或伺服系统，采用平滑调速的恒压频比的异步电动机调速控制显然满足不了要求。要实现高动态性能则需对异步电动机的数学模型有深刻的认识。2.1.1关于异步电动机数学模型之性质 研究异步电动机的动态数学模型人们自然而然的会先将异步电动机同同步电动机在结构以及工作原理等方面作一番比较。因为电机学

20、中直流电机结构和工作原理是人们最容易理解和学会的。做完了比较后，大家就会发现原来异步电动机的结构和原理其实没那么发杂可怕。 直流电机是个单输入单输出系统，即一个输入变量电枢电压，一个输出变量转速。而异步电动机是有输入电压和输入频率两个输入变量以及磁通和转速这两个输出变量的。三相异步电动机的定子和转子分别有三个绕组，每个绕组都有自身的电感同时相互之间也会产生互感，再加上变频装置可能产生的滞后因素以及运动系统转速与转角的积分关系等都使得它和他励直流电动机的数学模型在本质上不同。当然，就一个绕组而言，感应电动势正比于转速乘以磁通，电磁转矩正比于电流乘以磁通，这是电动机中的基本的电磁公式，不论对异步电

21、动机还是同步电动机均是适用的。值得提出的是直流他励电动机的磁通是恒定的（由励磁绕组得到励磁电流产生），而在异步电动机中，只有一个三相交流电压从定子输入，所以在电机中磁通的形成和转速的变化同时发生，转矩和电动势也是由两个交变量相乘而得，所以异步电动机的模型一定不会是线性的，这就比线性的同步电动机模型复杂很多。交、直流电动机的不同的结构、不同的工作原理决定了二者的数学模型差异。7江流：异步电动机矢量控制系统及其仿真2.1.2数学模型构建在做出三相异步电动机的数学模型必须要先预设出一个合理的前提条件，即使得那些会影响电动机工作的次要因素或者非主要的因素先设为常数或者假设其对电机工作无影响。这些假设有

22、：不考虑频率变化以及温度变化对电机中定、转子绕组电阻的影响；不考虑磁路饱和的影响即定子和转子的各个绕组的电感及它们相互间的互感均是常数；不计铁芯损耗；不计齿槽效应以及空间谐波影响，而认为三相绕组对称，它们在空间上互差120度电角度，故而其产生沿着气隙周围按正弦规律变化的磁动势。 若三相感应电动机转子是绕线式的则应先对转子进行归算一下，之后再将转子参数折算至定子的那一侧就好了；若转子为鼠笼型，则先将转子等效为绕线式转子再归算到定子侧。这样可做三相异步电动机的模型如图2-1：图2-1基于异步电动机物理构造而绘制的模型 图2-1中显而易见三相绕组的轴线A、B和C在空间上是固定点的这点不难理解；与此不

23、同的是转子的三个绕组a、b、c是跟随着转子旋转的，因而亦为旋转的，与此同时， 称作空间角位移变量。这样一个异步电动机的构造就清晰的勾勒出来了，有了这幅构造图，其他的公式的得来就不难理解了。以此为依据依次写出异步电动机的运动方程、转矩方程、磁链方程和电压方程等一系列的研究电动机至关重要的方程。华东交通大学毕业设计（论文）首先是异步电动机运动方程 （2-1） 其中 为电动机电磁转矩（N*m），为负载转矩(N*m), 为机组转动惯量，为极对数 其次是转矩方程 （2-2） 式中 :磁场中的储能，：磁共能电磁转矩等于磁共能随着机械角位移（等于电角位移除以极对数）的变化率： （2-3） 接下来是磁链方程式

24、 （2-4）或者写成： （2-5） （2-6）江流：异步电动机矢量控制系统及其仿真最后是电压方程式 （2-7） 或者写成 （2-8） ，为定、转子绕组电阻，、为定、转子相应电压瞬时值，、为定、转子相应电流瞬时值。这样由以上方程便可综合得到异步电动机的动态数学模型： （2-9） 模型如下图2-3图2-2交流电机非线性多变量结构7华东交通大学毕业设计（论文）2.2异步电动机的坐标变换交流电动机的控制是通过矢量的坐标变换把交流电机的转矩控制等效为直流电机的转矩控制，因而矢量的坐标变换是实现对交流异步电动机转速控制的重要一环。2.2.1坐标变换的原则思路以产生同样的旋转磁动势为原则以及根据坐标变换前后

25、的功率不变原则可以将交流异步电动机的三相绕组等效成直流电动机的两相绕组，如图2-2。图2-3等效成的两相直流型电动机的模型 根据坐标变换原则，异步电机定子电流、和静止坐标系下两相垂直的交流电流、产生相同的旋转磁场。故上述三相电流和两相电流之间存在着唯一对应的函数关系，再通过按转子磁场定向的的旋转变换，便得到同步旋转坐标系下的直流电流、。这样便可模拟直流机来控制啦。这一等效思想奇妙之处就在于此。在这里也可以看出科学家们是多么的善于转化和创新。我们读者也应受到启发，异步电机发杂的结构和工作原理原来是有办法控制的，不过需要我们换一个角度思考问题。科学家们提倡办法总比问题多，鼓励年轻人多提问题原来就是

26、告诉人们要有发散性思维，不受思维定式的桎梏。当然这些等效的矢量在物理上是不存在，这么等效是为了方便计算，当计算出结果后再通过反左边变换来控制物理上实际存在的定子交变电流。9江流：异步电动机矢量控制系统及其仿真3/2变换矩阵为： （2-10） 同理2/3变换矩阵为： （2-11） 其中，类比类推或由数学上的矩阵公式推导一下即可得到： （2-12） 易求得 （2-13） 只要动下笔计算便可以证明，磁链和电压的变换矩阵与上述电流变换矩阵是一致的。坐标变换前后没有违反变换前后产生一致的旋转磁场这一原则，而变换后的坐标系上的数学模型，十分有利于对异步电动机调速系统的分析和设计，需要强调的是尽管如此，异步

27、电动机性质并没有改变，这一切只是计算电动机某些分量以供控制系统实现闭环稳定控制。在定子坐标系对交流电压进行控制时要将经3/2变换、旋转变换计算得到的直流给定量在经过相应坐标反变换变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系控制输入的交流电压使其实际值与给定值相等。整个控制过程如下图2-4图2-4异步电动机的矢量控制坐标变换过程图9华东交通大学毕业设计（论文）2.3异步地电动机根据矢量控制法则设计的调速系统矢量控制变频器能交流电动机的转矩和磁通电流进行检测控制，并自动改变输入的电压的频率和幅值，使检测实际值与给定值达到一致，从而实现对异步电动机的变频调速。这样便提高了电机控制的动态品质和静态精度。

28、采用矢量控制电机调速系统的优点有可以对转矩实现较为精确的控制；系统的动态响应快；电动机的加速度特性好；能从0转速起进行速度控制，调速范围广泛。异步电动机的矢量控制调速理论基于上节所讲的坐标变换理论，通过控制，把上述比拟直流电动机的控制关系用结构画出来如图2-5图2-5调速系统结构图由图2-5可看出，整体上电动机定子输入为A、B、C三相电压，输出为角速度，乃是一台交流异步电机，但是从内部分析却是台通过3/2变换和矢量旋转变换后的由、输入，输出的直流电机。由模型可推导出：11华东交通大学毕业设计（论文） （2-14） 为转子电路时间常数。 （2-15） （2-16） （2-17） （2-18） 可

29、根据这些条件实现对定子电流解耦和转子磁链观测，如图2-6、图2-7图2-6异步电动机通过矢量变换实现定子电流解耦数学模型图2-7旋转坐标系中转子磁链观测模最后是PWM变频器模块的设计。PWM技术应该说是当代电力电子技术中的一项比较厉害的技术了，大三上学期本人在电力电子课上曾经认认真真的学习和研究了一下这门技术，当时课的老师胡文华老师讲的也是很详细而且深入浅出，由于这项技术不仅是名字听起来很高大上，而且在现代社会也有着十分重要的作用，在高科技领域占有一席之地，是我们电气工程及其自动化专业的学生必须了解和掌握的一项技术。本人在大三下学期的计算机仿真课上曾做过大量的电力电子学仿真。其中，由于特殊的兴

30、趣，我做了大量的有关PWM的仿真，比如单极单极性SPWM，三相双极性SPWM和单相双极性SPWM。这些仿真实验的成功都让我对PWM技术有了一定的认识和了解，为我在这次的毕业设计积累的必要的技术储备。所以现在一到我看到PWM这个字眼，就会感到一股亲切的似曾相识感。原来知识不仅能改变命运，还是巨大快乐的源泉。PWM的英文名全称叫做pulse width modulation，翻译过来即是脉冲宽度调制的意思。它的理论依据就是等效原则，所谓等效指的的面积的等效，比如把幅值和宽度调整到一定值时一组宽度各异的脉冲在时间轴上围得面积就可以做到与给定正弦脉冲在时间轴上所围的面积相等。基于这一等效原则得到的等效

31、脉冲波形往往对一个系统具有重大意义，因为可以通过调节使得这组宽度各异的脉冲波与任意连续的信号脉冲想等效，可以想象通过PWM技术得到的一组脉冲波可以有任意的频率和有效值，其中就可能有某一一组脉冲的频率和有效值能满足控制异步电动机的需要。由于电机运行状态可能会比较复杂，如加减速或加减负载，为了使异步电动机能在这样的动态条件下仍有稳健的运行性能，要求系统要有迅速的自我调节、维持稳定的能力，这自然让人们想到现代自动控制理论中关于维持系统稳定的相关知识，学过自控原理的人都知道这需要设计一个闭环控制系统，以实时地调整定子电压输入。这样经过PWM技术输入到三相异步电动机定子的输入电压是动态变化的，当 达到动

32、态平衡时，电动机即会稳定运行下去。在对本仿真的应用是对电流的闭环控制故可采用电流滞环跟踪控制技术，采用了这个技术就可以做到对定子电流幅值和频率的控制，而且此法响应速度很快，其电路原理图如下图2-8所示。图2-8（a）电流滞环跟踪控制的原理图2-8（b）电流滞环跟踪控制的原理13 华东交通大学毕业设计（论文）第3章 矢量控制系统的仿真3.1 MATLAB仿真工具介绍 20世纪80年代以来，人们越来越多的利用计算机仿真工具来对交流电机及其调速系统进行设计分析和研究。这样在计算机模拟环境下运行既可以得到可靠的数据又节省了在实际实验室条件下研究的成本和时间。MATLAB是美国工程师发明的一种以矩阵运算

33、为基础的工程计算语言。其功能十分强大，不仅体现在计算方面而且在计算结果的分析和数据的可视化方面。另外MATLAB 还有界面友好、编程效率高、扩展性强等优点。 MATLAB 提供的SIMUINK 她能神奇地对动态的实际情景进行模拟和分析。它适合连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统、以及线性、非线性系统。用户从其模块库中选取各种功能模块或电路元器件按一定顺序组合到一起构成某个系统便可开始对该系统仿真，系统一般由输入模块、主电路、接收模块组成。各个电路模块元件双击后便可赋值和设计参数，非常简便，同时还能用仿真元器件中的示波器元件动态地显示仿真结果，直观地向设计者反馈系统是否正常运行等信息。

34、当仿真电路过于庞大或复杂时还可以通过构造子模块使得仿真电路看起来更清晰简洁、一目了然。MATLAB 的绘图能力也是值得一提，它能示波器里观测到的波形保存并传到工作空间，这样就可以到工作空间用MATLAB里相关的命令语言重新打开所需要的波形图，并能对该图做合理的加工，比如增长或缩短横轴或者纵轴的单位长度使图形更加清晰。当然还能对图形颜色进行加工，让不同路信号的波形同时出现在一幅图里便于比较和观测。这些都不过是MATLAB强大功能的冰山一角。 仿真技术在其几十年不间断的发展历史中，除了推动了可以说是所有设计领域的革命，而且它启迪了无数电气工程师、建筑工程师和设计师大脑，使他们深受启发。工欲善其事必

35、先利其器，MATLAB就是卓越工程师们的利器，工程师利用这个工具不断开发新的科技领域，这些科技成果转化成的产品大大的给人们的生活带来便利和舒适。可以说正是由于善于制造和使用适当的工具才使得人类战胜大自然的能力也越来越强。它被人们誉为20世纪下半页十大工程技术成就之一，现在仿真技术也是现代工程师应该掌握的基本的技能之一，作为学习电气工程专业的我在大三下学期开始上计算机仿真课时便认真学习并充分掌握了MATLAB仿真技术，学会了利用MATLAB进行简单的单相半控整流电路、三相全控整流电路、SPWM逆变电路等典型电力电子电路的仿真研究，并成功利用MATLAB中的可视化功能将仿真模块中示波器里的图传递M

36、ATLAB工作空间，然后对仿真结果图进行加工和处理。这次的毕业设计不仅要用MATLAB对电力电子电路进行设计仿真还设计到三相异步电动机等电机学里的电路进行仿真，这是本人之前不曾接触过的，所以对这次研究颇感好奇和兴奋。MATLAB里的SIMULINK仿真模块不仅使得本人加强了对电力电子、电机学等课程的学习效果，还能为我在毕业设计、课程设计中提供强有力的工具，大大提高了我的动手能力、独立工作能力和创造性思维。使用MATLAB 的两年多来，我的分析问题、解决问题的综合能力明显得到增强。21华东交通大学毕业设计（论文）3.2 电动机的具体仿真设计3.2.1总体仿真结构图总体仿真结构由主电路和控制电路构

37、成，设计布局如下图3-1所示。图3-1 总体仿真电路图 主电路是由驱动电路和负载即三相异步电动机组成，驱动电路里有直流电源和将直流电压逆变为三相交流电压的逆变器构成，逆变成的交流电压的幅值和频率则由控制电路控制，所以该逆变器也是变频器，只要接受到来自控制电路的脉冲，逆变器就会输出满足一定要求的三相交流电压供给三相异步电动机，使后者输出满足要求的转速和转矩。控制电路较为复杂，其根据即为上面叙述的矢量控制理论，控制电路由脉冲发生模块、磁链检测模块、坐标变换模块、转子磁链相位角计算模块以及比例积分模块等构成。另外，仿真模型中还有电机运行参数检测装置、模拟负载、转速和磁链给定值、示波器等便于实时观测和

38、分析整个调速系统的运行情况和性能。15华东交通大学毕业设计（论文）3.2.2仿真系统各子模块设计及参数设置首先，主电路的设计及其参数设置，主电路如下图3-2所示：图3-2主电路设置直流电压源电压为650伏特，负载0.5秒后变为60N*m:图3-3主电路电源、负载参数设计25华东交通大学毕业设计（论文）万用桥设置为三相桥，依次导通：图3-4万用桥的参数设置三相异步电动机的参数设置很关键，这里选取额定参数为：额定功率为15千瓦，额定电压为400伏特，额定频率为50赫兹，额定转速为1460转每分钟。定子电阻和定子电感分别为0.2147欧姆和0.000991亨利，转子电阻和转子电感分别为0.2205欧

39、姆和0.000991亨利，互感为0.06419亨利。在SIMULINK电机模块中选择Asynchronous Machine SI Units型的异步电动机，里面有很多种规格的电动机可供选择，这时选择与上述额定参数一致的电动机即可。电机规格选择和参数设置如下图3-5所示。17华东交通大学毕业设计（论文）图3-5异步电动机参数设置27华东交通大学毕业设计（论文）接下来时控制电路的设计和参数设置。控制电路的组成模块较主电路多，下面一一进行设计和赋值。3/2坐标变换和旋转坐标变换模块如下图3-6：图3-6 3/2坐标变换和旋转坐标变换3/2坐标变换模块、坐标旋转变换模块内部构造如下图3-6。图3-6

40、 3/2坐标变换和坐标旋转变换模块内部构造2/3变换以及坐标反旋转变换模块如下图3-7：图3-7反旋转坐标变换及2/3坐标变换19华东交通大学毕业设计（论文）坐标反旋转变换、2/3坐标变换模块内部构造如图3-8：图3-8 2/3坐标变换及坐标反旋转变换内部构造转子磁链模块如下图3-9，我采用了的是转子磁链的电流模型来观测磁链。图3-9转子的磁链的计算测取模块转子磁链观测模块中求解转子磁链幅值和相位角的模块内部构造如图3-10。49 华东交通大学毕业设计（论文）图3-10 转子观测模块内部构造给定转速与给定磁通与他们的反馈量之差的比例积分调节模块如下图3-11。图3-11给定转速与给定磁通与他们

41、的反馈量之差的比例积分调节模块ASR、APR的内部构造如下图3-12。 华东交通大学毕业设计（论文） 图3-12 ASR、APR的内部构造 最后是脉冲发生器模块如下图3-13所示： 图3-13脉冲发生器模块脉冲发生器模块内部构造如下图3-14所示。图3-14 脉冲发生器模块内部构造3.3仿真结果分析3.3.1空载运行结果分析图3-15（a）空载时电机运行状态图图3-15（b）空载时电机的运行状态图图3-15（c）空载时电机运行状态图3图3-15（d）空载时电机运行状态图 三相异步电动机在空载状态下的运行情况如上图3-15的几幅图所示。由这些图分析可知开始启动时定子电流较大，达到了250安培，之

42、后随着时间逐渐慢慢变小，0.1秒后降至100安培随后在0.1秒至0.2秒之间定子电流减小的幅值不明显，但仍然是减小到，直到0.2秒时刻定子的电流幅值发生突变，突变至20安培左右，此后幅值保持稳定，不再发生变化。启动时刻电机转子转速为零，随后在0秒至0.19秒的时间段内均匀增大，直线的斜率即转速的加速度约为7400r/min*s，也就是说转速每秒增加7400转没分钟。0.19秒后转速到达最大值并保持改值不再变化。即是说转速在0.19秒内达到稳定，说明异步电动机的转速响应相当迅速。异步电动机启动后，电机的电磁转矩立即从0突变至80N*m，并在电机达到稳定运行状态前保持该变量的大小和方向不变，当0.

43、19秒后即电机启动完成达到稳定运行状态后，电机的电磁转矩立即从80N*m突减至0，由于是在空载状态下运行，所以稳定时电机的电磁转矩为零。此时电机转速也从0均匀上升到额定转速，电磁转矩由启动时的较大值降至0，而转子旋转磁链的大小和转速也趋于稳定。矢量控制系统反应迅速可靠，很好地满足控制要求。3.3.2电机带额定负载运行图3-16（a）带额定负载时电机运行状态图图3-16（b）带额定负载时电机运行状态图图3-16（c）带额定负载时电机运行状态图图3-16（d）带额定负载时电机运行状态图如上图3-16的几幅图所示的是电机带了负载的状态。由这些图分析可知开始启动时定子电流较大，达到了260安培，之后随

44、着时间逐渐慢慢变小，0.25秒后降至50安培随后在0.25秒至0.85秒之间定子电流减小的幅值不明显，但仍然是减小到，直到0.85秒时刻定子的电流幅值发生突变，突变至20安培左右，此后幅值保持稳定，不再发生变化。启动时刻电机转子转速为零，随后在0秒至0.85秒的时间段内均匀增大，直线的斜率即转速的加速度约为1850r/min*s，也就是说转速每秒增加1850转没分钟。0.19秒后转速到达最大值并保持改值不再变化。即是说转速在0.19秒内达到稳定，说明异步电动机的转速响应相当迅速。 异步电动机启动后，电机的电磁转矩立即从0突变至80N*m，并在电机达到稳定运行状态前保持该变量的大小和方向不变，当

45、0.19秒后即电机启动完成达到稳定运行状态后，电机的电磁转矩立即从80N*m突减至0，由于是在空载状态下运行，所以稳定时电机的电磁转矩为零。此时电机转速也从0均匀上升到额定转速，电磁转矩由启动时的较大值降至0，而转子旋转磁链的大小和转速也趋于稳定。矢量控制系统反应迅速可靠，很好地满足了控制要求。总体上看电机带额定负载运行比空载运行达到稳定状态的时间要长，即异步电动机带负载时的启动时间会变长。 3.3.3电机动态运行性能设置电机开始空载运行，0.4秒后带额定负载，0.6秒后设置给定转速为1000 r*min。观察电机在外部条件突变条件下的调节性能。运行仿真结果如下：图3-17（a）动态下电机运行

46、状态图图3-17（b）动态下电机运行状态图图3-17（c）动态下电机运行状态图图3-17（d）动态下电机运行状态图三相异步电动机在动态条件下的运行情况如上图3-17的几幅图所示。由这些图分析可知开始启动时定子电流较大，达到了260安培，之后随着时间逐渐慢慢变小，0.1秒后降至100安培随后在0.1秒至0.19秒之间定子电流减小的幅值不明显，但仍然是减小到，直到0.19秒时刻定子的电流幅值发生突变，突变至20安培左右，此后至0.4秒以前幅值保持稳定，不再发生变化。启动时刻电机转子转速为零，随后在0秒至0.19秒的时间段内均匀增大，直线的斜率即转速的加速度约为7400r/min*s，也就是说转速每

47、秒增加7400转没分钟。0.19秒后转速到达最大值并保持改值在0.4秒前不再变化。即是说转速在0.19秒内达到稳定，说明异步电动机的启动过程结束。 异步电动机启动后，电机的电磁转矩立即从0突变至80N*m，并在电机达到稳定运行状态前保持该变量的大小和方向不变，当0.19秒后即电机启动完成达到稳定运行状态后，电机的电磁转矩立即从80N*m突减至0，由于是在空载状态下运行，所以稳定时电机的电磁转矩为零。此时电机转速也从0均匀上升到额定转速，电磁转矩由启动时的较大值降至0，而转子旋转磁链的大小和转速也趋于稳定。矢量控制系统反应迅速可靠，很好地满足了控制要求。继续观察图3-17可知，当时刻0.4秒到来

48、随之突加负载时电机定子电流加大，电磁转矩也从0立即突增至于负载转矩大小相同，而转速几乎不变，整个响应过程迅速平稳；而当0.5秒给定转速降至1000r*min时，定子电流反向幅值也有所增加，电磁转矩也因此反向且幅值增大，电机转速在0.05秒内即降至1000r*min，在电机降至指定转速时，定子电流立即再次反向即恢复原方向，电机的电磁转矩也跟着反向和恢复原方向。转子磁链在电机启动后即随转速增大而增大，当转速达到稳定时，转子磁链也也以稳定的大小匀速旋转，几乎不受动态干扰的影响，可见本矢量控制系统响应十分迅速灵敏，动态性能稳定可靠。 综合电动机在上述运行条件下的运行状态可以发现一些规律和结论。首先不论

49、是在空载还是负载亦或者动态下，异步电动机的调速性能都是十分良好的，反应很迅速，每次都会准确的在一秒钟或零点几秒内就会完成过渡，从上一个运行状态平稳过渡到指定运行状态。这些都可见采用矢量调速控制系统的裨益是传统的串电阻或者其他调速方法所望尘不及的。其次是性能可靠，误差小。系统对于给定速度的跟随响应不仅快而且准确。由图3-17（b）便可以发现这一点，当对电动机的速度要求是1000转每分钟时，电动机通过矢量调速控制系统立即响应，迅速调节，定子电流随之反向，使得电动机的电磁转矩方向而且幅值变大，这其实就是所谓的电动机的再生制动，即将告诉旋转的电机的动能转化成电能通过电机电阻消耗掉或者反馈回电源，以致电

50、机转速段时间内大幅下降或者说反向加速度非常大，电机因而立即从高转速降至指定低转速。当转速准确降至指定速度时矢量调速控制系统又会立即响应使定子电流恢复原值。第4章 总结与展望本文从电力传动系统叙述开始，详细介绍了异步电动机的矢量控制原理，并利用计算机仿真工具成功实现了对异步电动机矢量控制系统在多种运行条件下的仿真。我首先是对该系统运行的原理开始表述，异步电动机矢量控制的原理是基于对异步电动机进行性质分析、数学建模的基础上，建立了异步电动机的数学模型，实现了对异步电动机定子电流分解成转矩电流和励磁电流便可仿照直流电动机的控制方法来控制异步电动机。所以本文叙述了异步电动机的建模理论，包括坐标等效变换

51、原理、磁链观测模型、电机的运动方程、按磁场定向原则及转子相位角的计算等，有了这些理论支撑就能结合现代控制原理中的知识，用磁链、转速双闭环控制法即可实现对异步电动机转速的精确控制。其次是仿真模型的搭建，我利用MATLAB中的SIMULINK模块进行仿真。实现仿真关键是元器件的选择及相互间的电路连接正确和仿真参数的设置合理。模块搭建完成后我又调试了两个星期才调试成功，因为仿真模型里子模块非常多，每个子模块里面又是一个小的仿真模型，所以实现正确运行需要做大量的调试工作，每一个小环节出错或者设置的不合理都会导致示波器不出波形或出不来正确的波形。能够将异步电动机矢量控制系统在各个运行条件下的运行状态正确

52、仿真来，结果符合电机学原理和人们的设计期望即实现了对该系统的准确仿真，仿真结果能为理论研究提供可靠的实验佐证。当然我也仍存在不足之处，那就是在对仿真模型的调试过程中，对比例积分环节参数的设置是根据能出正确的仿真波形和波形是否漂亮来慢慢调试的，这是种笨方法。只有被人才会只知道笨方法，在当今社会竞争那么激烈，技术上的改进甚至会直接关系到国家综合国力的上升。我国的科技还落后别人三四十年，很多关键技术都被西方垄断，虽然经改革开放我们国家经济实现振兴，但是很多关键行业的经济命脉仍掌握在为国人手里，没有技术只能出卖劳力和市场，这是十分不利的。对于此处的MATLAB仿真真正科学的做法是根据控制原理中的原理和

53、公式（如梅逊公式、闭环系统稳态误差公式）来计算。所以在将来的学习工作中如果我还有机会接触与本研究课题相关的学术研究与创新，我一定会把握机会克服此次研究的不足之处，认真计算比例积分器的参数、进一步优化系统的性能，使得系统更高效、精密的运转，同时还可以结合单片机、DSP以及现代微控制芯片对系统进行实际开发，然后再在工厂车间规模化生产，这样就能在工业、国防、航天以及人们的日常生活等各个方面提供强有力的技术支撑，为伟大祖国现代化建设贡献绵薄之力！ 谢辞 论文写完了，如释重负，喜上眉梢。现在只剩下查重和论文答辩了，只要毕业设计全是我独立认真完成的，论文也是我一个字一个字的敲击出来的，就不怕答疑是老师们的

54、提问，说不定我那时会很激动以至于会滔滔不绝。成就感和满足感来自上大学以来每一天的不断努力。每一次的努力、每一次的坚持终于累积成了丰硕的成果。古人云，合抱之木生于毫末，千里之行始于足下，大概就是这个道理吧，这次本科毕业设计的丰富经历无疑会成为我人生的一笔巨大的宝贵的财富。以后遇到任何难题和挫折都会回想起大学里做毕业设计时的不懈坚持和努力，从中汲取积极向上的正能量。这也使得我明白了一个人生的道理：只要我们鼓起勇气面对，困难其实一点也不可怕。大学里认真对待每一次的课程设计任务，养成独立完成各种作业任务的好习惯，帮助我在最后毕业设计的日子里沉着应对，每天坚持完成规划的任务，坚持每天进步，积少成多，终于到了收获成果的季节。在这一刻回首，我认为自己很自信也很努力，然而其中的过程也是充满艰辛和曲折的。 在这里要真诚感谢我的导师黄江平教授，他在上学期就建议我们做好充分准备，大量查阅相关资料，这学期里有一段时间我一定进展也没有，心里十分着急，在黄教授的耐心指导下我我发现了许多自己还没明白的地方，我及时纠正了自己在理论认识上犯的错误，回到宿舍电脑旁边改进思路，最后终于仿真调试成功。在这三个月里，导师尽其所能给我们答疑解惑，每周关心我们的进展，不断激励我们进步，给了我们很大的精神鼓舞。作为当代大学生和合格的社会主义事业建设者我深知自己不仅要技术过得硬，更要懂得感恩，做一个人格饱满的人。脱