三相异步电机毕业设计及三自由度机械手毕业设计

摘要随着电机控制技术的不断发展,在实际中应用越来越多的交流调速系统已经取代了直流调速系统。由于异步电机是一种复杂的多变量的、强耦合的非线性系统,所以利用计算机仿真的办法构造一个实验系统进行异步电机的分析是一种很好的研究手段。本文主要首先介绍三相异步牵引电动机结构和构造建立电机数学、物理模型，对比直流电机电磁转矩和异步电动机电磁转矩，结合矢量控制的基本思想和基本概念，完成了对三相交流异步牵引电动机在三相静止坐标和两相静止坐标系上的数学模型，经过坐标转换得到交流牵引电机的模型。然后通过Matlab/Simulink的模块简化搭建功能完成三相异步牵引电动机最终的仿真模型，并在Mutlab系统环境下实现对电动机的仿真，观察异步电机空载转矩和负载转矩过程中的电流、转速、转矩的变化，对结果与理论结果进行比对分析，证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。关键词：异步电机；建模；仿真；坐标变换；AbstractWiththedevelopmentofmotorcontroltechnology,ACdrivesystemisusedmoreandmoreinpracticehasreplacedtheDCspeedregulatingsystem.Theasynchronousmotorisastronglycouplednonlinearsystemisacomplexmultivariable,usingthewayofconstructing,analysisandcomputersimulationofanexperimentalsystemofasynchronousmotorisaverygoodresearchtools.Thispaperfirstintroducesthestructureandthestructureofthreephaseasynchronoustractionmotormathematical,physicalmodelofmotor,comparedwithDCmotorelectromagnetictorqueandasynchronousmotorelectromagnetictorque,combinedwiththebasictheoryofvectorcontrolandthebasicconcept,themathematicalmodelinthethree-phasestaticcoordinateandtwo-phasestaticcoordinatesystemonthethreephaseasynchronoustractionmotor,theACtractionthemotormodeltogetthecoordinateconversion.ThenthroughtheMatlab/Simulinkmoduletosimplifythebuildingfunctiontofinishthesimulationmodelofthethree-phaseasynchronoustractionmotorend,andrealizethesimulationofthemotorintheenvironmentofMutlabsystem,variablecurrent,speed,torqueofasynchronousmotorloadtorqueandloadtorqueintheprocess,theresultswerecomparedwiththetheoreticalresultsandanalysis,confirmedthismethodsimpleandintuitive,fastandaccurate.KeyWords:Inductionmotor,Modeling,Simulation,Coordinatetransformation目录TOC\o"1-3"\f\h\u摘要 IAbstract II目录 III1绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 11.3本论文研究的主要内容 12三相异步电机的构造和工作原理 22.1三相异步电机的结构和原理 22.1.1三相异步电机的结构 22.1.2三相异步牵引电机工作原理 22.2三相异步电机的数学模型 22.2.1三相异步电机在两相静止坐标系上的数学模型 22.2.2三相异步电机在三相静止坐标系上的数学模型 33三相牵引电机的建模和仿真 53.1三相异步牵引电动机模型 53.1.1模型坐标变换 53.1.2建立模型 53.1.3建立s函数以及电机模型 74仿真结果及其分析 114.1三相输入电流在不同坐标上的波形图 114.2三相输入电压子在同一坐标下的波形图 114.3电动机理论输出波形 124.5结果分析 134.6总结 13致谢 14参考文献 15湖北理工学院毕业设计（论文）PAGE1绪论1.1研究背景及意义由于直流调速的局限性和交流调速的优越性,交流异步电动机在实际的需求下得到了很大的发展。我们知道研究应用的交流异步电动机调速技术主要有转差频率控制和恒压频比控制。相比较实际的电机控制实验采用计算机进行仿真试验，则可节约成本，提高效率，缩短设计周期。采用Matlab/Simulink进行可视化图形化仿真来进行建模仿真。利用Simulink中的模块库建立三相/两相的电动机数学模型，进行仿真后，对仿真波形与电动机模型进行比较分析证实了该方法的简便直观、高效快捷和真实准确性。证明矢量控制的优越性从而加深对三相异步电动机原理的理解。通过对本课题的研究最终能够熟悉并掌握Matlab/Simulink使用环境，熟悉模块库中模块、并培养自己建立电机的系统仿真模型设计基本思路，为进行其他的系统建模和仿真打下良好的基础。1.2国内外研究现状目前异步电机普通利用恒压频比控制或转差率控制的异步电动机变压变频调速系统，其控制关系和转矩控制原则基本上是建立异步电动机稳态数学模型上的，控制变量都是在幅值意义上的标量控制。Matlab/Simulink建立三相异步牵引电机仿真模型，用SPWM变频调速系统结合之前的优点，在此基础上加上了幅角控制，通过矢量控制成功的解决交流电机定子电流转矩分量和励磁分量的耦合问题。通过对仿真软件的应用证明在进行复杂系统设计时运用仿真工具对设计进行仿真分析是行之有效的方法，提高系统设计效率，缩短系统设计时间，并能够较好的进行系统优化。经试验表明，空间电压矢量调制的方法正确可行。1.3本论文研究的主要内容本论文先从异步牵引电动的结构和工作原理出发，通过对交流异步电动机的坐标变换基本思路的介绍，建立异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型方程式。采用Matlab

/Simulink软件实现异步电动机数学模型的初步搭建和仿真。仿真结果显示,该方法简洁、方便、实时交互性强,能充分融合到其它控制系统中,并具有良好的互动能力。异步电动机电压空间矢量PWM控制技术的原理和矢量变换方法实现极大的简化了异步电机在任意同步旋转坐标系下进行建模和仿真,利用其数学模型可构成电机的仿真模型，然后运用Matlab软件搭建模型进行仿真结果和理论比对分析。

2三相异步电机的构造和工作原理2.1三相异步电机的结构和原理2.1.1三相异步电机的结构三相感应电机主要有定子、转子和气隙三部分组成。(1)定子定子铁心是主磁路的一部分。铁心是由厚度为0.5mm的硅钢片叠成，硅钢片的两面涂绝缘漆，定子铁心有外压装和内压装两种。在定子铁心的内圆，均匀冲有许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。定子绕组的一般接线方式有：星型接线、三角形接线。(2)转子转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心是主磁路的一部分，一般由硅钢片叠成，转子铁心固定在转轴和转子支架上，铁心的外表呈圆柱形。转子产生的机械功率通过转轴输出。转子绕组是转子电路的一部分，它分为笼型和绕线型。。(3)气隙气隙是由电机定子和转子间隔产生的。气隙大小对电机性能及制造工艺有很大的影响。气隙大，磁阻就大，从而励磁电流增大，电机功率因数降低。由于气隙大使谐波磁场减弱，电机的附加损耗降低。一般气隙大，对电机零部件的同轴度及装配精度的要求降低；气隙过小，则容易引起定转子扫膛，以及由于附加损耗增加而使电机效率降低。气隙不均匀，使转子产生磁拉力，发生不平衡振动。(4)其他附件端盖、轴承、轴承端盖、风扇等。2.1.2三相异步牵引电机工作原理通过电机定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场，根据法拉利电磁感应定律，在转子绕组内将感生电流，气隙磁场和转子感应电流相互作用产生电磁转矩，这个电磁转矩驱动电机转动。牵引电机旋转磁场的转速与转子转速之差大于0。2.2三相异步电机的数学模型2.2.1三相异步电机在两相静止坐标系上的数学模型(1)电压方程：(2.0)(2)转矩方程：(2.1)(3)磁链方程：(2.2)(4)转速方程：(2.3)上述式中：是定子绕组和转子绕组的等效互感，是静止坐标系上两相定子绕组的等效自感，静止坐标系上两相转子绕组的等效自感，是定子电阻、是转子电阻，为负载阻转矩，为机组的转动惯量，极对数，为电机转子的旋转角速度，为电动机的电磁转矩。2.2.2三相异步电机在三相静止坐标系上的数学模型(1)电压方程式：(2.4)(2.5)(2.6)式中，为定子的相电压瞬时值；为定子相电流瞬时值；为微分算子。(2)磁链方程：(2.7)(3)电磁转矩方程：(2.8)为负载转矩；为电机角速度；为机电系统的转动惯量；为极对数；为与转速成正比的阻转矩阻尼系数；为扭转弹性转矩系数。转矩方程：(2.9)根据上面对三相异步牵引电机的数学模型的搭建我们发现电机模型是复杂的，从中我们得到下面关于电机模型的性质总结。(1)异步电动机数学模型是一个多变量系统。(2)异步电机数学模型是一个高阶系统。(3)异步电动机数学模型是一个非线性系统。(4)异步电动机数学模型是一个强耦合系统。结合这些特点我们发现分析和解耦这些方程是非常空难的，建模结构的描绘是不清晰的。从而为我们在搭建电机仿真模型方面提出了新的要就。

3三相牵引电机的建模和仿真3.1三相异步牵引电动机模型3.1.1模型坐标变换根据上面三相异步电动机在三相轴系上的数学模型的性质是一个多变的、高阶的、非线性、强耦合的复杂性为我们在建立模型带来了困难，为了使得异步电动机数学模型具有可控性，必须简化异步电机在三相轴上的数学模型，从而进行坐标变换是实现这一要求的必经的途径了。所谓坐标变换就是三相轴系到二相轴系或者二相轴系到三相轴系的变换。从而实现简化模型，进一步建立优化的模型。3.1.2建立模型异步电动机可以通过直流开环、闭环控制结构调速系统建立数学模型完成交流传动控制系统仿真，一般可以经过变转差率调速、笼型转子变极对数调速、变压变频调速。为了达到最优建立异步电动机的模型，简化、解耦使其成为一个线性、解耦的系统，实现使仿真结果接近异步电动机的实际运行状况，仿真模型应该与异步电动机的原始模型尽量保持一致。在这里，对比直流电动机电磁转矩和异步电动机电磁转矩的异同以及其内在联系，以其作为接入点，以两相静止坐标系中的数学模型作为建立仿真模型的依据，在变换前后功率保持不变，利用矢量坐标变换，实现三相动态数学模型到两相静止坐标系的数学模型，并且不需要其他假设条件。(1)根据坐标变换可以得到三相异步电动机电流三相/两相的变换矩阵。(3.1)由上面的矩阵结合MATLAB/SIMULINK工具、式3.1得到三相/两相的坐标变换模型、封装后的模块。如图3.2、图3.3所示。图3.2三相静止电压/三相静止坐标变换截图图3.3两相电压/三相电压封装模型截图(2)根据坐标变换可以得到三相异步电动机电流两相/三相的变换矩阵。(3.2)根据上面的数学矩阵变换模型结合MATLAB/SIMULINK工具包中的模块可以得到三相异步电动机电流两相/三相的模型以及模块。如图3.3、图3.4所示。图3.4两相静止电流/三相静止坐标变换截图3.5电流两相/三相组装模块截图3.1.3建立s函数以及电机模型(1)S函数格式介绍，其中参数名是的名称、t是当前仿真时间、x是函数的状态向量、u函数模块的输入、flag是标示当前仿真阶段以便执行子函数、pl1，pl2...是函数模块参数。(2)部分程序模块根据上面数学模型、MATLAB/SIMULINK工具包中的模块以及S函数书写格式要求编写程序入下，建立的电机仿真模型。(3.3)式中：微分算子M文件的建立根据S函数建立规则以及牵引电机的数学模型建立符合电机模型得到M函数。部分程序如图3.6、图3.7所示。图3.6M1.m程序截图图3.7M2.m程序截图程序编写完成后保存，然后打开S函数模块对话窗口，在函数名称后面填写函数文件名motor_1和motor_2，在函数参数项中输入参数项目：的符号,并输入各个参数的值。使得电机模块将motor1.m和motor2.m文件套装在S-Function中。根据第二章异步电动机数学模型，利用MATLAB/SIMULINK程序包下的Mux、Demux模块实现异步电动机矩阵参数的矢量合成以及将矢量参数变换成标量参数。其模型如图3.8所示。图3.8异步电机模型截图图3.7牵引电机封装模型截图（3)仿真模型根据前面的牵引电机数学模型以及式2.0、式2.1、式2.2、式2.3对电机的电压、电流、转矩综合分析考虑可以得异步电机的仿真模型。如图3.6所示。图3.6三相异步电动机的SPWM模型截图

4仿真结果及其分析4.1三相输入电流在不同坐标上的波形图三相A、B、C输入电流在不同坐标上的波形图，如图4.1，图4.2，图4.3所示。图4.1A相输入电压图4.2B相输入电压图4.3C相输入电压4.2三相输入电压子在同一坐标下的波形图三相输入电压在坐标系上的波形图如图4.4所示。图4.4A、B、C三相电压4.3电动机理论输出波形电动机在时，定子电流、转子电流、电磁转矩、电机转速的实验波形。图4.3定子坐标轴电流图4.4定子坐标轴电流图4.5转子坐标轴电流图4.6转子坐标轴电流图4.7电磁转矩图4.8转子转速4.5结果分析从实验波形分析可以得到，三相异步牵引电机仿真模型的动态、静态特性与理论分析结果一直。在恒压频比控制下，电动机的转速与频率成正比，带负载运行时有转速降落。由于开环控制，电机启动和突然附加负载时转速有小的震荡，并且有超调现象。4.6总结通过Mutlab/Simulink实现对三相异步牵引电动机的建模，引用S函数将数学模型和Mutlab结合起来，最简洁的实现了对电机的复杂模型简化仿真，达到了应要要求。

致谢本文是在我的导师李老师细心的帮助下完成的。李老师严谨的治学态度和细致的工作方法给了影响。论文的选题，参考资料的搜集，论文提纲的编写，理论分析、仿真分析和论文撰写过程研究生叶爱贤学长都给了我细心的指导，在此表示深深的谢意。另外，非常感李老师在整个设计过程中给予的指导，他严谨、认真的工作态度给了我极大的帮助！感谢与我同组的各位同学，他们精心的帮助我，尤其在编写论文时能及时指出我论文中存在的问题，让我深深地感觉到了团队合作的力量。

参考文献[1]汤蕴璆.电机学[M].北京:机械工业出版社,2011;173-232.[2]薛定宇.MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2012;11-261.[3]李德华,白晶.电力拖动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2008;127-176.[4]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000;162-179.[5]刘浩.MATLABR2012a完全自学一本通[M]北京：电子工业出版社，508-557.[6]薛定宇.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].清华大学出版社，2013;129-167.[7]贺益康,潘再平.电力电子技术基础.浙江：浙江大学出版社，2003;87-123.[8]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社,2007.56-98.[9]惠杰,王相锋,何国锋.基于MATLAB的电力电子仿真.山东电力高等专科学校学报，2006：57-59.“慧鱼模型”三自由度机械手设计小册学院：机电工程学院班级：机械设计与制造指导老师：姓名：学号：一、概述 11.1机电一体化技术 11.1.1机电一体化技术的定义和内容 11.1.2机电一体化系统组成 11.2.慧鱼机器人 21.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 2二、机器人的组成 32.1组成构件 32.2慧鱼机器人分析 62.2.1机器人机构组成 62.2.2主要成分构成及功能 72.3.机器人的工作空间形式 92.4机器人的机械运动形态和变换控制 112.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 13一、概述1.1机电一体化技术1.1.1机电一体化技术的定义和内容机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。1.1.2机电一体化系统组成1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能。1.2.慧鱼机器人1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介1964年，慧鱼创意教学组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是由德国发明家ArthurFischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。它是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：技术组和机器人组。技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。机器人组又包括3D机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。在模型的组建中，将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力二、机器人的组成2.1组成构件2.2慧鱼机器人分析此次机电一体化创新设计项目，我们所完成的是慧鱼工业机器人中的三自由度机械手，它能够通过智能控制接口盒的编程控制实现三个自由度方向（旋转、水平、垂直）的夹取或放置物品，因此操作范围大，灵活性好。2.2.1机器人机构组成如图2.1所示，该机器人为三自由度机械手，其机械手爪有夹紧和松开物件的功能，由三个电机驱动三个自由度的运动，由一个电机控制手爪的夹紧和松开。可实现整体的旋转、水平、垂直运动及手爪的夹紧、松开运动。该机械人可通过PC对控制芯片进行编程，从而输出控制信号到各电机，驱动机械人的运动方向或行程，从而夹取或放置物件。图2.1机械手机构组成2.2.2主要成分构成及功能1、机械手基座旋转运动图2.2.1该运动主要构件有电动机、减速箱、蜗杆、齿轮。2.机械手水平运动图2.2.该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、丝杆、螺旋传动块、导杆。3、机械手垂直运动图2.2.该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、丝杆、螺旋传动块、连杆机构4、机械手爪夹紧与松开运动图2.2.该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、传动轴、万向铰链、螺旋传动块、连杆机构。2.3.机器人的工作空间形式该机器人的工作空间形式主要有三个自由度的运动和机械手爪的夹松运动。1、自由度一：机械手基座的旋转运动，如图2.3.1图2.3.1电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到蜗杆，蜗杆与齿轮啮合传动，齿轮转动带动整个底座进行旋转运动。2、自由度二：机械手的水平运动，如图2.3所示图2.3.1电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，再通过链条和螺旋机构转化为工作台的前后运动。3、自由度三：机械手的垂直运动图2.3.2电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，再通过链条和螺旋机构转化为水平前后运动，最后经连杆机构转化