自动化毕业论文 异步电机磁场定向矢量控制技术研究

异步电机磁场定向矢量控制技术研究

摘 要

异步电动机是日常工业中应用最为广泛的一种电机，异步电机的应用推动了工业的发展。因此，研究异步电机能够更好的将理论知识结与生产实践相结合当中来，达到学以致用的目的。异步电机一般用作拖动电机，对其进行研究主要在于控制和调速方面。本文主要通过学习异步电动机磁场定向矢量控制技术的基本理论知识，并在此基础上分析其等效的直流电动机模型，然后仿照直流电动机的控制方法，最后运用方向思维将控制量反变换得到异步电机对应量，进而对其实施控制。为了验证其可行性，本文采用Matlab/simiulink对其模型进行仿真，最后得出仿真结果并对仿真结果进行分析。

关键词：异步电动机；磁场定向；矢量控制；模型；仿真

I

Abstract

Asynchronous motor is one of the most widely used in daily industrial motor, whose application promoted the development of the industry. Therefore, it’s better to combine the theoretical knowledge and production practice for studing asynchronous motor, to achieve the purpose of their major. Asynchronous motor is generally used as electrical machine,its study mainly focused on rhe part of the control and speed regulation. This paper mainly through learning the basic theory of asynchronous motor field-oriented vector control technology knowledge,based on the analysis of the equivalent model of the dc motor,And then imitate the dc motor control method,finally using the direction of thinking will be asynchronous motor control inverse transform corresponding amount, and control over its implementation. In order to testing its feasibility, this paper use Matlab/simiulink simulation for its model, finally it is concluded that the results of simulation and analyze the simulation results .

Key words:Asynchronous motor;The magnetic field orientation;Vector control;Model;

simulation

I I

目 录

摘 要 ............................................................... I Abstract ........................................................................................................................... II 第1章 绪 论 ................................................................................................................. 1

1.1异步电机的发展历程 ..................................................................................................................... 1 1.2 磁场定向矢量控制的发展现状及发展趋势 .............................................................................. 1

1.2.1 磁场定向矢量控制发展现状 ............................................................................................ 1

第2章 异步电动机的工作原理 ..................................................................................... 3

2.1 异步电机简介 ................................................................................................................................ 3 2.2异步电机工作原理 ......................................................................................................................... 3 2.3 异步电动机的等效电路 ................................................................................................................ 4

第3章 异步电动机磁场定向矢量控制原理 ................................................................. 7

3.1 异步电动机磁场定向矢量控制的数学模型 ................................................................................ 7

3.1.1 三相坐标系下的数学模型 ................................................................................................ 7 3.1.2 坐标变换 ............................................................................................................................ 9 3.1.3 两相同步旋转坐标系上的异步电机模型 ...................................................................... 12 3.2 异步电动机按转子磁场定向的矢量控制 .................................................................................. 13

3.2.1 异步电动机按转子磁场定向的数学模型 ...................................................................... 13 3.2.2 异步电动机按转子磁场定向的矢量控制方程 .............................................................. 14 3.2.3 转子磁链观测模型 .......................................................................................................... 15

第4章 磁场定向矢量控制系统的建模与仿真 ........................................................... 17

4.1 仿真系统的参数 .......................................................................................................................... 17 4.2系统模块 ....................................................................................................................................... 19 4.3仿真结果与分析 ........................................................................................................................... 21

参考文献 ........................................................................................................................... 1 致 谢 ............................................................................................................................. 2

III

第1章 绪 论

1.1异步电机的发展历程

1824年，法因人阿拉果发现磁针旋转时其周围有机械力的存在。紧接着，他进行了多次实验，观察到磁针会随着外围环的旋转而转动，这些实验对感应电动机的产生起到了直接的推动作用。随后交流的发电机应运而生。随着交流电开始用于照明。同步发电机和变压器的原始类型出现。3年后，旋转磁场被英国人拜依莱(Bailey)通过实验得到。

一个原型两相交流异步电机在1885被提出。1886年特斯拉制成曲相绕线式交流异步电动机模塑，而后提出《利用交流电产生旋转磁场》的论文。随后交流电动机问世。它应用的原理是电磁感应原理，故交流电机又叫感应电动机，由于交流电动机的原理很简单，电源供给容易，并不需要整流，而且运行过程无火花，因此在被广泛应用于工业控制的各个领域，交流电动机通常用三相交流供电。 1889年，西屋公司创建了发电厂，并使高压交流电的远距离输送成为可能。

1890年世界上第一架三相电流变压器诞生。随着能够将交流发电机的电流提高到万伏的三相变压器的出现，交流电远距离输送技术被人们逐渐掌握，从此直流电机的市场份额很快被三相交流异步电机抢占。由于三相系统的优点是显而易见的：性能稳定，效率高，节省材料，使得电机在各个领域得以迅速发展。

1.2 磁场定向矢量控制的发展现状及发展趋势

1.2.1 磁场定向矢量控制发展现状

由于异步电机的动态数学模型比较复杂、难以研究。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首次提出了异步电机矢量控制理论，用于解决交流电机转矩的控制问题。要想控制异步电动机的转矩，就需要分别控制异步电动机的转矩电流和励磁电流。矢量控制理论是交流调速系统中重要的理论之一。磁场定向控制理论在1968年被首次提出，“感应电机磁场定向的控制原理”和“感应电机定子电压的坐标变换控制”成为矢量控制的最基本理论。矢量控制能够为交流传动系统提供良好的动态特性，为交流传动的发展开创了一个新时代。矢量控制大大提高了感应电机的机械性能，使之控制效果更加优良。矢量控制包含一些复杂的非线性运算，其运算的复制程度比直流调速系统大得多，由于当时没不能进行实时控制。因此限制了矢量控制的实用范围。尽管如此，许多发达国家对矢量控制技术的研究并未止步不前，而是进行了大批的研究工作并取得了一定的进展。

欧洲作为矢量控制技术的发源地，一直保持着世界先进的研究水平。其在矢量控制方面发表的论文为世界各国技术专家和开发人员提供了珍贵的技术资料，其中，德国的

1

一些企业和院校在矢量控制的应用方面付出了巨大努力，为矢量控制技术的发展起到了极大地推动作用。

随着电力电子器件的不断发展和现代控制理论的不断完善，电气传动迎来了巨大变革。。近代以来，矢量控制的研究仍在热火朝天的进行，德国、日本和美国依然走在世界的前列，但这三个国家各有特色。日本在通用变频器上的无速度传感器技术最为先进。美国在电机参数辨识方面有深入的研究，并且已经取得了很大成就，其发表的许多论文被IEEE的期刊收录。而德国则在矢量控制技术研究方面具有很强的实力。

国内公司已开发出一些高性能的矢量变频器，具备强大的数字处理功能的矢量控制通用变频器也被推出，它在驱动电机方面更加智能和高效。虽然国内变频技术与国外上相比差距很大，但国内企业和技术人员正在不断追赶。 1.2.2矢量控制发展趋势

现在，速度传感器技术是否使用已经成为矢量控制技术的分水岭。同时矢量控制技术为变频器的变革提供了极为有利的条件。为了在确保可靠性的前提下研究出更高效性能的驱动器同时降低成本，使之与电机紧密的结合在一起，开发人员对电机相电流传感器展开了深入的研究，尤其是在高性能无速度传感器矢量控制(svc)的研究成果吸引了各国研发人员的眼球，并逐渐成为未来驱动控制研究的又一个热点。

未来矢量控制的技术将会进一步提升，同时应用范围也会不断扩大，电机的性能也会得到进一步加强。未来的发展还反映在高速处理器和外围设备。此外，大功率低速运行矢量控制方式也将是未来发展的重点。

现代技术的飞速发展，推动着交流调速技术的快速前进。电力电子技术为交流调速系统奠定了物质基础；数字信号处理器和微处理器技术增强了现代交流调速系统的实用性；PWM控制技术成为电机驱动控制的核心，它的输出接近正弦波且有很高的输入功率因数，使得电机结构可以简化，同时性能和效率得以提高。

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第2章 异步电动机的工作原理

2.1 异步电机简介

异步电机是交流电机的一种。但是异步电机在性能上存在缺陷，所以异步电机大部分用作电动机。三相异步具有电机构造简单、运行稳定、价格实惠、易于维护等优点，成为工农业生产中最常用的电动机，如图所示；单相异步电动机由于容量不大且性能差，不适合应用于工业等有特殊要求的场合，所以一般只供实验室进行实验或者电风扇、电冰箱等家用电器中；两相异步电机常用作控制电机。

按照转子结构分类，异步电机可以为两种形式，一种是鼠笼型异步电动机，另一种是绕线型异步电动机。异步电动机是所有电动机中使用范围最广、需求量最大的一种。在电力机械中，异步电动机的市场份额约占90%，小型异步电动机约占到了其中的一半以上。异步电动机的耗电量的比例占据了电力系统中很大的一部分。异步电动机的用电量成为工业用电量中的主要消耗电量。绕线式异步电动机的转子的基本特点是无电源供电，定子电流由交流电力系统直接供给；与其他电机相比，异步电动机的结构单一，制造和使用过程中维修方便，能够长时间正常运行，重量轻。以三相异步电动机为例，与同等的直流电动机相比，前者的比后者质量轻，成本也比后者低。

异步电动机能够在各种不同的场合下工作，拥有许多型号产品。它的负载特性比较稳定，非常适合应用在机械拖动方面。但是由于转差率的存在，导致调速性能不理想，在需要平稳调速范围的使用地方(如吊机、大型车床等)，使用直流电动机更为合理。此外,由于异步电动机在运行时的励磁来自电力系统的无功功率，这会直接导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合(如拖动球磨机、压缩机等)不如用同步电动机合理。尽管异步电动机性能优越，但是离不开与之能发挥其最佳性能的机械配套。所以异步电动机的设计、制造特别要把这些问题考虑进来。

2.2异步电机工作原理

旋转电机都是利用电与磁的相互作用和相互转化制成的，只是磁场产生的方式和形态在不同的电机中不一样。因而其工作原理和工作特性也就不同。三相异步电动机旋转磁场的场所与变压器中交变磁场的产生有相似之处。前者由交变电流通过集中地绕组产生，而后者则是由三相电流通过三相绕组产生在空间旋转的磁场。当三相电流通过三相绕组，或者多相电流通过多相绕组就会产生旋转磁场。

三相交流异步电机的三相绕组嵌在定子铁心槽内，并各相差120度电度角。三相交流电每相也相差120度电度角。当绕组接通电源工作时，绕组中便会形成一个旋转磁场，

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并按一定的转速转动。旋转磁场高速切割转子，并形成感应电动势，进而产生了感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用就会产生电磁转矩，从而使转子拖动生产机械运转。

异步电机的主要组成部分是转子和定子两部分，其原理图如图2-1所示，图中的外面的大圆表示交流电机的定子，大圆里面的六个小圆圈表示定子绕组的六根绕组导体。里面的大圆表示交流电机的转子，大圆里面的六个小圆圈表示转子绕组的六根绕组导体。

图2-1三相异步电机的工作原理

工作时，交流电机的定子接上三相交流电源形成闭合回路，定子中产生三相电流，三相电流通过三相绕组产生旋转的电磁场，设其旋转速度为n0，这时转子绕组和旋转磁场之间存在相对运动，可以看作转子绕组做切割磁感线运动，这样转子绕组便产生交流感应电动势，因为转子绕组是闭合的回路，于是在转子绕组中形成交流感应电流，再根据右手定则得出转子绕组中电流的流向如图所示，当存在电流的转子绕组处在旋转磁场中时，根据安培定律可知，转子绕组会受到安培力的作用，再通过左手定则得出安培力F的方向如图所示，于是转子在转矩的作用下开始转动，其方向与旋转磁场的旋转方向相同。

三相异步电动机的工作原理，简而言之，定子绕组连接三相电源，从而产生三相电流，再而使定子绕组产生旋转磁场，因此转子与旋转磁场之间存在相对运动，继而转子绕组中产生感应电动势。因为转子绕组是闭合的回路，所以转子绕组中会产生感应电流，从而转子在旋转磁场中会受到安培力的作用，形成驱动转矩，于是转子便以一定速度转动，其速度方向与磁场相同。

2.3 异步电动机的等效电路

为了对电动机的工作过程有一个清晰的了解，以及它的主要参数间的关系，我们将异步电动机模型简化等效为T型稳态电路，三相异步电动机的T形等效电路如图2-2所示：

4

图2-2异步电动机的T型等效电路

其中，X1表示折算后的电机定子绕组的漏电抗，X2折算后的转子绕组的漏电抗，R1表示折算后的定子绕组的电阻，R2表示折算后转子绕组的电阻。X0表示与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗，R0表示定子绕组损耗所对应的励磁电阻，I1表示定子电流，E1表示定子感应电动势，U1表示定子电压，I0表示空载电流，I2表示转子电流。

U1E1I1(R1jX2)E1I1Z1 (2-3)

••••E2I2(••••R2jX2)S （2-4）

•I1I2I0 （2-5） E2E1I0(R0jX0) （2-6）

••••由上2-3至2-6式可得：

R2jX2S1••R0jX0IU1RjX1R2R1jX1(11)jX2R0jR0S （2-7）

在异步电动机中，因为R1<II0•••U1XR(R1jX1)(11)(2jX2)X0S （2-8）

由电机的等效电路可知，异步电动机输入的电功率的消耗主要在定子绕组的电阻和

5

定子铁心上，其他的主要是电磁功率Pe。

2m1I2R2Pem1E2I2cos2S （2-9）

电磁转矩为：

TPe0 （2-10）

02n1f2160p表示同步角速度。由式(2.9)和式(2.10)可得：

2Pm1I2R2T2f1S （2-11）

根据电机的等效电路可得：

I2(R1•U1R22)(X1X2)2S （2-12）

•将式(2.12)代入(2.11)得：

Pm1R222f12(R)(XX)112S （2-13）

U12R2ST电机在刚起动过程的起动转矩为：

Pm1U12R2TS2f1[(R1R2)2(X1X2)2] （2-14） X1

同时，由于空载电流I0≈0， [1+X0 ]近似为1，由式(2.8)可得起动电流为：

ISU1(R1R2)2(X1X2)2 (2-15)

由式(2-14)和式(2-15)可知，起动转矩正与定子电压的平方成正比，而起动电流则与定子电压成正比。

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第3章 异步电动机磁场定向矢量控制原理

3.1 异步电动机磁场定向矢量控制的数学模型

3.1.1 三相坐标系下的数学模型

将异步电动机的转子等效成绕线转子，并折算到绕组匝数相同的定子侧。图3.1所示的三相异步电动机的物理模型就是通过实际电动机这算而来的。图中，定子三相绕组轴线A，B， C在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。设A轴为参考坐标轴，转子以速度旋转，转子绕组轴线为a，b，c随转子旋转。其中电角度差为空间角位移变量。假定各绕组电压、电流和磁链的正方向满足右手螺旋定则。此时，异步电动机的数学模型由下列的方程组成。在对异步电动机的数学模型进行研究时，常做如下假设: (1)、忽略空间谐波，各相绕组在空间的分布完全对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；

(2)、忽略磁路饱和的干扰，假设各绕组的自感和互感都是恒定的； (3)、忽略铁心损耗；

(4)、忽略温度和频率的变化对电动机参数所产生的干扰。 1、电压方程

BuBiBibubωauaiauciccC图3.1 三相异步电动机的物理模型

bθuAiAAuCiC将电压方程用矩阵形式表示，并用微分算子p替换微分符号ddt

7

uARsu0BuC00Rs000Rs0000000iAi0B0iCABCp （3-1） ua000Rr00iaaub0000Rr0ibuc00000Ribrcc式中：uA，uB，uC，ua，ub，uc——定子和转子相电压的瞬时值； iA，iB，iC，ia，ib，ic——定子和转子相电流的瞬时值； A，B，C，a，b，c——相绕组的全磁链； Rs，Rr——定转子绕组的电阻。 2、磁链方程 写成矩阵形式为：

sLssLsrLis rLrsrri r式中：定子磁链为： sABCT

转子磁链为：

rabcT

定子电流为：

isiAiBiCT

转子电流为：

iriaibicT

定子自感矩阵：

LmsLls12Lms12LmsL1ssLmsLmsLls1Lms22

（3-3）12Lms12LmsLmsLls转子自感矩阵：

8

3-2）

（

LmsLlr1LrrLms21Lms2定子、转予之间的互感矩阵：

1Lms2LmsLlr1Lms2 LmsLlr1Lms21Lms2（3-4）

coscos(120)cos(+120)LrsLTLcos(+120)coscos(120)srms （3-5）

cos(120)cos(+120)cos其中：

Lls——定子漏感 Llr——转子漏感 Lms——定转子最大互感

3、电磁转矩方程

根据能量守恒原理，得出电磁转矩T的表达式为：

4、运动方程：

TenpLms[(iAiaiBibiCic)sin+（iAib+iBic+iCia）sin（+120）+（iAic+iBia+iCib）sin（120）]

（3-6）

TeTLJd （3-7） npdt3.1.2 坐标变换

矢量坐标变换能够使交流电动机复杂模型变得简单、直观。矢量变换包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换（简称3s/2r变换）、两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换（简称2s/2r变换），以及直角坐标系和极坐标系的变换（K/P变换）等。矢量坐标变换是一组矩阵表达式，矢量坐标变换的仿真可以加深对其物理意义的认识

1、三相／两相静止坐标变换 图3.2为交流电机的3s/2s等效变换图。

9

β BN3iBN2iβ 。。6060AN2iα N3iAN3iC

C

图3.2 3s/2s等效转换图

令A轴与轴重合，三相坐标系上电机每相绕组有效匝数是N3，两相坐标系上绕组每相有效匝数为N2。设磁动势波形为正弦分布，则

11 N2iaN3iAN3iBcos60N3(iAiBiC) （3-8）

22 N2iN3iBsin60N3iCsin60

3N3(iBiC) （3-9） 2N2i0是在两相系统上增加的一项零轴磁动势，定义为： N2i0KN3(iAiBiC) （3-10）

将式 (3.1)和 (3.3)写为矩阵形式，得

1iN i30N2i0K

其中：

1232K12iAiA3iiCB3/2B （3-11） 2iiCKCC3/210K1 0

1232K123 2K

为三相坐标系变换到二相坐标系的变换矩阵。在保证变换前后电机功率一定的原则，且电压和电流使用一样的变换阵时，

N321,K。 N232当电机的三相绕组是星型不带零线接法时，整理得电流变换式：

i iiA iB231623120iA (3-12) i2B0i (3-13) 1i2以上变换公式同样可以应用于电压和磁链的变换。为了满足不同参考坐标系的各个参量的分析，还需要找出不同参考坐标系的变换方程，下面介绍从静止坐标系到旋转坐标系的变换公式。

iβ iqFsis( )ω1φ idsθφ iqcosφ didiα iqsinφ sinφ Oidcosφ

图3.3 2s/2r等效变换

2、两相静止／两相旋转坐标变换

图3.3表示了从两相静止坐标系，到两相同步旋转的坐标系d，q的变换。图中的电流i，i（静止坐标下）和电流id，iq（旋转坐标下）产生同样的以同步转速1旋转的合成磁动势Fs。由于绕组匝数都一样，磁动势中的匝数可以消去，改用电流表示，即Fs可以标示为is。合成磁动势以1转速旋转，分量id，iq的长短保持不变，这相当于在d,q坐标轴绕组通直流电流。但是,轴是静止的，轴上分量随着i,i时间变化。

11

由图3.2，有

icos =isinsinididiC2r/2si (3-14)cosqq

3.1.3 两相同步旋转坐标系上的异步电机模型

异步电动机的数学模型非常复杂，需要进行坐标变换以简化分析和运算过程。对建立在三相静止ABC坐标系上的电机模型，首先作3s/2s将其变换到两相静止坐标系上，进而再作2s/2r变换到两相旋转坐标系上，即由坐标系。这样便得到两相系下的简化数学模型。

取dq轴的旋转速度等于定子频率的同步角速度1，转子角速度为，dq轴相对于转子的角速度为1-=s，即转差。规定d轴沿着转子总磁链矢量r的方向，q轴垂直于矢量r方向，由于r本身就是以同步速旋转的矢量，所以，drr，qr0。在按转子磁场定向的两相同步旋转坐标系下的电机数学模型由电压方程，磁链方程和转矩方程组成。

1、电压方程

1LSLmP1LmisdusdRSLSPuiLRLPLLPsq1sSS1mmsq urdLmPsLmRrLrPsLrirduLLPLRLPrqsmirqmsrrr2、磁链方程

(3-15)

sdLSsq0rdLmrq00LS0LmLm0Lr00isdiLmsq 0irdLrirq(3-16)

式中，Lm——dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感，

3LmLms；

2Ls——dq坐标系定子等效两相绕组的自感，

3LsLmsLlsLmLls

2Lr——dq坐标系转子等效两相绕组的自感，

3LrLmsLlsLmLlr。

23、转矩方程

TenpLmLristr

1 2

(3.-17)

因此异步电动机在两相同步旋转坐标系上数学模型和矩阵表示为：

1LSLmP1LmisdusdRSLSPuiLRLPLLPsq1sSS1mmsq urdLmP0RrLrP0irduL0LRrqsmsrrirq(3-18)

3.2 异步电动机按转子磁场定向的矢量控制

3.2.1 异步电动机按转子磁场定向的数学模型

下列为异步电动机在MT坐标系上的数学模型： 1、电压方程为：

1LSLmP1LmisdusdRSLSPuiLRLPLLPsq1sSS1mmsq urdLmPsLmRrLrPsLrirduLLPLRLPrqsmirqmsrrr2、磁链方程为：

(3-19)

sdLSsq0rdLmrq03、电磁转矩为：

0LS0LmLm0Lr00isdiLmsq 0irdLrirq(3-20)

TenpLm(istirmismirt)

由于M轴取在r的轴线上，显然有：rmr，rt0。 也就是说：

(3-21)

LmismLrirmr LmistLrirt0

将式(3-22)，(3-23)代入式(3-20)得电压矩阵方程为：

(3-22) (3-23)

1LSLmP1LmismusmRSLSPuLiRLPLLPst1sSS1mmst (3-24) urmLmP0RrLrP0irmuL0LRsrrrtsmirt上式0元素的出现，消减了各变量之间的耦合影响，使模型得到简化。由(3

─15)求得ism，由(3─16)求得irt代入(3─14)得电动机转矩方程为：

1 3

TenpLmLristr

(3-25)

4、运动方程

TeTLJd

npdt(3-26)

式中：——转子电气旋转角速度； J——转动惯量； TL——负载转矩。

以上式(3-22)~(3-26)即为异步电动机在MT坐标系上的数学模型，也就是按转子磁场定向的异步电动机的数学模型。

3.2.2 异步电动机按转子磁场定向的矢量控制方程

由于异步电机的转子短路，端电压urmurt0则 电压方程为：

1LSLmP1LmismusmRSLSPiuLRLPLLP1sSS1mmst st0LmP0RrLrP0irmL0LR0smsrrirt磁链方程为：

(3-27)

smLs0strmLm00由式(3-27)得：

0Ls0LmLm0Lr00ismiLmst 0irmLrirt(3-28)

0p(LmismLrirm)RrirmprRrirm

(3-29)

联立式(3-29)和式(3-30) 得：

irmpr Rr(3-30)

ism=或

Trp1r Lm(3-31)

r=

Lmism

Trp11 4

(3-32)

式中，TrLrRr为转子励磁时间常数。

T轴上的定、转子电流ist和irt的满足式：

irtLmist Lr(3-33)

式(3-25)转矩方程式中ist即为定子电流的转矩分量。当ism不变时，即r不变时，如果ist变化，转矩Te立即随之成正比的变化，不存在滞后。

由(3-27)的第四行可以求得：

s(LmismLrirm)RrirtsrRrirt0

由(3-28)并考虑TrLrRr，可得：

(3-34)

sRrrirtLmist Trr(3-35)

以上式(3-24)，(3-32)，(3-35)为矢量控制的控制方程式。大大简化了交流异步电动机的控制问题。

3.2.3 转子磁链观测模型

由的矢量控制方程得： 转差角频率为：

s同步角频率为：

Lmist (3-36) Trr1(s)

(3-37)

转子磁链角为：

1dt

结合式(3-25)

(3-38)

Lm=ismrTrp1 =dtLmiistst1Trr(3-39)

定子三相电流在经过3/2变换后得到两相静止坐标系电流is，is，按转子磁场定向后，经旋转变换得到在MT坐标系上的电流ism，ist。利用磁场的定向方程式可以获得转差信号s和转子磁链模值信号r。把s和实际测得的转速信号相加求得定子同步角

1 5

频率信号1，再对1进行积分就可得到转子磁链的瞬时位置信号，就是按转子磁链定向的定向角。

1 6

第4章 磁场定向矢量控制系统的建模与仿真

电力系统的仿真在研究及工程设计中发挥的作用越来越重要，它不仅是教学和学习的重要手段和工具。用仿真实验代替实际系统的实验，在计算机上研究和设计系统，能够节省大量的时间和精力，节约成本和缩短研发周期，同时可以获得更为丰富和详致的数据资料，MATLAB功能极为强大，能够满足各种交直流电力系统的仿真研究要求。

4.1 仿真系统的参数

利用MATLAB/SIMULINK对异步电动机矢量控制系统进行仿真，电动机参数为：2对极，10-3，10-3H，460V、60Hz、Rs14.85，Lm0.069mH，Lr0.3027×Rr0.295×

J3.1kgm2,摩擦系数0.08，极对数2。

表4.1 定向控制系统参数

转速控制器（Speed Controller） 调节类型 低通滤波器（Low-pass filter） Regulation type 截止频率（Cutoff frequence） Speed Regulation Hz 1000 5*Ts 300 采样时间（Sampling time） 比例系数s PI调节器(PI regulation) （Proportional gain） 积分系数(Integral gain) 上升加速度2000 900 升降速限制(Speed ramps) 转矩输出限制(Torque output limits） (Acceleration) 下降加速度(deceleration) Positive Negative （r/min)/s 900 Nm 1200 1200 1 7

电动机磁通(Machine flux) 初始值(Initial values) 初始值(Initial) 额定值(Nominal) 转子滑差(slip) 转子初始位置(Angle) 比例系数Wb deg 0.73 1 0 定向控制器（Field oriented control） 磁通控制器（Flux controller） （Proportional gain） 积分系数(Integral gain) 电流控制器（Current Controller） 滞环宽（hysteresis band） 最大开关频率 负向限制（Negative） 截止频率（Cutoff 低通滤波器（Low-pass filter）

转速调节器和定向控制器参数：见表4.1 仿真参数设置如图4.1所示：

frequence） 采样时间（Sampling time） 100 30 10 A Hz Wb 20000 磁通输出限制（Flux 正向限制（Positive） output limits） 2 -2 100 Hz s Ts

图4-8 仿真参数设置

1 8

仿真算法应采用混合步长并采用离散算法，仿真时间设为3s 。

4.2系统模块

1）系统模块选用SimPowerSystem模块库中Application Libraries子模块库中的Field-Oriented Control Induction Motor Drive模块。

图4.2 异步电机磁场定向矢量控制仿真模型

2)转速控制器

图4.3 转速控制器Speed Controller结构

表4.2 磁通表（Flux table）

转速/r /min 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 磁通/Wb nf nf nf nf nf 0.9nf 0.72nf 0.51nf 注：“nf”为额定磁通设定值。

1 9

3)定向控制器

定向控制器是矢量控制的核心模块，模块结构如图所示

图4.4 定向控制器模块（F.O.C）结构

图4.5 磁链给定值Flux-PI结构

图4.6 电流调节器Current Regulation结构

2 0

图4.7 D触发器结构

4.3仿真结果与分析

图4.8 定子电流、转子转速、电磁转矩和直流母线电压波形图

2 1

从仿真波形图中可以看到：电机转子转速从0开始加速，0.6s时电动机开始匀速转动，随后开始减速，1.5s时转速为0。负载转矩从0变为正，再变为负。直流母线电压在电机起到时增大，之后下降基本保持恒定。定子电流频率随转速的下降而变小，转矩和转速的变化引起给定信号频率的变化，定、转子磁链除起到瞬间有脉动外，轨迹几进圆形。有利于电机转速变化时的控制。

2 2

2 3

总 结

通过仿真实验，我们可以看到磁场定向矢量控制技术是一种以满足电机高性为目的的能控制方式，矢量控制技术成功解耦定子电流是保证实验成功的先决条件，因此对于磁场定向矢量控制系统的设计务必要引起重视。Matlab/simiulink可以检测系统设计的合理性和优良性，仿真结果验证了矢量控制系统能够提高电动机的控制性能和精度。说明该系统具有优越的的动、静态性能，使异步电机能够像直流电机一样控制，弥补了异步电机在调速反面的缺陷，为异步电机调速提出了一种新的方式和思路。由此可知，磁场定向矢量控制技术的研究具有极大的潜在价值，其应用也将会渗透到工业控制领域的方方面面。设计出更高性能的磁场定向矢量控制系统将会成为技术人员坚持不懈的目标。

2 4

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致 谢

毕业设计充分全面的考核了大学里的所有理论知识，同时也进一步加深了我对大学所学基本知识的掌握，对专业学术论文的撰写有了进一步的了解和认识，充分考验了我们的实验动手能力和收集查阅整理资料的能力，论文格式的要求进一步巩固了我们对计算机基本操作的应用能力。此次论文撰写，收获颇多

论文完成过程得到了老师和同学的大力支持，在荣军老师的指导下，我独立完成了自己的毕业论文，通过和同学们的相互交流，让我对论文的研究方向有了大体的轮廓，图书馆丰厚的数字资源为我提供了强有力的知识储备，学校实验室为我提供了一个良好的学习环境。最后，感谢所参考文献的作者，是你们的大力支持，保证了我的毕业设计圆满成功完成

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