畢業(yè)設(shè)計-交流異步電機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)研究

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　BACHELOR DISSERTATION</p><p>　　論文題目： 交流異步電機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)研究 </p><p>　　學(xué)位類別： 工學(xué)學(xué)士 </p><p>　　

2、學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　導(dǎo)師姓名： </p><p>　　完成時間： 2013年6月

3、 </p><p>　　交流異步電機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前廣泛研究應(yīng)用的異步電機(jī)調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。本論文中所討論的是異步電機(jī)矢量控制調(diào)速法，相對于恒壓頻比控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，它有優(yōu)秀的動態(tài)性能和低速性能，還有其調(diào)速范圍寬的優(yōu)

4、點(diǎn)。</p><p>　　因為異步電動機(jī)的物理模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，需要用一組非線性方程組來描述，所以控制起來極為不便。異步電機(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個磁通間的耦合。如果把異步電動機(jī)模型解耦成由磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡單模型，就可以模擬直流電動機(jī)的控制模型來控制交流電動機(jī)。</p><p>　　矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使

5、得交流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。并用MATLAB最終得到了仿真結(jié)果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；矢量控制；MATLAB仿真</p><p>　　Study on Advanced Control Technology of AC Asynchronous Motor</p><p><b&

6、gt;　　ABSTRACT</b></p><p>　　At present, the asynchronous motor velocity modulation, vector control and direct torque check etc. Are in detailed studies. This paper discusses the modulation method of asy

7、nchronous and wide velocity modulation scope.</p><p>　　Since asynchronous motor's physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonl

8、inear simultaneous equation to describe, therefore controls extremely inconveniently. The reason that asynchronous machine's physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes

9、the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separately, may sim</p><p>　　The direct vector control is one superior alternating current

10、 machine control mode, it simulates direct current machine's control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares favorably with the direct current machine. This art

11、icle has studied in the vector control system the flux linkage regulator's design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB.</p><p>　　Keywords: Asynchronous Motor; The vector control

12、; MATLAB simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>

13、　　第一章 異步電機(jī)調(diào)速的基本理論及矢量控制基本原理1</p><p>　　1.1三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型1</p><p>　　1.1.1 磁鏈方程2</p><p>　　1.1.2 電壓方程5</p><p>　　1.1.3 轉(zhuǎn)矩方程6</p><p>　　1.1.4 運(yùn)動方程7</p>

14、<p>　　1.2三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系變換（3s/2s變換）10</p><p>　　1.3 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換（2s/2r變換）13</p><p>　　1.4 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo)系的變換（2r/3s變換）14</p><p>　　1.5 矢量控制的基本原理15</p><p>　　1.

15、5.1 坐標(biāo)變換的基本思路15</p><p>　　1.5.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)16</p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及解耦控制18</p><p>　　第三章 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真模型的建立22</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)22</p><p>

16、　　3.2 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型24</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果26</p><p><b>　　結(jié) 論30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致 謝3

17、2</b></p><p>　　第一章 異步電機(jī)調(diào)速的基本理論及矢量控制基本原理</p><p>　　建立三相異步電動機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型，然后通過三相到二相矢量坐標(biāo)變換，將靜止坐標(biāo)系上的三相數(shù)學(xué)模型變換為靜止坐標(biāo)系上的二相數(shù)學(xué)模型，再通過矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，最終將靜止坐標(biāo)系上的二相數(shù)學(xué)模型變換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的二相數(shù)學(xué)模型，并由此將非線性、強(qiáng)耦合的異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

18、簡化成線性、解耦的數(shù)學(xué)模型，從而可以研究異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的矢量控制。</p><p>　　三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　異步電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成，其中磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程是代數(shù)方程，電壓方程和運(yùn)動方程是微分方程。</p><p>　　因為在研究異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時研究的是理想模型，所以需要對模型條件進(jìn)行假設(shè)：

19、</p><p>　　忽略空間內(nèi)的諧波，設(shè)三相繞組為對稱繞組，在空間中互相相差的角度，所產(chǎn)生磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；</p><p>　　忽略磁路的飽和影響，假設(shè)各繞組互感以及自感都是恒定的；</p><p><b>　　忽略鐵心中的損耗；</b></p><p>　　不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻阻值和耗散功率

20、的影響。</p><p>　　無論異步電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型的，都可以等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)等。異步電機(jī)三相繞組可以是Y聯(lián)結(jié)，也可以是△聯(lián)結(jié)，以下均以Y聯(lián)結(jié)進(jìn)行討論。若三相繞組為△聯(lián)結(jié)，可先用△-Y變換，等效為Y聯(lián)結(jié)，然后按Y聯(lián)結(jié)進(jìn)行分析和設(shè)計。</p><p>　　三相異步電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)模型如圖1-1所示，定子三相繞組軸線、、在空間中是固定的，轉(zhuǎn)

21、子繞組軸線、、以角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如以軸作為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子軸和定子軸間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機(jī)慣例和右手螺旋定則。</p><p>　　圖1-1 三相異步電機(jī)的物理模型</p><p>　　1.1.1 磁鏈方程</p><p>　　異步電機(jī)每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組可用

22、下式表示。</p><p>　　= （1-1）</p><p><b>　　或?qū)懗?lt;/b></p><p><b>　　（1-1a）</b></p><p>　　式中，，，，，——定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；</p><p>　　——各相繞組的全磁

23、鏈。 L為電感矩陣，其中對角元素</p><p>　　、、、、、是各相繞組的自感，其余各項都是相應(yīng)兩相繞組間的互感。定子各相的漏磁通所對應(yīng)電感就是定子漏感，各相轉(zhuǎn)子的漏磁通相對應(yīng)轉(zhuǎn)子上的漏感，由于各相繞組是對稱的，所以各相的漏感值均相等。相對于定子互感的是定子一相的繞組交鏈的磁通最大互感值，而相對應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感的是轉(zhuǎn)子一相繞組的交鏈中的最大的互感磁通，由于折算后的定子和轉(zhuǎn)子的繞組匝數(shù)相等，故=。上述各量都已折算到定

24、子側(cè)，為了簡單起見，表示這算量的上角標(biāo)“'”均省略，以下同此。</p><p>　　對于每一相的繞組來說，它所交鏈的磁通是漏感磁通與互感磁通之和，因此，定子各相的自感為</p><p><b>　　（1-2）</b></p><p><b>　　而轉(zhuǎn)子各相的自感為</b></p><p>&

25、lt;b>　?。?-3）</b></p><p>　　繞組之間互感分為兩類：①定子三相相互之間和轉(zhuǎn)子三相相互之間的位置都相對固定的，所以互感值是常量；②定子任意一相與轉(zhuǎn)子任意一相之間相對位置都是變化著的，所以互感值是角位移的函數(shù)。</p><p>　　先討論第一種情況，三相繞組的軸線在空間中彼此的相位相差是，如果假設(shè)氣隙磁通是正弦分布的，那么互感的值就應(yīng)該是，于是就有&l

26、t;/p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　關(guān)于第二種情況，也就是定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感由于繞組的相對位置變化而變化時（見圖1-1），可分別表示為</p><p><b>　　（1-5） </b></p><p>　　在定子和轉(zhuǎn)子的兩相繞組的軸線重合時，兩者的互感值最大，就是

27、最大互感。</p><p>　　將式（1-4）、式（1-5）代入式（1-1），即得到完整的磁鏈方程，用矩陣表示為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　（1-7）</b></p>&l

28、t;p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　（1-9）</b></p><p>　　和互為轉(zhuǎn)置矩陣，而且都和轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，它們的元素均為變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。</p><p>　　1.1.2 電壓方程</p><p>　　定子的三相繞組的電壓平衡方程式為&

29、lt;/p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　相對應(yīng)，轉(zhuǎn)子的三相繞組折算到定子一側(cè)之后電壓方程式為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值；</p><p>　　為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。<

30、;/p><p>　　將電壓方程寫成矩陣形式</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　或?qū)懗?lt;/b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　如果把磁鏈方程式代入到電壓方程式，那么得展開之后的

31、電壓方程式為</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中——由于電流變化而引起的脈變的電動勢；</p><p>　　——由于定子和轉(zhuǎn)子的相對位置變化而產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)速之間成正比關(guān)系的電動勢，即旋轉(zhuǎn)電動勢。</p><p>　　1.1.3 轉(zhuǎn)矩方程</p><p>　　根

32、據(jù)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的原理，電感為線性電感時，磁場儲能以及磁共能為</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移的變化時，磁共能變化率為（將電流變化不計，約束為一個常值），而且機(jī)械角位移為，于是</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p&g

33、t;　　將式（1-14）代入式（1-15），由于考慮到了電感分塊矩陣的關(guān)系式，得</p><p><b>　　（1-17）</b></p><p>　　又考慮到，代入式（1-17）得</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　將式（1-9）代入式（1-18）并展開后，得&

34、lt;/p><p><b>　　(1-19)</b></p><p>　　1.1.4 運(yùn)動方程</p><p>　　根據(jù)對運(yùn)動控制系統(tǒng)的理論研究，運(yùn)動方程式為</p><p><b>　　（1-20）</b></p><p>　　式中 ——異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；</p>

35、<p>　　——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩）。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)角方程為：</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　上述的異步電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型是在線性磁路、磁動勢在空間按正弦分布的假定條件下得出的，對定、轉(zhuǎn)子電壓和電流未作任何假定，因此，該動態(tài)模型完全可以用來

36、分析含有電壓、電流諧波的三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程。</p><p>　　圖1-2 兩相正交坐標(biāo)系和三相坐標(biāo)系的磁動勢矢量</p><p>　　按照磁動勢等效原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在軸上的投影都相應(yīng)相等，因此</p><p><b>　　寫成矩陣形式得</b></p><p>&l

37、t;b>　?。?-22）</b></p><p>　　按照變換前后總功率不變，可以證明匝數(shù)比為</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　代入式（1-22），得</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　

38、　令表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　利用的約束條件，將（1-24）擴(kuò)展為</p><p><b>　　（1-26）</b></p><p>　　第三行的元素取，使其相應(yīng)的變換矩陣為正交矩陣，其優(yōu)點(diǎn)在于逆矩陣等于矩陣

39、的轉(zhuǎn)置。由式（1-26）求得逆變換</p><p><b>　　（1-27）</b></p><p>　　再除去第三列，即得兩相正交坐標(biāo)系變換到三相正交坐標(biāo)系（3/2變換）的變換矩陣</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　考慮到，代入式（1-23）并整理后得</

40、p><p><b>　?。?-29）</b></p><p><b>　　相應(yīng)的逆變換</b></p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　1.2三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系變換（3s/2s變換）</p><p>　　圖1-3是交

41、流電機(jī)的坐標(biāo)系的等效變換圖。圖中A，B，C三個坐標(biāo)軸分別代表電機(jī)分解后的參量的三相坐標(biāo)系，而則表示電機(jī)參量后分解的靜止的兩相坐標(biāo)系。而在每一個坐標(biāo)軸的磁動勢的分量都可以通過在這個坐標(biāo)軸上的電流和電機(jī)在這個坐標(biāo)軸上的匝數(shù)之間的乘積來表示，其空間矢量均位于相關(guān)的坐標(biāo)軸上。</p><p>　　圖1-3 兩相正交坐標(biāo)系和三相坐標(biāo)系的磁動勢矢量</p><p>　　按照磁動勢等效原則，三相合成磁動

42、勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在軸上的投影都相應(yīng)相等，因此</p><p><b>　　寫成矩陣形式得</b></p><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　按照變換前后總功率不變，可以證明匝數(shù)比為</p><p><b>　?。?-32）</b&g

43、t;</p><p>　　代入式（1-31），得</p><p><b>　　（1-33）</b></p><p>　　令表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p>　　利用的約束條件，將（1-33）擴(kuò)展為

44、</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　第三行的元素取，使其相應(yīng)的變換矩陣為正交矩陣，其優(yōu)點(diǎn)在于逆矩陣等于矩陣的轉(zhuǎn)置。由式（1-35）求得逆變換</p><p><b>　?。?-36）</b></p><p>　　再除去第三列，即得兩相正交坐標(biāo)系變換到三相正交坐標(biāo)系

45、（3/2變換）的變換矩陣</p><p><b>　?。?-37）</b></p><p>　　考慮到，代入式（1-32）并整理后得</p><p><b>　　（1-38）</b></p><p><b>　　相應(yīng)的逆變換</b></p><p>&l

46、t;b>　?。?-39）</b></p><p>　　從原理上分析，上面的變換公式是有普遍性的，同樣能應(yīng)用在電壓或者其他的參量的坐標(biāo)變換中．將三相坐標(biāo)的模型變換為兩相坐標(biāo)的模型，這是簡化電機(jī)模型復(fù)雜度的第一步，為滿足不同的參考坐標(biāo)系下的各參量的分量分析，需要找到不同的參考運(yùn)動坐標(biāo)系下的變換方程，接下來推演靜止坐標(biāo)系變換到運(yùn)動坐標(biāo)系的公式。</p><p>　　1.3 兩相

47、靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換（2s/2r變換）</p><p>　　將靜止兩相的正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系之間的變換，稱為靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（簡稱2s/2r變換），其中，S表示靜止，表示旋轉(zhuǎn)，變換的前提是產(chǎn)生的磁動勢等價。</p><p>　　圖1-4給出了和坐標(biāo)系中的各個磁動勢矢量，繞組每項有效匝數(shù)均為。磁動勢矢量是位于相關(guān)坐標(biāo)軸上的。兩相交流電流以及兩個直流電流會以角速度旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)

48、生等效的的合成磁動勢。</p><p>　　圖1-4 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系以及兩相靜止正交坐標(biāo)系中的磁動勢矢量</p><p>　　由圖1-4可見，和之間存在的關(guān)系。</p><p><b>　?。?-40）</b></p><p><b>　　寫成矩陣的形式，得</b></p><p

49、><b>　　（1-41）</b></p><p>　　因此兩相靜止正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)兩相正交坐標(biāo)系的變換矩陣為</p><p><b>　?。?-42）</b></p><p>　　那么兩相旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系到兩相靜止正交坐標(biāo)系的變換矩陣為</p><p><b>　　（1-43）&l

50、t;/b></p><p><b>　　即</b></p><p><b>　?。?-44）</b></p><p>　　電壓及磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換矩陣和電流旋轉(zhuǎn)變換矩陣相同。</p><p>　　1.4 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo)系的變換（2r/3s變換）</p><p>

51、;　　在得到三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換（3s/2s變換）和兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換（2s/2r變換）矩陣后，也可以得到三相靜止坐標(biāo)系到兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換（3s/2r變換）：</p><p><b>　　（1-45）</b></p><p>　　式中，三相靜止坐標(biāo)系到兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為：</p><p>&

52、lt;b>　?。?-46）</b></p><p>　　相應(yīng)的，兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系變換（2r/3s）矩陣為:</p><p><b>　?。?-47）</b></p><p>　　1.5 矢量控制的基本原理</p><p>　　矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電

53、動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。</p><p>　　1.5.1 坐標(biāo)變換的基本思路</p><p>　　坐標(biāo)

54、變換的目的是將交流電動機(jī)的物理模型變換成類似直流電動機(jī)的模式，這樣變換后，分析和控制交流電動機(jī)就可以大大簡化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流、、，通過三相——兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流和，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺直流電動機(jī)。</p><p>　　把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式

55、畫出來，得到圖1-5。從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺異步電動機(jī)。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過3s/2s變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，便得到一臺由和輸入，由輸出的直流電動機(jī)。</p><p>　　圖1-5 異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.5.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　既然異步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電

56、動機(jī)，那么，模仿直流電動機(jī)的控制策略，得到直流電動機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)(Vector Control System)，簡稱VC系統(tǒng)。VC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。圖中的給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號和電樞電流的給定信號，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換一得到和，再經(jīng)過2

57、／3變換得到、和。把這三個電流控制信號和由控制器得到的頻率信號加到電流控制變頻器上，所輸出的是異步電動機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。</p><p>　　圖1-6 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在設(shè)計VC系統(tǒng)時，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，并認(rèn)為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR相抵消，2／3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3／2變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖1-6中虛線框內(nèi)的部分

58、可以刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了。可以想象，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。</p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及解耦控制</p><p>　　上節(jié)的定性分析是矢量控制的基本思路，其中的矢量變換包括三相——兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換。實際上異步電動機(jī)具有定子和轉(zhuǎn)子，定、轉(zhuǎn)子電流都得變換，情況更復(fù)雜一些，要研究清楚還必須從分析

59、動態(tài)數(shù)學(xué)模型開始。</p><p>　　如前所述，取d軸為沿轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，稱作M(Magnetization)軸，再逆時針轉(zhuǎn)就是q軸，它垂直于矢量，又稱T(Torque)軸。這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系稱作M、T坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向(Field Orientation)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。</p><p>　　當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，應(yīng)有</p><p&

60、gt;<b>　　（2-1）</b></p><p>　　代入轉(zhuǎn)矩方程式和狀態(tài)方程式，并用m、t代替d、q，即得</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b>

61、</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　由于，狀態(tài)方程中的蛻化為代數(shù)方程，將它整理后可得轉(zhuǎn)差公式</p><p><b&g

62、t;　?。?-8）</b></p><p>　　這使?fàn)顟B(tài)方程又降低了一階。</p><p><b>　　由式可得:</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　則

63、 （2-10）</p><p>　　或 (2-11)</p><p>　　式(2-10)或(2-11)表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無關(guān)，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。</p><p>　　式(2-10)還表明，與之問的傳

64、遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)Tr為轉(zhuǎn)子磁鏈勵磁時間常數(shù)，當(dāng)勵磁電流分量突變時，的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電動機(jī)勵磁繞組的慣性作用是一致的。</p><p>　　式(2-10)或式(2-11)、式(2-8)和式(2-2)構(gòu)成矢量控制基本方程式，按照這組基本方程式可將異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型繪成圖2-1的結(jié)構(gòu)形式，由圖可見，兩個子系統(tǒng)之間仍舊是耦合著的，由于Te同時受到和的影響。</p>&l

65、t;p>　　圖2-1 異步電動機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型</p><p>　　按照矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖模仿直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制時，可設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制和，如圖2-2a所示。把ASR的輸出信號除以，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對消，且變頻器的滯后作用可以忽略時，此處的(÷)便可與電機(jī)模型中的(×)對消，兩個子系統(tǒng)就完全解耦了。這時，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系

66、統(tǒng)可以看成是兩個獨(dú)立的線性子系統(tǒng)如圖2-2b。</p><p>　　應(yīng)該注意，在異步電動機(jī)矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈和它的相位角都是在電動機(jī)中實際存在的，而用于控制器的這兩個量卻難以直接測得，只能采用磁鏈模型計算，在圖2-2a中冠以符號“^”以示區(qū)別。因此，上述兩個子系統(tǒng)的完全解耦只有在下面三個假定條件下才能成立：</p><p>　　(1)轉(zhuǎn)子磁鏈的計算值等于其實際值 </p>

67、<p>　　(2)轉(zhuǎn)子磁鏈定向角的計算值等于其實際值；</p><p>　　(3)忽略電流控制變頻器的滯后作用。</p><p><b>　　a）</b></p><p><b>　　b）</b></p><p>　　圖2-2 帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢量控制系統(tǒng)</p><

68、;p>　　a）矢量控制系統(tǒng) b）兩個等效的線性子系統(tǒng)</p><p>　　——磁鏈調(diào)節(jié)器 ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　第三章 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真模型的建立</p><p>　　對解耦后的轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個獨(dú)立的線性子系統(tǒng)分別進(jìn)行閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱作直接矢量控制系統(tǒng)。采用不同的解耦方法可以獲得不同的矢量控制系統(tǒng)，下面將介紹轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電機(jī)

69、矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)</p><p>　　轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖3-1所示，該系統(tǒng)主電路采用了SPMW電壓型逆變器（圖3-2），這是通用變頻器常用的方案。轉(zhuǎn)速采取了轉(zhuǎn)差頻率控制，即異步電機(jī)定子角頻率由轉(zhuǎn)子角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率組成（）這樣在轉(zhuǎn)速變化過程中，電動機(jī)的定子電流頻率始終能隨轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速同步

70、升降，使轉(zhuǎn)速更為平滑。</p><p>　　從矢量控制方程（式（2-2）、式（2-8）和式（2-10））中可以看到，在保持轉(zhuǎn)子磁鏈不變的控制下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩直接受定子電流的轉(zhuǎn)矩分量控制，并且轉(zhuǎn)差可以通過定子電流的轉(zhuǎn)矩分量計算，轉(zhuǎn)子磁鏈也可以通過定子電流的勵磁分量計算。在系統(tǒng)中以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，并通過計算得到轉(zhuǎn)差。如果采取磁通不變控制，則由式（2-10）可得：，并由式（2-8）可得。<

71、;/p><p>　　由于矢量控制方程得到的是定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，而本系統(tǒng)采用了電壓型逆變器（SPWM），需要相應(yīng)的將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，其變換關(guān)系為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中，、為定子電壓的勵

72、磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；為磁漏系數(shù)，。</p><p>　　和經(jīng)過二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換（2r/3s變換），得到SPWM逆變器的三相控制信號，并控制逆變器的電壓輸出。</p><p>　　圖3-1轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖3-2 帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器</p><p>　　3.

73、2 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　仿真模型如圖3-3所示，系統(tǒng)的控制部分由給定環(huán)節(jié)、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運(yùn)算、二相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。其中給定環(huán)節(jié)有定子電流勵磁分量im*和轉(zhuǎn)子速度n*。放大器G1、G2和積分器組成了帶限幅的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流電壓模型轉(zhuǎn)換由

74、函數(shù)Um*、Ut*模塊實現(xiàn)。函數(shù)運(yùn)算模塊ws*根據(jù)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計算轉(zhuǎn)差，并與轉(zhuǎn)子頻率相加得到定子頻率再經(jīng)積分器得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角。模塊sin、cos、dq0/abc實現(xiàn)了二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換。dq0/abc的輸出是PWM發(fā)生器的三相調(diào)制信號，因為調(diào)制信號幅度不能大于1，在dq0/abc輸出后插入了衰減環(huán)節(jié)G3。在模式調(diào)試時，可以先在此處斷開，使系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)，將PWM發(fā)生器設(shè)置為內(nèi)部模式，然后運(yùn)行模型

75、。</p><p>　　仿真給定轉(zhuǎn)速為1400r/min時的空載啟動過程，在啟動0.45s后加載TL=65 N·m模型仿真結(jié)果如圖3-4~3-10所示：</p><p>　　表3-1 電機(jī)參數(shù)設(shè)定</p><p>　　表3-2 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制仿真模型放大器參數(shù)</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)

76、果</p><p>　　圖3-4 電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n</p><p>　　定子A、B、C相電流：</p><p>　　圖3-5 定子A相電流</p><p>　　圖3-6 定子B相電流</p><p>　　圖3-7 定子C相電流</p><p>　　圖3-8 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定</

77、p><p>　　圖3-9 定子磁鏈軌跡</p><p>　　圖3-10 轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性</p><p><b>　　仿真結(jié)果分析：</b></p><p>　　在仿真結(jié)果中，圖3-4~3-8反映了在起動和加載過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩的變化過程。在起動中逆變器的電流基本保持不變，，電動機(jī)以給定的最大電流啟動。在0.39s時

78、，轉(zhuǎn)速稍有超調(diào)后穩(wěn)定在1400r/min，電流也下降為空載電流，逆變器輸出電壓也減小了。電動機(jī)在加載后電流和電壓迅速上升，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，轉(zhuǎn)速在略經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)不變。</p><p>　　圖3-9和圖3-10分別反映了電動機(jī)在起動過程中定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性，電動機(jī)在零狀態(tài)啟動時電動機(jī)磁場有一個建立過程，在建立過程中磁場變化是不規(guī)則的，這也引起了轉(zhuǎn)矩的大幅度變化，在0.2s后，磁場呈規(guī)

79、則圓形。改變勵磁的給定值，圓形磁場的半徑也有變化，為了較清楚地看到PWM調(diào)制引起的電動機(jī)磁鏈脈動情況，PWM調(diào)制頻率取得較低，如果調(diào)制頻率提高，圓形旋轉(zhuǎn)磁場的脈動將減小。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性反映了通過轉(zhuǎn)差率控制電動機(jī)保持最大轉(zhuǎn)矩啟動，并且改變ASR的輸出限幅，最大轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。</p><p><b>　　結(jié) 論</b>&l

80、t;/p><p>　　本設(shè)計首先介紹了異步電機(jī)調(diào)速的基本理論，然后對于異步電機(jī)矢量控制基本原理進(jìn)行了分析，進(jìn)行了必要的公式推演，闡述了選擇異步電機(jī)矢量控制作為研究課題的意義，然后進(jìn)行了相應(yīng)的仿真模型建立并分析。</p><p>　　本設(shè)計對異步電機(jī)矢量控制的原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，論述了矢量控制實現(xiàn)的具體理論依據(jù)，并對異步電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建、對坐標(biāo)變換理論（包括3-2變換2-3變換及旋轉(zhuǎn)和

81、反旋轉(zhuǎn)變換等）進(jìn)行了細(xì)致的解釋。給出了異步電機(jī)矢量控制的具體算法——按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)。對轉(zhuǎn)子磁鏈的計算有了進(jìn)一步的詳述。</p><p>　　通過MATLAB仿真建模驗證了設(shè)計的合理性，并且驗證了矢量控制技術(shù)的先進(jìn)性，但是，矢量控制設(shè)計只是在計算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬，對于實際應(yīng)用的可行性仍然有待考證。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p&g

82、t;<p>　　[1] 林飛，杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京：中國電力出版社，2008.</p><p>　　[2] 洪乃剛 電力電子、電機(jī)控制系列的建模和仿真 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[3] 秦曾煌，電工學(xué)上冊，電工技術(shù)（第六版）.北京：高等教育出版社，2004.</p><p>　　[4] 郁漢琪，電器控制

83、與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)（第二版）.南京：東南大學(xué)出版社.2009</p><p>　　[5]陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3版)．機(jī)械工業(yè)出版社．2004．</p><p>　　[6]李德華．電力拖動控制系統(tǒng)(運(yùn)動控制系統(tǒng))．電子工業(yè)出版社．2006</p><p>　　[7]裴潤，宋申明．自動控制原理(上冊)．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社．2006．</p>

84、<p>　　[8]黃忠霖．自動控制原理的MATLAB實現(xiàn)．國防工業(yè)出版社．2007．</p><p>　　[9]馮垛生，曾岳南．無速度傳感器矢量控制原理與實踐．2006．</p><p>　　[10] 胡虔生 胡敏強(qiáng).電機(jī)學(xué).北京: 中國電力出版社, 2009.</p><p>　　[11] 曹弋.MATLAB教程及實訓(xùn).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,200

85、9.</p><p>　　[12] 胡虔生.電機(jī)學(xué)習(xí)題手冊.北京：中國電力出版社，2006.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。</p><p>　　非常感謝xx老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計階段

86、給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，他給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，他甚至放棄了自己的休息時間，導(dǎo)師的這種無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他表示我誠摯的謝意。同時，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這四年來給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學(xué)習(xí)，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的