毕业论文1矢量控制的异步电动机调速系统仿真设计.docx
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毕业论文1矢量控制的异步电动机调速系统仿真设计
毕业论文
摘要
近年来，随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，再加上现代控制理论，特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用，使得交流电机调速技术日臻成熟。
以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型，从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制，交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。
因此，研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。
最后，综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。
关键词：
坐标变换矢量控制异步电动机仿真
ABSTRACT
Inrecentyears,withthedevelopmentofthepowersemiconductordevice，themicroelectronicscomponent,themicrocomputerandlarge-scaleintegratedcircuitandmoderncontroltheory,especiallythepenetrationfromvectorcontroltechnologytoelectricdrivefieldandapplication,thefeasibleACmotorspeedregulationtechnologyhasbecomemorematuredaybyday.
DependonthecontrolprincipleoftheMCandtherotor-fluxorientationtheory,andusingthecomputersimulationtechnology,thesimulationmodeloftheMCandthematrixconverterfedinductionmotorvectorcontroldrivesystemhasbeenbuild.Theinput-outputcharacteristicandtheabilityoffour-quadrantoperationhavebeentestified,whichhasprovedthatthesystemhaswideapplicationfield.Thesoftwareofthevectorcontrolunitwasdesignedattheend.
Keywords:
matrixconvertervectorcontrolinductionmotorsimulation
目录
1.绪论1
1.1引言1
1.2交流调速技术概况2
1.3系统仿真技术概述3
1.4仿真软件的发展状况与应用4
1.5MATLAB概述4
1.6Simulink概述6
2.矢量控制理论7
2.1异步电机的动态数学模型7
2.2坐标变换10
2.2.1变换矩阵的确定原则10
2.2.2功率不变原则10
2.3矢量控制11
2.3.1问题分析11
2.3.2直流电机的转矩控制12
2.3.3异步电机的转矩分析12
2.3.4矢量控制原理12
3.总体模块设计15
3.1矢量控制结构框图15
3.2各子系统模块16
3.2.1求解磁链模块16
3.2.2求解转子磁链角模块17
3.2.3ids*求解模块17
3.2.4iqs*求解模块17
3.2.5ABC到DQ坐标变换模块18
3.2.6DQ到ABC坐标变换模块18
3.3电机参数设置19
3.4矢量控制环节模块21
3.5矢量控制的异步电动机调速系统模块21
4.Simulink仿真23
5.结论28
致谢29
参考文献30
附录13s/2r坐标变换32
附录2ω*=100和ω*=150时的比较34
1.绪论
1.1引言
工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。
过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。
但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前3000转/分左右的高速直流电机最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。
交流电机特别是鼠笼异步电机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。
但是交流电机调速比较困难，早期的应用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速，30年代提出了绕线式异步电机串级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调节转差率，效率都很低。
另一类调速方法是调节电机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速方法，可以通过变极或变频来实现，其中变极调速只能是有极调速，应用场合有限。
交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。
交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。
交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。
同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。
变频调速系统目前应用最为广泛的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒
控制，这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控制系统结构最简单，成本最低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。
转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用带转速反馈的闭环控制。
对此人们又提出了转速闭环转差频率控制的变频调速系统，该方法根据异步电机转矩的近似公式:
，在转差s很小的范围内，只要能够保持气隙磁通Фm不变，异步电机转矩就近似与转差频率ωs成正比，控制ωs就达到间接控制转矩的目的。
但是转差频率控制是从异步电机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。
一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电机转速做出快速响应的动态过程中，电机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。
因此如何在动态过程中控制电机的转矩，是影响系统动态性能的关键，人们经过深入的研究，提出了对异步电机更有效的控制策略。
异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其最有效的控制首推70年代提出的矢量控制技术。
1971年德国西门子公司的F.Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国的P.C.Custman和A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，经过不断的实践和改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。
矢量控制技术的提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。
但是经典的矢量控制方法还存在不少问题，矢量控制要以转子磁链定向，然后才能把定子电流分解为磁化分量和转矩分量，使两者互相垂直，处于解耦状态，因此要先求得转子磁链的相位，才能进行坐标变换。
但是异步电机，特别使鼠笼式异步电机的转子磁链是无法直接测量的，只有实测电机气隙磁链后再经过计算才能求得，而且气隙磁场本身也常由于齿谐波磁场的影响而难以准确测量，这就影响了以转子磁链定向的矢量控制技术的可靠性。
对于这些问题，国内外学者进行了大量的理论分析和实验研究，取得了很多实际成果。
1.2交流调速技术概况
据统计，电机类的耗电量占企业总用电量的70%以上，因此电机节能对国家经济具有重要的意义，电气传动及其自动化技术是电气技术的重要组成，电力传动的技术发展水平也是体现国家科技水平的重要方面。
应用变频调速技术对电机进行节能技术改造，可以有效地节电量，取得很好的经济效益。
20世纪60年代以前的调速系统以直流机组及晶闸管构成的直流V-M系统为主。
随着80年代IGBT等新型电力电子器件及微机控制技术的发展，及以矢量控制为代表的各种交流调速理论的发展，也伴随着人们为解决能源危机的巨大科研投入，交流调速技术得到迅速发展。
交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美。
交流调速系统其结构简单、功率大、坚固耐用、惯量小、矢量控制等高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式，在传动系统领域占据了主导地位，在工业应用中远远超过了直流电机调速系统的应用，并有逐渐取代直流调速的趋势。
1.3系统仿真技术概述
系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。
系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。
工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。
例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。
非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。
如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。
系统的模型分为物理模型和数学模型。
由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。
系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析、设计系统的依据。
从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。
还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。
系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。
计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。
1.4仿真软件的发展状况与应用
早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：
20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。
80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。
我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。
70年代初开始应用数字计算机进行仿真。
随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL，SIMNOM，MATLAB/Simulink，Matrix/SystemBuild，CSMP-C等。
1.5MATLAB概述
MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。
它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。
MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言。
它将计算、可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号，其典型的使用包括:
.数学计算
.运算法则的推导
.模型仿真和还原
.数据分析，采集及可视化
.科技和工程制图
.开发软件，包括图形用户界面的建立
MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。
通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等。
MATLAB的名字象征着矩阵库。
它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。
MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期。
在大学环境中，它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。
在工业上它是用于高生产力研究、开发、分析的工具之一。
MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes）。
作为用户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。
工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。
在工具箱的范围内可以解决单个过程、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波、仿真及其他很多问题。
经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。
在美国，MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。
美国许多大学的实验室都安装有MATLAB，供学习和研究之用。
它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。
其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图。
MATLAB系统可分为五个部分:
⑴MATLAB语言：
这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。
它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。
⑵MATLAB的工作环境：
这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。
它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。
同时也有开发、管理、调试profiling、M-files、MATLAB’sapplications的系列工具。
⑶图形操作：
这是MATLAB的图形系统。
它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。
同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。
⑷MATLAB数据功能库：
它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值，Bessel功能和快速傅立叶变换。
⑸MATLAB应用程序编程界面：
这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。
它方便从MATLAB中调用例程（即动态链接），使MATLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。
1.6Simulink概述
Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间、离散时间或两者的复合情况下建模。
系统也能采用复合速率，也就是不同的部分用不同的速率来采样和更新。
Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。
在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。
相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。
Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。
同时也能自己定义和建立自己的块。
模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。
可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。
这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。
在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。
菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。
使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。
进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。
模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。
因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真、分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。
2.矢量控制理论
2.1异步电机的动态数学模型
异步电机的动态数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
在研究异步电机的多变量非线性数学模型时，常做如下的假设：
⑴忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。
⑵忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。
⑶忽略铁心损耗。
⑷不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
无论电动机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧。
折算后的定子和转子匝数都相等。
这样，电机绕组就等效成图2.1所示的三相异步电动机的物理模型。
图中，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；转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度θ为空间角位移变量。
图2.1三相异步电动机的物理模型
⑸数学模型的方程
规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。
这时，异步电动机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
①电压方程
式中uA、uB、uC、ua、ub、uc---定子、转子的各相电压瞬时值；
iA、iB、iC、ia、ib、ic---定子、转子的各相电流瞬时值；
ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc---各相绕组的全磁链；
Rs、Rr---定子和转子绕组电阻；
p---微分算子。
②磁链方程
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，六个绕组的磁链可表达为:
或写成：
Ψ=Li
式中，L是6×6电感矩阵，其中对角线元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc分别为定转子三相绕组的自耦自感，其余为定子相互间、转子相互间、定转子相互间的互感。
③转矩方程
由机电能量转换原理，电磁转矩Te等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数：
式中：
ω电角速度；
θ电角度表示的空间角位移；
Wm磁场储能；
np电机的极对数；
θm机械角位移
由上式可以推导得:
Te=npLms[（iAia+iBib+iCic）sinθ+（iAia+iBib+iCic）sin（θ+120°）+（iAia+iBib+iCic）sin（θ-120°）]
Lms——最大互感磁通对应的定、转子互感;
应该指出，上述公式是在线性磁路、磁动势在空间按正弦公布的假设条件下得出来的，但对定、转子电流对时间的波形未做任何假定，式中的电流i都是实际瞬时值。
因此，上述电磁转矩公式完全适用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相异步电动机调速系统。
④运动方程
一般情况下，电机的转矩平衡方程式为：
TL——负载；
J——电机转轴或传动装置的转动惯量；
D——与转速成正比的阻转矩阻尼系数；
K——扭转弹性转矩系数。
对于恒定负载转矩，可认为，D=0，K=0，则：
2.2坐标变换
感应电机的控制可以通过矢量的坐标变换来把感应电机的转矩控制等效为直流电动机的转矩控制。
所以，矢量的坐标变换是电动机矢量控制系统中非常重要的步骤。
矢量的坐标变换主要依据以下原则:
2.2.1变换矩阵的确定原则
在确定电机的电流变换矩阵时，应该使得变换前后的旋转磁场等效，即变换前后的电动机旋转磁场相同。
2.2.2功率不变原则
功率不变原则所体现的是在确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时应该遵守变换前后电机的功率不变的原则。
如果能将交流电机的物理模型等效成直流电机的形式，然后再利用直流电机的控制方式，则可以使问题简化。
坐标变换正是按照这一思路进行的，在这里不同电机模型等效的原则是:
在不同的坐标系下产生的磁动势相同。
三相平衡的正弦电流iA，iB，ic通到交流电机三相对称的静止绕组A、B、C会产生旋转磁动势F，在空间呈正弦分布，并以同步转速ω1绕A---B---C---A相序旋转。
它的物理模型如图2.2a）所示。
然而任意相平衡电流通入相应相的对称绕组均可以产生旋转磁动势，其中以两相绕组最为简单，两相静止绕组α和β，它们在空间相差90°，通以时间上相差90°的两相平衡电流也产生旋转磁动势F，当图2.2a）和图2.2b）产生的磁动势相等时，认为图2.2a）中的三相绕组和图2.2b）的两相绕组等效。
图2.2c）中的两个匝数相同的绕组d和q互相垂直.它们分别被通以直流电流id和iq，产生合成磁动势F，令整个铁心以同步转速ω1旋转，则磁动势F成为旋转磁动势，如果将其大小和转速也控制成与图2.2a）和图2.2b）的旋转磁动势相同，则这套旋转的直流绕组就和前面两套交流绕组等效。
当观察者也站在铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，绕组d和q是两个通以直流电而相互垂直的静止绕组，如果控制磁通Ф的位置在d轴上，这就和直流电机模型没有什么区别了。
a）b）c）
图2.2等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型
a）三相交流绕组b）两相交流绕组c）旋转的直流绕组
2.3矢量控制
2.3.1问题分析
无论采取何种方式对异步电机进行调速控制，其实质都是直接或间接控制电机的转矩。
所谓异步电机的矢量控制，实际上就是借鉴直流电机的转矩关系，通过坐标变换的方法，得到与直流电机转矩形式相似的异步电机解耦转矩表达式，进而对其进行方便调节的控制方式。
下面首先简单介绍直流电机的转矩控制方式，并通过直流电机与异步电机转矩的比较引出矢量控制原理。
2.3.2直流电机的转矩控制
已知直流电机的转矩，即Te=KΦIa=K’IaIf（假设Φ∝If）
式中，K、K’为比例系数；Ia为直流电机转子电枢电流，单位为A；If为定子励磁电流，单位为A；Φ可认为是由定子励磁电流单独产生的气隙主磁通，单位为Wb（忽略转子电枢电流的电枢反应）。
从直流电机的结构知道，Ia和If相互正交（所谓正交是指两个量在对方坐标轴的投影为0），我们称Ia和If是解耦的。
这样一来Ia和If彼此无关，都只与转矩Te有关，因而可以分别加以控制，因此，当If一定时，磁场恒定，可以通过调节电枢电流Ia来改变电机的转矩和转速。
同理，当Ia一定时，也可以通过改变If来改变电机的转矩和转速。
由于Ia和If与Te之间的线性关系，通过它们来调节转矩及转速时可以获得良好的动态指标。
2.3.3异步电机的转矩分析
在三相异步电机中，定子上有空间对称分布的三相绕组，转子为鼠笼绕组（或绕线
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