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精品文档-下载后可编辑异步电机矢量控制目录1引言.....................................................1.1 交流电机调速系统发展的现状..............................1.2 矢量控制的现状..........................................1.3 课题的研究背景及意义....................................1.4 本课题的主要内容........................................2 矢量控制的基本原理.......................................2.1 坐标变换的基本思路......................................2.2 矢量控制坐标变换........................................2.3 矢量控制系统结构........................................3 转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制.....................4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统.........................4.1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统........................4.2 带转矩内环的直接矢量控制系统............................5 控制系统的设计与仿真.....................................5.1 矢量控制系统的设计......................................5.2 异步电动机的重要子模块模型.............................5.3 系统仿真结果和分析......................................6 结论.....................................................1。
基于MatlabSimulink的异步电机矢量控制系统仿真一、本文概述随着电力电子技术和控制理论的不断发展，异步电机矢量控制系统已成为现代电机控制领域的重要分支。
该系统通过精确控制异步电机的磁通和转矩，实现了对电机的高效、稳定和动态性能的优化。
Matlab/Simulink作为一种强大的仿真工具，为异步电机矢量控制系统的研究和设计提供了便捷的平台。
本文旨在探讨基于Matlab/Simulink的异步电机矢量控制系统仿真方法。
文章将简要介绍异步电机矢量控制的基本原理和关键技术，包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术、转子磁链观测技术以及矢量控制策略等。
详细阐述如何利用Matlab/Simulink搭建异步电机矢量控制系统的仿真模型，包括电机模型、控制器模型以及系统仿真模型的构建过程。
文章还将探讨仿真模型的参数设置、仿真过程以及仿真结果的分析方法。
通过本文的研究，读者可以深入了解异步电机矢量控制系统的基本原理和仿真方法，掌握基于Matlab/Simulink的仿真技术，为异步电机矢量控制系统的实际设计和应用提供有益的参考和借鉴。
本文的研究也有助于推动异步电机矢量控制技术的发展和应用领域的拓展。
二、异步电机基本原理异步电机，又称感应电机，是一种广泛应用于工业领域的电动机。
其基本原理基于电磁感应和电磁力作用。
异步电机主要包括定子（静止部分）和转子（旋转部分）。
定子通常由铁芯和三相绕组构成，而转子则可能由实心铁芯、鼠笼型或绕线型结构组成。
当异步电机通电时，定子绕组中的三相电流会产生旋转磁场。
这个旋转磁场与转子中的导体相互作用，根据法拉第电磁感应定律，会在转子导体中产生感应电动势和感应电流。
这些感应电流在旋转磁场的作用下，受到电磁力的作用，从而使转子产生旋转力矩，驱动转子旋转。
异步电机的旋转速度与定子旋转磁场的旋转速度并不完全同步，这也是其被称为“异步”电机的原因。
异步电机的旋转速度通常略低于旋转磁场的同步速度，这是由于转子导体的电感和电阻导致的电磁延迟效应。
基于Matlab／Simulink异步电机矢量控制系统仿真XXX（江南大学物联网工程学院无锡·中国 214122）摘要：在分析了交流异步电动机数学模型和矢量控制理论的基础上，利用Matlab 仿真软件对异步电机转差频率间接矢量控制系统进行了建模和仿真研究．给出了整个系统的仿真模型和仿真波形图,通过仿真结果.验证了所采用的矢量控制方法和仿真方法是正确和有效的．关键词：交流异步电动机；转差频率;矢量控制；计算机仿真中图分类号：TM30 文献标识码：AAbstract:Based on the mathematical model of AC asynchronism motor and vector control theory ,a vector control system based on slip frequency indirect vector control system was modeled．This paper gives a whole system simulation model and waveforms．Investigated with simulation，the results prove that the control method is correct．Key words：AC asynchronism motor；slip frequency；vector control;computer simulation1 引言因其结构简单、可靠性、高性能、优良输出、转矩大等特点，交流异步电机应用广泛,且随着交流异步电机应用领域的不断拓宽,对电机控制系统的设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短等特点。
因此如何建立有效的交流异步电机控制系统的仿真模型，成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。
本文在分析交流异步电机数学模型的基础上，借助于Matlab 强大的仿真建模能力,利用Simulink 中内含的功能元件，提出了一种基于Matlab/Simulink 建立交流异步电机转差频率间接矢量控制系统仿真模型的新方法.其基本思想是将交流感应电机控制系统的功能单元模块化，在Matlab/Simulink中建立独立的功能模块：由给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节组成，方法简捷，效果理想。
基于Matlab/Simulink 的异步电机矢量控制系统仿真摘要在异步电机的数学模型分析中以及矢量控制系统的基础之上，利用Matlab/Simulink运用建立模块的思想分别组建了坐标变换模块、PI调节模块、转子磁链个观测模块、SVPWM等模块，然后将这些模块有机的结合，最后构成了异步电动机矢量控制的仿真模块，并且进行了仿真验证。
仿真结果分别显示了电机空载与负载情况下转矩、转速的动态变化曲线，验证了该方法的有效性、实用性，为电机在实际使用中打下了坚实的基础。
本文主要研究异步电机在矢量控制下的仿真。
使用Matlab/Simulink中的电气系统模块(PowerSystem Blocksets)将其重组得到新的模型并对其仿真，最后分析仿真结果得出结论。
关键词: 异步电机矢量控制 MATLAB/SIMULINK 变频调速目录摘要 (I)Abstract......................................................................................... 错误!未定义书签。
1 绪论 (1)1.1 电机及电力拖动技术的发展概况 (1)1.2 异步电动机的控制技术现状................................................. 错误!未定义书签。
1.3 仿真软件的简介及其选择..................................................... 错误!未定义书签。
1.4 论文的主要内容及结构安排................................................. 错误!未定义书签。
2 异步电动机的数学模型 (4)2.1 异步电动机的稳态数学模型 (4)2.2 异步电动机的动态数学模型 (5)2.3 本章小结 (7)3 矢量控制系统基本思路 (8)3.1 矢量控制的基本原理 (8)3.2 坐标变换 (9)3.3SVPWM调制 (21)3.3本章小结 (11)4 异步电机矢量控制系统仿真 (14)4.1矢量控制系统模型 (14)4.2仿真结果与分析 (15)4.5本章小结 (17)5结论与展望 (18)5.1结论 (18)5.2后续研究工作的展望 (19)参考文献 ....................................................................................... 错误!未定义书签。
基于simulink异步电动机矢量控制系统的仿真由于交流异步电动机属于一个高阶、非线性、多变量、强耦合系统。
数学模型比较复杂，将其简化成单变量线性系统进行控制，达不到理想性能。
为了实现高动态性能，提出了矢量控制的方法。
所谓矢量控制就是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电动机进行控制。
因此，它可以实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。
Matlab是一种面向工程计算的高级语言，其Simulink环境是一种优秀的系统仿真工具软件，使用它可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。
本文在此基础上构造了一个矢量控制的交流电机矢量控制调速系统，包含了给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节，并给出了仿真结果。
1．异步电动机的动态数学模型异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下的假设：1）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。
2）忽略励磁饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。
3）忽略铁心损耗。
4）不考虑频率变化和温度变化对绕组的影响。
无论电动机转子是绕线形还是笼形，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绕组匝数都相等。
这样，电机绕组就等效成图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 为空间角位移变量。
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。
异步电动机矢量控制系统的仿真研究摘要：本文根据异步电动机矢量控制的基本原理，基于Matlab 软件构造了按转子磁场定向的矢量控制系统的仿真模型。
通过仿真试验验证了模型的正确性，结果表明所建立的调速系统具有良好的动态性能，实现了系统的解耦控制。
关键词：异步电动机矢量控制Matlab 仿真Simulation of Vector Control System for Asynchronous MotorAbstract:According to the basic principles of induction motor vector control，this paper constructssimulation model of rotor magnetic field oriented vector control system based on the MATLAB software.It verifies the accuracy of the model by simulation. Results show that it has good dynamic performance，andit realizes the decoupling control system.Key words: asynchronous-motor; vector control; matlab simulation0 引言异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从其动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。
矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一。
所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。
1异步电动机矢量控制原理及基本方程式1.1基本公式矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。
异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型包括电压方程、磁链方程和电磁转矩方程。
分别如下:⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+-+--+=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rqrdsqsdrrrsmmsrsrrmmmmsssmmsssrqrdsqsdiiiiPLRLPLLLPLRLPLPLLPLRLLPLLPLRuuuuωωωωωωωω11111（1）⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rqrdsqsdrmrmmsmsrqrdsqsdiiiiLLLLLLLLψψψψ（2）)(rqsdrdsqmpeiiiiLnT-=（3）当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时,应有r rd ψψ=，0=rq ψ即得:r sq rmpe i L L n T ψ= （4） r mr sdL PT i ψ+=1 （5）sd r mr i PT L +=1ψ （6）sq rr ms i T L ψω=（7） 式中: 1ω为同步转速；ω为转子转速；s ω为转差角速度； u 为电压；ψ为磁链；i 为电流；R 电阻；L 为电感；p n 为极对数；r T 为转子时间常数；dtdP =为微分因子。
s 表示定子；r 表示转子；d 表示d 轴；q 表示q 轴；m 表示同轴定、转子间的互感。
1.2解耦问题为了使两个子系统完全解耦，除了坐标变换以外，还应设法消除或抑制转子磁链pr 对电磁转矩Te 的影响。
把ASR 的输出信号除以r ψ，当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消，且变频器的滞后作用可以忽略时，此处的两个子系统就完全解耦了。
这时，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统。
其结构图如图1：图1.解耦矢量控制系统2仿真模型2.1 空间矢量的坐标变换矢量变换是简化交流电动机复杂模型的重要数学方法，是交流电动机矢量控制的基础。
矢量变换包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换，两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换，以及直角坐标和极坐标的变换等。
2.1.1 三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换(简称3s/2s 变换)在交流电动机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电动机气隙中产生空间旋转的磁场，在功率不变的条件下，按磁动势相等的原则，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效，三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换则建立了磁动势不变情况下，三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。
设为两相对称绕组的电流,为三相对称绕组的电流，它们之间的变换关系为:⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡c B A C B A i i i C i i i i i i 230212121232302121132βα（8） (1)式中，是便于逆变换而增加的一相零序分量。
C3/2 为3s/2s 变换矩阵。
2.1.2 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r 变换)两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。
如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。
从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,称为两相旋转－两相静止变换，简称C 变换。
其变换关系为:⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡q d s r q d i i C i i i i 22cos sin sin cos ϕϕϕϕβα（9） (9)式中，为d-q 坐标系d 轴与坐标系轴之间的夹角，是d-q 旋转坐标系的旋转角速度。
为两相旋转到两相静止坐标系的变换矩阵。
即⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos 22srC （10）对( 3 )式进行逆变换可以得到两相静止到两相旋转的变换矩阵为⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==-ϕϕϕϕcos sin sin cos 12222sr rsC C （11） 2.1.3 三相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换在得到三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换和两相静止到两相旋转的变换矩阵后，也可以得到三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变换⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡C B A r s C B A s s r s a r s a i i i C i i i C C i i i Ci i i 2323220220ββ （12）式中,三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变换矩阵为⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+----+-212121)120(in )120(in sin )120cos()120cos(cos 32 ϕϕϕϕϕϕs s （13）相应的两相任意旋转坐标系到三相静止坐标系的变换矩阵为==-12332rs srC C⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+----21)120(in )120cos(21)120(in )120cos(21sin cos 32 ϕϕϕϕϕϕs s （14）图2 C2r/3s 仿真模型2.2 建立dq 坐标系下，电机模型dq 坐标系下，可得异步电机的基本公式：)(rq sd rd sq pi i LrLmn Te ψψ-=（15） dtdw n J T Te rp L =- （16）ssc m r rds sc sd sd R s L s L L R s L U i +-+=1ψ（17） ssc m r rqssc sq sq R s L s L L R s L U i +-+=1ψ（18） )(1rq r r r m sd r r rd L w R L i sL R ψψ-+=（19）)(1rd r r r m sq r r rq L w R L i sL R ψψ++=（20）由（15）~（20）可搭建如下电机模型：图3 异步电机仿真模型2.3 建立整个系统仿真模型图4 系统仿真模型3仿真参数及仿真结果3.1 仿真参数交流异步电机模型各个参数如下：Lsc=9.136，Rs=9.53，Lr=0.505，Lm=0.447，Rr=5.619，TL=2，np=2，J=0.0026 给定转速w=120—100，Flux=0.5 ACR中调节器各个参数为：Ki=10，Ti=0.1，限幅为-10~10。
3.2 仿真结果（1）wr仿真曲线（2）flux仿真曲线（3）Ia，Ib，Ic仿真曲线（4）Id，Iq仿真曲线（5）Te仿真曲线4结语通过以上仿真过程可以看出,采用MATLAB 环境下的SIMULINK仿真工具,可以快速地完成一个电动机控制系统的建模、仿真。
且无须编程,仿真直观、方便、灵活。
对于开发和研究交流传动系统有着十分重要的意义。
并为系统从设计到实现提供了一条捷径。
5参考文献[1]黄忠霖. 控制系统MA TLAB 计算及仿真[M] . 北京:国防工业出版社,2001[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M] . 北京: 机械工业出版社，1998[3]朝泽云,康勇,钟和清等. 异步电机矢量控制系统的建模与仿真[J]. 电机与控制应用. 2007，34 (3) : 11214.。
