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转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真摘要本文主要进行MATLAB对异步电动机转差频率控制系统仿真，分析异步电动机转差频率控制技术的主要控制方法、基本组成与工作原理。
在此基础上介绍了异步电动机的坐标变换，对异步电动机转差频率矢量控制系统的基本原理进行了阐述。
最后，对仿真结果进行分析，总结出如下结论：采用转差频率矢量控制的矢量控制系统具有良好的控制性能。
关键词：转差频率，矢量控制，异步电动机Induction Motor Slip Frequency Indirect Vector ControlOf Matlab SimulationAbstractThis paper focuses on the matlab simulation of the asynchronous motor speed regulation system.Firstly , this paper analyzes the main control method , basic composition and working principle of the induction motor slip frequency control technology.Secondly , this paper analysis the dynamic model of asynchronous motor and further introduces the coordinate transfer and the basic principle of motor slip frequency vector control system. At the same time , the simulation work to prove its feasibility.Finally , according to analysis of the simulation results , the conclusions are as follows simply slip frequency control is always with poor load capacity , on the contrary the vector control applications can enhance the ability to regulate the motor of the torque and without voltage compensation.Key words:slip frequency,vector control,induction motor目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (1)1.1现代交流调速技术的发展 (1)1.1.1异步电动机交流调速系统的类型 (2)1.1.2交流调速系统的发展趋势和动向 (2)1.2 MATLAB和Simulink概述 (2)1.3转差频率控制的调速系统 (4)1.3.1转差频率控制的基本概念 (4)1.3.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律 (5)2异步电动机转差频率间接矢量控制交流调速系统 (8)2.1异步电机的特点 (8)2.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型 (8)2.2.1电压方程 (9)2.2.2磁链方程 (10)2.2.3转矩方程 (11)2.2.4电力拖动系统运动方程 (12)2.3矢量控制技术思想 (13)2.3.1坐标变换 (14)2.3.2交流异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型 (19)2.3.3异步电机在两相静止坐标系（ 坐标系）上的数学模型 (21)2.3.4异步电机在两相同步旋转系上的数学模型 (22)2.3.5三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程 (22)2.4基于转差频率矢量控制调速系统的组成 (23)2.4.1基于转差频率间接矢量控制调速系统的工作原理 (23)2.4.2异步电动机转差频率间接矢量控制公式推导 (24)3主电路与控制电路 (26)3.1 PWM逆变器 (26)3.2控制电路的设计 (27)3.2.1转速PI调节器的设计 (27)3.2.2函数运算模块的设计 (28)4 转差频率间接矢量控制的MATLAB仿真 (30)4.1仿真模型的搭建及参数设置 (30)4.1.1主电路模型 (30)4.1.2控制电路的模型搭建 (31)4.2仿真结果与分析 (33)4.2.1仿真波形图 (33)4.2.2仿真结果分析 (35)4.3本章总结 (35)参考文献 (36)致谢 (37)1绪论1.1现代交流调速技术的发展交流技术诞生于19世纪，但由于其性能无法与直流调速技术相比，所以过去的直流调速技术一直在电气传动领域中占统治地位。
异步电动机矢量控制系统仿真1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真1.1 异步电动机矢量控制原理异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得应用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。
本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。
图1矢量变换控制系统仿真原理图如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。
（1）（2）（3）（4）（5）上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率；是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。
图4所示控制系统中给定转速与实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。
、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，与ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。
和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，与定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。
1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。
图2 电流控制变频模型图整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、磁场定向模块、滞环电流调节器、IGBT逆变器元件、异步电动机元件以及测量和显示模块。
目录1. 矢量控制基本原理: (1)2.电机模型推导: (2)3。
仿真模型框图 (5)3。
1 坐标系下异步电机的仿真模型 (5)3。
2各元件的参数图 (6)3.3三相异步电机的仿真模型 (8)3。
4各模块的原理图 (9)3.5仿真的初始数据 (10)4 矢量控制系统设计 (11)4.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 (11)4。
2 MATLAB系统仿真系统设计 (11)4.3 PI调节器设计 (13)5.仿真结果 (15)6.个人总结 (17)7。
参考文献 (18)异步电机矢量控制Matlab仿真实验1. 矢量控制基本原理: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。
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。
其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流,,A B C i i i ,通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流s i α和s i β再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流sm i 和st i 。
m 绕组相当于直流电动机的励磁绕组，sm i 相当于励磁电流，t 绕组相当于电枢绕组，st i 相当于与转矩成正比的电枢电流。
其中矢量控制系统原理结构图如图1—2所示。
图1—1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型图1—2矢量控制系统原理结构图通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量sm i 和转矩分量st i ，转子磁链r ψ仅由定子电流分量sm i 产生，而电磁转矩e T 正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。
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。
本设计研究的是矢量控制的异步电动机的调速系统，采用MATLAB软件在其simulink中进行仿真。
关键词：坐标变换矢量控制异步电动机MATLAB simulink仿真ABSTRACTIn recent years, with the development of the power semiconductor device，the microelectronics component, the microcomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day.Depend on the control principle of the MC and the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrantoperation have been testified, which has proved that the system has wide application field. The software of the vector control unit was designed at the end.This design is the study of vector control of the induction motor speed control system,using MATLAB software in its simulink simulation.Key words: matrix converter vector control induction motor MATLABsimulink simulation.目录1摘要......................................................................................... ABSTRACT .. (I)一.绪论 (4)1.1引言41.2 交流调速技术概况71.3仿真软件的发展状况及应用81.4 MATLAB 概述81.5 Simulink 概述11二.矢量控制理论 (12)2.1 异步电机的动态数学模型122.2 坐标变换162.2.1变换矩阵的确定原则162.2.2功率不变原则162.3矢量控制182.3.1 问题分析182.3.2直流电机的转矩控制182.3.3异步电机的转矩分析192.3.4 矢量控制原理19三. 总体模块设计 (22)3.1矢量控制结构框图223.2各子系统模块233.2.1求解磁链模块233.2.2 求解转子磁链角模块243.2.3 ids*求解模块243.2.4 iqs*求解模块253.2.5 ABC到DQ坐标变换模块253.2.6 DQ到ABC坐标变换模块263.3 电机参数设置263.4矢量控制环节模块283.5矢量控制的异步电动机调速系统模块28四. Simulink 仿真 (30)五. 结论 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录1 3s/2r 坐标变换 (41)附录2 ω*=100和ω*=150时的比较 (43)一.绪论1.1引言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。
1 引言1.1 概述矢量变换技术的产生奠定了现代交流调速系统高性能的基础。
交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论的概念，从而可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦过程，实现了将交流电动机的控制过程等效成为直流电动机的控制过程，进而使交流调速系统的动态性能得到了很大的改善和提高，进一步使交流调速取代直流调速成为一种可能。
目前对调速性能要求较高的生产工艺已广泛地采用了矢量控制的变频调速装置。
经过实践证明，采用矢量控制技术控制的交流调速系统[1]的优越性明显高于直流调速系统。
现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器这四大部分构成。
现代交流调速系统根据被控的对象—交流电动机种类不同，从而可分为异步电机调速系统和同步电动机调速系统两类，矢量控制的方式是目前交流电动机的先进控制的一种方式，本篇文章对异步电动机的动态数学模型、转差频率矢量控制的基本原理[26] 和概念做了详细简要的阐述，并且结合Matlab的Simulink仿真软件包构建了异步电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型，并进行了试验的验证和仿真结果的显示，同时对不同参数下的仿真结果进行了对比研究和分析。
这种方法不仅简单、控制精度高，而且能够较好地分析异步电动机调速系统的各项性能。
因为交流异步电动机是一个高阶、非线性、多变量、强耦合的系统。
该数学模型比较复杂，所以将其简化成单变量线性系统进行控制可能就达不到理想的性能。
为了实现高动态的性能，提出了矢量控制的方法。
矢量变换控制技术的产生为现代交流调速系统高性能化奠定了坚实的基础。
一般情况下，将含有矢量变换的交流电动机控制称为矢量控制。
Matlab是一种面向工程计算的高级语言，它的Simulink仿真的环境是一种非常优秀的系统仿真工具软件，使用它可以很大程度的提高系统仿真的效率和可靠性。
此文在Matlab的Simulink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脉冲发生器等许多环节，并给出了仿真的实验结果和分析。
异步电动机转差频率矢量控制系统仿真
摘要:异步电动机本身是一个非线性、强耦合、高阶次的控制对象,经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法不能完全适用于异步电动机分析。
采用矢量控制策略,按转子磁场准确定向控制,转速采取转差频率控制,电动机定子电流频率始终跟随转子的实际转速同步升降,使转速的调节更为平稳。
关键词:异步电动机矢量控制转差频率
因其结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便等特点,异步电动机在生产和生活中得到广泛的应用。
随着新型电力电子元件的出现,使得异步电动机的调速成为可能。
但异步电动机本身是一个非线性、强耦合、高阶次的控制对象,经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法不能完全适用于异步电动机分析。
本文将矢量控制与转差频率控制相结合,在转速变化过程中,电动机的定子电流频率始终跟随转子的实际转速同步升降,使转速的调节更加平滑。
1 异步电动机转差频率矢量控制系统
转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的原理如图1所示。
该系统主电路采用SPWM电压型逆变器,这是通用变频器常用的方案。
转速采用转差频率控制,即异步电动机定子角频率由转子角频率和转
差角频率组成,即:(如图1)
由式(2)～式(4)可以看到,保持不变时,定子电流的转矩分量可以控制电动机转矩,同时也可以控制;定子电流的励磁分量可以控制转子磁链的大小。
如保证磁通不变,则,由式(4)可得:
2 仿真系统模型
系统的控制部分由给定、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。
其中给定环节有定子电流励磁分量和转子速度。
3 控制系统仿真
电动机和变频器的参数如表1所示。
由表1知,电动机定子绕组自感Ls= Lm+L1s=(0.069+0.002)mH=0.071mH;电动机转子绕组自感Lr=Lm+L1r=0.071mH;电动机漏磁系数=0.056;转子时间常数=0.071/.816=0.087。
电动机给定转速1400r/min。
在启动后0.45s加载TL=65N·m。
选择固定步长算法ode5,步长为10-5。
仿真结果如图2所示。
图(a)反映了启动和加载过程中的转速响应。
在启动中,逆变器输出电压逐步提高,转速上升,在0.39s时,转速稍有超调后稳定在1400r/min。
图(b)反映了电动机电磁转矩。
电动机在加载后电压和电流迅速上升,电磁转矩也随之增加,在0.45s发生变化并最终稳定在65N·m。
4 结论
从搭建的仿真系统的仿真结果可以看到,采用转差频率控制的矢量控制系统具有良好的控制性能,异步电动机的转速上升过程平稳。
同时,通过转差频率控制,使电动机保持了最大转矩启动,并且通过改变ASR的输出限幅可以调节最大转矩。
该方案具有较高的准确性和
可靠性,为异步电动机的调速控制提供了理论基础。
参考文献
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