基于simulink異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析 電氣工程及其自動(dòng)化

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1、 基于SIMULINK異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析 摘要： 介紹了一種基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。利用對(duì)轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)的矢量控制,通過電壓空間矢量調(diào)制的方式,對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行解耦,從而達(dá)到理想狀態(tài)下的控制性能。通過仿真的實(shí)驗(yàn)可知,該方法不但計(jì)算方便簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),而且魯棒性強(qiáng),具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在異步電動(dòng)機(jī)創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型的前提下，敘述矢量控制等相關(guān)常識(shí)。把異步電動(dòng)機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的不同變量轉(zhuǎn)移到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，之后通過轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向科技，促使定子繞組電流磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩分量得以解耦，最終，此類電機(jī)的調(diào)速效能顯著提升，為創(chuàng)建SVPWM矢量控制系統(tǒng)奠定良好基礎(chǔ)。 繼而對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施仿真與

2、模擬，可以讓人比較直觀的觀察此類控制系統(tǒng)，最終促使有關(guān)人員充分了解怎樣才是此類電機(jī)的矢量控制。 關(guān)鍵詞：SVPWM；異步電機(jī)；矢量控制 II Abstract Abstract ：A vector control system of asynchronous motor based on SVPWM is introduced. The vector control of double closed loop speed and magnetic chain is used to decouple the torque of the motor directly. The

3、ideal control performance is achieved through the mode of voltage space vector modulation. The simulation results show that the method is simple, easy to implement, and robust, and has certain practical significance. Based on the mathematical model of asynchronous motor, vector control theory and o

4、ther basic knowledge are introduced. The rotor magnetic field orientation technology is used to decouple the current magnetic field component and torque component of the stator winding, thus the speed control performance of the asynchronous motor is greatly improved. Using SIMULINK to simulate and

5、simulate the experiment, it can make people observe the vector control system of asynchronous motor more intuitively, so that people know exactly what is the vector control of asynchronous motor. Keywords ：SVPWM;Asynchronous motor;vector control 目 錄 第1章.引言 1 1.2 異步電機(jī)概述 2 1.3 異步電機(jī)的主要用途及

6、分類 3 1.4 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展 4 1.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 4 第2章 三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 5 2.1 三相異步電機(jī)的工作原理 5 2.2三相異步電機(jī)物理模型 6 2.3異步電機(jī)的坐標(biāo)變換 8 2.3.1三相/兩相變換（3/2變換） 9 2.3.2兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r)變換 10 2.3.3直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換 11 2.4異步電機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 11 第3章 異步電機(jī)矢量控制的研究 13 3.1按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基本原理 13 3.2矢量控制系統(tǒng) 14 3.3矢量控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的實(shí)現(xiàn)方案 15 第3章 異步電

7、機(jī)矢量控制的研究 17 4.1 仿真模型的參數(shù)計(jì)算 17 4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真模型 17 4.3仿真結(jié)果分析 19 4.3.1 mt坐標(biāo)系中的電流曲線 21 4.3.2 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈曲線 23 第5章 結(jié)語 24 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 23 1 引言 1.1 引言 交流異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型則是高階、非線性、超強(qiáng)耦合的復(fù)雜體系,其中矢量控制調(diào)速系統(tǒng)重點(diǎn)是對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩實(shí)施解耦。其可以通過矢量控制方式把自身等效成直流電機(jī)，進(jìn)而完成管控目標(biāo)。主要觀點(diǎn)和主旨是:使用管控定子電流矢量,根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)對(duì)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流兩分量的幅值與相位施加控制,進(jìn)

8、而完成最終目標(biāo)。促使三相異步電機(jī)高效的對(duì)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解耦管控。在電氣傳動(dòng)中，使用SVPWM控制科技。此科技主要是通過正弦脈寬調(diào)制科技，利用導(dǎo)通半導(dǎo)體開關(guān)配件與關(guān)斷脈沖，也就是定子三相繞組電壓依照面積原則，進(jìn)而達(dá)到正弦對(duì)稱要求，然而因?yàn)槟孀兤麟妷罕举|(zhì)上就是脈沖電壓，繞組內(nèi)諧波元素較多，此外關(guān)鍵是電源電壓使用效率不高?？臻g矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）科技在電壓源逆變器供電時(shí)期，依照使三相電機(jī)的定子出現(xiàn)跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的模式管控逆變器開關(guān)操作，在上述控制方式下，促使直流側(cè)電源電壓使用效率得到全面提升，此外統(tǒng)計(jì)效率高，避免開關(guān)損耗，最終降低電機(jī)設(shè)備的諧波損耗，減少脈動(dòng)，目前主要使用在比如電動(dòng)汽車等以蓄

9、電池直流供電等部分。 1971年國(guó)外專家F.Blaschke指出“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制理論”，是目前大眾第一次指出矢量控制的定義。此類控制主要是在電機(jī)統(tǒng)知識(shí)、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)變換知識(shí)的前提下延伸產(chǎn)生的，具備領(lǐng)先型、創(chuàng)新性與高效性等諸多優(yōu)勢(shì)。其把異步電動(dòng)機(jī)的模型利用坐標(biāo)變動(dòng)，促使其變成直流電動(dòng)機(jī)模型，把定子電流矢量劃分成按照其磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量，且進(jìn)行相應(yīng)的管控，進(jìn)而完成磁通與轉(zhuǎn)矩的解耦管控，最終得到與流電機(jī)相似的現(xiàn)實(shí)成果。 1.2 異步電機(jī)概述 交流電機(jī)主要被劃分成不同的部分和類型。首先，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和連接電網(wǎng)頻率之間存在一種嚴(yán)格不變關(guān)系，異步電機(jī)卻不是這樣，并不存在任何關(guān)聯(lián)。

10、在此類電機(jī)的定子繞組連接到電源之后，讓電源供應(yīng)勵(lì)磁電流創(chuàng)建磁場(chǎng)，依賴電磁感應(yīng)功能，也就是轉(zhuǎn)子繞組感生電流，出現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而完成機(jī)電能量阻焊變。由于其轉(zhuǎn)子電流主要是因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)影響而出現(xiàn)，所以就被叫做感應(yīng)電機(jī)。 異步電機(jī)一般都作電動(dòng)機(jī)用，因?yàn)榇祟惏l(fā)電機(jī)功能較弱。在工農(nóng)業(yè)、交通領(lǐng)域、國(guó)防行業(yè)和其余多個(gè)領(lǐng)域都有普遍的使用。主要因素是與其余多種電機(jī)進(jìn)行比較，其具備結(jié)構(gòu)單純、生產(chǎn)便利、運(yùn)送穩(wěn)定、性價(jià)比高等諸多特征，尤其是與同類型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，此電動(dòng)機(jī)重量大概是前者的百分之五十，其此外價(jià)格是其的三分之一。然而，此類電動(dòng)機(jī)也存在明顯的不足，通常是：午安全面完成平滑調(diào)速目標(biāo)；需要從電網(wǎng)吸納落后勵(lì)磁電

11、流，促使所有功率因數(shù)變差?？偠灾?，由于大部分生產(chǎn)機(jī)械并未提出平滑調(diào)速需求，而電網(wǎng)功率因數(shù)可使用其他辦法全面彌補(bǔ)，所以，刺裂電動(dòng)機(jī)目前依舊是電力拖動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)非常關(guān)鍵的部分。 1.3 異步電機(jī)的主要用途及分類 異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)發(fā)展中使用相對(duì)普遍的電動(dòng)機(jī)，主要容量不一，在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有較為普遍的使用。 比如，在工業(yè)領(lǐng)域：中小類型的軋鋼設(shè)施、多種金屬切割機(jī)床、輕工設(shè)備、礦山內(nèi)卷揚(yáng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)等，全部采用此電機(jī)進(jìn)行操作。 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：水泵、脫粒機(jī)、粉碎機(jī)與其余農(nóng)副產(chǎn)品加工設(shè)備，也會(huì)使用此設(shè)備。 另外，在大眾現(xiàn)實(shí)生活中，此類電動(dòng)機(jī)得到普遍使用。比如，電扇、冷凍機(jī)、眾多醫(yī)療設(shè)備等?？偠灾?/p>

12、此設(shè)備使用領(lǐng)域廣泛、現(xiàn)實(shí)需求較多，伴隨電氣化技術(shù)水平的提升，其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民眾日常生活中具備關(guān)鍵的價(jià)值。 異步電動(dòng)機(jī)通?？梢员划?dāng)做發(fā)電機(jī)，然而通常會(huì)在獨(dú)特情況下使用。 此設(shè)備在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有普遍使用，一般是因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)單純、生產(chǎn)便利、性價(jià)比高、使用時(shí)限長(zhǎng)，此外具備很高的效率等優(yōu)勢(shì)。 然而，此類電機(jī)也存在一定的不足，主要是需要從電網(wǎng)吸納滯后的無功功率，所以其主要功率因數(shù)始終低于1。因?yàn)樵陔娋W(wǎng)負(fù)載中，此類電機(jī)使用較多，因此所需要滯后的無功功率。但是在電網(wǎng)中卻變成較大的負(fù)擔(dān)，不僅提高了輸電時(shí)期消耗，此外也限制有功功率的輸送。在負(fù)載需要電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量很高的時(shí)候，電網(wǎng)功率因數(shù)并不高的時(shí)候，一

13、般會(huì)使用同步電動(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)按照定子繞組的相數(shù)被劃分成不同的類型。在缺少三相電源或者需要功率不高的時(shí)候，可使用單相電動(dòng)機(jī)，此設(shè)備功率通常少于3～4千瓦，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中比較普遍。在工農(nóng)業(yè)運(yùn)作中，大部分使用三相異步電動(dòng)機(jī)。此類電動(dòng)機(jī)具有不同的種類。首先是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，此設(shè)備轉(zhuǎn)子繞組形狀如同牢籠。其中，還可以詳細(xì)的劃分成單鼠籠、雙鼠籠與深槽式等多種類型；其次是繞線式異步電動(dòng)機(jī)，其中轉(zhuǎn)子與定子繞組大致類似，也就是三相繞組，最終組合成星形或三角形。 1.4 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展 二十世紀(jì)六十年代德國(guó)專家把通信系統(tǒng)調(diào)制科技使用到交流傳播中，此后出現(xiàn)更多的觀點(diǎn)和知識(shí)，PWM科技的發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，從早

14、期的尋求電壓波形到電流波形的正弦，之后是異步電機(jī)磁通的正弦；從效率最高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，到去除諧波影響等。伴隨全新電力器件的出現(xiàn)以及高新科技的研發(fā)，變頻科技得到相應(yīng)發(fā)展。 從實(shí)踐應(yīng)用開展研究，SPWM在眾多領(lǐng)域內(nèi)具備重要的位置，且始終是大眾分析的主題。大眾開始持續(xù)探究?jī)?yōu)化脈寬調(diào)制形式，和采樣SPWM大致近似，得出采樣算法，在上述前提下，也指出準(zhǔn)優(yōu)化PWM技術(shù)，而后又出現(xiàn)了空間電壓矢量PWM技術(shù)和電流滯環(huán)比較PWM以及在其前提下出現(xiàn)的無差拍控制PWM技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)為目前交流調(diào)速技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用尋找到全新渠道。 PWM調(diào)制科技是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制主要部分，其主要是通過功率開關(guān)器件開關(guān)將直流電壓轉(zhuǎn)變

15、成相應(yīng)形狀的電壓脈沖列,且利用管控電壓脈沖寬度或時(shí)間進(jìn)而完成變頻、變壓其高效管控與去除諧波的重要科技。 伴隨電力電子技科技、微電子科技與自動(dòng)控制科技的持續(xù)發(fā)展和多種全新理論方式，比如現(xiàn)代控制知識(shí)、非線性系統(tǒng)控制知識(shí)的使用，此科技得到較大的進(jìn)步。到現(xiàn)在為止通常有下面多種方式 （1）基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制 （2）基于去除特定次數(shù)諧波的SHEPWM控制 （3）電壓空間矢量控制SVPWM 在這幾種PWM科技中,第一以及第二種是將輸出電壓接近正弦波當(dāng)做最終目標(biāo),第三種主要是將輸出電流接近正弦波當(dāng)做最終目標(biāo),第四種主要是將被控電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)接近圓形當(dāng)做最終目標(biāo)。 因?yàn)槟壳翱萍?/p>

16、進(jìn)步逐漸弱化了各個(gè)學(xué)科間的邊界,根據(jù)當(dāng)代控制知識(shí)或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)科技就變成此技術(shù)后續(xù)的發(fā)展潮流。 1.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 系統(tǒng)主要是客觀世界內(nèi)實(shí)體彼此間的緊密作用與彼此依存關(guān)系構(gòu)成的具備某種固定作用的完善整體。其分類方式眾多，當(dāng)前主要是根據(jù)具體應(yīng)用范疇進(jìn)行劃分，通常被劃分成工程與非工程系統(tǒng)。 前者改變是彼此關(guān)聯(lián)部件構(gòu)成的完善整體，進(jìn)而完成相應(yīng)的目標(biāo)。比如電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包含執(zhí)行、功率轉(zhuǎn)換、檢測(cè)等多個(gè)部件，使用其進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置與其余參數(shù)控制的某個(gè)特定目標(biāo)。 后者概念內(nèi)涵豐富，不管是宇宙還是原子，只要具備彼此約束與影響的關(guān)系，產(chǎn)生緊密聯(lián)系的整體，完成某種目標(biāo)都能被叫做系統(tǒng)

17、。 假如要定量分析系統(tǒng)的活動(dòng)，需要把其自身特點(diǎn)和內(nèi)部彼此關(guān)系抽象出來，創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的模型。此類模型被劃分成物理與數(shù)學(xué)兩部分。因?yàn)橛?jì)算機(jī)科技的持續(xù)進(jìn)步與全面使用，后者在當(dāng)前社會(huì)中使用更多。 當(dāng)前數(shù)學(xué)模型主要是敘述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特點(diǎn)的表達(dá)式，主要是代表系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)期的不同量的關(guān)系，是研究、設(shè)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)。從其所敘述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)屬性與數(shù)學(xué)工具進(jìn)行劃分，還能被劃分成連續(xù)、離散時(shí)間等不同系統(tǒng)。此外也可以詳細(xì)的劃分成線性、非線性、定常、時(shí)變等眾多子類。 系統(tǒng)仿真主要依照被分析的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析其主要功能的重要科目，目前主要表示使用計(jì)算機(jī)去分析數(shù)學(xué)模型行為的方式。仿真主要包含系統(tǒng)、模型、算法、計(jì)算機(jī)程序設(shè)定

18、個(gè)仿真結(jié)果呈現(xiàn)、研究和檢驗(yàn)等部分。 2 三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 2.1 三相異步電機(jī)的工作原理 在交流電動(dòng)機(jī)的定子鐵心中，依照現(xiàn)實(shí)情況設(shè)定三個(gè)繞組。交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子總共包含不同的結(jié)構(gòu)方式，繞線與籠型轉(zhuǎn)子。前者包含三相繞組，分布在內(nèi)部鐵心上，此外和外部關(guān)聯(lián)起來，其中后者并非與電源緊密關(guān)聯(lián)，后者內(nèi)部繞組自主閉合，所以表面上更加單純，便利。 促進(jìn)三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)作的主要基礎(chǔ)建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其中此類電動(dòng)機(jī)的定子繞組主要是催生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)出現(xiàn)。在正弦變動(dòng)且差值是120度時(shí)的三相電流在進(jìn)入定子繞組后，會(huì)隨之形成沿氣隙周圍呈正弦分布的磁場(chǎng)，電角速度與定子電流角頻率均等。其中在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)出現(xiàn)之后

19、，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條會(huì)切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線隨之出現(xiàn)感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流和上述磁場(chǎng)相彼此影響最終出現(xiàn)電磁力，上述力出現(xiàn)的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子會(huì)依照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向進(jìn)行運(yùn)作。此處值得關(guān)注的是，對(duì)轉(zhuǎn)矩具備關(guān)鍵影響的是此類電流的相關(guān)有功分量。 站在交流異步電機(jī)的角度上進(jìn)行分析，定子繞組的輸入電壓相位和幅值之間的變動(dòng)，會(huì)造成電機(jī)立即反應(yīng)。但是與之類似的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的改變會(huì)造成瞬態(tài)反應(yīng)，作用于電機(jī)轉(zhuǎn)矩使，導(dǎo)致不平衡問題，在電機(jī)速度出現(xiàn)改變的時(shí)候，會(huì)得到全新穩(wěn)定的速度值。 在通常狀況下，異步電動(dòng)機(jī)必須在異步運(yùn)作時(shí)期，才可以完成能量變動(dòng)與準(zhǔn)備轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速均少于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，假如其均等的時(shí)候，此時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和磁場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)

20、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)出現(xiàn)劃分磁力線，也無法得到電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)速肯定會(huì)少于其他速度。 2.2三相異步電機(jī)物理模型 異步電機(jī)屬于高階、非線性、強(qiáng)大耦合的復(fù)雜設(shè)備，因此當(dāng)前在進(jìn)行分析時(shí)，探討其模型是重點(diǎn)： 1)不關(guān)注空間諧波，假定內(nèi)部繞組全部對(duì)應(yīng)，此時(shí)其所存在磁動(dòng)勢(shì)會(huì)依照氣隙圓周與正弦規(guī)律劃分 2)不關(guān)注鐵芯消耗 3)不關(guān)注對(duì)繞組電阻的現(xiàn)實(shí)作用，也就是頻率與溫度變動(dòng) 圖2-1是矢量控制內(nèi)異步電機(jī)的物理模型。此處，在空間內(nèi)固定內(nèi)部三相繞組軸線A, B, C，此外使用A軸當(dāng)做主要坐標(biāo)軸，通過a，b，c的隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等理論，a軸和A軸兩者之間電角度是空間角位移變量。 圖2.1 三相異步電機(jī)

21、的物理模型 而對(duì)交流電機(jī)的靜止繞組進(jìn)行分析，就可以利用正弦電流、、時(shí)，其所出現(xiàn)的合成磁動(dòng)勢(shì)是其所出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，其中在空間上是正弦劃分，憑借同步轉(zhuǎn)速ω依照A-B-C的順序旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)我們就能了解到，在多種相內(nèi)，對(duì)應(yīng)的繞組出現(xiàn)多相對(duì)稱電流，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，此時(shí)兩相電機(jī)非常單一，其對(duì)照的靜止繞組是α與β，在空間內(nèi)雙方差值是九十度，利用在時(shí)間差值九十度的兩相交流電流、，可出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，在三相對(duì)應(yīng)的靜止繞組A，B，C所產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)的多少和轉(zhuǎn)速均和此勢(shì)F均等的時(shí)候，就業(yè)指出雙方等效。 上述匝數(shù)相同且垂直的繞組M與T，主要是直流電流與，形成合成磁動(dòng)勢(shì)F，主要范圍給對(duì)繞組來說比較平穩(wěn)

22、。讓所有鐵心包含全部繞組在內(nèi)的依照相同轉(zhuǎn)速運(yùn)作，此時(shí)磁動(dòng)勢(shì)F隨之旋轉(zhuǎn)，變成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。假如其和轉(zhuǎn)速均、三相對(duì)應(yīng)的靜止繞組A，B，C所產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)相等，可以判定雙方等效。 依照相關(guān)等效觀點(diǎn)我們就可以知道，通過眾多變換方式，促使不同電機(jī)的三相繞組與直流繞組等效，進(jìn)而就可以使用相同方式管控交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這就是我們分析的矢量變換控制。 基于以上研究可知，使用相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)原則，三相坐標(biāo)系內(nèi)、、，靜止兩相坐標(biāo)系下、與旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系內(nèi)直流和等效。所以，當(dāng)前需要使用坐標(biāo)變換方式，尋找其等效的模型。 圖2.2 二極直流電機(jī)的物理模型 根據(jù)圖2-2內(nèi)容我們可知以等效為交流三

23、相繞組的電機(jī)。圖中F是勵(lì)磁繞組，A是電樞繞組，C是補(bǔ)償繞組。F與C均位于定子，其中A位于轉(zhuǎn)子。將F的軸線叫做直軸或d軸，主磁通的方向位于d軸上，A、C軸線則是交軸或q軸。因?yàn)殡姌写艅?dòng)勢(shì)的軸線一直被電刷約束在q軸位置，因此看似q軸靜止，然而因?yàn)槠洳磺懈畲帕€，此外與d軸垂直，因此具備的作用并不大，所以主磁通通常根據(jù)勵(lì)磁電流來確定，促使此類電機(jī)的數(shù)學(xué)模型更加直接便利，也是此類數(shù)學(xué)模型和相關(guān)控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)便的主要因素。 2.3異步電機(jī)的坐標(biāo)變換 因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)具備眾多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，例如其在三相坐標(biāo)系下時(shí)，得到的模型會(huì)表現(xiàn)出高階、強(qiáng)大耦合等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在使用普通方式進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候會(huì)遇到眾多問題和阻

24、礙，其中系統(tǒng)目前也沒有尋找到良好的管控手段。此處異步電機(jī)在三相坐標(biāo)系內(nèi)的模型更為復(fù)雜，通常是由于相關(guān)條件眾多，比如影響磁鏈或者遭受磁鏈作用，因此要促使上述數(shù)學(xué)模型更加簡(jiǎn)單，需要仔細(xì)查看直流電機(jī)，而重要影響主磁通的條件是勵(lì)磁電流，其也是主要因斯，最終造成直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制體系相對(duì)直接。假如把交流電機(jī)的物理模型與轉(zhuǎn)變成與直流方式相等效，研究與控制相關(guān)問題就更加容易處理。 矢量變換規(guī)律具具備下述三類: （1）三相/兩相之間(也就是3/2變換) （2）兩相之間旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換)，就是矢量旋轉(zhuǎn)變換(VR) （3）直角/極坐標(biāo)變換(K/P ) 上述全部是可逆的。 2.3.1三相/

25、兩相變換（3/2變換） 在三相與兩相靜止繞組兩者之間轉(zhuǎn)變，當(dāng)前是上述兩者靜止坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，此時(shí)被叫做3/2變換。 在二相靜止繞組α和β和三相A、B、C之間的變換，根據(jù)上述研究可知，當(dāng)前被叫做2/3變換。 假定三相繞組(A、B、C)和二相繞組軸線設(shè)定為圖2-4內(nèi)容，α相和β相繞組軸線重疊，全部屬于靜止坐標(biāo)，主要對(duì)照交流電流是、、與、。使用磁勢(shì)分布和功率平穩(wěn)的絕對(duì)變換，三相與二相交流電流存在的磁勢(shì)均對(duì)等。 圖2.3 假定三相和兩相繞組的軸線 使用公式統(tǒng)計(jì)了解到上述變換矩陣是： （2-1） 使用公式統(tǒng)計(jì)得到上述變換矩陣是：

26、 （2-2） 上述變換方式使用電機(jī)眾多物理量的瞬時(shí)值當(dāng)做主體，不僅使用在穩(wěn)態(tài)，此外還能使用在動(dòng)態(tài)變換。 2.3.2兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r)變換 利用兩相靜止坐標(biāo)系α和β到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M,T的變換被叫做兩相之間旋轉(zhuǎn)變換，也就是2s/2r變換，此處s代表靜止，r代表旋轉(zhuǎn)。將上述坐標(biāo)系繪制在相同方位，得出圖2-5。依照磁動(dòng)勢(shì)等效觀點(diǎn)，其中兩相交流電流、，與對(duì)照直流電流,,要出現(xiàn)相同以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F。 圖2.4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換 此類旋轉(zhuǎn)和其逆變公式是 （2-3）

27、 （2-4） 另外，電流(磁動(dòng)勢(shì))旋轉(zhuǎn)變換陣的模式與電壓、磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也是如此。 2.3.3直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換 設(shè)定磁動(dòng)勢(shì)F和M軸之間夾角是，此時(shí) （2-5） （2-6） 在三相坐標(biāo)系下定子是交流電流，利用彼此間的變換，就能等效成在兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，之后按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的具體轉(zhuǎn)變，可等效成對(duì)照直流電流，就能轉(zhuǎn)變成直流電機(jī)，參考圖2-5內(nèi)容。 圖2.5 異步電機(jī)等效成直流電機(jī) 2.4異步電機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 當(dāng)前可依照平面矢量的疊加理論，例如合成與分解

28、，進(jìn)而出現(xiàn)多相繞組電流存在的的磁動(dòng)勢(shì)，因此可采用兩相正交繞組來等效三相繞組。 磁鏈方程： （2-7） 電壓方程 （2-8） 轉(zhuǎn)矩方程 （2-9） 運(yùn)動(dòng)方程 （2-10） 3 異步電機(jī)矢量控制的研究 3.1按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基本原理 對(duì)于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，僅要求虛擬兩相繞組兩軸的垂直關(guān)系與旋轉(zhuǎn)角速度，然而并沒有要求兩軸和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)方位。在定向管控時(shí)期，直接要求旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)上述兩部分的方位，利用從靜止定子向磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系的全面變換，將前者內(nèi)的交流控制變

29、量轉(zhuǎn)變成后者內(nèi)的直流量，進(jìn)而可以單獨(dú)開展管控。 依照轉(zhuǎn)子全磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚴寝D(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，讓M軸依照轉(zhuǎn)子綜合磁鏈?zhǔn)噶康姆较颍唤凶龃呕S，T軸垂直且超過綜合磁鏈?zhǔn)噶?，是轉(zhuǎn)矩軸。依照轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向之后，電流M，T兩軸內(nèi)分量完成解耦，轉(zhuǎn)子磁鏈主要由定子電流在M軸內(nèi)的分量確定，其在T軸內(nèi)的分量影響轉(zhuǎn)矩，與直流電機(jī)的勵(lì)磁與電樞電流相對(duì)照，也是當(dāng)前普遍使用的矢量控制方式，在使用過程中可以全面減少上述情況下的交流變頻調(diào)速控制阻礙和不足。 在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)坐標(biāo)系內(nèi)（也就是M-T坐標(biāo)系）異步電機(jī)的狀態(tài)與轉(zhuǎn)矩方程為： （3-1） 轉(zhuǎn)矩方程

30、 （3-2） 根據(jù)方程可知 （3-3） （3-4） 其中是磁動(dòng)勢(shì)同步角速度，也就是電流角頻率，是轉(zhuǎn)子角速度， 是旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度差值。 轉(zhuǎn)矩與磁鏈模型式和（3—4）共同被叫做磁場(chǎng)定向方程。利用M-T坐標(biāo)系內(nèi)的定子電流正交分量和就能全面完成對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的管控。轉(zhuǎn)子磁鏈對(duì)的響應(yīng)屬于慣性環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩對(duì)的響應(yīng)速度較快，就像電樞磁場(chǎng)得出全面補(bǔ)償?shù)闹绷麟妱?dòng)機(jī)那樣，則是交流異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制，也就是此領(lǐng)域?的主要知識(shí)。 3.2矢量控制系統(tǒng) 將出現(xiàn)相同磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)做標(biāo)準(zhǔn)，在三相坐標(biāo)系

31、內(nèi)定子交流電流進(jìn)行彼此變換，可等效成兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)的和，之后利用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，可等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的直流電流和，在查看人員站在鐵心上和坐標(biāo)系共同旋轉(zhuǎn)時(shí)，交流電機(jī)隨之轉(zhuǎn)變成直流機(jī)類似于勵(lì)磁電流，T繞組類似于偽靜止繞組，類似于與轉(zhuǎn)矩為正比的電流。 依照上述假定，可組成直接控制與的矢量控制體系，參考圖3—1內(nèi)容。其中，控制器之后的反旋轉(zhuǎn)變換器要和設(shè)備內(nèi)部變換時(shí)期VR抵扣，2/3此外和內(nèi)部3/2轉(zhuǎn)變環(huán)節(jié)抵扣，假如輕視此部分出現(xiàn)的滯后，那么圖中虛線框內(nèi)的內(nèi)容可刪除，剩下內(nèi)容就和直流調(diào)速系統(tǒng)大致類似，因此得出的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)和直流系統(tǒng)相類似。 圖3.3 矢量控制系統(tǒng)框圖 3.3矢量控制

32、系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的實(shí)現(xiàn)方案 此領(lǐng)域的重要技術(shù)是電流矢量從靜止到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時(shí)需要了解上述兩者出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角。由于磁場(chǎng)和d軸方向相同，因此本質(zhì)上要了解磁通和靜止坐標(biāo)系α軸兩者角度。磁通反饋控制一般使用霍爾傳感器等實(shí)驗(yàn)或者使用相關(guān)觀測(cè)器預(yù)估得出，基于理論進(jìn)行分析，直接檢測(cè)相對(duì)精準(zhǔn)，所以在最初通常使用此測(cè)試方式來得到真實(shí)磁鏈信號(hào)。然而在現(xiàn)實(shí)中，此檢測(cè)方式卻遭遇眾多無法處理的現(xiàn)實(shí)問題。直接檢測(cè)在現(xiàn)實(shí)中無法普遍使用。間接法轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制也被叫做磁通前饋控制。其核心是使用電機(jī)電壓等相關(guān)信息，利用電壓模型法等方式得到具體磁通幅值和相位。 圖3.4 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 際值。第一把角速度

33、指令與的偏差信號(hào)傳送給速度調(diào)節(jié)器，最終輸出在異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率矢量管控中，假如可以確保轉(zhuǎn)子磁通穩(wěn)定不改變，那么就需要明確轉(zhuǎn)子角速度和依照所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算出轉(zhuǎn)差角頻率，此時(shí)可得到轉(zhuǎn)子磁通同步角速度，進(jìn)而完成最終管控目標(biāo)，此類矢量控制不用流程眾多的磁通檢測(cè)，計(jì)算與環(huán)節(jié)較少，所以在基頻以下的調(diào)速系統(tǒng)中被普遍使用。 在現(xiàn)實(shí)中的此類系統(tǒng)內(nèi)部，轉(zhuǎn)子電阻或者時(shí)間常數(shù)變動(dòng)對(duì)不同屬性造成明顯作用。 此類異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要使用電流控制方案。從定子電流勵(lì)磁分量給定值和其轉(zhuǎn)矩分量給定值到真實(shí)值、的傳播是解耦，最終效果和逆變器延時(shí)相關(guān)，不依靠設(shè)備參數(shù)，便于提升綜合控制效果。 下圖是轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，具體的控

34、制詳細(xì)圖。其中存在上標(biāo)的是指令值，剩下則是轉(zhuǎn)矩給定指令值,統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)給定值。根據(jù)磁通給定值計(jì)算出勵(lì)磁電流給定值。其中、通過坐標(biāo)反變換得出定子三相電流指定值，在電流調(diào)節(jié)時(shí)期，根據(jù)指令值與真實(shí)測(cè)試得到的電流偏差信息傳送給內(nèi)部調(diào)節(jié)器，其中輸出IGBT逆變器的控制內(nèi)容，因此可以得出我們想要的矢量控制系統(tǒng)。 圖3.5 異步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng) 4 系統(tǒng)仿真研究 4.1 仿真模型的參數(shù)計(jì)算 目前異步電動(dòng)機(jī)的額定信息： ，，，， ，，,， ， 依照現(xiàn)有條件統(tǒng)計(jì)可知： 依照式可知： 轉(zhuǎn)差率 同步轉(zhuǎn)速 得出轉(zhuǎn)差角頻率 且依照轉(zhuǎn)差角頻率公式，此處 得出：

35、 4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真模型 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（3-2）與矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（3-4）主要依照mt坐標(biāo)系來代表，當(dāng)前使用MATLAB軟件創(chuàng)建下面的仿真模型： 圖4.1 矢量控制系統(tǒng)仿真模型 此處mt坐標(biāo)系的AC Motor仿真模型為： 圖4.2 mt坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型 圖4.3 PI調(diào)節(jié)器的模型 4.3仿真結(jié)果分析 4.3.1 mt坐標(biāo)系中的電流曲線 t=1s時(shí)加載。示波器scope2的輸出波形為： 圖4.4 空載起動(dòng)和加載的定子電流勵(lì)磁分量 圖4.5 空載起動(dòng)和加載的定子電流轉(zhuǎn)矩分量 根據(jù)上圖我們就能知道，在

36、mt坐標(biāo)系內(nèi)異步電動(dòng)機(jī)完成定子電流勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦。t=1s主要由空載運(yùn)作轉(zhuǎn)變成加載運(yùn)作，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量在t=1s處從0提高到大概9.3，其中勵(lì)磁分量就維持在3.5不變，不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)矩改變而改變。和計(jì)算值大致相同。 4.3.2 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈曲線 圖4.6 空載起動(dòng)和加載的轉(zhuǎn)子磁鏈 圖4.7 空載起動(dòng)和加載的轉(zhuǎn)速 圖4.8 空載起動(dòng)和加載的轉(zhuǎn)子磁鏈局部放大圖 圖4.9 空載起動(dòng)和加載的轉(zhuǎn)速局部放大圖 根據(jù)仿真結(jié)果得出，在創(chuàng)建轉(zhuǎn)子磁鏈之后，最終結(jié)果大致維持在1.13，其與確定的轉(zhuǎn)子磁鏈1.1397大致相同，此外不因轉(zhuǎn)矩改變而改變，完成對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)

37、矩的解耦管控目標(biāo)。其中轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制促使轉(zhuǎn)速大致維持在314不變，和轉(zhuǎn)速314一樣。 5 結(jié)語 利用敘述異步電機(jī)的矢量變換控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)我們開始創(chuàng)建模型 ,根據(jù)現(xiàn)實(shí)案例敘述 MATLAB/ SIMULINK軟件創(chuàng)建異步電機(jī)矢量控制模型整個(gè)環(huán)節(jié) ,并對(duì)此系統(tǒng)的模型開展相應(yīng)的仿真。 使用此交流異步電機(jī)仿真模型，就能相對(duì)便利的檢驗(yàn)控制算法 ,需要對(duì)少數(shù)功能模塊實(shí)施替換與續(xù)訂 ,如此就可以完成控制策略的改善或優(yōu)化。其為分析交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案提供相應(yīng)的幫助與扶持。 通過仿真試驗(yàn)獲得的仿真曲線 ,全面檢驗(yàn)出在此類變換數(shù)學(xué)模型前提下創(chuàng)建仿真模型的科學(xué)性 。 由上述仿真曲線可知 ,在不同的

38、輸入下 , 調(diào)速系統(tǒng)會(huì)有不同的響應(yīng) 。 仿真實(shí)驗(yàn)表明 ,仿圖 8 電機(jī) T0 ( t) 響應(yīng)曲線真模型的動(dòng)態(tài)仿真部分和真實(shí)調(diào)速運(yùn)動(dòng)時(shí)期大致符合 。本文模型主要是磁通、轉(zhuǎn)速 兩個(gè)輸入給定量 , 假如采用Simulink 創(chuàng)建勵(lì)磁函數(shù)發(fā)生器 , 促使磁通在電機(jī)基頻下維持不變 , 基頻以上磁通和頻率為反比下降 ,此時(shí)需要確定轉(zhuǎn)速定量就能讓異步電機(jī)進(jìn)行恒磁通或恒功率運(yùn)作。 使用 Simulink 開展異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真 ,不需要編程、直接、簡(jiǎn)單 ,對(duì)于研發(fā)與探討調(diào)速系有關(guān)鍵價(jià)值 。 參考文獻(xiàn) 1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003（3）190-211

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41、杜曉婷老師。沒有您的耐心教導(dǎo)和指正，我的論文也無法順利撰寫完成，導(dǎo)師不僅對(duì)我的學(xué)習(xí)有很大的幫助，此外也影響了我的生活觀念，是我人生道路上的重要引路者。假如沒有杜老師的引導(dǎo)，我現(xiàn)在也不能變成合格畢業(yè)生。沒有他們的教導(dǎo)，我的畢業(yè)論文也無從談起，總而言之，當(dāng)前我的所有學(xué)習(xí)成果，全部得益于老師們的辛苦教育，此時(shí)此刻，我要向他們表達(dá)誠(chéng)摯的謝意！此外也要感恩電子電氣工程學(xué)院的授課老師們和所有同學(xué)們，大家在安徽三聯(lián)學(xué)院的電子電氣工程學(xué)院的學(xué)習(xí)中彼此學(xué)習(xí)，彼此幫助，共同度過幸福時(shí)光。 　我也要感恩我最愛的親人，因?yàn)橛辛怂麄兊男量喔冻觯也拍艿玫桨卜€(wěn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，才能沒有后顧之憂的努力學(xué)習(xí)，是你們成就了現(xiàn)在的我。 最終我也要感恩學(xué)校所有領(lǐng)導(dǎo)和教師以及陪伴我思念的同學(xué)，當(dāng)前我的所有學(xué)習(xí)成果，全部得益于老師們的辛苦教育，此時(shí)此刻，我要向他們表達(dá)誠(chéng)摯的謝意！祝福你們工作順心，萬事如意。