基于simulink異步電機矢量控制系統(tǒng)分析 電氣自動化專業(yè)

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1、 基于SIMULINK異步電機矢量控制系統(tǒng)分析 摘要： 介紹了一種基于SVPWM的異步電機矢量控制系統(tǒng)。利用對轉(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,對電機轉(zhuǎn)矩直接進行解耦,從而達到理想狀態(tài)下的控制性能。通過仿真的實驗可知,該方法不但計算方便簡單,容易實現(xiàn),而且魯棒性強,具有一定的現(xiàn)實意義。 在異步電動機創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型的前提下，敘述矢量控制等相關(guān)常識。把異步電動機三相靜止坐標(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)子磁場定向科技，促使定子繞組電流磁場與轉(zhuǎn)矩分量得以解耦，最終，此類電機的調(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)。 利用SIMU

2、LINK對該實驗進行仿真和模擬，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的矢量控制。 關(guān)鍵詞：SVPWM；異步電機；矢量控制 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 directl

3、y. The 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 theor

4、y and other 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 simula

5、te and 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 首 頁 1 摘 要 2 第1章 引 言 4 1.

6、1 引言 4 1.2 異步電機概述 5 1.3 異步電機的主要用途和分類 5 1.4 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 6 1.5 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展 7 第2章 三相異步電機數(shù)學(xué)模型 8 2.1 三相異步電機的工作原理 9 2.2 三相異步電機的物理模型 11 2.3 坐標(biāo)變換 11 2.3.1 三相/兩相變換（3/2變換） 12 2.3.2 兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r)變換 13 2.3.3 直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換 14 2.4 異步電機在二相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 14 第3章 異步電機矢量控制研究 15 3.1 按轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的基本原理 16 3.2 矢量控制

7、系統(tǒng) 17 3.3 矢量控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的實現(xiàn)方案 18 第4章 系統(tǒng)仿真研究 21 4.1仿真模型的參數(shù)計算 21 4.2矢量控制系統(tǒng)的仿真模型 21 4.3仿真結(jié)果分析 20 4.3.1 mt坐標(biāo)系中的電流曲線 23 4.3.2 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈曲線 24 第5章 結(jié) 論 25 參 考 文 獻 26 第1章 引言 1.1 引言 交流異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型屬于相對高階、非線性、強大耦合的多變量體系,其中矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的重點就是對磁鏈與轉(zhuǎn)矩進行的解耦。此類電機能夠通過矢量控制方式把自身等效成直流電機，進而完成管控

8、目標(biāo)。主要觀點和主旨是:利用管控定子電流矢量,根據(jù)磁場定向知識對異步電機勵磁與轉(zhuǎn)矩電流兩分量的幅值與相位開展管控,進而完成管控轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)。最終促使三相異步電機高效的對磁場與轉(zhuǎn)矩進行解耦管控。在電氣傳動中，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，進而達到正弦對稱要求，然而因為逆變器電壓本質(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期，依照使三相電機的定子出現(xiàn)跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場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

9、電壓使用效率得到全面提升，此外統(tǒng)計效率高，避免開關(guān)損耗，最終降低電機設(shè)備的諧波損耗，減少脈動，目前主要使用在比如電動汽車等以蓄電池直流供電等部分。 1971年國外專家F.Blaschke指出“感應(yīng)電機磁場定向的控制理論”，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統(tǒng)知識、機電能量轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)變換知識的前提下延伸產(chǎn)生的，具備領(lǐng)先型、創(chuàng)新性與高效性等諸多優(yōu)勢。其把異步電動機的模型利用坐標(biāo)變動，促使其變成直流電動機模型，把定子電流矢量劃分成按照其磁場定向的兩個直流分量，且進行相應(yīng)的管控，進而完成磁通與轉(zhuǎn)矩的解耦管控，最終得到與流電機相似的現(xiàn)實成果。 本研究介紹基于SVPWM的異步電機

10、矢量控制系統(tǒng)仿真。 1.2 異步電機概述 交流電機主要被劃分成不同的部分和類型。首先，同步電機轉(zhuǎn)速和連接電網(wǎng)頻率之間存在一種嚴(yán)格不變關(guān)系，異步電機卻不是這樣，并不存在任何關(guān)聯(lián)。在此類電機的定子繞組連接到電源之后，讓電源供應(yīng)勵磁電流創(chuàng)建磁場，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，進而完成機電能量阻焊變。由于其轉(zhuǎn)子電流主要是因為電磁感應(yīng)影響而出現(xiàn)，所以就被叫做感應(yīng)電機。 異步電機一般都作電動機用，因為異步發(fā)電機性能較差。此電動機在工農(nóng)業(yè)、交通領(lǐng)域、國防行業(yè)和其余多個領(lǐng)域都有普遍的使用。主要因素是與其余多種電機進行比較，其具備結(jié)構(gòu)單純、生產(chǎn)便利、運送穩(wěn)定、性價比高等諸多特征

11、，尤其是與同類型直流電動機進行比較，此電動機重量大概是前者的百分之五十，其此外價格是其的三分之一。然而，此類電動機也存在明顯的不足，通常是：午安全面完成較廣的平滑調(diào)速目標(biāo)；需要從電網(wǎng)吸納落后的勵磁電流，促使整個功率因數(shù)變差?？偟膩碚f，由于大多數(shù)的生產(chǎn)機械并不要求大范圍的平滑調(diào)速，而電網(wǎng)的功率因數(shù)又可以采取其他辦法來進行補償，因此，三相異步電動機仍不失為電力拖動系統(tǒng)中一個極為重要的原件。 1.3 異步電機的主要用途及分類 異步電動機是工農(nóng)發(fā)展中使用相對普遍的電動機，主要容量不一，在當(dāng)前社會經(jīng)濟發(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、多種金屬切割機床、輕工設(shè)

12、備、礦山內(nèi)卷揚機與通風(fēng)機等，全部采用此電機進行操作。 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：水泵、脫粒機、粉碎機與其余農(nóng)副產(chǎn)品加工設(shè)備，也會使用此設(shè)備。 另外，在大眾現(xiàn)實生活中，此類電動機得到普遍使用。比如，電扇、冷凍機、眾多醫(yī)療設(shè)備等?？偠灾?，此設(shè)備使用領(lǐng)域廣泛、現(xiàn)實需求較多，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)鍵的價值。 異步電動機通?？梢员划?dāng)做發(fā)電機，然而通常會在獨特情況下使用。 此設(shè)備在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有普遍使用，一般是因為自身結(jié)構(gòu)單純、生產(chǎn)便利、性價比高、使用時限長，此外具備很高的效率等優(yōu)勢。 然而，此類電機也存在一定的不足，主要是需要從電網(wǎng)吸納滯后的無功功率，所以其主要

13、功率因數(shù)始終低于1。因為在電網(wǎng)負載中，此類電機使用較多，因此所需要滯后的無功功率。但是在電網(wǎng)中卻變成較大的負擔(dān)，不僅提高了輸電時期消耗，此外也限制有功功率的輸送。在負載需要電動機單機容量很高的時候，電網(wǎng)功率因數(shù)并不高的時候，一般會使用同步電動機。 異步電動機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候，可使用單相電動機，此設(shè)備功率通常少于3～4千瓦，在現(xiàn)實應(yīng)用中比較普遍。在工農(nóng)業(yè)運作中，大部分使用三相異步電動機。此類電動機具有不同的種類。首先是鼠籠式異步電動機，此設(shè)備轉(zhuǎn)子繞組形狀如同牢籠。其中，還可以詳細的劃分成單鼠籠、雙鼠籠與深槽式等多種類型；其次是繞線式異步

14、電動機，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 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 系統(tǒng)主要是客觀世界內(nèi)實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，進而完成相應(yīng)的目標(biāo)。比如電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)主要包含執(zhí)行、功率轉(zhuǎn)換、檢測等多個部件，使用其進行電機轉(zhuǎn)速、位置與其余參數(shù)控制的某個特定目標(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)。 假如要定

15、量分析系統(tǒng)的活動，需要把其自身特點和內(nèi)部彼此關(guān)系抽象出來，創(chuàng)建出對應(yīng)的模型。此類模型被劃分成物理與數(shù)學(xué)兩部分。因為計算機科技的持續(xù)進步與全面使用，后者在當(dāng)前社會中使用更多。 當(dāng)前數(shù)學(xué)模型主要是敘述系統(tǒng)動態(tài)特點的表達式，主要是代表系統(tǒng)運動時期的不同量的關(guān)系，是研究、設(shè)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)。從其所敘述系統(tǒng)的運動屬性與數(shù)學(xué)工具進行劃分，還能被劃分成連續(xù)、離散時間等不同系統(tǒng)。此外也可以詳細的劃分成線性、非線性、定常、時變等眾多子類。 系統(tǒng)仿真主要依照被分析的現(xiàn)實系統(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算機去分析數(shù)學(xué)模型行為的方式。仿真主要包含系統(tǒng)、模型、算法、計算機程序設(shè)定個仿真結(jié)果呈現(xiàn)

16、、研究和檢驗等部分。 1.5 PWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展 1964年德國人把通信系統(tǒng)的調(diào)制科技使用到交流傳送中，此后出現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制變頻變壓的觀點和知識，PWM科技的發(fā)展時間長，從早期的尋求電壓波形到電流波形的正弦，之后是異步電機磁通的正弦；從效率最高，轉(zhuǎn)矩脈動最少，到去除諧波干擾等。伴隨全新電力電子器件的持續(xù)出現(xiàn)和微電子科技的持續(xù)創(chuàng)新，變頻科技得到良好發(fā)展。 從現(xiàn)實應(yīng)用進行分析，SPWM在多種產(chǎn)品內(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)探究改善脈寬調(diào)制方方式，對采樣的SPWM進行大致的近似，得出規(guī)則采樣算法，在此上述前提下，也指出準(zhǔn)優(yōu)化PWM技術(shù)，而后又出現(xiàn)了空間電壓矢

17、量PWM技術(shù)和電流滯環(huán)比較PWM以及在它基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無差拍控制PWM技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)為當(dāng)代交流調(diào)速科技的發(fā)展與現(xiàn)實應(yīng)用尋找到全新渠道。 PWM調(diào)制科技是電機驅(qū)動控制主要部分，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間進而完成變頻、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、非線性系統(tǒng)控制知識的使用，此科技得到較大的進步。到現(xiàn)在為止通常有下面多種方式 （1）基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制 （2）基于去除特定次數(shù)諧波的SHEPWM控制

18、（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的旋轉(zhuǎn)磁場接近圓形當(dāng)做最終目標(biāo)。 因為目前科技進步逐漸弱化了各個學(xué)科間的邊界,根據(jù)當(dāng)代控制知識或?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。 第二章 三相異步電機數(shù)學(xué)模型 2.1 三相異步電機的工作原理 在交流電動機的定子鐵心中，依照空間設(shè)置三個繞組。交流異步電機的轉(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

19、者內(nèi)部繞組自主閉合，所以表面上更加單純，便利。 促進三相異步電動機運作的主要基礎(chǔ)建立旋轉(zhuǎn)磁場，其中此類電動機的定子繞組主要是催生此類旋轉(zhuǎn)磁場的出現(xiàn)。在正弦變動且彼此差值是120度時的三相電流在進入三相定子繞組之后，會在空氣中形成沿氣隙周圍呈正弦分布的磁場，電角速度與定子電流角頻率均等。其中在旋轉(zhuǎn)磁場出現(xiàn)之后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條會切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線隨之出現(xiàn)感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流與旋轉(zhuǎn)磁場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)動轉(zhuǎn)子會依照旋轉(zhuǎn)磁場方向進行運作。此處值得關(guān)注的是，對轉(zhuǎn)矩具備關(guān)鍵影響的是此類電流的相關(guān)有功分量。 站在交流異步電機的角度上進行分析，定子繞組的輸入電壓相位和幅值之間的

20、變動，會造成電機立即反應(yīng)。但是與之類似的負載轉(zhuǎn)矩的改變會造成瞬態(tài)反應(yīng)，作用于電機轉(zhuǎn)矩使，導(dǎo)致不平衡問題，在電機速度出現(xiàn)改變的時候，會得到全新穩(wěn)定的速度值。 在通常狀況下，異步電動機必須在異步運作時期，才可以完成能量變動與準(zhǔn)備轉(zhuǎn)矩。電動機真實轉(zhuǎn)速均少于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，假如其均等的時候，此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和旋轉(zhuǎn)磁場不會出現(xiàn)相對運動，因此不會出現(xiàn)切割磁力線，也無法得到電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速肯定會少于其他速度。 2.2三相異步電機物理模型 異步電機屬于高階、非線性、強大耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，因此當(dāng)前在進行分析的時候，探討其數(shù)學(xué)模型是最重要的部分： 1)不關(guān)注空間諧波，假定三相繞組全部對應(yīng)，此時其所出現(xiàn)的磁動

21、勢會依照氣隙的圓周根據(jù)正弦規(guī)律劃分 2)不關(guān)注鐵芯消耗 3)不關(guān)注對繞組電阻的現(xiàn)實作用，也就是頻率與溫度變動 圖2-1是矢量控制內(nèi)異步電機的物理模型。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，通過轉(zhuǎn)子繞組a，b，c的隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等理論，a軸與A軸兩者間的電角度是空間角位移變量。 圖2-1 三相異步電機的物理模型 而對交流電機的靜止繞組A，B，C進行分析，就可以利用三相均衡的的正弦電流、、時，其所出現(xiàn)的合成磁動勢是其所出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢F，齊總在空間上為正弦劃分，憑借同步轉(zhuǎn)速ω依照A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)電機學(xué)知識我們就能了解到，在多種相內(nèi)，比

22、如兩相、三相、四相等多相對應(yīng)的繞組出現(xiàn)多相對稱電流，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁動勢，此時兩相的電機非常單一，兩相靜止的繞組就是α與β，其在空間內(nèi)彼此差值是90度，利用在時間上彼此差值90度的兩相交流電流、，可出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁動勢F，在三相對應(yīng)的靜止繞組A，B，C所形成磁動勢的多少與轉(zhuǎn)速均和此勢F均等的時候，就業(yè)指出雙方等效。 上述匝數(shù)相同且彼此垂直的繞組M和T，主要是直流電流與，形成合成磁動勢F，其范圍給對繞組來說相對穩(wěn)定。讓所有鐵心涵蓋不同繞組在內(nèi)的憑借同樣轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，此時磁動勢F隨之自由旋轉(zhuǎn)，變成旋轉(zhuǎn)磁動勢。假如此磁動勢多少與轉(zhuǎn)速均和三相對應(yīng)的靜止繞組A，B，C所形成的磁動勢相等，可以判定雙方等效。

23、 依照旋轉(zhuǎn)磁場等效理論，通過三相兩相與旋轉(zhuǎn)變換等多種變換，促使三相交流電機的三相繞組與直流電機的直流繞組等效，進而就可以使用相同方式管控交流電機的轉(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)磁動勢原則，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，尋找等效的直流電機模型。 圖2-2 二極直流電機的物理模型 根據(jù)圖2-2內(nèi)容我們就可以知道以等效為交流三相繞組的電機。圖中F是勵磁繞組，A是電樞繞組，C是補償繞組。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

24、與C的軸線就被叫做交軸或q軸。因為電樞磁動勢的軸線一直被電刷限制在q軸位置，因此看似在q軸上靜止，然而因為其不切割磁力線此外和d軸垂直，因此對主磁通作用并不大，因此其主磁通通常根據(jù)勵磁電流來確定，促使此類電機的數(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)相對簡便的主要因素。 2.3 坐標(biāo)變換 因為異步電動機具備眾多特點和優(yōu)勢，例如其在三相坐標(biāo)系下的時候，動態(tài)數(shù)學(xué)模型會表現(xiàn)出高階、非線性、強大耦合等優(yōu)勢，但是在使用普通方式進行測試的時候會遇到眾多問題和阻礙，其中系統(tǒng)目前也沒有尋找到良好的控制方式。其中異步電機在三相坐標(biāo)系內(nèi)的數(shù)學(xué)模型更為復(fù)雜，通常是因為影響條件眾多，比如影響

25、磁鏈或者遭受磁鏈作用，因此要促使上述數(shù)學(xué)模型更加簡單，需要仔細查看直流電機，而重要影響主磁通的條件是勵磁電流，其也是主要因斯，最終造成直流電機的數(shù)學(xué)模型和控制體系相對直接。假如把交流電機的物理模型與轉(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)律具有下面的三類: （1）三相/兩相變換(也就是3/2變換) （2）兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換)，也被叫做矢量旋轉(zhuǎn)變換(VR) （3）直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換(K/P ) 上述方式全部屬于可逆變換。 2.3.1三相/兩相變換（3/2變換） 在三相和兩相靜止繞組兩者間的轉(zhuǎn)變，當(dāng)前被叫做三相與二相靜止坐標(biāo)系兩

26、者間的轉(zhuǎn)換，此時將其叫做3/2變換。 在二相靜止繞組α和β和三相靜止繞組A、B、C之間的變換，當(dāng)前被叫做兩相與三相靜止坐標(biāo)系之間的變換，此時被叫做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，全部是靜止坐標(biāo)，主要對照的交流電流是、、與、。使用磁勢分布與功率穩(wěn)定的絕對變換，三相與二相交流電流出現(xiàn)的磁勢全部對等。 圖2-3 假定三相和兩相繞組的軸線 利用公式統(tǒng)計可知三相到兩相繞組的變換矩陣為： （2-1） 利用公式計算可知兩相到三相繞組的變換矩陣為： （2-2）

27、 上述變換法利用電機多個物理量的瞬時值當(dāng)做主體，不僅使用在穩(wěn)態(tài)，此外還能使用在動態(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/兩相旋轉(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)系繪制在相同的地方，得出圖2-5。依照磁動勢等效觀點，其中兩相交流電流、，與對應(yīng)的直流電流,,需要出現(xiàn)相同的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢F。 圖2-4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換 兩相/兩相旋轉(zhuǎn)和其逆變公式為 （2-3）

28、 （2-4） 此外，電流(磁動勢)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)定磁動勢F和M軸之間夾角是，此時 （2-5） （2-6） 在三相坐標(biāo)系下定子是交流電流，利用三相/兩相之間的變換，就能等效成在兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，之后利用按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，可等效成對應(yīng)的直流電流，交流電機就變成直流電機，參考圖2-5內(nèi)容。 圖2-5 異步電機等效成直流電機 2.4 異步電機在二相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 當(dāng)前可依照平面矢量的疊加理

29、論，例如合成與分解，進而出現(xiàn)多相繞組電流出現(xiàn)的的磁動勢，因此可以使用兩相正交繞組來等效真實的三相繞組。 磁鏈方程： （2-7） 電壓方程 （2-8） 轉(zhuǎn)矩方程 （2-9） 運動方程 （2-10） 第三章 異步電機矢量控制的研究 3.1 按轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的基本原理 對于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，僅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)磁場的相對方位。在磁場定向管控時期，直接要求旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)兩軸和某旋轉(zhuǎn)磁場的方位，利用從靜止定子坐標(biāo)系向

30、磁場定向坐標(biāo)系的全面變換，將前者內(nèi)的交流控制變量轉(zhuǎn)變成后者內(nèi)的直流量，進而可以單獨開展管控。 依照轉(zhuǎn)子全磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚴寝D(zhuǎn)子磁場定向，讓M軸依照轉(zhuǎn)子綜合磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，被叫做磁化軸，T軸垂直且超過綜合磁鏈?zhǔn)噶?，被叫做轉(zhuǎn)矩軸。依照轉(zhuǎn)子磁場定向之后，定子電流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，定子電流在T軸內(nèi)的分量作用于轉(zhuǎn)矩，其和直流電機的勵磁與電樞電流相對照，也是當(dāng)前普遍使用的按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，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)子磁場坐標(biāo)系內(nèi)（也就是M-T坐標(biāo)系）異步電機的狀態(tài)與轉(zhuǎn)矩方程為：

31、 （3-1） 轉(zhuǎn)矩方程 （3-2） 根據(jù)狀態(tài)方程可知 （3-3） （3-4） 其中是磁動勢同步角速度，也就是電流角頻率，是轉(zhuǎn)子角速度， 是轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度差值。 轉(zhuǎn)矩和磁鏈模型式和（3—4）共同被叫做磁場定向方程。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轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的管控。轉(zhuǎn)子磁鏈對的響應(yīng)屬于慣性環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩對的響應(yīng)速度較快，就像電樞磁場得出全面補償?shù)闹绷魉麆铍妱訖C那樣，如此是交流異步電動機磁場定向控

32、制，也就是矢量控制的主要理論。 3.2 矢量控制系統(tǒng) 將出現(xiàn)相同磁動勢當(dāng)做原則，在三相坐標(biāo)系內(nèi)的定子交流電流利用三相/兩相變換，可等效成兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)的交流電流和，之后利用按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(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，交流電機隨之轉(zhuǎn)變成直流機類似于勵磁電流，T繞組類似于偽靜止繞組，類似于和轉(zhuǎn)矩為正比的電樞電流。 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)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵扣，2/3變換器和設(shè)備內(nèi)部的3/2轉(zhuǎn)變環(huán)節(jié)抵扣，假如輕視變頻器出現(xiàn)的滯后，那么圖中虛線框內(nèi)的內(nèi)

33、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)的靜動、態(tài)性可以和直流系統(tǒng)相類似。 圖3-3 矢量控制系統(tǒng)框圖 3.3矢量控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的實現(xiàn)方案 矢量控制內(nèi)的重要技術(shù)是電流矢量從靜止到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時需要了解上述兩者出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角。由于磁場和d軸方向相同，因此本質(zhì)上需要了解磁通和靜止坐標(biāo)系α軸兩者的角度。直接轉(zhuǎn)子磁場控制也被叫做磁通反饋控制，磁通主要使用霍爾傳感器等測試或者使用磁通觀測器預(yù)估得出，基于理論進行分析，直接檢測相對精準(zhǔn)，所以在最初通常使用此測試方式來得到真實磁鏈信號。然而在現(xiàn)實中，此檢測方式卻遭遇眾多無法處理的現(xiàn)實問題。直接檢測在現(xiàn)實中無法普

34、遍使用。間接法轉(zhuǎn)子磁場定向控制也被叫做磁通前饋控制。其核心是使用電機電壓、電流、轉(zhuǎn)速的信息，利用電流或者電壓模型法統(tǒng)計得到磁通幅值與相位。 圖3-4 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 際值。第一把角速度指令與的偏差信號傳送給速度調(diào)節(jié)器，此調(diào)節(jié)器的輸出在異步電機的轉(zhuǎn)差頻率矢量管控中，假如可以確保轉(zhuǎn)子磁通的多少穩(wěn)定不改變，那么就需要明確電機轉(zhuǎn)子角速度和依照需求的轉(zhuǎn)矩計算出轉(zhuǎn)差角頻率，此時可得到轉(zhuǎn)子磁通的同步角速度，進而完成間接磁場定向管控，此類矢量控制不用流程眾多的磁通檢測，計算與環(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)實中的矢量控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子電阻或者轉(zhuǎn)子時間常數(shù)變動會對系統(tǒng)

35、穩(wěn)態(tài)與動態(tài)屬性造成明顯作用。 矢量控制異步電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要使用電流控制方案。從定子電流勵磁分量給定值和定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值到真實值、的傳播是解耦的，最終效果和逆變器延時相關(guān)，不依靠電機參數(shù)，便于提升系統(tǒng)控制功能。 下圖是轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制圖。其中出現(xiàn)上標(biāo)的是指令值，剩下是轉(zhuǎn)矩給定指令值,統(tǒng)計出轉(zhuǎn)矩電流給定值。根據(jù)磁通給定值計算出勵磁電流給定值。給定電流值、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)領(lǐng)域，根據(jù)電流給定指令值與真實測試得到的三相電流真實值的偏差信號傳送給電流調(diào)節(jié)器，此類調(diào)節(jié)器的輸出就是IGBT逆變器的控制信息，因此可以得出我們想要

36、的矢量控制系統(tǒng)。 圖3-5 異步電機變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng) 第四章 系統(tǒng)仿真研究 4.1 仿真模型的參數(shù)計算 目前異步電動機的額定信息： ，，，， ，，,， ， 依照現(xiàn)有條件統(tǒng)計可知： 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： 4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真模型 異步電動機動態(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

37、異步電動機的仿真模型 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時加載。示波器scope2的輸出波形為： 圖4-4 空載起動和加載的定子電流勵磁分量 圖4-5 空載起動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mt坐標(biāo)系內(nèi)異步電動機完成定子電流勵磁與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦。t=1s主要由空載運作轉(zhuǎn)變成加載運作，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量在t=1s處從0提高到大概9.3，其中勵磁分量就維持在3.5不變，不會因為轉(zhuǎn)矩改變而改變。和計算值大致相同。 4.3.2 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈曲線 圖4

38、-6 空載起動和加載的轉(zhuǎn)子磁鏈 圖4-7 空載起動和加載的轉(zhuǎn)速 圖4-8 空載起動和加載的轉(zhuǎn)子磁鏈局部放大圖 圖4-9 空載起動和加載的轉(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，完成對轉(zhuǎn)子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)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。 第5章 結(jié)語 利用敘述異步電機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)實案例敘述 MATLAB/ SIMULINK軟件創(chuàng)建異步電機矢量控制模型整個環(huán)節(jié) ,并對此

39、系統(tǒng)的模型開展相應(yīng)的仿真。 使用此交流異步電機仿真模型，就能相對便利的檢驗控制算法 ,需要對少數(shù)功能模塊實施替換與續(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。 通過仿真試驗獲得的仿真曲線 ,全面檢驗出在此類變換數(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 ,在不同的輸入下 , 調(diào)速系統(tǒng)會有不同的響應(yīng) 。 仿真實驗表明 ,仿圖 8 電機 T0 ( t) 仿真響應(yīng)曲線真模型的動態(tài)仿真環(huán)節(jié)和真實調(diào)速系統(tǒng)運動時期大致符合 。本文模型主要是磁通、轉(zhuǎn)速 兩個輸入給定量 , 假如采用Simulink 創(chuàng)建勵磁函數(shù)發(fā)生器 , 促使磁通在電機基頻

40、下維持不變 , 基頻以上磁通和頻率為反比下降 ,此時需要確定轉(zhuǎn)速定量就能讓異步電機進行恒磁通或恒功率運作。 使用 Simulink 開展異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真 ,不需要編程、直接、簡單 ,對于研發(fā)與探討調(diào)速系有關(guān)鍵價值 。 參考文獻 1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京:機械工業(yè)出版社，2003（3）190-211 2 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社.2002. （4）132-165 3. 王海峰，任章. 異步電機矢量變換控制系統(tǒng)的MATLAB/ SIMULINK仿真[J].電氣傳動自動化.2003，25（4）：23-25 4 許大中，賀益

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