异步电动机矢量控制系统仿真模型设计本科本科毕业论文

异步电动机矢量控制系统的仿真模型设计中文摘要：矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上 发展起来的，它的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变 换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从 而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。本文针对异步电动机 磁链闭环矢量控制进行研究和探索。通过空间矢量的坐标变换，对系统进行建模， 其中包括直流电源、逆变器、电动机、转子磁链电流模型、ASR、ATR、A屮R 等模块。并对控制系统进行了 MATLAB/Simulink仿真分析。关键词：异步电动机、矢量控制、MATLAB仿真Abstract ： Vector control(VC) is based on motor unification principle,energy conversion and vector coordinate transformation theory.By transforming coordinate, The stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively.So magnetic flux and torque are decoupled. It controls the asynchronous motor as a synchronous way. This paper does some research works of the asynchronous motor flux vector control closed-loop research and exploration. Through the space vector coordinate transformation, and the modeling of system,including DC power supply, inverter, AC motor, rotor flux current model, the ASR, ATR,A脓 and modules. And the control system is MATLAB/Simulink analysis.Key Words： Asynchronous Motor,Vector Control,MATLAB Simulation绪论1、交直流调速系统的相关概念及比较交流调速系统是以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统。直流 调速系统是以直流电动机作为控制对象的电力传动自控系统。直流调速系统可以在额定转速以下通过保持励磁电流改变电枢电压的方法 实现恒转矩调速;在额定转速以上通过保持电枢电压改变励磁电流来实现恒功率 调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的静、动态调速特性， 因此直流调速在很长时间以来(20 世纪 80 年代以前)一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点， 这就给直流调速系统的开发及应用带来了一系列的限制，具体表现在以下几个方 面:(1) 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一定的限值，这极大的限制了 单台电动机的转速和运行功率。而且，大功率的电机制造技术难，成本高。对于 高转速大功率的电动机应用场合，直流调速方法是行不通的。(2) 为使直流电动机的机械式换向器能够可靠的工作，往往要增大电枢和换向器 的直径，导致电机转动惯量很大，对于要求快速响应的生产场合就不能够实现。(3) 机械式换向器带来的另外一个麻烦就是必须经常检修和维护，因为电刷要必 须定期更换。这样导致直流调速系统的维护工作量大，运行成本高，同时由于定 期的停机检修也造成了生产效率的下降。(4) 由于电刷的电火花，直流电机也不能应用于易燃易爆的生产场合，对于多粉 尘和多腐蚀性气体的地方也不适用。总之，由于直流电动机存在的这些问题，使得直流电动机的应用受到了极大 的限制，也使得直流调速系统的发展和应用受到相应的限制。相对于直流电动机而言，交流电动机(特别是鼠笼型异步电动机)具有许多优 点:结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、少维 修、使用环境及结构发展不受限制等优点。交流调速系统由于采用了无换向器的交流电动机作为调速传动设备，突破了 直流电动机所带来的种种限制，可以满足生产生活的各种需求，具有很大的发展 潜力。2、交流调速系统的历史和现状电能是现代社会最广泛使用的一种能量形式，具有生产和变换比较经济、传 输和分配比较容易，使用和控制比较方便的特点，因此成为国民经济各部门动力 的主要来源。而电能的生产、交换、传输、分配、使用和控制等，都必须利用电 机来完成。所以电机传动在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活 中得到了广泛的应用。其中许多的机械对调速有要求，如城市无轨电车，铁路牵 引机车，电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行、生产工艺的要 求需要调速;另一类机械如风机、水泵等为了减少运行损耗、节约电能也需要调 速。在 20世纪 70 年代以前的很长一段时间内，直流调速占统治地位，交流调速 系统的方案虽然己有多种发明并得到实际应用，但其性能始终无法与直流调速系 统相匹敌。因为直流调速系统具有启制动性能良好，调速范围广，调速精度高， 控制方案简单高效等突出的优点。同时直流调速系统与交流调速系统相比无论从 理论土还是实践上都十分成熟。对于直流电机而言，只需要改变电机的输入电压 或励磁电流，就可以在很广的范围内实现无级调速，而且在磁场恒定的条件下它 的转矩和电枢电流成正比，转矩易于控制。因此直流电动机调速系统比较容易获 得优良的动态性能。并且随着半导体变流器件的发展，直流调速系统也从旋转变 流机组（G 一一 M系统），静止可控硅变流器调速系统（V 一 M系统）发展到目前为 止还在很多领域（铁路用的直流牵引机车和城市无轨电车等）广泛应用的直流斩 波器和脉冲宽度调制器直流调速系统。但是直流电动机本身具有机械接触式换向 器，这使得直流电机调速系统的应用带来一些问题。（1）首先电机的结构复杂，制造费时，价格昂贵。在使用时由于换向器的存在， 调速系统的维护费时费力。因为换向器的机械强度不高，电刷易磨损，需要经常 维护检修。（2）由于换向器的换向问题的存在，对调速系统容量和最高速度有限制。无法感 应电机矢量控制系统的研究与仿真做成高速大容量的机组。（3）无法应用在粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆的场合。所有这些使得直流拖动系统无法适应现代拖动系统向高速大容量方向发展 的趋势。而交流电动机，特别是鼠笼型交流异步电动机，由于它结构简单，制造 方便，价格低廉，体积小（与同容量的直流电机相比），并且坚固耐用，转动惯量 小，运行可靠，维护简单，可用于恶劣场合等优点，在各种场合得到了广泛的应 用。但是交流调速比较困难，与直流电机气隙磁场有励磁绕组产生，交流电机的 气隙磁场则是有定子绕组和转子绕组共同产生，这就使得交流电机的电磁转矩不 再与定子电流成正比关系。这样就不能通过简单的控制定子电流就可以控制电机 的转矩。自20 世纪 30 年代人们开始进行交流调速技术的研究，认识到变频调速 是交流电动机的一种最好的调速方式，他既能实现宽范围无级调速，又具有很好 的动态性能。但是由于进展不大，在 20世纪的大部分时间直流调速仍占据统治 地位。直到上世纪六七十年代电力电子技术和控制技术的相继出现和飞速发展最 终促成高性能可与直流调速系统相媲美的交流调速系统的出现，到目前交流调速 在电力拖动中已占据主导地位。七十年代初期，西门子公司的 F.Blashke 和 WFlotor 提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁 场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就 可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的。得到了类似于直流电机的模 型，1980年，日本.ANabas教授和山村昌教授提出转差矢量控制系统，标志着矢 量控制理论的初步形成。直接转矩控制(DTC)是80年代中期提出的又一转矩控制 方法，它的设计思路是把电机和变频器作为一个整体去控制，采用空间电压矢量 分析方法在定子坐标系进行磁通和转矩的计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开 关状态直接控制转矩。因此DTC无需对定子电流进行解藕，不需要复杂的矢量变 换计算，控制结构简单，目前也是矢量控制研究的一个重要分支。同时各国学者 也致力于无速度传感器控制系统的研究，利用定子电流、电压等容易检测的物理 量对电机的速度进行在线估计以取代速度传感器。从而进一步拓展变频器的适用 范围。无速度传感器矢量控制系统必须保证速度估算的实时性，以满足实时控制 的要求。总的来说，由于电力电子器件的飞速发展，各种价格便宜，性能优越的微处 理器芯片的不断涌现如:适合运动控制的 16 位高档单片机以及德州仪器的 TMS240X系列DSP芯片，促进了交流调速系统从模拟控制系统向数字控制系统的 转变。运算速度的提高以及各种针对运动控制的片内资源的丰富性使得以前看来 无法实现的复杂的控制算法变得简单起来，各种控制用微处理器的运算速度的提 高，片内资源的日益丰富，集成度的提高无一不促进交流调速系统数字化。可以 说数字化将成为控制技术的发展方向。3、本文的意义及主要工作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实际应 用的高性能异步电机调速系统。这两种方案作为高性能的调速系统，都能实现较 高的静、动态性能，但两种系统的具体控制方法不一样，因而具有不同的特色和 优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，又各有所侧重的应用领域。针对目前 变频器技术的两种技术”矢量控制”及”直接转矩控制，上海大学的陈伯时教 授在，交流变频传动控制的发展”的报告中，就两种控制原理进行了深入的对比， 得出了技术本身并无本质差别、各有优缺点的结论。对比直接转矩控制系统，矢 量变换控制系统有可连续控制、调速范围宽等显著优点，且多年来在简化矢量变 换控制系统方面亦己获满意的结果，为此矢量变换控制系统仍不失为现代交流调 速的重要方向之一。在现代计算机应用技术的快速发展下，电力传动自动控制系统的设计也受 益于计算机仿真技术的成熟应用。通过建立计算机仿真模型，在人为的模拟环境 下通过计算机的仿真运行，就可以模拟替代真实电机在工作现场的运行实验条 件，并得到可靠的数据，节约了研究时间和费用。计算机仿真带来的另一个优点 是在系统设计之初进行仿真，可以预测系统行为特性并可通过计算机来不断修改 系统参数直到获得理想的系统特性。这样就可以实现系统的优化设计。本文的主要工作：（1）较为详细地分析异步电机磁链闭环矢量控制系统基本原理与系统组成。（2）构建异步电动机磁链闭环矢量控制调速系统各模块的仿真模型。二、 异步电动机矢量控制系统1、矢量控制系统原理既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动 机的控制策略，得到直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控 制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这 样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量控制系统，简称VC系统。VC系统的 原理结构如图2.1 所示。图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的 控制器，产生励磁电流的给定信号i*和电枢电流的给定信号i*，经过反旋转变换 mtVR -1 一得到i*和i*，再经过2 / 3变换得到i*、i*和i*。把这三个电流控制信 a PABC号和由控制器得到的频率信号 1加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电 动机调速所需的三相变频电流。、C Q Q反馈信号图 2.1 矢量控制系统原理结构图在设计VC系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面 的反旋转变换器VR -1与电机内部的旋转变换环节VR相抵消，2/3变换器与电机 内部的 32 变换环节相抵消，则图2.1中虚线框内的部分可以删去，剩下的就 是直流调速系统了。可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动 态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。2、坐标变换的基本思路坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式， 这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势 为准则，在三相坐标系上的定子交流电流i、i、i ,通过三相一一两相变换可ABC以等效成两相静止坐标系上的交流电流i和i，再通过同步旋转变换，可以等效 a p成同步旋转坐标系上的直流电流i和i。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋 dq转，他所看到的就好像是一台直流电动机。把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图2.1。从整体上看，输人为 A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过 3/2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由i和i输入，由输 mt 出的直流电动机。A*B：ii Cv3/2ia-*bVRit等效直流ikm电动机模型异步电动机图 2.2 异步电动机的坐标变换结构图3、坐标变换（1）三相两相坐标系变换（3/2 变换）图 2.3 为交流电机坐标系等效变换图。图中的 A ， B ， C 坐标轴分别代表电 机参量分解的三相坐标系。而a , 0则表示电机参量分解的静止两相坐标系。每 一个坐标轴上的磁动势分量，可以通过在此坐标轴的电流 i 与电机在此轴上的匝 数N的乘积来表示。假定A轴与a轴重合，三相坐标系上电机每相绕组有效匝数是N3,两相坐标系上电机绕组每相有效匝数为N，在三相定子绕组中，通入正弦电流，则磁2 动势波形为正弦分布，因此，当三相总安匝数与两相总安匝数相等时，两相绕组瞬时安匝数在a, 0轴上投影应该相等。因此有式（2-1 ）和（2-2）。11N i 二 N i - N i cos60o - Ni cos600 二 N （i - i - i ）（2-1）2a 3 A 3 B3C3 A 2 B 2 CN i = N i sin 600 - N i sin 600 = 3 N (i - i )2 B 3 B3 C23 B C为了保持坐标变换前后的总功率，即应该保持变换前后有效绕组在气隙中的 磁通相等B =B(2-3)32设三相绕组磁通公式：B 二 KN cosO(i - 1/2i - 1/2i ) + sin0(、3/2i -、3/2i ) (2-4)33ABCBC两相绕组磁通公式：B 二 KN (cosOi* + sini*)(25)22a卩上面两式 K 为固定比例参数，通过增入一个分量，我们可以写成矩阵形式为：iaN11-21 -2 v3iAiB=3N022iBi02xxxiC(2-6)将上两式写成矩阵形式并对其规格化得到下面方程：(N3IN2G+(1、2(2-7)从上式解得，三相到两相的匝数比应该为：(2-8)N J3 =N 32因此，可以得到下面的矩阵形式：iaiL B!23-1-2打Tv3iAiBiC(2-9)当电机使用星型接法时，有等式：i + i + i = 0ABC(2-10)则上面的变换矩阵可以写成下面的形式：ia020iAiL p-J Li -Bn12同时，我们可以得到从两相到三相的变换矩阵，即为上面矩阵的逆变换：iAiBaJ2 卩p-2-12)从原理上分析，上面的变换公式具有普遍性，同样可以应用于电压或者其他 参量的变换中。从三相坐标到两相坐标的变换，通常只是简化电机模型的第一步， 为了满足不同参考坐标系的各个参量分量的分析，需要找出不同参考运动坐标系 的变换方程，下面推导从静止坐标系到运动坐标系的变换公式。（2）旋转变换（2s/2r变换）图 2.4 旋转坐标变换图下面通过相电流的等效变换，来说明旋转变换原理。如图 2.4 表示了从两相 静止坐标系到两相旋转坐标系dq的电机相电流变换。此变换简称2s/2r变换。 其中s表示静止，r表示旋转。从图中可以看出，假定固定坐标系的两相垂直电 流与旋转坐标系的两相垂直的电流产生等效的、以同步转速旋转的合成磁动势， 由于变换坐标变换前后各个绕组的匝数相等，故能量恒定，因此变换前后的系数 相等。当合成磁动势在空间旋转，分量的大小保持不变，相当于在dq坐标轴上 绕组的电流是直流。a轴与d轴夹角随时间而变化。从图上可以得到：icos0sin 0iia=d=Cdi-sin 0COS0Li -2r / 2sLi -p11qq(2-13)式中C 为2s/2r变换矩阵。2r / 2s 同理，经过坐标逆变换，也可以得到从两相静止坐标系变换到旋转坐标系的变换矩阵：icos 6 sin 6iid=a=Caisin 6 cos6i2s/2rLi q丄1L 0L02-14)从上面电机的坐标系变换中，可以看到，经过3/2变换以及旋转变换，可以 将子三相绕组电流等效在空间任意角度坐标系上。同理，对于任何电参数，都可 以通过等效变换，将其变换在空间任意角度的坐标系上。如果将上面推导的电机 数学模型中的电压矩阵经过旋转变换，同样可以将电机各个参量等效在空间任意位置的坐标系中，因此当选择与转子磁场固联的坐标系时，可以大大简化电机数 学模型，便于电机解耦控制。在当前电机控制系统中应用广泛的广义旋转变换电压变换矩阵为:cos 6(2兀、(2兀、cos6 cos6 +V 一3丿3丿d(2兀、(2兀、V1 JJ sin 6 sin6 - sin6 +q33 /3丿V0111727272VAVBVC(2-15)上面的变换矩阵的系数是经过规格化的。在不同控制方式中可将其等效在电 机转子上，还可等效在旋转磁场上，也可以等效于一个变量上，如电流，电压， 或者磁通等。不同的坐标等效导致了不同的坐标系和不同的控制方法。当角度为 零时，就是上述的3/2变换，即为a, 0 ,0坐标下的模型，当坐标于转子轴上时, 对异步电机来说:6 =wt。4、异步电动机在不同坐标系下的数学模型(1) 异步电动机在a, 0坐标系上的数学模型对于异步电机定子侧的电磁量我们用下角标以s,对于转子侧的电磁磁链方程为：usaR + LsspLm p0 _isauS00R + Lsps0Lmpis0uraLmpLmR + LrprLriraur0 LmLm pLrR + Lrprir0量用下角标r,气隙电磁量则用下角标m电压矩阵方程为:2-16)电磁转矩为：sa-Ls0Lm0 _isa屮0Ls0LmisP=sP屮Lm0Lr0irara屮0Lm0LrirP11rPTe = n Lm(i i - i i ) psP rtt stt rP2-18)2）异步电动机在两相旋转坐标上的数学模型因为屮定义方向为d轴，所以屮二屮，屮=0通过变换，异步电机在d-q 2 2d 2q2坐标系下数学模型，电压方程为：u 1sdusq=urdurqR + LspsLs1LmpLmsco LsLm p o Lm1i11sdR + Lspo LmLm pis1sq0R + Lrpr0ird0o Lrs0irqsd2-19)磁链方程为：屮sd-Ls0Lm屮sq0Ls0屮Lm0Lrrd屮0Lm01-rq0Lm0Lriisqirdirq2-20)2-21)电磁转矩为：T = n Lm(i i i i )e psd rq sq rd（3）转子磁链计算按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是屮的准确定向，也就是说需要获r 得转子磁链矢量的空间位置。根据转子磁链的实际值进行控制的方法，称作直接 定向。转子磁链的直接检测比较困难，现在实用的系统中多采用按模型计算的方 法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计 算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也 可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中，由于 主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。1）在邮 坐标系上计算转子磁链的电流模型由实测的三相定子电流通过 3/2 变换得到静止两相正交坐标系上的电流i和i ,在利用ap坐标系中的数学模型式计算转子磁链在ap轴上的分量sasPd屮1Lm .ra 一屮一屮 +IdtTr rarP Tr sadt“I（2d屮1Lm .労屮 +屮 +idt Tr rpra Tr sp也可表述为：屮ra屮rPr1（L i T屮）m sar rP（L i+T屮）m sPr ra2-23 ）然后，采用直角坐标-极坐标变换，就可得到转子磁链矢量的幅值屮和空间r位置p，考虑到矢量变换中实际使用的是Q的正弦和余弦函数，故可以采用变换 式均为正弦量，计算量大，程序幅值，对计算步长敏感。1XrX屮ra艸2a +屮2pcosp1Ts +1rTs +1rLm七Lm（ 2-24 ）屮、叩2 +屮2rrar/（2-25）sin p -屮r（ 2-26 ）屮COS p ra屮r在ap坐标系中计算转子磁链时，即系统达到稳态，由于电压、电流和磁链图2.5在ap坐标系上计算转子磁链的电流模型2）计算转子磁链的电压模型根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫做电压模型。坐标系上定子电压方程为：d屮_ q 丄、s = R i 丄 Udts sa sad屮吐=R i 丄udts sP sP 一磁链方程为：屮=L i + L isas sa m ra屮=L i + L is 卩s s卩 m rp 屮=L i + L iram sar ra屮=L i + L irpm spr rp由式(2-27)前两行解出：2-27)2-28). 屮一Lii sas_saraLm屮 一 L ii sp s sp rpLm代人式(2-28)后两行得：2-29)屮raoL i )s sarpr-LspoLis sp)f2-30)由式（2-29）和式（2-30）得计算转子磁链的电压模型为：屮rarpLr-LLmr-Lm(u R i ) dt oL isa s sas sa(u R i )dt oL isps sps sp2-31)计算转子磁链的电压模型如图 6 所示，其物理意义是：根据实测的电压和电 流信号r图 2.6 计算转子磁链的电压模型计算定子磁链，然后，再计算转子磁链。电压模型不需要转速信号，且算 法与转子电阻无关，只要定子电阻有关，而定子电阻相对容易测得。和电流模型 相比，电压模型受电动机参数变化的影响较小，而且算法简单，便于应用。但是， 由于电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速 时，定子电阻电压降变化的影响也较大。比较起来，电压模型更适用于中、高速范围，而电流模型能使用低速。有 时为了提高准确度，把两种模型结合起来，在低速时采用电流模型，在中、高速 时采用电压模型，只要解决好如何过渡的问题，就可以提高整个运行范围中计算 转子磁链的准确度。三、异步电动机矢量控制调速系统的仿真模型1、各模块的仿真模型(1) 2s/2r变换和2s/2r逆变换的仿真模型由坐标变换的原理建立 3s/2r 变换和 3r/2s 变换的仿真模型，如图 3.1，图 3.2 所示。oAlfa日馆 tailPtduotPcoductlPiQdurfZProdusB一KX)iM图 3.1 2s/2r 变换仿真模型图 3.2 2s/2r 逆变换仿真模型（2）转子磁链模块 在设计系统中，用到了坐标变换的基础是转子磁链的准确观测，没有它就不能进行2s/2r变换及逆变换，而且转子磁链还关系到能否实现磁场的定向磁链的闭环控制。本人采用的是转子磁链的电流模型。如图 3.3 所示3）异步电动机仿真模型异步电动机仿真模块如图 3.4图 3.4 异步电动机仿真模型2、带转矩内环的转速、磁链闭环矢量系统仿真模型带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的电气原理如图15 所示。在图 中，主电路采用了电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转 矩控制内环，转速调节器ASR的输出是转矩调节器ATR的给定T*，而转矩的反 e馈信号T，则通过矢量控制方程计算得到，电流中的磁链调节器用于电动机定子 e磁链的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节。ATR和ApsiR的输出分别是定子电流的转矩分量i *和励磁分量i *。i*和i *经过2r/3s变换后得到三相定子sm st sm，并通过电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子的三电流的给定值ist* i * i * sA sB sC,i,i相电流。图 3.9 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统电气原理图 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型如图 16 所示。其中直 流电源DC、逆变器、电动机和电动机测量模块组成了模型的住店离开，逆变器 的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节器ASR、ATR、A屮R均是带输 出限幅的 PI 调节器。转子磁链观测使用两相同步旋转坐标系上的磁链模型。四、异步电动机矢量控系统的仿真及结果分析1、各模块参数设置在完成模型建立后，根据得到的各波形图的显示，经过反复的对各个模块参数调试和更改，得到以下个模块的相对标准的参数。1）电动机参数表 4-1 电动机参数Pn(VA)Vn(Vrms)fn(Hz)Rs(ohm)Lls(H)np3730460501.1150.0059742RrLlrLmJF(ohm)(H)(H)(kg.m2)(N.m.s)1.0830.0059740.10.50.0057522）各调节器参数表 4-2 各调节器参数调节器比例放大器G1 放大倍数积分放大器G2 放大倍数积分器限幅调节器输出限幅上限下限上限下限转速调节器ASR3.80.880-80150-150转矩调节器ATR4.51260-60200-200磁链调节器A屮R1.810015-1513-133）各给定参数表 4-3 各给定参数n *i 0psir *100102、仿真结果(1) 定子磁链轨迹图 172)三相电流给定波形图 183)转速响应GE x-二图 19(4)转速调节器ASR输出图 205）输出转矩轨迹图 216）两相调制信号图 22(7)转矩调节器ATR输出3、仿真结果分析 在仿真结果中可以看到，在矢量控制下转速上升平稳，加载后略有下降但随 即恢复，在 0.35s 时达到给定转速时和 1s 加载时，系统调节器和电流、转矩都有 相应的响应。由于ATR和AW都是带限幅的PI调节器，在起动中两个调节器 都处于饱和限幅专题，因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变，定子电流的 给定值也不变，所以在起动过程中定子电流基本保持不变，实现了恒流起动。带 磁链调节器后，在起动阶段，磁场得建立过程比较平滑，磁链呈螺旋增加，同时 电动机转矩也不断上升，整个系统的动态响应快，稳态精度高。输出转矩在空载 起动时，上升很快，在0.35s是达到稳定，在Is加载时，略有上升但很快也达到 稳定。由以上的仿真结果并结合系统矢量控制结构框图组合各个模块及搭建的整 个系统的仿真模型可以看出，本论文所涉及的控制方法是可以实现的。上面所示 的仿真结果，验证了论文所述的设计思想基本能达到设想，使得异步交流电机接 近直流电机特性，控制系统具有良好的动静态性能，在实际的应用中可以有良好 的一前景。五、总结本课题详细介绍了异步电动机矢量控制系统的原理，利用MATLAB语言中 的SIMULINK模块和电力系统模块库(Power System Blockset)建立了异步电动机 直接转矩控制系统的仿真模型。现将所做的研究结果总结如下：1、通过对矢量控制基本原理进行的分析和阐述，在对不同的坐标系变换算 法进行解释的同时也建立了异步电动机在不同的坐标系下的数学模型。2、在介绍了矢量控制方法的磁场方向原理转子磁链计算方法后，给出了按 转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统基本结构，并给出了转子磁链观测器的 设计。3、详细地分析了磁链调节器，转矩调节器和转速调节器的工作原理，并设 计了磁链调节器，转矩调节器，转速调节器。参考文献1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统（第三版）.机械工业出版社， 20042 洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真，北京：机械工业出 版社，20063 顾绳谷.电机及拖动基础上（第四版）.机械工业出版社， 2009.4 顾绳谷.电机及拖动基础下（第四版）.机械工业出版社， 2009.5 张俭英.异步电动机自适应矢量控制系统的研究及仿真， 2009. 王正林，陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真 电子工业出版社，20057 叶斌 电力电子应用技术，清华大学出版社， 20068 李华德.电力拖动控制系统.电子工业出版出版社， 2006.9 郭庆鼎，王成元.异步电动机的矢量变换控制原理及应用.辽宁人民出版社， 1988.10 黄俊.电力电子变流技术，北京:第三版.机械工业出版社,1995.208 一 22011 周渊深交直流调速系统与MATLAB仿真北京:中国电力出版社，2007.234一 27212 王维平.现代电力电子技术与应用.南京:东南大学出版社,2001.56一12013 杨耕，罗应立等. 电机与运动控制系统 清华大学出版社， 200614 王离九. 电力拖动自动控制系统. 华中理工大学出版社， 1991致谢大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业设 计说明书的时候，有种如释重负的感觉，感慨良多。首先诚挚的感谢我的论文导师张必兰老师，本设计的完成是在我们的张老 师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师都不辞辛苦的讲解才使得我 的设计顺利的进行。从设计的资料搜集到最后的修改的整个过程中，花费了张老 师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度， 开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！同时还要感谢和我同一设计小组的同学，在我平时设计中和我一起探讨问 题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，在 此表示深深的谢意。