课程设计异步电动机电流滞环矢量控制系统

现代电力传动系统题目异步电动机采用电流滞环控制型PWM控制技术的矢量控制系统学院专业班级学号姓名指导教师I摘要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，由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，为非线性，所以控制起来极为不便。异步电机的模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。本文研究了按转子磁链定向的矢量控制系统的电流闭环控制的设计方法，通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，然后仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与转速，将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到异步电动机所需的三相定子电流，然后利用电流滞环跟踪PWM控制技术，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制，实现对异步电动机转速控制，完成按转子磁链定向矢量控制系统的设计，并用MATLAB进行仿真。关键字：异步电动机、直流电动机、电流滞环跟踪PWM控制、MATLAB仿真II目录摘要................................................................................................................................I第1章绪论..................................................................................................................11.1课题研究背景及现状......................................................................................11.2交流调速系统发展概况..................................................................................11.3课题研究的主要内容.......................................................................................3第2章异步电动机的数学模型及矢量控制原理........................................................42.1整体方案设计原理...........................................................................................42.2仿真模型各个模块介绍...................................................................................52.2.1坐标变换.................................................................................................52.2.2两相静止-旋转正交变换（2s/2r变换）..............................................62.2.3旋转角度的计算.....................................................................................72.2.4磁链的计算.............................................................................................82.2.5转速调节器（ASR）............................................................................82.2.6转子磁链调节器（APR）....................................................................92.3异步电动机矢量控制原理...............................................................................9第3章电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术.................................................113.1电流滞环跟踪控制原理.................................................................................113.2滞环宽度分析................................................................................................123.3电流滞环跟踪控制的特点.............................................................................133.4电流滞环控制型PWM变频器.....................................................................14第4章仿真模型搭建与结果分析..............................................................................154.1电机参数的设定.............................................................................................154.2仿真结果.........................................................................................................16致谢..............................................................................................................................18参考文献......................................................................................................................19武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书1第1章绪论1.1课题研究背景及现状自从电气化时代开始以来，电动机就成为重要的动力来源。直流电机拖动系统和交流电机拖动系统在19世纪中期先后诞生。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样可以根据调速性能的要求，按照经典控制理论的方法独立设置调节器，分别对励磁磁场和转矩进行控制，因此直流调速系统会有良好的调速性能，调速平滑且易于控制，在高性能电气传动领域一直占据主导地位。1.2交流调速系统发展概况在20世纪的大部分年代里，约占整个电力拖动容量80%的不变速拖动系统都采用交流电机直接拖动，占电力拖动容量20%的高性能可调速拖动系统则采用直流电机拖动，这似乎已经成为一种举世公认的格局。但由于直流电机存在结构复杂、使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换向火花和电磁干扰，因此直流电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制。事实上，从20世纪30年代起，不少国家就开始进行无换向器电机控制系统的研究，但由于条件限制，进展不大，而交流电机特别是鼠笼式异步电机制造成本低、结构简单、维护容易、可以实现高压大功率及高速驱动，适合在恶劣环境下工作，所以工业界和学术界一直致力于高性能交流调速系统的研究，至20世纪60年代，交流异步电机调速系统己有多种方案问世，主要有以下两种：（1）转速开环变压变频控制（U/f）变压变频控制以异步电机的稳态方程为推导基础，以控制异步电机的气隙磁通幅值恒定为目标，具有控制简单、容易实现、静态性能指标在大多数场合都能满足需求等特点，目前市场上通用变频器大多采用这种方式，但转速开环的变压变频控制并不能真正实现异步电机拖动动态过程中的转矩控制。（2）转速闭环转差频率控制转差频率控制比U/f控制方式有了较大的提高，但转差频率控制是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发推导的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立，在动态中磁通不会恒定，这会影响调速系统的实际动态性能，一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合。在要求异步电机转速做出快速响应的动态过程武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书2中，异步电机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于瞬态电流的影响，异步电机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。由于这种方异步电机矢量控制系统设计及其PI控制器参数优化研究法只依据异步电机的稳态模型，因此只能按异步电机稳态运行规律进行控制，不能控制任意磁场的大小和相对位置，特别是没有进行动态磁通控制，对系统的控制只是粗略的，导致转矩动态控制性能差。综上所述，尽管在此期间提出的一些方案（如转差频率控制的变压变频调速系统）能够在一定的范围内实现异步电机平滑调速，但是由于其系统控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式推导出的，完全没有考虑动态情况及过渡过程，在系统设计时，不得不做出较多的假设、忽略较多因素才能得出一个近似的传递函数，这就使得设计结果与实际相差较大，调速系统在稳定性、启动、转矩动态响应等方面的性能不能令人满意，在数控机床、机器人等需要高动态性能的调速场合，就不能胜任了。针对上述异步电机调速方案的缺点，国外许多专家学者经过多年的潜心研究，提出了现在广泛应用的矢量控制理论，使交流调速控制理论获得了第一次质的飞跃。矢量控制理论是1971年初由德国西门子公司的F.Blasschke等人首先提出，其核心思想是考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的参数时变系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，通过Clark和Park变换简化数学模型，就可以实现定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，使得异步电机在理论上能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，从而可以获得同直流电机一样良好的调速性能。近几十年来，随着电力电子技术、PWM变频技术、微处理器、微电子技术的飞速发展，矢量控制理论使得高性能异步电机调速系统得以实现，并获得了广泛的应用。在异步电机矢量控制系统中，只规定了坐标系之间的旋转变换关系，实际使用时，根据坐标定向的不同，有气隙磁场定向、定子磁场定向、转子磁场定向等不同的方案。（1）气隙磁场定向矢量控制方案气隙磁场的定向控制就是将旋转坐标系的d轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的q轴分量为零。如果保持气隙磁通的d轴分量恒定，转矩直接和定子电流q轴分量成正比。因此通过控制q轴分量，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制异步电机动态转矩的目的。（2）定子磁场定向矢量控制方案定子磁场的定向控制就是将旋转坐标系的d轴定向于定子磁场的方向，此时定子磁场的q轴分量为零。如果保持定子磁通的d轴分量恒定，转矩直接和定子武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书3电流q轴分量成正比，同样可通过控制定子电流q轴分量来控制异步电机动态转矩。定子磁场定向控制使定子方程大为