异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究

异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究THEDISIGNOFTHEASYNCHRONOUSMOTORVECTORCONTROLSYSTEMANDIT`SSIMULATIONSTUDY专业：电气工程及其自动化姓名：高智指导教师：申请学位级别：学士论文提交日期：学位授予单位：天津科技大学I摘要本文的研究内容是“异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究”。在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V/f比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。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，建立三相交流绕组、两项交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电机进行控制。因此他可以实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。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、AΨR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IIABSTRACT：ThecontentofthisstudyisthedesignoftheAsynchronousmotorvectorcontrolsystemandit'ssimulationstudy.Beforetheadventofvectorcontroltechnology,mostofalternatingcurrentspeedcontrolsystemareconstantV/fratiocontrolmethodwhichisalsooftenreferredasthescalarcontrol.Thisapproachinlow-speedanddynamic(suchasaccelerationanddeceleration),suchasadditionandsubtractionload,thesystemshowedobviousdefects,sothestabilityofACvariablespeedsystem,starttorqueatlowspeeddynamicresponseisnotsuchasaDCtunespeedsystem.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,theACinductionmotorcontroltechnologyfullyfromthescalarcontroltovectorcontrol,vectorcontrolofACmotorcanbecomparableandDCmotorcontroleffects,evenmorethantheDCspeedcontrolsystem.Vectorcontrolisdevelopedonthebasisofthemotorunifiedtheoryofelectricalandmechanicalenergyconversionandcoordinatetransformationtheory.ItsideologyistheasynchronousmotorsimulationintoaDCmotortocontrol,coordinatetransformation,decompositionofthestatorcurrentvectorfortherotorfieldorientedtwoDCcomponentswerecontrolled,inordertoachievethedecouplingoffluxandtorquecontrol,three-phaseACwinding,twoexchangeswindingandrotationoftheDCwindingequivalencebetweenthethree,inordertofindtheequivalentasynchronousmotorwindingDCmotormodel,inordertocontroltheDCmotorcontrolmethodforasynchronousmotor.Sothathecanachievedynamiccontroloftheelectromagnetictorque,optimizetheperformanceofthespeedcontrolsystem.Inthispaper,theclosed-loopvectorcontrolofasynchronousmotorfluxresearchandexploration.Bythecoordinatesofthespacevectortransformationofthesystemmodeling,includingaDCpowersupply,inverter,motor,therotorfluxcurrentmodel,theASR,ATRAΨRandothermodules.AndcontrolsystemfortheMATLAB/SIMULINKsimulationanalysis.KeyWords：AsynchronousMotor；VectorControl；MATLABSimulationIII目录第一章绪论.............................................................................................1第一节交直流调速系统的相关概念及比较........................................1第二节交流调速系统的历史和现状....................................................2第三节异步电机矢量调速系统的发展................................................5第二章异步电动机的数学建模分析....................................................7第一节三相电机的模型分析................................................................7第二节同步旋转坐标系上的数学模型及状态方程..........................11第三节异步电动机的数学模型..........................................................12第四节坐标变换和变换矩阵..............................................................13第五节异步电动机在不同坐标系下的数学模型..............................20第三章异步电动机矢量控制的基本原理..........................................23第一节异步电机的电磁转矩..............................................................23第二节矢量控制思路的演变过程......................................................23第三节矢量控制的磁场定向..............................................................26第四节转子磁链观测器......................................................................28第五节异步电机矢量控制系统..........................................................30第四章异步电动机矢量控制系统的仿真分析..................................33第一节SIMULINK软件基本介绍......................................................33第二节异步电机矢量控制系统仿真模型的建立..............................33IV第三节各模块参数设置......................................................................36第四节仿真结果..................................................................................37第五章全文总结..................................................................................40参考文献...................................................................................................41致谢...........................................................................................................42天津科技大学2012届本科生毕业设计1第一章绪论第一节交直流调速系统的相关概念及比较电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。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