【正文】 異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究THE DISIGN OF THE ASYNCHRONOUS MOTOR VECTOR CONTROL SYSTEM AND IT`S SIMULATION STUDY　　　摘要本文的研究內(nèi)容是“異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究”。在矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之前，交流調(diào)速系統(tǒng)多為V / f 比值恒定控制方法，又常稱為標(biāo)量控制。采用這種方法在低速及動態(tài)（如加減速）、加減負(fù)載等情況時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的缺陷，所以交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性、啟動、低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩動態(tài)相應(yīng)都不如直流調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機(jī)控制技術(shù)全面從標(biāo)量控制轉(zhuǎn)向了矢量控制，采用矢量控制的交流電機(jī)完全可以和直流電機(jī)的控制效果相媲美，甚至超過直流調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制是在電機(jī)統(tǒng)一理論、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)變換理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的思想就是將異步電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)來控制，通過坐標(biāo)變換，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個(gè)直流分量并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，建立三相交流繞組、兩項(xiàng)交流繞組和旋轉(zhuǎn)的直流繞組三者之間的等效關(guān)系，從而求出異步電動機(jī)繞組等效的直流電機(jī)模型，以便按照對直流電機(jī)的控制方法對異步電機(jī)進(jìn)行控制。因此他可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制，優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)的性能。本文針對異步電動機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制進(jìn)行研究和探索。通過空間矢量的坐標(biāo)變換，對系統(tǒng)進(jìn)行建模，其中包括直流電源、逆變器、電動機(jī)、轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型、ASR、ATR、AΨR等模塊。并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB/Simulink仿真分析。關(guān)鍵詞：異步電動機(jī)； 矢量控制； MATLAB仿真ABSTRACT： The content of this study is the design of the Asynchronous motor vector control system and it39。s simulation study. Before the advent of vector control technology, most of alternating current speed control system are constant V/f ratio control method which is also often referred as the scalar control. This approach in lowspeed and dynamic (such as acceleration and deceleration), such as addition and subtraction load, the system showed obvious defects, so the stability of AC variable speed system, start torque at low speed dynamic response is not such as a DC tune speed system. With the development of power electronics technology, the AC induction motor control technology fully from the scalar control to vector control, vector control of AC motor can be parable and DC motor control effects, even more than the DC speed control system. Vector control is developed on the basis of the motor unified theory of electrical and mechanical energy conversion and coordinate transformation theory. Its ideology is the asynchronous motor simulation into a DC motor to control, coordinate transformation, deposition of the stator current vector for the rotor field oriented two DC ponents were controlled, in order to achieve the decoupling of flux and torque control, threephase AC winding, two exchanges winding and rotation of the DC winding equivalence between the three, in order to find the equivalent asynchronous motor winding DC motor model, in order to control the DC motor control method for asynchronous motor . So that he can achieve dynamic control of the electromagnetic torque, optimize the performance of the speed control system. In this paper, the closedloop vector control of asynchronous motor flux research and exploration. By the coordinates of the space vector transformation of the system modeling, including a DC power supply, inverter, motor, the rotor flux current model, the ASR, ATR AΨR and other modules. And control system for the MATLAB / SIMULINK simulation analysis.Key Words：Asynchronous Motor；Vector Control；MATLAB Simulation目 錄第一章 緒論 1第一節(jié)　交直流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)概念及比較 1第二節(jié) 交流調(diào)速系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀 2第三節(jié) 異步電機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 5第二章　異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)建模分析 7第一節(jié)　三相電機(jī)的模型分析 7第二節(jié) 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型及狀態(tài)方程 11第三節(jié)　異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 12第四節(jié)　坐標(biāo)變換和變換矩陣 13第五節(jié) 異步電動機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 20第3章 　異步電動機(jī)矢量控制的基本原理..........................................23第一節(jié)　異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 23第二節(jié) 矢量控制思路的演變過程 23第三節(jié) 矢量控制的磁場定向 26第四節(jié) 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器 28第五節(jié) 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) 30第四章 異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真分析 33第一節(jié)　SIMULINK軟件基本介紹 33第二節(jié) 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型的建立 33第三節(jié) 各模塊參數(shù)設(shè)置 36第四節(jié)　仿真結(jié)果 37第五章 全文總結(jié) 40參考文獻(xiàn) 41致謝 42第一章 緒論第一節(jié)　交直流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)概念及比較　　　　電動機(jī)+控制裝置=電力傳動自動控制系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)是以交流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自動控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)是以直流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自控系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)可以在額定轉(zhuǎn)速以下通過保持勵磁電流改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上通過保持電樞電壓改變勵磁電流來實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性，因此直流調(diào)速在很長時(shí)間以來(20世紀(jì)80年代以前)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。 但是，由于直流電動機(jī)本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命弱點(diǎn)，這就給直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了一系列的限制，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)機(jī)械式換向器表面線速度及換向電流、電壓有一定的限值，這極大的限制了單臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行功率。而且，大功率的電機(jī)制造技術(shù)難，成本高。對于高轉(zhuǎn)速大功率的電動機(jī)應(yīng)用場合，直流調(diào)速方法是行不通的。(2)為使直流電動機(jī)的機(jī)械式換向器能夠可靠的工作，往往要增大電樞和換向器的直徑，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很大，對于要求快速響應(yīng)的生產(chǎn)場合就不能夠?qū)崿F(xiàn)。(3)機(jī)械式換向器帶來的另外一個(gè)麻煩就是必須經(jīng)常檢修和維護(hù)，因?yàn)殡娝⒁仨毝ㄆ诟鼡Q。這樣導(dǎo)致直流調(diào)速系統(tǒng)的維護(hù)工作量大，運(yùn)行成本高，同時(shí)由于定期的停機(jī)檢修也造成了生產(chǎn)效率的下降。(4)由于電刷的電火花，直流電機(jī)也不能應(yīng)用于易燃易爆的生產(chǎn)場合，對于多粉塵和多腐蝕性氣體的地方也不適用。 總之，由于直流電動機(jī)存在的這些問題，使得直流電動機(jī)的應(yīng)用受到了極大的限制，也使得直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用受到相應(yīng)的限制。相對于直流電動機(jī)而言，交流電動機(jī)(特別是鼠籠型異步電動機(jī))具有許多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、轉(zhuǎn)動慣量小、運(yùn)行可靠、少維修、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點(diǎn)。 交流調(diào)速系統(tǒng)由于采用了無換向器的交流電動機(jī)作為調(diào)速傳動設(shè)備，突破了直流電動機(jī)所帶來的種種限制，可以滿足生產(chǎn)生活的各種需求，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５诙?jié) 交流調(diào)速系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀電能是現(xiàn)代社會最廣泛使用的一種能量形式，具有生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟(jì)、傳輸和分配比較容易，使用和控制比較方便的特點(diǎn)，因此成為國民經(jīng)濟(jì)各部門動力的主要來源。而電能的生產(chǎn)、交換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機(jī)來完成。所以電機(jī)傳動在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防軍事設(shè)施以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。其中許多的機(jī)械對調(diào)速有要求，如城市無軌電車，鐵路牽引機(jī)車，電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械等等，為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)工藝的要求需要調(diào)速。另一類機(jī)械如風(fēng)機(jī)、水泵等為了減少運(yùn)行損耗、節(jié)約電能也需要調(diào)速。在20世紀(jì)70年代以前的很長一段時(shí)間內(nèi)，直流調(diào)速占統(tǒng)治地位，交流調(diào)速系統(tǒng)的方案雖然己有多種發(fā)明并得到實(shí)際應(yīng)用，但其性能始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。因?yàn)橹绷髡{(diào)速系統(tǒng)具有啟制動性能良好，調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高，控制方案簡單高效等突出的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)相比無論從理論土還是實(shí)踐上都十分成熟。對于直流電機(jī)而言，只需要改變電機(jī)的輸入電壓或勵磁電流，就可以在很廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且在磁場恒定的條件下它的轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩易于控制。因此直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)比較容易獲得優(yōu)良的動態(tài)性能。并且隨著半導(dǎo)體變流器件的發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)也從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組(GM系統(tǒng))，靜止可控硅變流器調(diào)速系統(tǒng)(VM系統(tǒng))發(fā)展到目前為止還在很多領(lǐng)域(鐵路用的直流牽引機(jī)車和城市無軌電車等)廣泛應(yīng)用的直流斬波器和脈沖寬度調(diào)制器直流調(diào)速系統(tǒng)。但是直流電動機(jī)本身具有機(jī)械接觸式換向器，這使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用帶來一些問題?！　。?）首先電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)時(shí)，價(jià)格昂貴。在使用時(shí)由于換向器的存在，調(diào)速系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因?yàn)閾Q向器的機(jī)械強(qiáng)度不高，電刷易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)檢修?！　。?)由于換向器的換向問題的存在，對調(diào)速系統(tǒng)容量和最高速度有限制。無法感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究與仿真做成高速大容量的機(jī)組。 　　(3)無法應(yīng)用在粉塵、腐蝕性氣體和易燃易爆的場合。所有這些使得直流拖動系統(tǒng)無法適應(yīng)現(xiàn)代拖動系統(tǒng)向高速大容量方向發(fā)展的趨勢。而交流電動機(jī)，特別是鼠籠型交流異步電動機(jī)，由于它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價(jià)格低廉，體積小(與同容量的直流電機(jī)相比)，并且堅(jiān)固耐用，轉(zhuǎn)動慣量小，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡單，可用于惡劣場合等優(yōu)點(diǎn)，在各種場合得到了廣泛的應(yīng)用。但是交流調(diào)速比較困難，直流電機(jī)氣隙磁場有勵磁繞組產(chǎn)生，而交流電機(jī)的氣隙磁場則是有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組共同產(chǎn)生，這就使得交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不再與定子電流成正比關(guān)系。這樣就不能通過簡單的控制定子電流就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。自20世紀(jì)30年代人們開始進(jìn)行交流調(diào)速技術(shù)的研究，認(rèn)識到變頻調(diào)速是交流電動機(jī)的一種最好的調(diào)速方式，他既能實(shí)現(xiàn)寬范圍無級調(diào)速，又具有很好的動態(tài)性能。但是由于進(jìn)展不大，在20世紀(jì)的大部分時(shí)間直流調(diào)速仍占據(jù)統(tǒng)治地位。由于科技的發(fā)展限制，交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展長期處于調(diào)速性能差、低效耗能的階段。20世紀(jì)60年代后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和能源的日趨緊張，對調(diào)速及節(jié)能的需求日益增長，世界各國都開始重視交流調(diào)速技術(shù)的研究與開發(fā)。20世紀(jì)70年代后，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。交流調(diào)速理論和應(yīng)用技術(shù)有以下幾個(gè)方面的發(fā)展： （1）電力電子器件的發(fā)展換代為交流技術(shù)的迅速發(fā)展提供了物資基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代中期以前，變頻裝置功率回路主要采用的是晶閘管，裝置的效率、可靠性、成本、體積等均無法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。80年代中后期開始用第