【正文】 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 32 Simulink and Power System Blockset [C]. Proceedings on Industrial Electronics Society, 2021, 3: 1603–1611. [19] Butler K L, Ehsani M, Kamath P. A Matlabbased modeling and simulation package for electric and hybrid electric vehicle design [J].IEEE Trans. on Vehicular Technology, 1999, 48(6): 1770–1778. [20] Yifan Tang. Transient modeling and analysis of motor terminal voltage on PWM inverterfed AC motor drives [C]. Proceedings on Industry Applications Conference, 1997, 1: 509–516. 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 33 譯 文 在風(fēng)能時(shí)代 雙饋感應(yīng)電機(jī) 直接控制有功功率和無功功率 摘要 本文提出一個(gè)新的直接電 能控制 (DPC)對策 雙饋感應(yīng)電機(jī) 基于風(fēng)能時(shí)代系統(tǒng) 。 6 結(jié)論 本文在分析交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的基于Matlab 的交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真建模的方法，將該方法應(yīng)用于Simulink 環(huán)境下交流異步電機(jī)模型的設(shè)計(jì)，采用經(jīng)典的速度、電流雙閉環(huán)控制方法對該建模方法進(jìn)行了測試，仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)靈敏。電機(jī)參數(shù)為 異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： 2HP， 460V， 60Hz，Lm=,Rr= ? ,Lr=, 采用 ode45 算法， *? 初始值50rad/s, 在 t= 時(shí)變?yōu)?100rad/s，在 t= 時(shí)變?yōu)?80rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始值為 0，在 t= 時(shí)變?yōu)?60 ，此時(shí)轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)解器的參數(shù) PK = 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 28 70， iK =5。 按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 ,既可改變逆變電路輸出電壓的大小 ,也可改變輸出頻率 。 控制方法 采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) ,其效果基本相同 。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。 (5） 使能 PWM 控制器 。 (3） 設(shè)置 PWM 輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用 I/O 管腳 。執(zhí)行 PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： (1） 設(shè)置提供調(diào)制方波的片上 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的周期 。例如， Microchip 公司的 PIC16C67 內(nèi)含兩個(gè) PWM 控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。 多數(shù)負(fù)載 (無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 )需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。 PWM 信號 仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么 完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 26 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號 電平 進(jìn)行數(shù)字 編碼 的方法。 PWM 控制技術(shù) 以其控制簡單 ,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為 電力電子技術(shù) 最廣泛應(yīng)用的控制方式 ,也是人們研究的熱點(diǎn)。 帕克變換模塊 帕克變換模塊（見圖 ）實(shí)現(xiàn)的是參考相電流的 dq/abc 變換，即dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下兩相參考相電流向 abc 靜止坐標(biāo)系下三相參考 相電流的轉(zhuǎn)換，由方程式實(shí)現(xiàn)： * * ** * ** * *c o s sinc o s( 1 2 0 ) sin ( 1 2 0 )c o s( 1 2 0 ) sin ( 1 2 0 )a d qb d qc d qi i ii i ii i i????????? ? ? ?? ? ? ?……………………… () 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 25 圖 帕克變換模塊結(jié)構(gòu)框圖 park 逆變換 ： 將 3 相交流電流投影到 2 維空間里，來反映他們的特質(zhì)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 24 圖 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)框圖 電壓逆變模塊 電壓逆變模塊實(shí)現(xiàn)的是逆變器功能，輸入為位置信號 ? 和電流滯環(huán)控制模塊給出逆變控制信號，輸出為三相相電壓 aU ， bU ， cU 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 23 圖 速度控制模塊結(jié)構(gòu)框 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊 根據(jù)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式 12 Tep LT n i i??? ? ……………………………………………………… () 式中： n p—— 電機(jī)極對數(shù)； q —— 角位移 進(jìn)行 abc/dq 坐標(biāo)變換，可得電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方程式為： ()me p sq rd sd rqrLT n i iL ????……………………………………………… () 可建立圖 所示的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊，模塊輸入為兩相相電流 sdi 和 sqi 、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈 rd? 和 rq? ，通過加乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號 Te 。 速度控制模塊 速度控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單 ， 如圖 ， 單輸入：參考轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，單輸出：參考電磁轉(zhuǎn)矩 Te 。 （ 4）速度檢測電路 :以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器 (TG、 PLG等 )的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。 （ 1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。以電壓型 PWM 逆變器為例示出 開關(guān)時(shí)間 和電壓波形。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的 “ 整流器 ” ，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的 “ 平波回路 ” ，以及將直流功率變換為交流功率的 “ 逆變器 ” 。 變頻器工作原理 主電路是給 異步電動(dòng)機(jī) 提供調(diào)壓調(diào) 頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類 :電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。 變頻器是利用 電力 半導(dǎo)體器件的通斷作用將 工頻 電源變換為另一 頻率 的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、 變頻調(diào)速 、提高運(yùn)轉(zhuǎn) 精度 、改變功率因數(shù)、過流 /過壓 /過載保護(hù)等 功能 。 圖 MATLAB 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)圖 MATLAB 仿真三要素：系統(tǒng) ，模型，計(jì)算機(jī) 5 個(gè)步驟：布局，連線，設(shè)置元器件參數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)并運(yùn)行仿真上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 21 模型，查看仿真結(jié)果。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括： 交流異步電機(jī)本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變模塊 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 20 基于 MATLAB 矢量控制變頻調(diào)速 系統(tǒng)模型的建立 在 的 SIMULINK 環(huán)境下，利用 豐富的模塊庫，在分析交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設(shè)計(jì)框圖如圖 所示。從分析研究的角度講，我們使用這種 SIMULINK 模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)而且能讓用戶清晰地了解各種器件，系統(tǒng)。 MATLAB 是高性能、通用的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它功能強(qiáng)大，在電氣、化工、制造、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)均有應(yīng) 用。電力系統(tǒng)仿真軟件主要用來進(jìn)行潮流計(jì)算、電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真等。將數(shù)字實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和 電力系統(tǒng)融合在一起，形成電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，國外對于這一領(lǐng)域有一定的研究，并處于領(lǐng)先的地位。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 19 4 使用 MATLAB建立模塊 MATLAB 眾所周知，電力系統(tǒng)是一個(gè)大規(guī)模、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，而且在國民經(jīng)濟(jì)中有非常重要的作用，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重要工具。圖中上標(biāo) *的控 制量為指令值 ,其余為實(shí)際值。逆變器采用電壓型 ,整流側(cè)輸出為理想直流電壓 ,故圖中用直流電壓源表示 ,逆變器輸出的三相電流給異步電動(dòng)機(jī)供電。 ……………………………………… () ()e p m sd rd sd rqT n L i i i i?????????????????? () 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí) ,應(yīng)有 rd r??? , 0rq? ? 即得 : me p sq rrLT n iL ?? ………………………………………………………… () 1 rsd rmTpi L ??? ………………………………………………………… () 1 mr sdrL iTp? ? ? ………………………………………………………… () ms sqrrL iT? ?? ……………………………………………………… () 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析 18 1? 為同步轉(zhuǎn)速， ω 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ， ω s 為轉(zhuǎn)差角速度 ， u 為電壓， ψ 為磁鏈 ， i 為電流 ， R 電阻， L 為電感， pn 為極對數(shù) ， rT 為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)， dPdt?為微分因子， s 表示定子 ,r 表示轉(zhuǎn)子 ,d 表示 d 軸 ,q 表示 q 軸 , m 表示同軸定 ,轉(zhuǎn)子間的互感。 分別如下 : sdsqrdrquuuu???????????????11111s s s m ms s s m mm m r r s rs m m s r r rR L p L L p LL R L p L L pL p L R L p LL L p L R L p????????? ? ??? ? ?? sdsqrdrqiiii??????????????。 矢量控制的基本方程式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢為準(zhǔn)則 ,將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過 坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流 ,并分別加以控制 ,從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制 ,以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。 矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定 子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。 選擇矢量控制策略的原因 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 ai ,bi ,ci 、 通過三相－二相變換 ， 等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1，再通過按 轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換 ，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im It1（ Im1 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的 勵(lì)磁電流 ； It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的 電樞電流 ），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的控制。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵(lì)磁電流 )和產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流 )分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式 。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： 1)裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便； 2)調(diào)速平滑、無級調(diào)速； 3)對電網(wǎng)無諧影響； 4)速度失大、效率低 ； 5)本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對 N、 S 極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)