基于MatlabSimulink的异步电机矢量控制系统仿真

1、 基于 Matlab/Simulink 的异步电机矢量控制系统仿真基于 Matlab/Simulink 的异步电机矢量控制系统仿真摘 要在异步电机的数学模型分析中以及矢量控制系统的基础之上，利用Matlab/Simulink运用建立模块的思想分别组建了坐标变换模块、PI调节模块、转子磁链个观测模块、SVPWM等模块，然后将这些模块有机的结合，最后构成了异步电动机矢量控制的仿真模块，并且进行了仿真验证。仿真结果分别显示了电机空载与负载情况下转矩、转速的动态变化曲线，验证了该方法的有效性、实用性，为电机在实际使用中打下了坚实的基础。本文主要研究异步电机在矢量控制下的仿真。使用Matlab/Simu

2、link中的电气系统模块(PowerSystem Blocksets)将其重组得到新的模型并对其仿真，最后分析仿真结果得出结论。关键词: 异步电机 矢量控制 MATLAB/SIMULINK 变频调速目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 电机及电力拖动技术的发展概况11.2 异步电动机的控制技术现状31.3 仿真软件的简介及其选择51.4 论文的主要内容及结构安排82 异步电动机的数学模型92.1 异步电动机的稳态数学模型92.2 异步电动机的动态数学模型122.3 本章小结143 矢量控制系统基本思路153.1 矢量控制的基本原理153.2 坐标变换163.3 SVPWM调制.2

3、13.3本章小结234 异步电机矢量控制系统仿真244.1矢量控制系统模型244.2仿真结果与分析284.5本章小结335结论与展望345.1结论345.2后续研究工作的展望35参考文献36致谢37201 绪论交流异步电动机是一个非线性、强耦合、高阶的多变量系统。有着复杂的数学模型，可以把他化为简单的线性结构进行分析，但是因为动态稳定性的问题，致使在分析中难以得到准确的数据。直到20世纪80年代初德国西门子公司F.Blaschke等提出了矢量控制的方法12，大大提高了它稳定性。所谓矢量控制就是以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现对交流电动机转速和磁链控制的完全解耦达到与直流电动机一样的调速性

4、能。异步电机矢量控制系统经过近几十年的发展，其控制方法已经渐渐地成熟。目前在对异步电动机进行控制时，往往需要借助仿真，才能更精准的了解控制系统，并且实现现实中对电机的控制与调速。1.1 电机及电力拖动技术的发展概况(1)异步电机的矢量控制1972年，德国学者Blascheke提出了一种新的解决方案，现在称它为矢量控制。它分析电机的动态和稳态数学模型，在改变坐标的方式下，把交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量im和转矩电流分量it，即模仿自然解耦的直流它励电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。想要的到直流电机模型，多数采用由转子磁链的同步旋转坐

5、标系时，把定子电流分解成励磁分量与转矩分量。改变了定子电流矢量在旋转坐标系下位置和大小，与此同时通过对励磁电流分量和转矩电流分量大小控制，实现对磁场和转矩的解耦控制。(2)异步电机直接转矩控制矢量变换控制理论的提出，直接使交流调速取代了直流调速，提高了学者们对调速系统的研究热情。80年代开始了交流调速热，也因为矢量控制一些新的改良的调速方案相继出现。1985年另一位德国学者Depenbrock提出了种异步电动机的直接自控制理论(Direct Self-Control )通常称为直接转矩控制法。他的特点是快速控制转速转差。它是在定子坐标系下，通过矢量控制，对定子磁链方向，简单地通过检测到的定子电

6、压，直接就在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链与转矩，获得转矩的高动态性能，由于定子磁链被磁链控制应用，因而避开了转子励磁时间常数。转矩与定子磁链闭环均采用双位式砰砰控制，一方面避免了控制信号的旋转坐标变换，使控制结构简单，另一方面可以获得快速的动态响应。但同时带来了转矩脉动，调速范围受限的缺点。它还有一个特点是逆变器采用不同的开关元件，控制方法有所不同。逆变器方式采用电压空间矢量控制，性能较优越。除此之外，近几年还发展了一些新的控制理论，如非线性控制、神经网络控制、滑模变结构控制、智能控制等。(1)优势特点1) 高效的计算能力，从复杂的计算中精简出来最优算法；2) 强大的图形处理系统，用户可

7、以更快的分析自己的数据；3) 友好的人机交互界面，使用者更容易掌握；4) 丰富的工具箱，可以给用户提供全面的辅助。(2)编程环境Matlab有大量的数据可以提供用户使用，同时最新版本的软件在工具箱方面也有了很大的提升。包括命令行窗口、编辑器、保存工作区、搜索路径以及用户浏览等。同时随着Matlab在市场上的推广，用户的逐渐增多，在使用中用户所反映出的问题也使Matlab的编辑环境不断升级，界面越发的人性化，人机交互界面也越发的简单，操作逐渐地简单。 (3)简单易用Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。新版本的Matlab语言是基于

8、最为流行的C+语言基础上的，因此在语法方面，更加简单易懂。使一些非计算机人员也能快捷的使用。而且语言的可移植性强，这也是MATLAB能用被广大用户以及各类科研者接受的原因。(4)强大处理Matla拥有700多个工程领域中需要的科学算法，是一个强大的计算合集，足以满足广大用户的需求。经过长时间经验的积累与优化，其科学的运算法已经成为很多工程领域最为常用的计算方法。通常情况下它可以代替很多的基础算法，如C和C+语言，以至于在相同的要求下使用Matlab软件可以是工作量大大减少。(5)图形处理Matlab从开始推广之时就有着强大编程数据可视话的功能，最主要的特点是可以将矩阵同图形的形式进行表达。最新

9、版本的Matlab对整个的图形处理进行了全面的升级和完善，不仅在原有的可视化功能上得到了增强，而且还具备了其他一下软件所不具备的功能。同时也在Matlab的图形处理的用户界面进行了重新的布局与改善，使用户用起来得到了更多的便捷，方便了很多初学者的使用。(6)程序接口Matlab因为有强大的语言数据库，从而可以使用C/C+的数据库，将自己的数据自行转化为独立于Matlab运行的C/C+代码。允许用户自行编写和Matlab人机交互的语言。此外，Matlab网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。Matlab其最主要的特色在于他有一套自己的拓展系统和一组成为工具箱的程序

10、系统，工具箱是一个程序系统，它里面划分了好多选项和分类，这些分类分别代表了绝大多数的学科和工程领域，用户在使用时可以选择自己的研究方向，可以做到省时省事省力。(7)软件开发1)在开发环境方面，文件和图形窗口可以被用户更好的控制；2）在编程方面，可支持了函数嵌套、条件中断等；3）在图形化方面，其图形标注、处理功能，比其他开发软件更为强大；4）在输入输出方面，可以直接链接Excel和HDF5。2 异步电动机的数学模型2.1 异步电动机的稳态数学模型(1)异步电动机的稳态等效电路在异步电动机稳定时它的稳态数学模型主要是由等效电路和机械特性组成的，两者即有联系，又有区别。稳态等效电路描述了在一定的转差

11、率下电动机的稳态电气特性，而机械特性则表征了转矩与转差率的稳态关系。异步电动机的稳态等效电路根据电机学原理46，在下述三个假定条件下：（1）忽略空间和时间谐波；（2）忽略磁饱和；（3）忽略铁损。异步电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图2-1所示。按照定义，转差率与转速的关系为 s=n1-nn1 (2-1) 或 s=(1-s)n1 (2-2)式中n1同步转速，n1=60f1/np。f1为供电电源频率；np为电动机极对数。 图2-1 异步电动机T形等效电路RS RS定子每相绕组电阻和折合定子侧的转子每相绕组电阻 、定子每相绕组漏感和折合到定子侧的转子每相绕组漏感 励磁电感，即定子每相绕组产

12、生气隙主磁通的等效电感 US定子相电压相量 US定子相电压相量幅值 供电电源角频率 (2-8)忽略式中分母的S项(此时的S很小)，则 (2-9)也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 近似为一段直线，如图(2-3)所示。当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项，则 (2-10)即s较大时转矩近似与s成反比，这时， Te=f(s)为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图2-3所示。异步电动机由额定电压Usn电，且无加电阻和电抗时的机械特性方程式为 (2-11)称作固有特性或自然特性。 图2-3 异步电动机的机械特性2.2 异步电动机的动态数学模型异步电动机具有

13、很多性质针对其非线性、强耦合、多变量的性质，必需以动态模型为出发点，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，才可以取得高性能的动态调速，研究好性能异步电动机的调速方案。2.2.1 异步电动机动态数学模型的性质机电能量转换最主要条件之一就是电磁耦合，通过电流与磁通的乘积产生转矩，再由转速与磁通的乘积得到感应电动势，无论是哪一种电机皆是如此，但是因为交流电机与直流电机的工作原理上的差异，它们在表达式上也存在很大的差别。励磁绕组和电枢绕组在他励式直流电动机中是相互独立的，励磁电流和电枢电流单独可控，若忽略对励磁的电枢反应或通过补偿绕组抵消之。则励磁和电枢绕组各自产生的磁动势在空间相差m/2，无交叉耦合。

14、气隙磁通由励磁绕组单独产生，而电磁转矩和磁通与电枢电流的乘积是真比关系。忽略弱磁调速的情况下，可以在电枢合上电源以前建立磁通，并维持励磁电流恒定，这时的磁通就是不参加系统的动态过程。因此，电枢电流就可以控制电磁转矩。而交流电动机的数学模型则不同，不能简单的采用同样的方法来分析与设计交流调速系统，这是由于以下几个原因:(1)异步电动机的动态数学模型不仅仅是由输入的电枢电压和输出的转速两个变量组成，还要加入输入变量频率和输出变量磁通，因此异步电动机是一个多变量的系统。(2)在控制异步电动机时，我们不能对单独的控制其磁通，并不像直流电动机一样可以保持恒定的磁通。(3)三相异步电动机定子三相绕组在空间

15、互差120，转子也可等效为空间互差120的三相绕组，各绕组间存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。总之，异步电动机的动态数字模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。2.2.2 异步电动机的三相数学模型在研究异步电动机数学模型时，作如下的假设:(1)不考虑空间谐波，假设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的动势沿气隙按正弦规律分布；(2)不考虑磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的;(3)不考虑铁损;(4)不考虑绕组因为频率变化和温度变化所带来的影响。无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以将其等效成三

16、相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是连接，以下均以Y 连接进行讨论。若三相绕组为连接，可先用-Y变换，等效为Y连接，然后，按Y 连接进行分析和设计。三相异步电动机的物理模型如图2-4所示，定子三相绕组轴线A、B、C 在空间是固定的，转子绕组轴线a、b、c以角转速随转子旋转。;例如以B 轴为参考坐标轴，转子轴和定子B 轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图2-4 三相异步电动机的物理模型磁链方程异步电动机本山的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和组成了每个绕组的磁链，因此，六

17、个绕组的磁链可以由式2-12表示： (2-12)或写成 式中iA iB iC ia ib ic定子和转子相电流的瞬时值； 各相绕组的全磁链。电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为 (2-13) 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 (2-14) 式中定子和转子相电压的瞬时值； 定子和转子绕组电阻。2.3 本章小结本章的主要内容是异步电动机的数学模型，第一节从等效电路和机械特性出发介绍与分析了基于稳态等效电路的异步电动机稳态模型。第二节首先讨论异步电动机数学模型非线性、强耦合、多变量的性质，在假设条件下，通过分析磁链方程和电压方程论述异步电动机三相原始动态数学模型，说明了简化的必要性和

18、可能性。3 矢量控制系统基本思路3.1 矢量控制的基本原理以产生相同的旋转磁动势作为矢量控制系统的基本准则,想要达到磁通和转矩的解耦控制，必须将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并且分别加以控制。即在M-T坐标按照定子磁场定向后，im确定磁链的值，it则影响转矩，与直流电机中的励磁电流与电枢电流对应，使问题大大的简化，同时也解决了多变量、强耦合等问题。3.1.1 矢量控制的基本思想在矢量空间内，矢量变换控制系统是一种重要的控制系统7，其主要是将控制量的直流标量通过坐标变换转变为交流量，以此来控制交流电机。直流电机要正常运行，需要两个磁链，励

19、磁磁链和电枢磁链，这两个磁链彼此垂直且是解耦的，这是因为前者是通过励磁电流产生的，后者是由电枢电流产生的。这就意味着，当我们控制来控制直流电机的转矩时，是不会受到影响的，同样的，控制时，只会影响到，因此直流电动机的控制系统比较简单8。3-1 矢量控制的原理图通过坐标变换的相关公式，便可以达到像直流电机那样的特性，也就是我们可以把交流异步电动机在三相静止坐标系下的定子交流电流,和转换成M轴方向时刻与磁场一致的OMT坐标系下的直流电流和。如果以铁心为观察点，并随OMT一起旋转，那么看到的就不是异步电机，而是以为励磁电流，以为电枢电流的直流电机。我们可以把控制交流电机的信号进行变换，变换成与直流电机

20、的信号相似9。矢量控制的基本原理如图2-1所示。对异步电机的控制电流信号进行分离，从中分离出转矩电流信号和励磁电流信号把,作为异步电机的控制信号。再经过反变换，我们就可以由、变换得到、和，用它们去控制逆变电路。同样，反馈信号也可以用相同的方法进行变换，用来对基本控制信号和进行闭环控制。因为在上述坐标变换中所用到的都是空间矢量，所以该方法被称作矢量控制系统。建立了上述的矢量控制系统，就可以在异步电机的控制中应用直流电动机控制的优点，最终达到解耦控制的目标10。3.1.2 直接矢量控制与间接矢量控制矢量控制有两种方法:一种是直接法或反馈法;另一种是间接法或前馈法。两者的本质区分点在于单位矢量是怎样

21、产生的。直接矢量控制是借助反馈磁链矢量信号引出了单位矢量，通过隐藏在电机内部的霍尔元件或者使用检测到的电压和电流来得到磁通大小和方位。计算的基本原理是通过采样获得定子电流和电压值，经过坐标变换后得到坐标下的值，积分后得到转子磁链矢量的值，之后将观测值和参考值进行比较，获得定子磁通矢量的值11。间接矢量控制的单位矢量信号是以前馈的方式产生的。转子磁通的位置不是通过直接计算或检测得到的。而是通过传感器得到了电机转速，然后再借助得到的电流和磁链大小得到的转差频率，再经过积分就可以获得转子磁链角度，这样便可以作为下次变换时的变换角。间接矢量控制系统中没有磁通传感器，它的速度控制范围可以很容易的从静止（

22、s=0）扩展到弱磁范围。但是间接矢量控制是依据预先计算的途径获得磁链矢量，位置角则是通过电机数学模型得到的，所以电机参数对它的影响比较强。因此为了削弱参数变化的影响，一般对系统进行在线的转子时间参数补偿。直接矢量控制对转子时间常数不做要求，因此多参数的变化不够敏感，但是需要测量的数据也就相应变多，也就是系统变得更为复杂 12。3.2 坐标变换异步电动机三相初始动态模型十分复杂，分析和求解这组非线性方程也就变得十分困难。在实际应用中必须使其变得简单，所以就要对其优化，简化的基本方法就是坐标变换。异步电动机数学模型之所以复杂，主要问题在于有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们体现了异步电动机的电磁耦

23、合和能量转换的复杂关系。因此，要简化数学模型，需从电磁耦合关系人手。3.2.1 三相-两相变换(3/2变换)三项绕组A、B、C和两相绕组、之间的变换，称作三相坐标系和两相正坐标系间的变换，简称3/2变换。通过把三相静止的物理变量变成两相静止或者运动的正交物理量也就完成了三两坐标和两相坐标系之间的相互变换。 图3-2 三相-两相变换图3-2所示为三相两相变换的示意图。由于由三相坐标表示的异步电机的数学模型十分复杂，因此希望可以对此模型进行简化。从线性代数可知，对于三相三线的交流电动机，有uA+uB+uc=0,iA+iB+ic=0 (3-1)即各组变量之间线性相关，因此可以将其化简用两个线性独立的

24、变量，也就是平面上的两维坐标表示，而最为简单的是用正交坐标表示 图3-3 三相、两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量三相和两相坐标的空间矢量位置如图3-3所示，图中A, B, C表示电机三相互差120的定子绕组的坐标;而、则表示两相静止正交坐标系，将轴与轴重合会更加的简单方便。FA、FB、FC表示互差120度的三相磁动势，F、F表示与空间彼此垂直的磁动势。根据在变换的前后磁动势相同这一原则，定子和转子绕组的瞬时磁动势在、轴中的投影应当方向相同，即: (3-11)以上变换以电流为例子。根据所使用的条件可以验证，这些变换矩阵也适用于电压变换、功率变换以及磁链变换。3.2.2 两相-两相旋转变换（2S/

25、2R变换）从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换，称作静止两相旋转正交变换，简称2S/2R变换，其中s表示静止，r表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。图3-4 两相-两相旋转变换图3-4所示是两相两相旋转变换(也叫做PARK变换)的示意图。两相两相旋转变换实际上是一种交流的变换，也就是两相静止坐标系，和两相旋转d,q坐标系或者M,T坐标系的变换。把两相静止的物理量变换成两相旋转正交的物理量是其基本思路。图3-5 两相静止、旋转坐标系以及磁动势(电流)空间矢量在图3-5中，d, q绕组的直流磁动势分别对应、分量，、绕组的交流磁动势的瞬时值分别对应i、i。规定1的方向为角度的正方向，由

26、图可见，i，i和id，iq 之间存在下列关系 (3-12)式中 (3-13)是两相旋转坐标系转换到两相静止坐标系的变换阵。可知该矩阵为正交矩阵。并且由于其行列式的值为“+1;，数学上被称为的“第一类正交矩阵”。对式3-12两边都乘以变换阵的逆矩阵，便可以得到 (3-14)则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系2S/2R变换(或PARK变换)的变换矩阵为: (3-15)电流(磁动势)的旋转变换矩阵也适用于电压旋转变换矩阵以及磁链的旋转变换矩阵。 3.3 SVPWM调制SVPWM是把逆变器和电机作当作一个整体来分析的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。准确的说，它以三相对称正弦

27、波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去接近基准磁链圆，它们的结果取决于逆变器的开关状态，形成PWM波形。SVPWM具有很多优点，其中电压利用率高、转矩脉冲小、易数字化、易实现是其主要优点。目前在电机调速系统中得到广泛的应用13。图3-6所示是一个典型的电压型PWM逆变器原理简图。这种逆变器可以保证电压空间矢量圆形运动轨迹为目标，利用其功率开关管的开关状态和顺序组合、以及开关时间的调整，可以产生谐波较少且直流电源电压利用率较高的输出较为稳定。图3-6三相电压源型逆变器图中的VT1VT6是六个功率开关管a, b, c分别代表3个桥臂的开关

28、状态。规定:当上桥臂开关管“开”状态时(此时下桥臂开关管是“关”状态)，开关状态为“1;当下桥臂开关管为“开”状态时(此时上桥臂开关管是“关”状态)，开关状态为“00 3个桥臂只有1和。两种状态，因此a, b, c形成000, 001, 010,011, 100, 101, 110, 111共8种(23= 8)开关模式。其中000和111开关模式使逆变器输出电压为零，所以这两种开关模式为零状态。当零矢量作用于电机时不形成磁链矢量;而当非零矢量作用于电机时，会在电机中形成相应的磁链矢量。开关变量矢量a, b, cT和相电压输出矢量,T之间关系如下: (3-16)式中为直流母线电压。为了简化计算，

29、本电机控制系统中必须用到的量是在两相静止坐标系下的，因此须要将其转换到坐标系中。根据Clarke变换原理与式(3-16)，可得开关a, b, c相对应的相电压转换成坐标系中的分量，转换结果见表3.1和图3-7。根据表3.1，计算得到的八个矢量成为基本电压空间矢量。根据其相位角的特点将八个电压矢量分别命名为、图3-7给出了这8个向量在坐标轴下分布情况，其中和为零矢量，位于中心；定义、之间为区间，定义、之间为，定义、之间为区间14。图3-7 基本电压空间矢量图空间矢量PWM技术实质上就是通过适当的结合基本空间矢量的开关状态来近似输出的参考电压矢量。在一个PWM周期内，对于任意输出的参考电压矢量，都

30、可以由八个基本电压矢量来合成。如图3-7所示，当电压空间矢量在号区间，就可以由，来合成，它等于倍的和倍的的矢量和，其中和分别是和的作用时间。按照这种方式，在下一个周期内，仍然使用和的线性时间组合，但作用的作用时间由和变为和，它们必须确保所合成的新的空间电压矢量的幅值不变。这样，在每一个内，都改变相邻基本空间矢量的作用时间，并确保所合成的电压空间矢量的幅值都相等，当足够小时，电压空间矢量的轨迹是一个近似的圆。因此，开关管的开关状态的线性组合可以合成平面上的任意电压空间矢量。3.3 本章小结这一章主要探究了矢量控制的基本思路与原理，首先从理论出发，通过分析直接矢量控制与间接矢量控制的关系，分析矢量

31、控制的原理图介绍了矢量控制的基本原理；紧接着通过坐标图与公式分别区分与介绍了三相-两相变换变换和两相-两相变换，从完成了对坐标变换的解析，即异步电机在同步旋转MT坐标系下的数学模型以及转子磁链的计算和观测方法。最后在简要分析SVPWM控制原理的基础上，详细推到了SPVWM的调制方法。 4 异步电机矢量控制系统仿真通过第三章的理论分析我们知道，三相交流异步电动机只需要通过3/2变换(CLARK变换)、2S/2R变换(PARK变换)之后就可以的到像直流电动机的电流分量，从而交流异步电动机就可以相直流电动机一样来控制与分析。本章首从介绍各种模块出发通过前两章对理论基础的分析，搭建出Matlab的仿真

32、模型然后进行仿真。4.1 矢量控制系统模型 4.1.1 坐标变换模块坐标变换模块包括3/2变换, 2S/2R变换及其逆变换，由式子（2-10）、（2-11）、（2-14）可以得到转变的模型如下图4-14-4所示：图4-1 Clarke变换模块图4-2 Clarke逆变换模块图4-3 Park变换模块图4-4 Park逆变换模块4.1.2 PI调节模块PI调节器有很多种，如调节PI调节器、转矩PI调节器、磁通PI调节器，这些调节器的结构基本相同，包括比例、积分和限幅环节，但是他们的参数设置却不同，转速PI调节器模型如图4-5所示。 图4-5 转速PI调节器模块4.1.3 转子磁链观测模块在两相旋

33、转坐标系下，根据转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统的控制方程式，构建转子磁链观测模块图如图4-6所示：图4-6 转子磁链观测模块4.1.4 SVPWM模块(1)电压矢量所处扇区的判定模块根据矢量控制系统图中知，已知US,US根据计算出所处扇区，如图4-7所示。图4-7矢量所处扇区判断模块(2)扇区基本电压矢量的工作时间计算模块在计算基本电压矢量工作时间过程中，以两相静止坐标系下、轴分量与, PWM的周期。扇区号N以及直流母线电压作为模块的输入。图4-8 X、Y、Z计算模块图可以建立计算中间变量X、Y、Z的仿真模型如图4-8所示。并且可以建立计算各个扇区基本电压空间矢量工作时间和的仿真模型如图

34、4-9所示，在4-9的右侧加入了判断模块。图4-9 各扇区、时间模块图(3)PWM波开关切换时间图 4-10 开关切换时间模块此模块以PWM的周期、扇区号N以及扇区基本电压空间矢量工作时间和作为模块的输入。(1)SVPWM波形生成模块本论文仿真模块采用三角波进行调制，并将三角波的周期定为定时器周期。将三角波与切换时间、比较。调制出SVPWM波,仿真生成模块如图4-11表示。图4-11 SVPWM生成模块图SVPWM模块及其仿真由上述图4-84-11的模块图，得到如图4-12所示的SVPWM仿真模块。图4-12 SVPWM仿真模块4.2 仿真结果与分析 图4-12 Matlab/Simulink

35、异步电动机矢量控制仿真建模整体框图(1)空载情况分析转子磁通的给定值为0.95Wb，负载为零，转速初值为130rad/s，0.5s后变为80rad/s，仿真结果如图4-134-15所示，在图4-13中空载启动的一瞬间电机电流峰值达到了35.6A，有效值为22.1A，启动电流是额定电流6.5A的3.4倍，通常情况下启动电流不会超过额定电流的67倍，因此该启动电流在可以承受的范围之内。图4-13 定子A相电流波形图4-14 电磁转矩波形(a) 图4-14是电磁转矩的波形图，从中可以看到启动最大转矩为34N.m，额定转矩为20.1N.m,启动转矩是额定转矩的1.69倍，通常情况下电机的最大转矩不能超

36、过电机额定转矩的2倍，所以启动转矩在电机可以承受的范围以内。还可以看出空载稳定时转矩的波动幅值为0.53N.m，是额定转矩的0.016倍，说明空载转矩偏小。图4-15 转速波形图4-15是转速波形图，从中可以看出电机转速从0到130rad/s的调整时间为0.075 s，从130rad/s到80rad/s的调整时间0.05s，上升的曲面较为平滑，上升到130rad/s的0.5秒中也是一条直线，且在将为80rad/s后也没有出现什么波动，说明矢量控制电机速度特性达到了实验的要求。(2)负载情况分析如图4-164-18所示，转速设定为120rad/s，在0到0.5s输入了负载为斜坡的信号，其最大值为

37、15N. m，从图上可以看出电流值因为斜坡信号的输入也在逐渐的增加，在稳定时的电流峰值为8.70A，其有效值为6.15 A，在额定电流的范围之内。图4-16 定子A相电流波形图4-17 电磁转矩波形图4-17是在载入负载后的电磁转矩波形，如图所示，一开始转矩在逐渐的上升然后趋于平稳，但是在1s时，负载突然转变为0，这是电流直接下降，可得转速波形的超调量1.66%。图4-18 转速波形 图4-18是在负载情况下的转速波形，从图形上看一开始在1.5s时，输入负载为15N. m的阶跃信号，这时的电流一直在上升，但是转速却有点下降，之后几部没有太大的浮动，当电流稳定是其峰值为8.65 A，有效值6.1

38、2A在额定电流之内;而转速曲线此时的超调量为1.5%。 图4-19 定子A相电流波形当负载为正弦输入时，其仿真结果如图4-194-21所示，图4-19是定子A相电流波形，分析电流波形看一看出，在12s的时间段里加入的正弦负载信号的幅值为5N.m，频率为50Hz，其输出电流幅值为9.15A,有效值为6.49A，是在额定电流范围内的。图4-20电磁转矩波形图4-20是电磁转矩的波形，因为在0.5s时加入了介于信号，定子的电流突然增加，从图中可以清楚的看出在0.5s是转矩垂直上升，超调量为1.26，电磁转矩输出与输入正弦信号对应，输出的转速波形的波动量为0.25%。图4-21 转速波形 图4-21是

39、转速波形，从图形上看与负载是阶跃输入和斜坡输入时的转速图几乎相同，也是开始的时候快速上升之后趋于平稳，电磁转矩输出与输入正弦信号对应，输出的转速波形的波动量为0.25%。通过搭建模块在Matlab/Simulink环境，使用SVPWM方式调制的矢量控制系统进行了仿真，不难看出在空载调速时其启动电流，转矩以及调速性能都符合基本的要求。4.5 本章小结本章在Matlab/Simulink环境下，首先在构建二相静止坐标下异步电机数学模型的基础上介绍了几个在本设计中需要用到的模块，并且进行了组装，建立了基于电压空间矢量脉宽调制的异步电机矢量控制模型，通过产生的仿真图，分别对启动电流、转矩和转速进行了分析，最后成功验真了所建模块的正确性。5 结论与展望5.1 结论电机控制技术能有现在的成就和微电子以及电力电子有着密不可分的关系