基于CFPWM的异步电动机转子磁场定向系统设计与仿真

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）基于CFPWM的异步电动机转子磁场定向系统设计与仿真摘 要本论文针对异步电动机转子磁场定向控制这一热门技术进行了研究。文章开始对于近几年异步电动机的控制方法进行了概述，对各种控制方法的优缺点进行了比较分析。接着讲述了异步电动机在不同坐标系下的数学模型，重点介绍了异步电动机在三相原始坐标系和两相旋转坐标系下的动态数学模型，论述了转子磁场定向技术、坐标变换和电流跟踪脉冲宽度调制技术（CFPWM）的基本原理，这些理论为研究异步电动机转子磁场定向系统奠定了基础。要实现高性能异步电动机的转子磁场定向，必须正确计算转子磁链。本文接下来就转子磁链计算的电流模型进行了研究。本文最后

2、以异步电动机转子磁场定向的基础方程式为依据，搭建了异步电动机的转子磁场定向系统。系统转速环和电流环采用经典PID控制，在MATLAB/Simulink软件建立仿真模型并进行了仿真，仿真的结果证明了论文课题的正确性，而且系统有良好的跟随性和抗扰性。关键词：异步电动机，转子磁场定向，CFPWM，仿真 The design and simulation of Asynchronous motor rotor flux oriented system based on CFPWM ABSTRACTIn this thesis, the induction motor rotor field orien

3、ted popular technology were studied.Article began for asynchronous motor control method in recent years were summarized, and has carried on the comparative analysis to the advantages and disadvantages of various control methods. Then tells the story of the mathematical model of asynchronous motors i

4、n different coordinate system are mainly introduced in the three-phase asynchronous motor under the original coordinate system and two-phase rotating coordinate system of the dynamic mathematical model. This paper then discusses the rotor magnetic field orientation technology, coordinate transformat

5、ion, and the current tracking pulse width modulation technology (CFPWM). These basic principles of these theories for the study of asynchronous motor rotor field oriented system laid a foundation. In order to achieve high performance of asynchronous motor rotor magnetic field orientation, it must co

6、rrectly calculate rotor flux linkage. In this paper, then calculating the current model of rotor flux were studied. Finally, the paper , on the basis of the asynchronous motor rotor field-oriented equation as the basis, set up asynchronous motor rotor field oriented system. This system uses the clas

7、sical PID speed loop and current loop control. In the MATLAB/Simulink software, simulation model is established and simulated. The simulation results prove the validity of the thesis topic, and this system has a good follow and immunity ability.KEY WORDS: Asynchronous motor, rotor flux orientation,

8、CFPWM, simulation6目录前言1第1章 绪论31.1 课题背景和意义31.2 交流调速相关技术41.3 研究的主要内容6第2章 异步电动机动态数学模型72.1 异步电动机三相动态数学模型72.2 坐标变换102.3 异步电动机在旋转正交坐标系上的动态数学模型13第3章 异步电机动转子磁场定向矢量控制系统原理163.1 转子磁场定向矢量控制基本方程式163.2 转子磁场定向矢量控制思路183.3 电流跟踪型逆变器原理193.4 转子磁链计算21第4章 系统仿真模型的建立254.1 MATLAB/Simulink简介254.2 仿真模型建立27第5章 仿真结果及分析305.1 参数设

9、置305.2 仿真结果305.2 结果分析30结论31谢 辞32参考文献33附录35外文资料翻译36前言随着现代社会生产力的不断提高，直流电动机的局限性变得越来越明显。异步电动机因其结构简单、坚固耐用、惯量小、动态响应好、效率高、经济可靠、适应环境广、易于维护、易于向高压大电容发展等优点而逐步取代直流电机，在传动领域占据了主导地位。研究异步电动机的调速能为生产节约很多能源。转子磁场定向技术又叫做矢量控制技术，是根据交流电动机动态模型推导出的一种控制策略，它将交流电机模拟成直流电机，从而可获得与直流电机相媲美的控制性能，而交流电机矢量控制调速系统具有更高的调速精度、更大的调速范围和更快的响应速度

10、。20世纪70年代，国外工程师人先后提出“感应电机磁场定向控制原理”、“定子电压坐标变换控制”，这些理论都是矢量控制的基本思想。我国在80年代开始研究矢量控制技术，当时发表了一些有关矢量控制的文章，但是矢量控制技术的发展并不大。到90年代，国内的矢量控制研究才发展起来，并逐渐成为电气传动的热点。近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控制系统向智能化的方向发展。在现代运动控制系统中，常使智能控制与传统PID控制互相结合，取长补短，即保证了系统的控制精度，又提高了系统的鲁棒性。本课题根据矢量控制原理，分析了异步电机矢量控制及电流跟踪脉冲宽度调制（CFPWM）的基本理论，在MATLAB/

11、SIMULINK环境下，按照变换前后总功率不变产生的合成磁动势相等，搭建符合异步电机能量控制的“恒功率”坐标矢量变换模型，实现对异步电动机的解耦控制。具体步骤如下：（1）对异步电机进行降阶和解耦。先进行3/2变换，再进行2s/2r变换，将变换后的两相旋转坐标系与转子磁场定向，异步电机三相定子电流解耦为两个直流电流励磁电流和转矩电流。这两个电流产生的磁场互不影响，有利于进行控制；（2）设计电流跟踪PWM环节。采用电流滞环跟踪PWM。以U相电流为例，U相给定电流与U相实际电流相比较，电流偏差超过时，经过一个滞环控制器控制逆变器U相上（或下）桥臂的功率器件动作。这种方法最大误差为，但是容易实现，再加

12、上IGBT开关频率很高，使得h变得很小，能够满足一般工程设计要求；（3）设计转速、电流调节器。转速控制采用闭环PI调节器，首先选择一个合适的采样周期，然后仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大倍数和临界振荡周期，在一定的控制度下通过公式计算得到PI控制器的比例增益和积分时间；（4）建立系统仿真模型，调试参数得出正确波形。利用各种模型库来搭建控制系统的仿真模型，设置好各个子模型的参数。对转速和电流等波形进行分析，调节电流跟踪PWM环节使电流波形更细，满足要求后再调节转速调节器参数，使转速能很快服从给定，并有良好的抗干扰能力。 第1章 绪论1.1 课题背景和意

13、义电动机的控制不仅仅是调速，它主要的调节量是电动机的转矩。闭环调速系统的控制量有多个，如转速、位置等，其实质都是通过改变电动机的转矩实现的。直流电动机的调速系统中，由于直流电动机特有的结构，控制方法非常容易实现，转速和转矩可分别通过调节电枢电压和励磁电流来实现，系统采用转速、电流双闭环能获得良好的动静态性能。在20世纪，鉴于直流电动机拥有良好的动静态性能，调速要求高的系统中都采用直流电动机。随着时代的发展，直流电动机的缺点逐渐显露出来。换向器的存在使得直流电动机的工作环境、最高转速、容量受到很大限制，已经不能满足当代调速系统的要求。而异步电动机不像直流电动机那样娇贵，它制造方便、结构简单、价格

14、便宜、易于向高压大容量扩展，很多国家的工程师开始研究交流调速系统。交流调速沿着下述三个主要方向应用和发展。1. 普通性能的节能调速以前许多不调速交流传动系统中，水泵、风机这类电机的总容量大约占工农业电气传动总容量的一半，用很多场合需要调速，但由于费用昂贵，没能进行调速，人们采用阀门和挡板来调节供水和送风的流量，大量电能浪费在阀门和挡板上，如果对这些电机进行交流调速，把浪费掉的电能节省下来，那么将节约大量能源。2. 高性能交流调速众所周知，交流电动机比直流电动机成本低、结构简单、容易维护、工作故障少、效率高，如果把在工艺上需要调速的直流传动系统改为交流传动系统，那么系统成本和以后的维护成本将大大

15、降低。但是，交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的负载系统，要控制它的电磁转矩十分不易。直到上世纪70年代由德国工程师提出的转子磁场定向控制技术（或称矢量控制技术）和1985年德国学者推出的直接转矩控制理论等控制方法，使得交流调速系统能获得和直流调速系统相媲美的性能，极大的扩大了交流电动机的使用领域。3. 极高转速、特大容量的交流调速换向器的存在限制了直流电动机的容量和转速，它的转速和容量乘积的极限值，生产超过这一极限值的直流电动机就十分困难，交流电动机结构与直流电动机不同，它的容量和转速不受限制，所以极高转速和特大容量的传动系统只能采用交流传动系统。1.2 交流调速相关技术矢量控制就是利用坐

16、标的旋转变换，将三相旋转坐标系等效为两相旋转坐标系，再与转子磁场定向同步旋转变换（变换）。通过坐标变换，将定子电流解耦为励磁分量和转矩分量，这两个分量互不影响，对这两个分量单独控制就能模拟直流电动机的控制方法来控制交流电动机。近年来，电力电子技术飞速发展，高性能电力电子器件不断被研发出来，微型处理器的发展和现代控制理论的不断进步，矢量控制技术的不断成熟，使交流调速技术得到实现。1. 电力电子技术的发展电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用。1947年，美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而建立的。晶闸管是通过对门极的控制能够

17、使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管的控制方式主要是相位控制方式，晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就极大限制了晶闸管的应用。20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。这些器件都属于全控型器件，可以通过对门极的控制使其开通和关断。另外，这些器件的开关频率普遍高于晶闸管，可应用于开关频率较高的电路。这些优良的特性使电力电子技术进入一个新的发展阶段。全控型器件组成的电路主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的地位

18、，他在逆变、直流斩波、整流、交流-交流控制等所有电力电子电路中均可运用。20世纪80年代后，绝缘栅和双极性晶体管（IGBT）为代表的复合型器件迅速发展。IGBT是全控型器件，是MOSFET和BJT的复合，拥有驱动功率小、开关速度快、通态压降小、载流能力大等优越性能。为使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式。后来，有把驱动、控制、保护电路和电力电子集成在一起，构成电力电子集成短路（PIC），代表了电力电子技术的一个重要发展方向。2. 脉冲宽度调制（PWM）技术 德国科学加在1964年提出把通信技术中的调制技术应用到交流调速中，从而产生了正弦脉宽

19、调制变压又变频的思想。脉宽调制技术能够有效的抑制高次谐波。该技术能运用于各种电动机，满足较高性能交流传动的要求，成为逆变技术的主流控制方法。PWM技术最初是用模拟电路来产生正弦脉宽调制（SPWM）信号来控制电力电子器件动作，现在则采用数字化的方法。因为PWM在实现变压变频的同时又可以抑制谐波，所以它在交流调速和其它能量变换系统中很受欢迎。微电子技术的发展和新型功率器件的不断出现使PWM变频技术得到了快速的发展，如今PWM主要分为四类：等宽PWM控制、正弦PWM控制、磁链追踪型PWM控制和电流跟踪型PWM控制。PWM技术消除了相位控制技术的弊端，使异步电动机定子的电压和电流波形接近正弦波，改善了

20、电动机的功率因数、提高了输出效率。磁链跟踪型PWM控制将电动机和逆变器看成一个整体，以三相交流对称正弦电压在异步电动机产生的圆形磁场为参考，使逆变器产生的磁链跟踪参考磁链。电流跟踪型PWM控制常采用的一种电流闭环控制方法是电流滞环PWM(CHPWM)，该控制方法能使三相电流迅速跟踪给定电流，而且逆变器硬件简单、电流相应块。本文的脉宽调制方法采用CHPWM。3. 微型处理器的发展控制技术的实现和发展离不开微型处理器的发展。初期的电气传动系统采用模拟电子器件组成，这种系统参数调节困难，容易受到环境的干扰，先进的控制方法不能实现。直到1991年INTEL公司研制出MCS-48系列单片机，但是该单片机

21、功能简单，寻址范围有限，很快被后来的MCS-51系列取代。MCS-51系列寻址范围可达到64K，内部集成了串行I/O口和16位计数定时器，但是数据运算速度慢，精度也不高。后来推出的MCS-96系列16位单片机虽然提高了数据运算速度慢和精度，但在一些复杂的调速系统中还不能担当重任。如今专门用于电动机控制的微处理器以美国TI公司的DSP最具有代表性，它拥有较高的集成度、更快的CPU运算速度、更大的存储空间，内部集成了串行通信口、采样保持电路和模数转换器，采用并行处理技术能够在一个机器周期内完成所有指令。由于DSP内部采用哈佛结构，所以它的数据空间和程序空间是相互独立的，多级流水线技术和高速硬件乘法

22、器极大的提高了DSP的数据运算速度，实现一次乘法运算要比十六位单片机快2030倍，现在的变频器很多都采用DSP作为控制器。1.3 研究的主要内容本文主要做了以下几个方面的工作：1. 详细阐述转子磁场定向技术和坐标变换的原理，分析了如何利用磁场定向技术对异步电动机的定子电流进行解耦。2. 对异步电动机进行数学建模，并分析了不同坐标系下异步电动机的数学模型。3. 探讨转子磁链的估算方法和电流跟踪PWM技术。4. 在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，并对仿真结果进行分析，评价系统性能。洛阳理工学院毕业设计（论文）第2章 异步电动机动态数学模型2.1 异步电动机三相动态数学模型由于异步电动

23、机具有非线性、强耦合、高阶的性质，所以在研究其数学模型时常遵循如下条件：(1) 不考虑铁芯损耗；(2) 忽略磁路饱和对各绕组自感和互感的影响；(3)不计空间谐波，假定三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙的分布具有正弦规律；(4) 不计温度和频率变化对绕组阻抗的影响。不管三相异步电动机的转子是笼型的还是绕线型的，均可通过等效视为三相绕线式转子，然后再折算到定子侧使转子与定子的绕组匝数一致。三相绕组的联结方式可以是星型的，也可以是三角型的，本文以星型联结进行讨论（三角型联结可通过-Y变换为星型联结）。图2-1所示就是异步电动机被等效后的物理模型。定子的三相绕组轴线A、B、C在空间上是静止的，转子绕组

24、轴线a、b、c以角速度随转子旋转。若以A轴作为参考坐标轴，转子a轴与定子A轴间的电角度称为空间角位移变量。规定个绕组磁链、电压、电流的正方向符合右手螺旋定则。图2-1 三相异步电动机物理模型异步电动机的动态数学表达式有电压方程、磁链方程、运动方程和转矩方程构成，属于代数方程的是转矩方程和磁链方程，属于微分方程的是运动方程和电压方程。根据电路知识可以推导出这些方程。1. 磁链方程 异步电动机定子和转子每相绕组的磁链是它自身的自感磁链和其余绕组对它的互感磁链之和，六个绕组的磁链用矩阵表示如下： （2-1） 或者写成 （2-2）矩阵方程中、表示定子和转子对应的相电流的瞬时值；、表示每相绕组的磁链；为

25、66的电感矩阵，、是每个绕组的自感，剩余各项是对应绕组之间的互感。对于异步电动机的每一项绕组，它所铰链的磁通由漏感磁通和互感磁通组成，定子每相绕组自感表示为 =+ （2-3）式中是定子每相漏磁通对应的电感；是定子一相绕组铰链的最大互感磁通对应的定子互感。转子每相绕组自感为 =+ （2-4）式中是转子每相漏磁通对应的电感；是转子一相绕组铰链的最大互感磁通对应的转子互感。由于折算后转子和定子绕组的匝数相等，所以=。由于定子与转子各自三相绕组彼此之间的相对位置是不变的，且三相绕组的轴线空间上相差120度的电角度，认为气隙磁通按正弦规律分布时，=，所以 （2-5）由于定子与转子绕组之间的相对位置不断变

26、化，它们的互感表达式为 （2-6）2. 电压方程异步电动机三相绕组电压平衡方程为 （2-7）或者写为 （2-8）式中、是定子和转子相电压的瞬时值；、是定子和转子绕组阻抗。把式（2-2）带入式（2-8），展开后得到下面的电压方程 （2-9）3. 转矩方程 （2-10）4. 运动方程 传动系统的运动方程为 （2-11）式中是系统的转动惯量；是包括摩擦转矩在内的负载转矩。转角方程 （2-12）由异步电动机动态模型的数学表达式可知它有频率和电压两个输入量，转速、磁链和转矩多个输出量。电感矩阵与转子和转子之间的空间相对位置位置有关，这是异步电动机非线性的一个根源。电压方程、运动方程均有微分环节。总之异步

27、电动机是一个高阶、多变量、强耦合、非线性的复杂系统。2.2 坐标变换假设异步电动机的联结方式为无中性线Y型（如果是联结，可等效为Y型）。那么转子和定子三相电流瞬时值的代数和为 （2-13）由式（2-13）转子和定子三相电压瞬时值的代数和与磁链的代数和为 （2-14） （2-14）由式（2-13）、（2-14）、（2-14）可知，对于Y/Y联结且无中性线的电动机，定子和转子的三相变量其中只有两相识独立的，所以三相原始动态数学模型不是对异步电动机最简洁的描述，可以通过某种方法用两相模型描述，这种方法就是坐标变换。1. 坐标变换原理 首先介绍一下二极直流电动机的数学模型，如图2-2所示，F代表励磁绕

28、组，A代表电枢绕组，C代表补偿绕组。A在转子上，F与C均在定子上。F所在的轴称为d轴，主磁通的方向也在d轴上；C与A的轴线称为q轴。C的作用是补偿电枢磁动势对主磁通的影响，可以认为主磁通的大小只与励磁电流有关。直流电动机的电磁转矩只与电枢电流有关。所以直流电动机的动态数学模型和控制系统比较简单。图2-2 二极直流电动机物理模型坐标变换的基本思路就是将交流电动机的物理模型等效变换为与直流电动机类似的模型，这样一来分析和控制交流电动机就容易多了。不同坐标系下异步电动机物理模型相等的依据是：绕组产生的合成磁动势相同。2. 三相-两相变换（3/2变换）将三相对称的正弦电流通入交流电动机的三相对称静止绕

29、组A、B、C中，产生的合成磁动势F在空间按正弦规律分布，且沿着ABC的相序以同步角速度旋转。以产生的合成磁动势相等为原子，将三相静止绕组用两相相互独立的正交对称绕组代替。正交的含义是两相绕组在空间上互差90度，对称的含义是两相绕组的阻值和匝数一致。如图2-3所示，两相绕组、中通入两相平衡交流电流、所产生的旋转磁动势与三相绕组中的旋转磁动势在大小和转速上都相等。以上就是三相-两相变换，简称3/2变换。图2-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型根据变换前后总功率不变和合成磁动势相等，可推导出变换后的电流表达式为 （2-13）令为3/2变换的变换矩阵，那么 （2-14）根据线性代数的知识和可推导出两相

30、正交坐标系变换到三相坐标系（2/3）的变换矩阵 （2-15） 电压变换矩阵和磁链变换矩阵与电流变换矩阵相同。3. 静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）图2-4中除了、两个绕组系外，还有两个通以直流电流和、匝数相等的绕组d、q，绕组产生的磁动势大小与绕组所产生的大小相同。如果让坐标系旋转起来，其角速度与坐标系中磁动势F的角速度相同，那么交流电动机在这两个坐标系下的物理模型是等效的。这就是静止两相-旋转正交变换，简称为2s/2r变换。如果以旋转的铁心为参考，那么交流电动机就与直流电动机非常类似了。通过坐标变换，将交流电动机等效为直流电动机模型。图2-4 静止两相正交坐标系和旋转两相正交坐标系物

31、理模型根据变换前后总功率不变和合成磁动势相等，可推导出变换后的电流表达式为 （2-16）式中是旋转两相正交坐标系与静止两相正交坐标系空间角度差。令为2s/2r变换的变换矩阵，那么 （2-17）旋转两相正交坐标系变换到静止两相坐标系（2r/2s）的变换矩阵为 (2-18)4. 三相-两相旋转正交变换（3s/2r变换）2.3 异步电动机在旋转正交坐标系上的动态数学模型 异步电动机在两相静止坐标系和两相旋转坐标系下数学模型的计算方法相同。由于在两相旋转坐标系下，异步电动机的数学模型与直流电动机十分类似，所以值介绍它在两相旋转坐标系下的数学模型。运动方程与坐标变换无关，在任何坐标系下都是相同的。如图2

32、-5所示，将定子、转子的三相坐标系进行3/2变换得到2-5的a)图，由于转子是旋转的，所以转子的坐标系也是旋转的，旋转角速度为，是定子、转子坐标系在空间上的角度差；再对定子、转子坐标进行变换，使两者在同一个旋转正交坐标系dq上，dq相对于定子的旋转角速度为，是dq坐标系与坐标系在空间上的角度差。图2-5 定子、转子坐标系到旋转正交坐标系的变换a) 定子、转子坐标系 b) 旋转正交坐标系定子旋转变换阵为 （2-19）转子旋转变换阵为 （2-20）电压方程 （2-21）磁链方程 （2-22）转矩方程 （2-23） 旋转变换消除了定子和转子之间的相对运动，磁场定向控制就是通过选择来实现的。第3章 异

33、步电机动转子磁场定向矢量控制系统原理异步电动机按转子磁场定向矢量控制的思路是经过坐标变换，将三相坐标系变换为与转子磁链同步旋转的坐标系。在此坐标系中，可以得到交流电动机的等效直流电动机模型，用直流电动机的控制方法控制交流电动机的磁链和电磁转矩，将此坐标系中的变量反变换得到三相坐标系对应的变量，然后对三相坐标系对应的变量进行控制。3.1 转子磁场定向矢量控制基本方程式将与转子磁场同步的dq坐标系的d轴与转子磁链重合，得到按转子磁场定向的同步旋转正交坐标系，简称为mt坐标系。如图6-7，m轴对应d轴，t轴对应q轴。图3-1 静止坐标系与按转子磁场定向同步旋转正交坐标系以笼型异步电动机为研究对象，它

34、的转子是短路的，故；mt坐标系是按转子磁场定向得到的，2.3节中坐标系相对于定子的旋转角速度为等于dq相对于定子的旋转角速度为。将d改为m、q改为t式（2-21）可写成如下形式 （3-1）因m轴在转子磁场方向上，所以 （3-2）为了使m轴与转子磁场矢量一直重合，还应该满足 （3-3） 根据以上三个式子可推导出异步电动机在mt坐标系中的状态方程 （3-4）式中是转子电磁时间常数，由（3-4）的第三行可得到转子磁链为 （3-5）由（3-4）的第二行和式（3-3）可得mt坐标系的旋转角速度为 （3-6）定义mt坐标系和转子转速之差为转差角频率 （3-7）电磁转矩为 （3-8）由式（3-5）、（3-6

35、）可知，电磁转矩正比与转子磁链与定子电流转矩分量、转子磁链只由定子电流励磁分量有关，按转子磁场定向坐标变换实现了定子电流的解耦。3.2 转子磁场定向矢量控制思路在mt坐标系中，交流电动机的数学模型与直流电动机十分类似。其等效直流电动机模型如图3-2所示，交流电动机经过3/2和2s/2r变换后，得到一个一和位输入量、为输出的等效直流电动机。M绕组等效于直流电动机的励磁绕组，对应励磁电流，t绕组等效于电枢绕组，对应电枢电流。图3-1 异步电动机等效直流电动机模型由式（3-4）可知，电流的微分方程仍然存在着交叉耦合和非线性，在传动系统中电流的大小应随负载变化而变化，用电流采用闭环控制来解决这两个问题

36、。图3-2是电流跟踪控制的矢量控制原理图。根据转子磁链转速的给定值和与实际值和计算定子电流转矩分量和励磁分量给定值和，通过2r/2s变换得到和，在通过2/3变换得到、，最后经过电流闭环跟踪控制，得到输出到异步电动机的定子三相电流。图3-2矢量控制原理图上述按照思路可得到交流电动机矢量控制系统结构图，该系统采用电流闭环控制，如图3-3所示。由式（3-5）可知转子磁链是一个稳定的惯性环节，为减少系统运算量，转子磁链采用开环控制；转速采用闭环控制。FBS是一种速度传感器；ASR是转速调节器。图3-3 异步电动机电流闭环矢量控制系统结构图3.3 电流跟踪型逆变器原理逆变器的控制方法有正弦波脉宽调制（S

37、VPWM）和电流跟踪脉宽调制（CFPWM）两种方式。SVPWM是对电压波形进行控制，CFPWM是对电流波形进行控制，对于异步电动机应保证电流是稳定的正弦波，才能使电磁转矩保持不变，所以本文采用CFPWM。CFPWM有多种方法，本文采用最常用的电流滞环跟踪脉宽调制，英文缩写为CHBPWM。以异步电动机三相定子电流的A相为例，来说明电流滞环跟踪脉宽调制的原理，如图3-4所示。HBC是滞环比较器，环宽设定为；给定电流与实际输出电流相比较，当电流偏差超过时，HBC控制A相上（下）桥臂的功率器件动作。 图3-4 A相电流滞环跟踪控制原理图采用电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM波形，如图 3-

38、5所示。在t0时刻，且 =h,滞环控制器（HBC）输图3-5电流滞环跟踪控制时三相电流波形与相电压PWM波形出正电平，使上桥臂功率开关器件VT1导通，使输出电压为正，使增大。当增长到与，虽然=0，但HBC仍保持正电平输出，VT1保持导通，使继续增大。直到t=t1时刻，达到 =h，=-h，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断VT1，并经延时后驱动VT4。但此时VT4未必能够导通，由于电动机绕组的电感作用，电流不会反向，而通过二极管VD4续流，使VT4受到反向钳位而不能导通，输出电压为负。此后，逐渐减小，直到t=t2时， =h，到达滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使VT1导通。这样，VT1与

39、VD4交替工作，是输出电流快速跟随给定值，两者的偏差始终保持在h范围内。稳态时为正弦波，在上下做锯齿状变化，输出电流接近正弦波。负半波的工作原理与正半波相同，只是VT4与VD1交替工作。电流跟踪控制的精度除了与滞环的环宽有关，海域功率开关器件的最大允许开关频率有关。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用应用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。3.4 转子磁链计算、和和和、坐标变换的原则是旋转磁动势相同，除了要保证磁动势的大小相同，还要保证磁动势的空间位置相同。所以

40、转子磁链的计算对整个系统至关重要。目前，还没有直接检测转子磁链的实用方法，工程上多采用间接计算的方法，即用容易测量的电压、电流等信号，依据转子磁链的模型，不断地计算转子磁链的大小和空间位置。根据用到的信号的不同，可以把转子磁链的计算模型分为电流模型和电压模型。下面将分别进行介绍。1. 转子磁链计算的电流模型依据电流与磁链的磁链方程计算转子磁链的模型就是电流模型。在坐标系和mt坐标系中均能得到转子磁链计算的电流模型。（1）在坐标系中计算转子磁链将实际测得的三相定子的电流经过3/2变换坐标系中的电流和，然后利用坐标系中的动态数学模型式计算转子磁链在、坐标轴上的分量。 （3-7）由于坐标变换中用到了

41、转子磁链空间位置的正弦函数和余弦函数，所以转子磁链的大小和空间位置用下式表示 （3-8）由式（3-7）和（3-8）可知，即使运动系统到达稳定状态，因磁链、电流、电压均为正弦量，所以计算量很大。（2）在mt坐标系中计算转子磁链根据式（3-5）和式（3-6）来计算转子磁链：由以上两式可得到mt坐标系中计算转子磁链的电流模型，如图3-6所示。异步电动机三相定子电流、经过3/2变换得到两相电流图3-6 mt坐标系上转子磁链计算的电流模型，然后再进行同步旋转变换同时按转子磁场定向，得到mt坐标系上的直流电流和，根据以上两式可求得和，与速度传感器测到的速度相加得到转子磁链的旋转角速度，对进行积分得到转子磁

42、链的空间位置，就是坐标变换所需的变换角。当传动系统稳定时，磁链、电流、电压均为直流量，与坐标系相比，计算量较小，且容易收敛、计算更精确。在这两个坐标系中计算转子磁链均需要实际测量电动机的电流和转速，在任何转速下均能应用，但是容易受电动机参数变化的影响。例如电动机的频率和温升影响转子电阻，磁饱和影响电感、。这些参数的变化都会导致磁链大小和空间位置计算的不准确，进而影响整个系统的精度。2. 转子磁链计算的电压模型依据电压与磁链的磁链方程计算转子磁链的模型就是电压模型。只能在坐标系和中得到转子磁链计算的电流模型。根据异步电动机在坐标系中的电压方程和磁链方程可推导出计算转子磁链的电压模型为 （3-9）

43、式中根据式(3-9)得到转子磁链计算的电压模型如图3-7。异步电动机三相图3-7 转子磁链计算的电压模型定子电流、和三相定子电压、经过3/2变换得到两相电流和两相电压、，然后计算得到定子磁链，根据定子磁链计算出转子磁链。电压模型不需要转速，而且只与定子电阻有关，与转子电阻无关。与电流模型相比，它收电动机参数影响较小，且容易计算。但是电压模型存在纯积分环节，积分项的初值和累计误差都会对计算结果产生影响，而且低速时定子电阻压降较大。 总体来说，电流模型适用于任何转速，但受电动机参数影响较小；电压模型适用于中高速场合。由于本设计是在MATLAB/Simulink中进行仿真，电动机的参数是不变的，所以

44、本设计采用电流模型来计算转子磁链。23 第4章 系统仿真模型的建立4.1 MATLAB/Simulink简介八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析、研究和设计的有利工具。随着电机控制系统越来越复杂，不断有新的控制算法被采用。仿真是对其进行研究的一个重要的不可缺少的手段，而采用何种语言将对仿真是否方便、仿真速度是否容易收敛和计算精度产生影响。MATLAB语言在其仿真研究中被成功方便地应用在电机系统的研制过程中。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起实际的电机及其传动、控制的仿真模型，在计算机中，再以这个模型在人为模拟的环境或条件下进行研究，替代真实电机在实际场合下的运行实验，既

45、可得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。一般而言，对控制系统进行仿真，首先应建立系统模型，然后根据模型编制仿真程序，利用计算机对其进行数据求解并将结果加以显示，显然，通常在仿真模型中，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序，而MATLAB的为系统仿真提供了强有力的支持，是一个非常先进而且使用便利的优秀仿真软件。MATLAB语言既是一种“演算纸式”的用于科学工程计算的高级语言，又是一种功能极其强大的辅助工具（如：模型仿真、图象处理和internet网络功能）。它有以下特点：(a)用户使用方便，编程效率高，语言简单，内涵丰富，易学易用；(b)高效方便的矩阵和数组运算；(c)极其方便的绘图功能

46、；(d)带有SIMULINK动态仿真工具及Toolbox等其它功能；(e)扩充能力强。MATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图及其它强大的功能，成为当今国际控制界应用最广，也是最受人们喜爱的一种软件环境。MATLAB是一个高度的集成系统，随着它的版本不断更新，软件功能也不断扩充与完善，在科学和工程计算中将会有更广阔的应用前景。MATLAB语言非常适合电机控制领域内的仿真及研究，在某些问题的研究中MATLAB及SIMULINK能带来极大的方便并使效率极大提高。SIMULINK仿真软件最大的特点是非常直观，直接面向“方框图”。它可完成

47、控制系统模型输入与仿真分析，在SIMULINK界面下，可以直接用鼠标“画”出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或线性化分析。这样无论多么复杂的系统，相当容易且直观地就可完成模型的输入和仿真计算。仿真过程中和结束后都有示波器供查看、分析。所有数据都在内存，可存贮在磁盘中。SIMULINK仿真软件工具带有相应的系统模型库，当进行模型输入时可方便地调用这些模块。各种实用工具箱（Toolbox）同时也提供大量模块，可直接调用，例如：通讯工具箱就提供150多个SIMULINK模块。而MATLAB的工具箱，为不同领域内使用MATLAB的研究开发者提供了一条捷径。SIM

48、ULINK仿真软件的核心是S函数。用户建立起SIMULINK系统模型就会建立一个相应的S函数，这样建立的S函数除了用来对原始模型进行描述以外，还可以绘制出系统的框图结构，所以程序会显得很繁琐。用户如果不想再绘制系统的结构图，而只想对系统进行仿真分析，则可用如下S函数，其引导语句格式为：functionsys,x0=model(t, x, u, flag）model()为模型函数的函数名，t, x, u为对应于状态方程模型的时间、状态向量和输入向量，flag为选项位，用于标识该函数的返回结果。MATLAB提供的SIMULINK是一个用来对动态系统建模，仿真和分析的软件包。它支持线性和非线性系统、

49、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。它具有相对独立的功能和使用方法。SIMULINK的出现使得仿真工作以结构图的形式加以进行。它提供各种功能模块，包括了连续系统(Continuous )、离散系统(Discrete )非线性系统(Nonlinear)几类基本系统构成模块，还包括连接、运算类模块:函数与表(Functions Tables )、数学运算模块(Math )、信号与系统（Signals Systems )。而输入源模块(Sources)和接收模块(Sinks)则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。便于用户对模型进行仿真和分析。用户只要从模块库中拖

50、放合适的模块组合在一起，(也可以是自己的系统)，就可以直接对它进行仿真。可以选择合适的输入源模块作为信号输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性。各种数值算法，仿真步长等重要参数可通过方便易用的对话框确定，十分简捷，同时可以借助模拟示波器将仿真动态结果加以显示，省去了以往仿真研究中的大量手工编程过程，避免了编程错误造成的数值不稳定，计算结果错误等不该发生的意外事件出现，大大提高了算法研究与实际应用的效率和可靠性。它与传统的用微分方程和差分方程的仿真软件包相比，具有更直观，方便，灵活等优点。4.2 仿真模型建立根据图3-3所示的原理图在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型如图4

51、-1。该仿真模型的主电路由电动机模块、逆变器模块和直流电源组成。控制回路由速度调节器、2r/2s、2s/2r、转子磁链计算模块、PWM产生模块组成。转子磁链采用开环控制。图4-1 异步电动机转子磁场定向系统仿真模型主电路中的逆变器采用SimPowerSystems库中的Universal Bridge，异步电动机采用SimPowerSystems库中的Asynchronous machine。按照式 建立的仿真模型就是3s/2r模块，如图4-2：图4-2 3s/2r变换仿真模块按照式 建立的仿真模型就是3s/2r模块，如图4-3：图4-3 2r/3s变换仿真模块 转速调节器ASR采用PI调节器

52、，其仿真模型如图4-4：图4-4 转速调节器 采用电流滞环PWM来控制逆变器，采用这种方法，控制简单，动态响应加快，其仿真模块如图4-5所示：图4-4 电流滞环PWM模块 依据式（3-5）、（3-6）建立异步电动机转子磁链计算的仿真模型，如图4-5，a)图是转子磁链幅值计算模型，b)图是转子磁链空间角度计算模型。a) 转子磁链幅值计算模型b) 转子磁链空间角度计算模型图4-5 转子磁链计算模块第5章 仿真结果及分析5.1 参数设置 5.2 仿真结果5.2 结果分析32 结论【结论两字格式不需修改。直接在标题下空一行添加内容即可。】结论是对整个研究工作进行归纳和综合而得出的总结，对所得结果与已有结果的比较和课题尚存在的问题，以及进一步开展研究的见解与建议。结论要写得概括、简短。洛阳理工学院毕业设计论文谢 辞【下空一行直接添加致谢内容。】致谢应以简短的文字对在课题研究和设计说明书（论文）撰写过程中曾直接给予