基于MATLAB异步电机矢量控制的仿真研究

1、 学科分类号：_湖南人文科技学院本科生毕业论文题 目：基于MATLAB异步电机矢量控制的仿真研究学生姓名： 张 瑜 学号 06421107 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 自动化2006级 指导教师： 罗良才 李新君 职 称： 教授 助教 湖南人文科技学院教务处制湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果

2、由本人承担。 作者签名： 二 年 月 日基于MATLAB异步电机矢量控制的仿真研究摘 要：矢量控制的交流变频调速系统具有非常好的性能和效率，在许多要求高性能和高精度的场合，矢量控制体现出来了其巨大的优势。对于电气传动系统的研究，往往会遇到数学物理计算的难题，难于得到比较贴近实际系统的模型，随着计算机的飞速发展，建立比较理想的模型成为可能。利用强大的仿真工具，通过建立逼真的仿真模型，对复杂问题进行综合分析、比较和优化处理，得到系统模型的各项参数。对模型进行仿真，得到精确的图形和实验数据，为科学决策提供了非常可靠的依据。文章首先介绍了交流系统的发展历史以及目前的发展现状，概述了矢量控制的基本概念，

3、论文研究的内容、目的和意义。接下来对异步电动机数学模型的建立进行了详细的推导，得到了合理可行的数学模型。然后是本文的重点部分，构建出了矢量控制系统的具体模型，并对系统进行实验仿真，研究了系统的静态特性、动态特性、有扰动情况以及系统参数变化时对系统性能的影响。论文最后对仿真的结果进行了详细的分析和总结，为系统的改进奠定了坚实的基础。关键词：异步电机；SPWM；矢量控制；仿真Based on MATLAB Induction Motor Vector Control SimulationAbstract：Vector control of AC variable speed system has

4、a very good performance and efficiency, in many occasions that require high performance and high precision vector control manifested in its great advantage.Research on electric drive system often encounters problems of mathematical physics calculations,so it is difficult to get close to the actual s

5、ystem model. With the rapid development of computer,establishing an ideal model become possible. Through using powerful simulation tools,establishing of realistic simulation model,to analyse,compare and optimize complex issues comprehensively,then obtained the parameters of the system model.Simulate

6、 the model to get accurate graphics and experimental data provides the scientific decision a very reliable basis.The article first describe the AC system development history and current development status, briefly introduce the basic concepts of vector control, the content that the paper studies,the

7、 purpose and the meaning.Next derived the mathematical model of induction motor detailedly and got the reasonable and feasible model. Then the key part of this paper, constructed a specific model of vector control system, and simulated the system to study the systems steady-state characteristics,dyn

8、amic characteristics, the disturbance and the influence on the system performance when system parameters change.Finally analysed and summarized the simulation results detailedly,which laid a solid foundation on improvements of the system. Key words: induction motor; SPWM; vector control; simulation目

9、 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc260306764 第1章绪论 PAGEREF _Toc260306764 h 1 HYPERLINK l _Toc260306765 1.1异步电机交流调速系统概述 PAGEREF _Toc260306765 h 1 HYPERLINK l _Toc260306766 1.2论文的研究目的及意义 PAGEREF _Toc260306766 h 3 HYPERLINK l _Toc260306767 1.3论文的主要研究内容 PAGEREF _Toc260306767 h 4 HYPERLINK l _Toc26030676

10、8 第2章异步电机的数学模型 PAGEREF _Toc260306768 h 5 HYPERLINK l _Toc260306769 2.1异步电机工作原理简述 PAGEREF _Toc260306769 h 5 HYPERLINK l _Toc260306770 2.2异步电机数学模型的建立 PAGEREF _Toc260306770 h 6 HYPERLINK l _Toc260306771 2.2.1异步电机的基本方程 PAGEREF _Toc260306771 h 6 HYPERLINK l _Toc260306772 2.2.2三相异步电机的数学模型 PAGEREF _Toc2603

11、06772 h 8 HYPERLINK l _Toc260306773 2.3异步电机在两相坐标系上的数学模型 PAGEREF _Toc260306773 h 8 HYPERLINK l _Toc260306774 2.3.1异步电机在二相静止坐标系上的数学模型 PAGEREF _Toc260306774 h 8 HYPERLINK l _Toc260306775 2.3.2异步电机在d、q坐标系上的数学模型 PAGEREF _Toc260306775 h 9 HYPERLINK l _Toc260306776 第3章异步电机矢量控制系统的仿真研究 PAGEREF _Toc260306776

12、h 11 HYPERLINK l _Toc260306777 3.1矢量控制的基本概念及特点 PAGEREF _Toc260306777 h 11 HYPERLINK l _Toc260306778 3.1.1矢量控制的概念 PAGEREF _Toc260306778 h 11 HYPERLINK l _Toc260306779 3.1.2矢量控制的特点 PAGEREF _Toc260306779 h 13 HYPERLINK l _Toc260306780 3.2仿真工具 PAGEREF _Toc260306780 h 14 HYPERLINK l _Toc260306781 3.2.1MA

13、TLAB的简介 PAGEREF _Toc260306781 h 14 HYPERLINK l _Toc260306782 3.2.2MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用 PAGEREF _Toc260306782 h 15 HYPERLINK l _Toc260306783 3.3异步电机矢量控制系统的仿真 PAGEREF _Toc260306783 h 16 HYPERLINK l _Toc260306784 3.3.1SPWM变频调速矢量控制的实现 PAGEREF _Toc260306784 h 16 HYPERLINK l _Toc260306785 3.3.2仿真结构图 PA

14、GEREF _Toc260306785 h 18 HYPERLINK l _Toc260306786 3.3.3仿真模型的验证 PAGEREF _Toc260306786 h 20 HYPERLINK l _Toc260306787 3.3.4矢量控制系统仿真 PAGEREF _Toc260306787 h 23 HYPERLINK l _Toc260306788 第4章扰动和系统参数变化对系统性能的影响 PAGEREF _Toc260306788 h 27 HYPERLINK l _Toc260306789 4.1外界扰动对系统性能影响的分析 PAGEREF _Toc260306789 h

15、27 HYPERLINK l _Toc260306790 4.2系统参数改变对系统性能的影响分析 PAGEREF _Toc260306790 h 27 HYPERLINK l _Toc260306791 第5章总结和展望 PAGEREF _Toc260306791 h 29 HYPERLINK l _Toc260306792 致谢 PAGEREF _Toc260306792 h 30 HYPERLINK l _Toc260306793 参考文献 PAGEREF _Toc260306793 h 31绪论交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异

16、步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。随着交流传动系统的飞速发展，交流调速系统正以良好的动态、静态性能广泛应用于工业生产的各个领域，打破了过去传动领域内直流调速系统所占的统治地位。二十一世纪将是交流调速占统治的时代。异步电机交流调速系统概述现代交流电机变频调速系统的发展，主要经历了以下几个阶段：早期通用变频器，大多数为开环恒压频比的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低。缺点是系统控制的异步电机矢量控制以及调速性能不高，比较适合应用

17、在风机、水泵等场合，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电磁转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差。八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量法（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制，它通过引入频率补偿控制，消除速度控制稳态误差，基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对调速性能的影响。实现输出电压、电流闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时在一定程度

18、上获得电流波形的改善。这种控制方法的另一个优点是对再生过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。近年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展，先进的电机控制理论（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）被广泛应用，变频装置中的电力电子器件性能大大提高，同时核心控制计算机从16位机发展到32位机，并且普遍使用高速数字信号处理器(DSP)进行复杂的控制算法运算，实现了快速运算和高精度控制。现代的数字化控制变频调速系统噪声大大降低，元器件大幅度减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使系统更加可靠。同时系统在调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率和使用的方便性等方面都是其

19、它交流调速方式不可比拟的。目前全数字化控制变频调速系统的电流响应可达到0.10.7ms，速度响应可达到24ms，足以满足传动领域的要求。当前，数字化变频调速控制系统中普遍使用的控制方式是PWM矢量控制方式（包括电压矢量、磁通矢量和磁场定向等），图1.1示给出了矢量控制调速系统的结构图。矢量控制能够对电压、电流以及它们产生的磁势、磁链的瞬间值进行控制，并且能够实现磁通和转矩的解耦，从而大大提高电机的动、静态性能。使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系统，成为主要的传动装置。例如现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了交流调速系统。图1.1矢量控制调速系统的结构图矢量控制理论解决了交流电机的

20、转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视2。随着现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、神经元控制、模糊控制等各种新的控制策略正在

21、不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。论文的研究目的及意义电机及其控制在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都大量地使用各种各样的电机。电机是电能应用的主要形式，是应用最广泛的电能到机械能的变换装置，世界上超过60%的发电量用于驱动各种各样的以电动机为原动机的电力传动装置与系统。在以满足生产工艺要求为目的的调速控制方面，直流电机调速系统占据主导地位。但是直流电机本身在机构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂，制造复杂，制造费时，价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及换向器的机

22、械强度不高，电刷易于磨损等问题的存在，在运行中需要有经常性的维护检修：对环境要求也比较高，不能使用于化工、矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易燃、易爆气体的场合。而交流调速系统具有众多的优点，如：交流电动机特别是鼠笼型异步电动机的价格远低于直流电动机，而且结构简单，重量轻，制造方便，坚固耐用，惯性小；可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小；使用场合没有限制，能在恶劣的甚至是含有易燃易爆性气体的环境中安全运行；单机容量远大于直流电动机。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机要广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上。在整个交流调速中占有重要的地位。矢

23、量控制理论很好的解决了交流电机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。使交流调速系统发生了质的飞跃，逐步取代直流调速系统，成为主要的传动装置。例如，现代高速列车、地铁、电动汽车等都采用了交流调速系统。实际生活系统往往是动态的、复杂的。本文论述了使用MATLAB软件中SIMULNIK仿真工具对异步电机SPWM矢量控制系统的仿真与研究。通过建立仿真模型，很好的对系统的各种参数进行设置，不断的实验、测试，以至达到较好的系统性能。论文的主要研究内容本文介绍了交流调

24、速系统的概况和矢量控制的基本概念并分析其特点；利用MATLAB软件建立异步电动机矢量控制的数学模型并进行仿真，从而研究系统的动静态性能；分析研究在有扰动和系统参数变化等因素影响下对系统性能的影响；在前人研究的基础上，根据系统的仿真结果对现有的控制算法进行一些改进，使系统具有更好的动静态性能。 异步电机的数学模型异步电机工作原理简述三相异步电机的工作原理就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转子绕组内所产生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。其工作原理如图2.1所示。图2.1 三相异步电动机的工作原理定子的旋转磁场的转速n0由下式决定： (2-1)式中：f 电源的频率；

25、p 旋转磁场的磁极对数。 当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电势，在转子绕组中产生转子电流。转子的旋转速度（即电动机的转速）总是比旋转磁场的旋转速度 （称为同步转速）小，转子和旋转磁场之间的转速差n0-n与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即： (2-2)转差率S是分析异步电动机运行情况的主要参数。由式2-1及2-2可得到三相异步电动机的转速表达式为： (2-3)三相异步电动机的调速方法有： (1) 改变极对数p；(2) 调节电源频率f；(3) 使电动机的转差率发生变化。异步电机数学模型的建立设计研制一个品质优良的系统，要确定最佳的控制方式，都必须对系统的静态和动

26、态特性进行充分的研究。交流电机是交流变速传动系统中的一个主要环节，其静态和动态特性以及控制技术远比直流电机复杂，而建立一个适当的异步电机数学模型则是研究交流变速传动系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础。异步电机的基本方程1、电压方程三相定子绕组电压平衡方程式为： (2-4) (2-5) (2-6)三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为： (2-7) (2-8) (2-9)式中，定子和转子相电压的瞬时值；，定子和转子相电流的瞬时值； ，各相绕组的全磁链；，定子和转子绕组的电阻。p微分算子，代替微分符号d/dt. 上述各量都己折算到定子侧。将电压方程用矩阵形式表示可写成： (2-10)电压方

27、程也可写为： (2-11)2、磁链方程式每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组磁链可表达为： (2-12)或写成 (2-13)式中L是66阶的电感矩阵，其中对角线元素，是各相关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。把磁链方程式(2-9)代入电压方程式(2-7)，则得展开后的电压方程为：(2-14)式中Ldi/dt项属于电磁感应电动势中的变压器电动势，项属于电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势。3、运动方程式作用在电动机轴上的转矩与电动机速度变化之间的关系可以用运达，一般情况下，电气传动系统的运动方程式为： (2-15)式中负载阻力矩，机组的转动惯量，

28、转子旋转电角速度，D旋转阻尼系数，K扭转弹性转矩系数。对于恒转矩负载，D0，K=0，则： (2-16)三相异步电机的数学模型将上述式(2-11)式(2-13)归纳起来便构成在恒转矩负载下三相异步电动机的多变量非线性数学模型： (2-17) (2-18) 由以上方程式可知，异步电机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程式中，既有三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程式中磁场与定、转子电流之间的相互影响。其根源在于它有一个很复杂的电感矩阵。通常需要用坐标变换的方法加以改造，最后得出与三相异步电机等效的直流电机模型。异步电机在两相坐标系上的数学模型异步电机在二相静止坐标系上的数学

29、模型电压方程： (2-19)其中，电机同步角频率，电机转差角频率，电机转子的电气角速度；，、轴定子电压，、轴转子电压，、轴定子电流，、轴转子电流；，定、转子电阻；定、转子间的互感，定、转子自感；磁链方程： (2-20)其中，、轴定子磁链，、轴转子磁链。转矩方程： (2-21)电磁转矩异步电机在d、q坐标系上的数学模型此时，d轴与转子磁场方向重合。转子磁通d轴分量为，q轴分量为零。电压方程： (2-22)其中，d、q轴定子电压，d、q轴转子电压；，d、q轴定子电流，d、q轴转子电流。磁链方程： (2-23)其中，d、q轴定子磁链，d、q轴转子磁链转矩方程： (2-24)电磁转矩运动方程： (2-

30、25)其中电机极对数，机组转动惯量，电磁转矩，负载转矩。 异步电机矢量控制系统的仿真研究矢量控制的基本概念及特点矢量控制的概念异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究其数学模型时所做的假设为：(1)忽略空间谐波，认为三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；(2)忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的；(3)忽略铁芯损耗；(4)不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。图1.2为矢量控制中异步电机的物理模型。其中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴，转子绕组a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴之间的电角度为空间角位移变量。图1.2矢量控制中

31、异步电机的物理模型异步电机定子通过三相电流iA、iB、iC和两相垂直的电流i、i可产生等效的旋转磁场。因而三相电流iA、iB、iC和两相电流i、i之间存在着确定的矢量变换关系。以产生同样的旋转磁场为准则，在三相定子坐标系下的定子电流iA、iB、iC通过三相二相坐标变换可以等效成两相静止坐标系下的交流电流i、i。再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流id、iq。图1.3为异步电机的几个坐标系的关系。图1.3异步电机的坐标系这样就实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁通和转矩分别控制的目的。d-q绕组相当于直流电机的励磁绕组和电枢绕组，电机

32、在同步旋转坐标系d、q上的物理模型如图1.4所示。图1.4 同步旋转坐标系上的异步电机物理模型由于这些被控矢量在物理上不存在，我们还必须再经坐标变换，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。整个矢量控制过程可用图1.5框图所示。图1.5 矢量控制过程框图其中，从三相静止坐标系A、B、C系变换到两相静止坐标系、系的坐标变换矩阵(3s/2s变换)为： (1-1)从两相静止坐标系、系变换到两相旋转坐标系d、q系的变换矩阵（旋转变换）为： (1-2)矢量控制的特点矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行

33、检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。采用矢量变频器异步电机变频调速是可以达到控制结构简单，可靠性高的效果。其特点主要表现在以下几个方面：(l)可以从零转速起进行速度控制，调速范围广；(2)可以对转矩实行较为精确控制；(3)系统的动态响应速度快；(4)电动机的加速度特性好。 仿真工具MATLAB的简介八十年代以来，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。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起电机及其传动、控制的仿真模型，再以这个模型在计算机内人为模

34、拟的环境或条件下的运行研究，替代真实电机在实际场合下的运行实验，既可得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。MATLAB是美国Mathworks公司自1984年推出的一种使用简便的工程计算语言，它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，在这里可以实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发（包括图形用户界面设定）等等功能，而且，MATLAB提供的工具箱为各行各业的用户提供了丰富而实用的资源。MATLAB语言具有以下特点：1.功能强大MATLAB不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面

35、也有着其他类似软件难以匹敌的优势。此外，MATLAB的Notebook为用户提供了把数学和文字进行统一处理的功能，而MATLAB的SIMULINK功能则将其应用扩展到各行各业的仿真领域。不仅如此，公司更推出了针对各专业应用的MATLAB工具箱。2.界面友好、编程效率高MATLAB是一种以矩阵计算为基础的程序设计语一言，其指令表达方式与标准教科书的数学表达式非常接近。用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算要求输入表达式，MATLAB将为用户计算出结果。此外，使用语言设计的程序，其编译和执行速度远远超过了传统的C语言设计的程序，可以说，MATLAB在工程计算方面的编译效率远远高于其它编程语

36、言。3.扩展性强MATLAB的重要特点之一就是其可扩展性，这个特点使得用户能够自由地开发自己的应用程序，这些年来，许多使用MATLAB的数学家、工程师和科学家已经开发出相当多的不同应用领域的应用程序。MATLAB的这些特点使它获得了对应用学科，特别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以及教学等不可缺少的基础软件。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、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

37、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(Continues)、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&System)。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信号输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特

38、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。MATLAB中的SIMULINK仿真模块的使用启动SIMULINK只需在MATLAB的命令窗口键人“SIMULNIK”命令，此时出现一个SIMULINK窗口。这个窗口包含7个模块库，它们分别是信号源模块库(sources)、输出模块库(Sinks)、离散模块库(Diserete)、线性模块库(Linear)、非线性模块库(N

39、onlinear)、连接与接口模块库(Connections)和扩展模块库(Extrax)。建立一个控制系统结构框图,则应选择文件(File)中的新文件(New)菜单项，这样SIMULINK就会自动打开一个空白的模块编辑窗口，允许用户输人自己的模块框图。只要从各模块库中取出模块，定义好模块参数。将各模块连接起来，然后设置系统参数，如仿真时间、仿真步长和计算方法等。模块的取出可以采用在模块库中选中模块后拖动到编辑窗口的复制方法。连接两个模块是相当容易，简单地用鼠标左键先点一下起点模块的输出端（三角符号），然后拖动鼠标器。这时就会出现一条带箭头的直线，将它的箭头拉到终点模块的输入端再释放鼠标左键，

40、则SIMULNIK会自动产生一条带箭头的连线，将两个模块连接起来。如果连线出现错误，可以使用鼠标左键选中该线，然后再使用Edit中cut命令将该线删除掉。定义模块参数采取用鼠标左键双击模块图标的办法，即可得到模块参数设置对话框。选择Start命令可以启动仿真程序，在仿真结束时，计算机会用声音给予提示，可以通过虚拟示波器Scope观察系统仿真结果输出。把Scope连接到任何你想观测的点，调整好Scope的扫描量程与显示幅值量程，同时调整Scope的窗口大小及位置，观察系统的仿真过程13。异步电机矢量控制系统的仿真SPWM变频调速矢量控制的实现方程(2-16)(2-22)构成了一个完整的异步电机矢

41、量变换模型，然而在矢量控制系统中，被控量是定子电流，因而必须从上述数学模型中找到定子电流的两个分量，即励磁分量与转矩分量与其它物理量的关系。从式(3-19)(2-20)可以推导出： (3-1)对于恒磁通控制，则有： (3-2)进一步推导还可以得出： (3-3) (3-4) (3-5)集合式(3-1)、(3-2)、(3-3)和式：可以得到原理型异步电机矢量变换模型，如图3-1所示。利用MATLAB下的SIMULINK模块库可以比较方便的得到异步电机的仿真模型。其中有建立在静止坐标、坐标系下，两相同步旋转坐标M、T坐标系下的电机仿真模型等。应用状态方程直接得到异步电机仿真模型。将方程(2-16)改

42、变成状态方程(3-6)。图3.1异步电机矢量变换原理模型(3-6)再通过上述式(2-1)、(2-2)的3/2、2/3变换得到输入为三相电压，输出为电机的转速、转矩信号的异步电机的仿真模型，如图3.2所示。图3.2异步电机矢量控制仿真结构图仿真结构图进行矢量控制，首先得把电机的定子三相电流、电压、磁链等经过坐标变换，变到静止的，两相坐标系，然后再由，两相坐标系转换到以转子磁场定向的M、T两相旋转坐标系。进行这些变换以及反变换可以通过专门的电路或者是微处理器来实现。这里我们使用MATLAB工具箱中的SIMULINK先予以仿真1。异步电机矢量控制系统由四个子系统构成：主 Subsystem ,Sub

43、system 3s/2r、Subsystem 2s/3r、subsystem U/I的仿真结构图如图3.33.6所示。图3.3 主subsystem仿真结构图图3.4 3s/2r转换模块图3.5 U/I转换模块图3.6 2r/3s转换模块仿真模型的验证为了验证仿真模型的正确性，本文采用了北京电机总厂生产的3KW ( =3KW)、4极(2)、Y系列三相异步电机来进行稳态和动态的验证。电机实测参数为：=1420r/min，=21.45n.m，=6.8A，=3.27A，=1.898，=1.45，196mH，=196mH，=l87mH，=0.0067，=135.2ms。把、等电机参数代入图3.2所示的

44、电机仿真模型中，得到如附录所示的仿真模型图，并进行相应的仿真实验。1、异步电机机械特性的仿真曲线=0时，转速和电磁转矩之间关系如图3.7所示：图3.7 TL=0时，转速和电磁转矩之间关系2、异步电机仿真模型的稳态和动态的仿真a.稳态仿真给图3.2所示模型中的电机定子施加三相380V、50Hz的额定电压，预先施加励磁信号，带额定负载直接从静止启动，进入稳态后，电机仿真曲线如图3.8所示。(a)(b)(c)图3.8 电机稳态仿真曲线从仿真曲线可以看出，电机进行全压启动时，在0. 4秒内的速度、转矩等瞬态值基本趋于稳定而进入了稳态过程。这说明了电机启动性能好，电机很快完成了全压启动过程。在额定负载下

45、，实际转速(n=1437.42r/min)略比额定值高的原因是仿真模型中忽略了铁心损耗及风阻等因素的影响。b.动态仿真给图3.3所示模型中的电机定子施加三相380V、50Hz的额定电压，空载直接启动，过1秒后突加10N.m负载，过2秒后突加5N.m负载，过3秒后突减10N.m负载，总的转动惯量为0.009kg.m2，电机动态过程仿真中的各主要物理量的变化曲线如图3.9所示。(a)(b)(c)图3.9 电机动态仿真曲线从仿真曲线可以看出，异步电机进行空载启动时，转子以同步转速进行运转，随着负载增加，转速有所降低，转差率s增大，这时转子电流增大，以产生增大的电磁转矩与负载平衡。随着负载的减小，转速

46、有所增加，转差率s减小，这说明电机自适应能力强。另外在增加或减少负载的情况下，实际转速有所减少或增加而且能很快稳定下来，这说明转速的稳定性好。在最初启动的0.1秒内，转矩和转速的波动不会有仿真结果那么大，这主要是由于假设在瞬态过程中电动机参数与稳态运时相同，这与实际情况有出入，因为没有考虑电机在瞬态大电流下的饱和效应。在0.1秒以后，瞬态转矩与瞬态转速的波动趋于平稳，这基本与实际情况相符，因为这是电机的饱和程度己大大降低，电机的参数己接近稳态参数。通过SIMULNIK仿真可以看到此模型的正确性。此模型是显示电机的定子电压、电流及转子磁链；能显示电磁转矩、负载转矩、电机转速、同步角频率、转差角频

47、率等许多电机的物理量。可以方便地用于电机及控制系统的动态研究。矢量控制系统仿真异步电动机矢量控制系统的结构图如图1.1所示，异步电机的仿真模型结构如图3.2所示，系统仿真是利用SIMULINK仿真软件在系统结构上进行的。电机参数为： =3KW，2，=1420r/min，=21.45n.m，=6.8A，=3.27A，=1.898，=1.45，196mH，=196mH，=l87mH，=0.0067，=135.2ms。转速阶跃给定为1500r/min，2秒后突加2N.m负载，4秒后突减15N.m负载，6秒后突加25N.m负载，8秒后突减20N.m负载，电机动态过程仿真中的各主要物理量的变化曲线如图3

48、.10所示。(a)(b)(c)图3.10 电机动态过程仿真中的各主要物理量的变化曲线转速阶跃给定为1500r/min，带10N.m的负载启动电动机，1.5秒后突加10N.m负载，2.5秒后突减5N.m负载，电机动态过程仿真曲线如图3.11所示。(a) (b)(c)图3.11 电机动态过程仿真曲线从仿真曲线可以看出，上升时间约为0.2秒，超调量小，稳态精度高，在0.3秒以内，速度、转矩和电流已基本达到稳定。对负载变化波动小，并且很快达到稳定。对给定值具有良好的动静态跟踪能力，控制系统的各个部分协调运行。 扰动和系统参数变化对系统性能的影响外界扰动对系统性能影响的分析由图3.8分析得电机进行全压启

49、动速度、转矩等瞬态值基本趋于稳定而进入了稳态过程。体现出电机良好的启动性能，电机在非常短的时间内很快完成了全压启动的整个过程。在额定负载下略比额定值高，在实际的矢量控制系统中存在着铁心损耗、器件之间的摩擦等因素的影响。图3.9所示仿真曲线可以看出，异步电机进行空载启动时，转子以同步转速进行运转，随着负载增加，转速有所降低，转差率s增大，这时转子电流增大，以产生增大的电磁转矩与负载平衡。随着负载的减小，转速有所增加，转差率s减小，这说明电机自适应能力强。另外在增加或减少负载的情况下，实际转速有所减少或增加而且能很快稳定下来，这说明转速的稳定性好。在最初启动的0.1秒内，转矩和转速的波动不会有仿真

50、结果那么大，这主要是由于假设在瞬态过程中电动机参数与稳态运行时相同，这与实际情况有出入，因为没有考虑电机在瞬态大电流下的饱和效应。在0.1秒以后，瞬态转矩与瞬态转速的波动趋于平稳，这基本与实际情况相符，因为这是电机的饱和程度己大大降低，电机的参数己接近稳态参数。经过在不同负载情况下，比较电机各项性能指标，负载的变化直接影响着电磁转矩、负载转矩、电机转速、同步角频率、转差角频率等许多电机的物理量并且定子电压、电流及转子磁链也会发生相应的变化，所以在系统设计时，必须充分考虑负载对系统性能的影响。通过SIMULNIK仿真可以看到此模型的正确性。此模型是显示电机的定子电压、电流及转子磁链；能显示电磁转

51、矩、负载转矩、电机转速、同步角频率、转差角频率等许多电机的物理量。可以方便地用于电机及控制系统的动态研究。系统参数改变对系统性能的影响分析选择合适的系统参数，实现磁场定向控制，需要测出转子磁链的幅值和相位，但是磁链是电动机内部的物理量，直接检测在技术上难以实现。因此，多采用间接观测的方法，即检测与磁链有关的电动机运行参数，如定子电压、电流或转速等，然后根据电动机的动态数学模型，通过运算，实时计算转子磁链的幅值和相位。此外也可以根据系统运行的指令值、检测到的转子位置信号或转子速度信号，通过计算求得磁链的幅值和相位。同时利用能够实际测量的物理量的不同组合，可以得到不同形式的各有利弊的转子磁链观测模

52、型。矢量控制的变频调速系统亦是如此。如果为了选优，建立几种调速系统进行比较或对一种系统建立不同的调速方案进行实际比较必然会浪费太多的人力和物力，若是应用系统仿真的方法进行优选，这就是系统仿真方法具有可控性、无破坏性、安全、不受外界条件的限制等优点的体现，它能通过建立逼真的仿真模型和在计算机上反复的仿真试验，对复杂问题进行综合分析和比较，从而为科学决策提供可靠的依据。它除实现复杂的控制规律外，也便于故障监视、诊断和保护、人机对话等功能的实现。在仿真时如果发现系统性能不理想，则可用人机对话的方式改变控制器的参数、结构以至改变控制方式，直到满意为止。这样得到的参数可直接加在系统上，避免了实际调试的盲

53、目性及发生故障的可能性。系统仿真可显示和打印各种工况下的运行特性。所以系统参数的选择就占据着举足轻重的地位。系统参数的设置很大程度上决定着矢量控制系统的总体性能，从3.10图可以看出，尽管外界负载发生了显著的变化，但电机的速度、转矩和电流在0.3秒以内就达到了稳定，稳态精度高，而且超调量小，对负载变化波动也小，并且很快达到稳定。体现出了对给定值的良好动静态跟踪能力，此时的系统参数是比较理想的，充分发挥了系统的性能。 总结和展望本文在查阅大量文献的基础上，分析了近年来矢量控制在现代电气传动领域中运用的状况，并通过仿真实验研究了矢量控制系统在交流调速系统中的应用。本文前部分对矢量控制系统做了详细的

54、数学推导和分析，建立了矢量控制系统的SIMULINK仿真模型。在得到交流电动机矢量控制部分的仿真模型的前提下，应用MATLAB软件中强大的SIMULINK仿真工具进行大量的仿真实验验证了模型的正确性。通过仿真实验研究了系统的稳态特性、动态特性、有扰动情况以及系统参数变化等因素对系统性能的影响。仿真实验结果表明了通过矢量变换建立的电机模型的正确性、有效性。同时分析了系统在空载加扰动，满载加扰动等多种情况下系统的静态特性和动态特性。系统仿真表明，适当地选取调节参数和合适的仿真参数，可使该系统得到良好的动态性能，系统的动态响应快，超调量小，抗干扰能力强，对给定值具有良好的动态跟踪能力，控制系统的各个部分协调运行，实现了优化，获得了具有理想性能的调速系统。在应用MATLAB进行系统仿真时，如果发现系统性能不理想，则可用人机对话的方式改变控制器的参数、结构以至改变控制方式，直到满意为止。这样得到的参数可直接加在系统上，避免了实际调试的盲目性及发生故障的可能性。系统仿真可显示和打印各种工况下的运行特性，包括实际不可能的工况或对设备会产生故障的工况，还可以应用于教学和培训中，具有广阔的发