异步电动机CFPWM-FOC系统仿真

摘要洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGEIVPAGEIV异步电动机CFPWM-FOC系统仿真摘要矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，它可以使交流电机取得同直流电机相媲美的控制效果。本文介绍了现代交流调速系统的概况、矢量控制的基本概念以及在三相坐标系和两相坐标系下的异步电动机的数学模型。研究了异步电动机CFPWM-FOC系统的仿真建模方法，并在此基础上应用MATLAB下的仿真工具SIMULINK软件建立了按转子磁场定向的异步电动机的数学模型。本次设计利用SIMULINK工具做出了异步电动机CFPWM-FOC系统的仿真模型，利用仿真模型得到了PWM电压波形图、电流波形图、旋转磁场波形图、转矩波形图、转速波形图，并对仿真图进行了分析。关键词：异步电机，矢量控制，SIMULINK，CFPWM

AsynchronousMotorCFPWM-FOCSystemSimulationABSTRACTVectorcontrolisasuperiorACmotorcontrol,whichcanmaketheACmotortoachievecomparablewiththeDCmotorcontroleffects.ThisarticledescribesanoverviewofmodernACvariablespeedsystem,thebasicconceptsofvectorcontrolandthemathematicalmodelunderthecoordinatesystemofthethree-phasecoordinatesystemandtwo-phaseasynchronousmotor.TheasynchronousthemotorCFPWM-theFOCsystemsimulationmodelingandMATLABsimulationtoolSIMULINKsoftwareapplicationbasedonthemathematicalmodeloftherotorfieldorientedinductionmotor.ThedesignusingSIMULINKtoolsmade​​theasynchronousthemotorCFPWM-theFOCsystemsimulationmodel,simulationmodelofthePWMvoltagewaveform,currentwaveform,therotatingmagneticfieldwaveform,thetorquewaveform,speedwaveformdiagramandsimulationthediagramisanalyzed.KEYWORDS:AsynchronousMotor,VectorControl,CFPWM,SIMULINK前言目录前言 1第1章绪论 31.1课题背景 31.2交流调速系统控制技术的发展 31.3脉宽调制技术 41.4本章小结 4第2章三相异步电机数学模型 62.1三相异步电机的工作原理 62.2三相异步电机物理模型 62.3坐标变换 92.3.1三相/两相变换 92.3.2两相/两相旋转变换变换 102.3.3直角坐标/极坐标变换 112.4异步电机在二相静止坐标系上的数学模型 122.5本章小结 12第3章异步电机CFPWM-FOC研究 143.1电流滞环跟踪控制原理 143.2滞环宽度分析 163.3电流滞环跟踪控制的特点 183.4三相异步电机调速系统结构图 183.5本章小结 19第4章电流跟踪控制的SIMULINK仿真 204.1仿真工具语言MATLAB简介 204.2异步电机CFPWM-FOC系统仿真 224.3仿真模型设计分析 224.4仿真结果及分析 264.5本章小结 29结论 30谢辞 31参考文献 32外文资料翻译 33前言直流电机虽然调速性能良好，但也存在着难以克服的弱点：调速系统稳定性差，成本高，功率低，难维护，容量、电压、电流和转速受到换相条件的制约，实际应用对环境要求很高。所以在这种环境下，交流调速应运而生，能够较好的客服直流调速难以克服的缺点，矢量控制理论于1971年由德国首先提出，此后产生了矢量控制技术，矢量控制技术可以将三相异步电机等效为直流电机，这样控制三相异步电机就等笑成了控制直流电机，从而交流调速就可以获得与直流调速系统同样的静、动态性能，开创了交流调速和直流调速相媲美的时代。[7]交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。矢量控制方法的提出，使交流传动系统在动态特性方面得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。矢量变换控制的异步电机变频调速系统是一种高性能的调速系统，已经在许多需要高精度，高性能的场合中得到应用。SPWM控制技术包括电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(磁链跟踪控制技术)和电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术。SVPWM控制技术以电压接近正弦波为目标，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电机来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM(CurrentFollowPWM,CHPWM)的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。在实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的宽度。电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率到的电流控制器，或者局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。[10]第1章标题第1章绪论1.1课题背景交流调速和直流调速方案之争，长期以来一直存在。在交流电机变频调速技术发展之前，直流电机直流调速技术在理论上和实践上较为成熟，在调速场合几乎占垄断地位。由于直流传动具有卓越的调速性能，而交流传动调速性能难以满足生产要求，因此，在20世纪大部分年代里，直流传动在调速传动领域中一直占据主导地位。虽然直流电机调速性能良好，但也存在着难以克服的弱点：调速系统稳定性差，成本高，功率低，难维护，容量、电压、电流和转速受到换相条件的制约，实际应用对环境要求很高。这些都与现代调速系统要求的高可靠性、易使用性、易维护性相矛盾，因此直流电机难以适应现代传动技术的要求。[1]正是直流调速系统的这些难于解决的缺点，促使人们着力的研究交流传动技术。1885年，世界上第一台交流电机问世。交流电机首先在不调速的领域慢慢取代了直流电机。交流电机本身是一个非线性、强耦合、高阶、多变量系统，其可控性较差。现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展，现代控制理沦的发展和应用，电力电子技术的进步，为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。随着现代交流电机调速控制理论和电力电子变流技术的发展，特别是交流电机的调速理论的突破和调速装置的日益完善，交流电机调速技术取得突破性的进展，出现了多种类型的交流电机调速系统。近年来交流调速系统中最活跃，发展最快的是变频调速技术，在国民经济和日常生活中占据着越来越重要的地位。交流调速已经逐渐取代直流调速，成为调速技术的主体。1.2交流调速系统控制技术的发展交流变频调速理论在二十世纪三十年代，就被人开始提出，到了六十年代，由于电力电子器件的发展，变频调速技术开始向实用性方面发展；到了七八十年代，变频调速技术得到推广应用，变频调速己经实现了产品化，性能不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛应用在各工业部门，并且部分取代了直流调速系统；进入九十年代，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被广泛应用。矢量控制通过坐标变换将交流异步电机模型等效为直流电动机，实现了电机转矩和电机磁通的解耦，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。由于以上优点，本文选择电流跟踪PWM（CFPWM)控制方案。1.3脉宽调制技术以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（SinusoidalpulseWidthModulation，简称SPWM）。[11][14]PWM技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等。随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，变频技术也获得了飞速发展。PWM控制技术以输出电压接近正弦波为目标，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电机来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM(CurrentFollowPWM,CHPWM)的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。1.4本章小结直流电机虽然调速性能良好，但也存在着难以克服的弱点：调速系统稳定性差，成本高，功率低，难维护，容量、电压、电流和转速受到换相条件的制约，实际应用对环境要求很高。所以在这种环境下，交流调速应运而生，能够较好的客服直流调速难以克服的缺点，电力电子技术是支持交流调速的基础，而矢量控制的诞生使得交流调速可以与直流调速相媲美，随着技术的进步，脉宽调速的出现又为交流调速发的实用开辟了一条新的道路。第3章REF_Ref168484495\h错误！未找到引用源。洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGE19第2章三相异步电机数学模型2.1三相异步电机的工作原理在交流电动机的定子铁心中，沿空间分布均匀分布三个绕组，每个绕组轴相互错开120度。交流异步电机的转子有两种结构形式即绕线转子和笼型转子。绕线转子中的三相绕组如同定子一样，布置在转子铁心上，并与外部相联接，笼型转子不与电源联接，转子绕组自行闭合，所以结构简单，运行可靠。三相异步电动机旋转起来的先决条件是存在旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。当时间上按正弦变化且互差120度的三相电流通过三相定子绕组时，在气隙中将产生一个沿气隙周边呈正弦分布、并以一定角速度旋转的磁场，其电角速度与定子电流角频率相等。旋转磁场产生后，转子导条将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转起来。这里必须注意的是，对转矩起决定作用的仅是转子电流的有功分量。一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速。因为二者若相等，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动(即转差)，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子转速必然小于磁场的旋转速度。异步电动机只有在异步运行的情况下，才能实现能量变化和提供转矩。对于交流异步电机，定子绕组输入电压相位和幅值的变化，都能够引起电机的瞬态响应。同样负载转矩的突变也会引起瞬态响应的发生，导致了电机转矩的不平衡，电机产生加速或减速，最终达到一个新的速度值。2.2三相异步电机物理模型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)忽略磁路饱和影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的(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2-1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2-1三相异步电机的物理模型对于交流电机三相对称的静止绕组A，B，C，通过三相平衡的正弦电流、、时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω顺着A-B-C的相序旋转。由电机学可知，在两相、三相、四相等多相对称绕组中通以多相对称电流时，都能够产生旋转磁动势，其中以两相最为简单，两相静止绕组α和β，它们在空间互差90度，通以时间上互差90度的两相平衡交流电流、，也可以产生旋转磁动势F，该磁动势与三相对称的静止绕组A，B，C所产生的磁动势的大小和转速都相等时，即认为二者是等效的。两个匝数相等且互相垂直的绕组M与T，其中分别通以直流电流和，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组来说是固定的。让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。如果这个磁动势的大小和转速与三相对称的静止绕组A，B，C所产生的磁动势的大小和转速都相等时，也认为二者是等效的。根据旋转磁场等效的原则，经过三相两相变换和旋转变换等矢量变换，使三相交流电机的三相绕组和直流电机的直流绕组等效，从而能模拟直流电机控制转矩的方法对交流电机的转矩进行控制，这就是矢量变换控制。按照上述分析，以产生同样的旋转磁动势为准则，三相坐标系下的、、，静止两相坐标系下、和旋转两相坐标系下的直流和是等效的。这样，通过坐标变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。图2-2二极直流电机的物理模型图2-2所示为二极直流电机的物理模型，它可以等效为交流三相绕组的电机。图中F为励磁绕组，A为电枢绕组，C为补偿绕组。F和C都在定子上，只有A在转子上。把F的轴线称为直轴或d轴，主磁通的方向就在d轴上，A和C的轴线则称为交轴或q轴。由于电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，好像一个在q轴上静止的绕组，但由于它不切割磁力线且与d轴垂直，故而对主磁通影响甚微，所以其主磁通基本上唯一地由励磁电流决定，使直流电动机的数学模型比较简单，这也是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。如果能将异步电动机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制问题就可以大为简化。坐标变换正是按照这种思路进行的，而不同电机模型之间彼此等效的原则是，在不同坐标系下所产生的磁动势相同。2.3坐标变换由于异步电动机在三相坐标系下的动态数学模型具有高阶、非线性、强耦合的特性，用传统的控制方法分析和求解这组非线性方程比较困难，系统无法获得较好的控制性能。异步电机在三相坐标系下的数学模型之所以复杂，关键是由于影响磁链和受磁链影响的因素较多，因此若要简化数学模型，须从简化磁链的关系着手。观察直流电机，主磁通基本上唯一地由励磁电流决定，是直流电机地数学模型及控制系统较简单的根本原因。若将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制问题就可以大为简化。矢量变换系统所包含的矢量变换规律有三种：(1)三相/两相变换(即3/2变换)(2)两相/两相旋转变换(2s/2r变换)，或称矢量旋转变换(VR)(3)直角坐标/极坐标变换(K/P)以上三种变换都是可逆变换。2.3.1三相/两相变换三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组之间的变换，称为三相静止坐标系和二相静止坐标系α和β间的变换，简称3/2变换。二相静止绕组α和β和三相静止绕组A、B、C间的变换，称为两相静止坐标系和三相静止坐标系之间的变换，简称2/3变换。设三相绕组(A、B、C)与二相绕组轴线设定如图2-4所示，α相绕组轴线与β相绕组轴线重合，都是静止坐标，分别对应的交流电流为、、和、。采用磁势分布和功率不变的绝对变换，三相交流电流在空间产生的磁势与二相交流电流产生的磁势应该相等。图2-3三相绕组与两相绕组的轴线设定通过计算可得到三相系到两相系的变换矩阵如下：(2-1)通过计算可以得到两相系到三相系的变换矩阵如下：(2-2)此变换法以电机各物理量的瞬时值作为对象，不但适用于稳态，也可用于动态变换。对于各相绕组的电压和磁链，也有同样的变换，且变换矩阵与电流变换矩阵完全相同。2.3.2两相/两相旋转变换变换从两相静止坐标系α和β到两相旋转坐标系M,T的变换称为两相/两相旋转变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转。把两个坐标系画在一起，得图2-5。按照磁动势等效原则，图中两相交流电流、，和两个直流电流,,应当产生同样的以同步转速旋转的合成磁动势F。图2-4两相静止和旋转坐标系的变换两相/两相旋转及其逆变公式如下(2-3)(2-4)同样，电压和磁链的旋转变换阵也与电流(磁动势)旋转变换阵相同。2.3.3直角坐标/极坐标变换设磁动势F与M轴的夹角为，则有(2-5)(2-6)以产生相同的磁动势为准则，在三相坐标系下的定子交流电流，通过三相/两相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流，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，交流电机就等效成了直流电机，如图2-5所示。图2-5异步电机等效成直流电机2.4异步电机在二相静止坐标系上的数学模型由于各相绕组电流产生的磁动势可以按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，所以能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。磁链方程：(2-7)电压方程：(2-8)转矩方程：(2-9)运动方程：(2-10)2.5本章小结本章主要是介绍了解三相异步电机组成结构工作原理，学习上相异步电机的数学模型，物理模型。通过对数学模型和物理模型的学习研究，用常用的等效电机原则对坐标变换进行分析，给出了个坐标之间变换的关系矩阵，电机的电压平衡方程，磁链方程，矢量变换公式，（3/2,2/3）等。第3章异步电机CFPWM-FOC研究3.1电流滞环跟踪控制原理现在以A相电流滞环跟踪控制为例，其控制结构图如下图3-1所示：图3-1电流滞环跟踪控制A相原理图其中电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h，将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差△超过±h时，经滞环控制器（HBC）控制逆变器A相上（或向下）桥臂的功率开关器件动作。B、C两相的原理图均与此相同。[1][2][4]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，如下图3-2所示：图3-2电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM波形采用电流滞环跟踪控制时，变频器的电流波形与PWM电压波形如图3-2所示。在t0时刻，＜，且=－≧h,滞环控制器（HBC）输出正电平，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。[1][6]3.2滞环宽度分析采用电流滞环跟踪控制的PWM波形，如下图3-3所示：图3-3电流滞环跟踪控制时的电流波图3-3给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。电流滞环跟踪控制波形的几何关系如图3-4所示：图3-4电流滞环跟踪控制波形的几何关系由上图可知逆变器的开关频率与电流波动幅值成反比，即与环宽成反比，环宽越小，开关频率f越高，实际电流值越接近给定电流，此时电流追踪性能越好。逆变器的开关频率与电流波动幅值成反比，即与环宽成反比，环宽越小，开关频率f越高，实际电流值越接近给定电流，此时电流追踪性能越好。图3-5三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，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。3.3电流滞环跟踪控制的特点电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。[7][9][12]采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM交流电路有以下特点：(1)硬件电路简单；(2)属于实时控制方式，电流反应快；(3)不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；(4)和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；(5)属于闭环控制，这是各种跟踪型PWM交流电路的共同特点。3.4三相异步电机调速系统结构图三相异步电机调速系统结构图如下图3-6：图3-6数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图3.5本章小结异步电动机经过坐标变换后，等效成了直流电机。因而可以模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量再经过相应的坐标反变换，来控制异步电动机。其中如果要实现电流和转矩的分别控制还需要进行解耦计算，即将电流和磁量分开来算。电流、转换成三相电流输入给电流调节器IGBT，然后通过PWM逆变输出结果即得到矢量控制。其中SPWM控制选用中值规则采样法。第3章标题PAGE8PAGE29第4章电流跟踪控制的SIMULINK仿真4.1仿真工具语言MATLAB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；(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。SIMULINK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：function［sys,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、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(FunctionsTables)、数学运算模块(Math)、信号与系统（SignalsSystems)。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。[13][15]4.2异步电机CFPWM-FOC系统仿真系统仿真采用国际控制界最流行的控制系统计算机辅助设计语言MATLAB，其仿真工具SIMULINK是一种采用控制系统模型图形输入与仿真的软件。SIMULINK可以利用鼠标在模型窗口上画出控制系统的模型，然后利用它提供的功能来对系统进行仿真或线形化分析。因而可以得出图4-1所示的仿真模型图。图4-1按转子磁链定向矢量控制系统的仿真模型图4.3仿真模型设计分析异步电机矢量控制系统仿真模型图包含了以下几个主要环节：(1)从三相定子坐标系经过3/2变换到两相静止坐标系再经过旋转变换到两相同步旋转坐标系的变换结构图如图4-2所示。首先，经过三相/两相变换将三相坐标系中的电流变换为两相静止坐标系下的电流，变换公式为(4-1)然后再经过两相静止坐标到两相同步旋转坐标系的变换，得到同步旋转坐标系中电流，变换公式为(4-2)经过这样变换后，以产生相同的磁动势为准则，在三相坐标系下的定子交流电流最后可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流。交流电机就等效成了直流电机。图4-2三相定子坐标系到同步旋转坐标系的变换结构(2)从同步旋转坐标系经过两相旋转变换到两相静止坐标系再经过2/3变换到三相定子坐标系的变换结构如图4-3所示。首先，经过两相旋转变换将旋转坐标系中的电流变换为两相静止坐标系下的电流，变换公式为(4-3)然后再经过2/3变换，变换到三相定子坐标系中，形成三相电流，变换公式为(4-4)经过这样变换后，可以通过求得直流电机的控制量再经过相应的坐标反变换，来控制异步电动机，收到良好效果，变换结构如图所示图4-3同步旋转坐标系到三相定子坐标系的变换结构(3)电流调节器采用滞环比较器，其结构图如图4-4所示。图4-4电流调节器结构图(4)在转矩给定指令值Tetra计算模块中，结构图4-5如下，其参数和相应的数学关系列于其后图4-5转矩给定指令值计算模块结构图其中参数为(5)在定子电流转矩分量计算模块中，结构图4-6如下，其参数和相应的数学关系列于其后图4-6定子电流转矩分量计算模块结构图其中参数为(6)在磁通量计算模块中，结构图4-7如下，其参数和相应的数学关系列于其后图4-7磁通量计算模块图其中参数为(7)在定子电流励磁分量计算模块中，结构图4-8如下，其参数和相应的数学关系列于其后图4-8定子电流磁分量计算结构图其中参数为4.4仿真结果及分析在SIMULINK环境下双击Scope模块，可以得到如下仿真图形，从上到下依次为电压、电流、转矩、转速波的仿真图形。图4-9PWM电压波形图图4-10电流波形图图4-11旋转磁场波形图图4-12转矩波形图图4-13转速波利用图4-1所示仿真模型对异步电机矢量控制系统的原理进行仿真研究。在电动机的测量模块Demux中选择电动机的定子三相电流、电动机的电磁转矩以及角速度为测量对象，另外利用电压测量模块Vab检测电机的定子线电压。三相电动机的参数如下：额定功率3.7kw；线电压380V；额定频率60Hz；定子内阻0.087Ω；转子漏感34.7mH；极对数为2。速度控制器的参数如下：积分增益=26，比例增益=13，输出转矩极限值为300N·m。电流调节器采用滞环型的PWM控制器，滞环宽度为20。从仿真结果图中可以看出在开始启动瞬间，定子电流的峰值可达到450A，在恒转矩启动阶段，定子电流基本保持在约150A。恒转矩启动阶段的时间大约是0.8s。在恒转矩阶段，转矩保持在极限值300N·m，这个极限值是在速度调节器参数表中设定的。转速约在1.2s时上升到最大值，在约3.6s时达到稳态值，稳定转子角速度为160rad／s。4.5本章小结在变频调速系统中，异步电机本身是一个非线性、强耦合、高阶次的控制对象。本设计用SIMLINK直接画出仿真的系统方框图，完成控制系统的输入与仿真分析，给定一个转矩，然后看转速，电流的相关变化。REF_Ref168484640\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484646\h错误！未找到引用源。PAGE46结论本文对异步电机CFPWM-FOC系统进行了研究，并做了MATLAB/SIMULINK仿真。现在将所做的研究结果总结如下：(1)通过对异步电机CFPWM-FOC系统基本原理进行分析和阐述，在对不同坐标系变换算法进行解释的同时也建立了异步电机在不同坐标系下的数学模型。(2)在介绍矢量控制方法的磁场定向原理转子磁链计算方法后，给出了按转子磁场定向的一步电机矢量控制系统基本结构。(3)给出了矢量控制算法中主要算法的仿真模型和仿真示例，并对总控制系统进行了仿真。结论谢辞在本文即将完成之际，作者衷心的向曾教导我的师长、帮助支持我的同学和朋友，致以最诚挚的谢意。首先感谢我的指导老师姬宣德老师。在我毕业设计过程中，我为能遇到这样一位好老师而深感庆幸。姬老师严谨的治学态度、求实的工作作风和朴实的人生风格，一直都在熏陶着我，我所取得的点滴进步，无不凝聚着导师的大量心血，在论文完成之际，对姬老师在设计上给予我的无私帮助深表谢意。其次，我向帮助支持我的同学和朋友，致以深深的感谢，他们在我毕业设计过程中也热心的向我伸出援助之手。最后，让我再一次向他们表示感谢。附录PAGE16参考文献王兆安，刘进军.电力电子技术.（第5版）.北京:机械工业出版社,2009许大中，贺益康.电机控制.杭州：浙江大学出版社.1999.48-104阮毅，陈伯时.电机拖动自动控制系统-运动控制系统.(第4版).北京:机械工业出版社,2009刘卫国.MATLAB程序设计与应用.（第2版）.北京:高等教育出版社，2006薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计.（第2版）.北京:机械工业出版社,2008洪乃刚.电力电子，电机控制系统的建模和仿真.北京:机械工业出版社,2002李汉强.矢量控制异步电机等效电路及其参数变化因素分析.武汉交通科技大学学报.1999，23（5）：469-472张惠萍.异步电机智能矢量控制变频调速系统的研究.江南大学.2004祝龙记，王汝琳.基于S函数的异步电动机变频调速系统的仿真建模计算机仿真.2004，21（10），52-53王立新，周顺荣.一种改进的异步电机矢量控制方法.中小型电机.2005，32（6）:14-17胡崇岳.现代交流调速技术.北京:机械工业出版社.1998.9贾正春，许锦兴.电力电子学.武汉：华中理工大学出版社，1993王海峰，任章.异步电机矢量变换控制系统MATLAB/SIMULINK仿真.电气传动自动化.2003，25（4）：23-25黄孙伟，赵钢.基于SIMULINK的交流异步电机矢量控制系统的仿真.天津理工学院学报.2004，20（4）：89-91周荣政.用MATLAB/SIMULINK进行交流调速系统的仿真.湖北工学院学报.1998，13（3），73-77外文资料翻译Three-phaseAsynchronousMotorIntroduction1.Three-phaseAsynchronousMotorPrincipleIntosymmetricalthree-phasealternatingcurrentthroughthethree-phasestatorwinding,itproducesarotatingmagneticfieldofasynchronousspeedn1forclockwiserotationalongthecircularspacewithinthestatorandrotor.Astherotatingmagneticfieldn1speedrotation,therotorconductorisstationary,sotherotorconductorscuttingthestatorrotatingmagneticfieldandtheinducedelectromotiveforce(thedirectionoftheelectromotiveforceoftheright-handruletodetermine).Conductoratbothendsofthederivationisshort-circuitringshort,theroleoftheinducedelectromotiveforce,therotorconductorswillproducebasicallythesamewiththedirectionoftheinducedelectromotiveforceinducedcurrent.Current-carryingconductorsoftherotorinthestatormagneticfieldbytheelectromagneticforcetheforcedirectionwiththelefthandruletodetermine.Torqueontherotoraxis,therotationdriverotoralongrotatingmagneticfielddirection.Throughtheaboveanalysiscanbesummarizedasthemotorworksasfollows:Whenthethree-phasestatorwindingsofthemotor(adifferenceof120degreeseachelectricalangle),passintothethree-phasealternatingcurrent,willproducearotatingmagneticfield,therotatingmagneticfieldcutstherotorwinding,whichintherotorinducedcurrentinthewindings(rotorwindingsoftheclosedpath),current-carryingrotorconductorsinthestatorrotatingmagneticfieldwillgenerateelectromagneticforce,electromagnetictorqueonthemotorshaft,therotationofthedrivemotorandthemotorrotationdirectionandtherotatingmagneticfieldthesamedirection.2.Three-phaseasynchronousmotorfailureanalysisandprocessingmethodsIsanintegralpartofthemotorwindings,aging,moisture,heat,erosion,dustanddebris,theimpactofexternalforcescancausedamagetothewindings,motoroverload,undervoltage,overvoltage,missingrunningcanalsocausewindingfailure.Windingfailuresaregenerallydividedintowindinggrounding,shortcircuit,andopencircuitwiringerror.Describefaultphenomena,thecausesandinspectionmethods.First,thewindinggrounded1,failurephenomenonLivechassis,controllinesoutofcontrol,windingshort-circuitheat,causingthemotorcannotrunnormal.2,causesWindingdamptheinsulationresistancedropthemotorlongoverloadTherunharmfulgasestocorrosionmetallicforeignbodyintrusionwindinginternaldamagetotheinsulationtherewindthestatorwindinginsulationdamagetotouchthecorethewindingendtouchtheendcapmachine,Block,rotorfrictioncausedbytheinsulationburnsinsulationdamagepinoutshellcollidetheover-voltage(e.g.,lightning)sothattheinsulationbreakdown.3,Inspectionmethods(1)Observation.Observewhetherthedamageandcharredmarks,ifanyistotakeplacebytheendofthevisualwindingandinsulationtrouncing.(2)Amulticentertochecklaw.Lowresistanceprofiletocheckwithamulticenter,thereadingisverysmall,isnotgrounded.(3)ThemeagerAct.Eachgrouptheresistanceoftheinsulationresistancemeasuredaccordingtothedifferentlevelsusedifferentmeager,ifthereadingiszero,saidthewindinggrounddamp,butthemotorinsulationbreakdownoraccident,theneedbasedonexperiencetodetermine,ingeneral,pointerinthe"0"attheswingfromtimetotime,canbeconsideredtohaveacertainresistancevalue.(4)Thetestlampmethod.Ifthepilotlightislit,itshowsthewindinggrounded,foundsomewherewithsparksorsmoke,theDepartmentforthewindinggroundfaultpoint.Ifthelightmicro-brightinsulatedgroundingbreakdown.Alsoavailablehardwoodtapping,knockingtheedgeoftheMouthoftheshelltoaplaceoffabrightdescriptionofthecurrentpassoff,thenthereisground.(5)Currentthroughthefiring.Avoltageregulatingtransformer,connectthepower,thenplaceheatsupquickly,thesmokeoftheinsulationistotakeplace.Shouldpayparticularattentiontothesmallmotorshallnotexceedtwicetheratedcurrent,nomorethanhalfaminutemotorratedcurrent20%-50%orgraduallyincreasingthecurrenttothegroundpointisjustsmokeoffimmediately.(6)Groupingeliminated.Groundintheheartofthecoreandburningmorepowerful,theburningofcopperwiretogetherwiththecoremelt.Themethodusedwasgroundedaphasewindingdividedintotwohalves,andsoon,andfinallyfindoutthegroundpoint.Inaddition,thehighvoltagetestmethod,needleheuristicsFrequencyVibrationmethod,hereintroducedonebyone.4,approach(1)Thewindingcausedbydampgroundshouldfirstbedried,whencooledtoabout60-70°C,pouredinsulatingpaintandthendrying.(2)Endofthewindinginsulationdamageinthegroundatthere-insulationtreatment,painting,andthendrying.(3)Windingtakeplaceinthetankshouldbere-woundwindingorreplacementofpartofthewindingcomponent.Finallyapplyadifferentmeagertomeasure,meetthetechnicalrequirementscanbe.Two,windingshort-circuitAsthemotorcurrentistoolarge,thechangesinthesupplyvoltageistoolarge,single-phaseoperation,mechanicalbumpscreatebadcauseinsulationdamageactions,sub-windingintertermshortcircuit,shortcircuitbetweenwindings,thewindingisveryshortandwindingphaseshortcircuit.1,FailurephenomenonThemagneticfieldoftheiondistributionisuneventhree-phasecurrentunbalancevibrationandnoisewhenleavingthemotorrunningintensified,seriousmotorcannotstartalotofshort-circuitcurrentintheshort-circuitcoil,resultinginrapidheatingcoilandburned.2,CausesMotorlong-termoverload,sothatinsulationaginglostcausemoisturetomakeinsulationdamagewindinginsulationresistancetofallcausinginsulationbreakdownendandinter-layerinsulationmaterials,nopadorplasticdamageendofthecableinsulationisdamagedinsulationembeddingtoovervoltageorstruckbylightningsothatfrictionbetweentherotorandthestatorwindingendinsulationbreakdowncausedbyinsulationtodamagemetallicforeignbodyintoomanyfallintothemotorinteriorandoil.3,Inspectionmethods(1)Externalobservation.Observethejunctionbox,thewindingendwhetherthecharredwindingoverheatingafterleavingadarkbrown,andsmell.(2)Theprobetemperaturecheck.20minutesno-loadoperation(exceptionshouldimmediatelystop),andwindingbackofthehandtotouchthevariouspartsisgreaterthannormaltemperature.(3)Powerexperiment.Aphasecurrentistoolarge,thephaseshortcircuitatthecurrentmetermeasurement.(4)Bridgeinspection.MeasuringwindingDCresistance,thegeneraldifferenceshouldnotexceed5%ormore,ifmorethantheresistanceissmallonephaseshort-circuitfault.(5)Short-circuitdetectorsAct.Themeasuredwindingshortcircuit,thesteelwillproducevibration.(6)MulticentermeagerFrance.Measureanytwo-phasewindingsandwhiteinsulationresistance,ifthereadingisverysmallorzero,thetwo-phasewindingandwhiteshortcircuit.(7)Thevoltagedropmethod.Threewindingsinseriespassintothelowpressuresafetyalternatingcurrent,measuredbyreadingthesmallgroupofshort-circuitfault.(8)Thecurrentmethod.Motorno-loadoperation,thefirstmeasurementofthephaseintheexchangeoftwo-phasemeasurementandcomparison,ifnotchangewiththepowerexchange,alargercurrentphasewindingshortcircuit.4,Short-circuitapproach(1)Short-circuitintheend.Availableinsulatingmaterialswillbeseparatedbytheshortcircuitpoint,canalsobere-packagetheinsulatedwire,andthenpaintthere-drying.(2)Short-circuitlinetank.Toidentifytheshort-circuitpointtosoftenrepair,backintothetrough,andthenpaintdrying.(3)Theshortrouteturnsoflessthan1/12ofeachphasewinding,seriesturns,cutoffallshortline,theconductionpartoftheconnection,formaclosedloopsupplyurgentuse.(4)Windingshort-circuitpointturnsover1/12toremovetherewind.Third,thewindingshortcircuitAsbadweldingortheuseofcorrosivefluxes,weldingandthendidnotclean,itmaycausethepotweldingorloosesubjecttomechanicalstressorcollision,whenthecoilshort-circuit,shortcircuitandgroundfaultcanmakethewireburned,andburnafewthereisashortcircuitofoneorafewwiresinthewire,anotherafewwires,duetotheincreaseofthecurrentriseintemperature,causingthewindingfeverandcircuit.Generallydividedintoaphasewindingendofthebreak,intertermshortcircuit,parallelslipatopencircuit,wiresandburnedinanopencircuit,brokenrotorcage.1,FailurephenomenonThemotordoesnotstart,three-phasecurrentimbalance,abnormalnoiseorvibration,temperatureexceedstheallowablevalueorsmoke.2,CausesTouchofftherepairandmaintenanceormanufacturingqualityproblem.(1)Windingcomponents,pole(phase)groupandthewindingandleadwiringandotherwiringheadweldingadverselong-runningoverheatedsealingoff.(2)Ofthemechanicalforceandelectromagneticforcetomakethewindingdamageorpulloff.(3)Turnsorshortcircuitbetweenphasesandgroundcausedbythewindingbadlyburnedorfuse.3,Inspectionmethods(1)Observation.Themajorityofbreakpointsoccurinthewindingend,toseewhetherthetouchfoldingjointsoutwithorwithoutsealingoff.(2)ThemulticenterFrance.Resistanceprofile,"Y"shapedconnectionrodwillbeatableconnectedtothefirstsideoftheY'shapedcenter,theotherinturnconnectedtothethree-phasewinding,theinfinityofaphasebreakpoints△"typeofthemethodofshort-openconnections,respectively,measuredineachgroupwindinginfinitycomparedtothetrippoint.(3)Testlampmethod.Methodwiththeformernotthebrightestphaseofthecircuit.(4)ThemuggersAct.Aphaseresistancetendstoinfinity(i.e.,non-zerovalue)fortheopencircuitpoint.(5)TheammeterFrance.Whenthemotorisrunning,theammetermeasuringthreecurrent,three-phasecurrentimbalance,norshort-circuited,thecurrentsmalleronephasewindingshortcircuitfault.(6)Bridgemethod.Whenaphaseresistanceofthemotorthantheothertwo-phaseresistance,indicatingthatthephasewindingpartoftheopencircuitfailure(7)Thecurrentbalancemethod.Fora"Y"connectioncanbethree-phasewindingsinparallel,whichleadstoalowvoltagehighcurrentAC,ifthecurrentdifferenceofgreaterthan10%inthethree-phasewinding,thecurrentsmallendofforcircuitfor"△connectionofacontactofthefirststatorwindingapart,andthenbythesameintothelow-voltagehigh-current,includingthecurrentonephasecircuit.(8)offthecageDetectorInspectionAct.Inspection,ifbrokenrotorcage,themillvoltmeterreadingsshouldbereduced.4,circuitapproach(1)Circuitintheend,connecttheweld,wrappedininsulatingmaterialfittedwithinsulatedpipe,goodbanding,andthendrying.(2)Windingintertermshortcircuitbetweenphasesandgroundofreasonandcausewindingbadlyburnedshouldgenerallybereplacedwithnewwinding.(3)Onthetrippointsinthetank,afewbreakpointsdoemergencytreatment,usingablockeliminationmethodtoidentifythebreakpoint,andwindingofftheMinistryofconnectionandinsulationqualified.(4)Cageofbrokenrotorcagecanbewelding,coldconnectionorchangetherepairofTreatyandLaw.WindingawrongWindingfaultcausedbytherotatingmagneticfield,resultingindifficultyinstarting,three-phasecurrentimbalance,noiseandothersymptoms,seriousifnotpromptlyprocessingwillburnthewinding.Thefollowingsituations:apolarphaseofaphasewinding,