矢量控制的异步电动机调速系统仿真设计

扬州大学本科生毕业设计论文I摘要近年来，随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，再加上现代控制理论，特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用，使得交流电机调速技术日臻成熟。以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型，从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制，交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。因此，研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。最后，综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。关键词：坐标变换矢量控制异步电动机仿真扬州大学本科生毕业设计论文IIABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentofthepowersemiconductordevice，themicroelectronicscomponent,themicrocomputerandlarge-scaleintegratedcircuitandmoderncontroltheory,especiallythepenetrationfromvectorcontroltechnologytoelectricdrivefieldandapplication,thefeasibleACmotorspeedregulationtechnologyhasbecomemorematuredaybyday.DependonthecontrolprincipleoftheMCandtherotor-fluxorientationtheory,andusingthecomputersimulationtechnology,thesimulationmodeloftheMCandthematrixconverterfedinductionmotorvectorcontroldrivesystemhasbeenbuild.Theinput-outputcharacteristicandtheabilityoffour-quadrantoperationhavebeentestified,whichhasprovedthatthesystemhaswideapplicationfield.Thesoftwareofthevectorcontrolunitwasdesignedattheend.Keywords:matrixconvertervectorcontrolinductionmotorsimulation扬州大学本科生毕业设计论文目录1.绪论........................................................................................................................................11.1引言..............................................................11.2交流调速技术概况..................................................21.3系统仿真技术概述..................................................31.4仿真软件的发展状况与应用..........................................41.5MATLAB概述.......................................................41.6Simulink概述.....................................................62.矢量控制理论........................................................................................................................72.1异步电机的动态数学模型............................................72.2坐标变换.........................................................102.2.1变换矩阵的确定原则..........................................102.2.2功率不变原则................................................102.3矢量控制.........................................................112.3.1问题分析...................................................112.3.2直流电机的转矩控制..........................................122.3.3异步电机的转矩分析..........................................122.3.4矢量控制原理...............................................123.总体模块设计......................................................................................................................153.1矢量控制结构框图.................................................153.2各子系统模块.....................................................163.2.1求解磁链模块................................................163.2.2求解转子磁链角模块.........................................173.2.3ids*求解模块...............................................173.2.4iqs*求解模块...............................................173.2.5ABC到DQ坐标变换模块.......................................183.2.6DQ到ABC坐标变换模块.......................................183.3电机参数设置.....................................................193.4矢量控制环节模块.................................................213.5矢量控制的异步电动机调速系统模块.................................214.Simulink仿真....................................................................................................................235.结论......................................................................................................................................28致谢..........................................................................................................................................29参考文献..................................................................................................................................30附录13s/2r坐标变换........................................................................................................32附录2ω*=100和ω*=150时的比较...................................................................................34扬州大学本科生毕业设计论文11.绪论1.1引言工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前3000转/分左右的高速直流电机最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。交流电机特别是鼠笼异步电机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。但是交流电机调速比较困难，早期的应用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速，30年代提出了绕线式异步电机串级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调节转差率，效率都很低。另一类调速方法是调节电机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速方法，可以通过变极或变频来实现，其中变极调速只能是有极调速，应用场合有限。交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。变频调速系统目前应用最为广泛的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒fv控制，这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控制系扬州大学本科生毕业设计论文2统结构最简单，成本最低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提