三相異步電動(dòng)機(jī)的建模與仿真

1、運(yùn)動(dòng)控制論文 課題：異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量PWM控制技術(shù)研究 姓名： xxxxxxxxx 專業(yè)：電氣工程及自動(dòng)化 班級(jí)： 電097 學(xué)號(hào)： 0912002167 日期： 2013年3月30日 摘 要由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展,交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在快速發(fā)展之中。目前廣泛研究應(yīng)用的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。本論文中所討論的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)叫做空間矢量脈寬調(diào)制方法(SVPWM)。相對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制,它有可連續(xù)控制,調(diào)速范圍寬等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文首先對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建立進(jìn)行了詳細(xì)

2、的分析和闡述，通過(guò)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電磁關(guān)系的分析以及坐標(biāo)變換原理概念的介紹，逐步引出了異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和在不同坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型表達(dá)方程式，指出了異步電動(dòng)機(jī)的模型特點(diǎn)是一多變量、強(qiáng)藕合的非線性系統(tǒng)。采用MATLAB /SIMULINK軟件包,實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的仿真。仿真研究顯示,該方法簡(jiǎn)潔、方便、實(shí)時(shí)交互性強(qiáng),能充分融合到其它控制系統(tǒng)中,并具有良好地?cái)U(kuò)展性。其次闡述了異步電動(dòng)機(jī)電壓空間矢量PWM控制技術(shù)的原理和矢量變換方法實(shí)現(xiàn)的步驟，據(jù)交流電機(jī)坐標(biāo)變換及矢量控制理論提出了異步電機(jī)在任意同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下仿真結(jié)構(gòu)圖的建模設(shè)想,得出了一種按轉(zhuǎn)子定向磁場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,利用該結(jié)構(gòu)圖

3、可以方便的構(gòu)成電機(jī)的仿真模型,進(jìn)行仿真計(jì)算。然后運(yùn)用MATLAB軟件搭建模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明電機(jī)有良好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)對(duì)仿真軟件的應(yīng)用也表明在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用仿真工具對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析是行之有效的方法，可以提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，并能夠較好的進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。經(jīng)試驗(yàn)表明，空間電壓矢量調(diào)制的方法正確可行，可調(diào)高電壓利用率和系統(tǒng)精度。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；數(shù)學(xué)模型；仿真目錄摘 要2第1章 簡(jiǎn)介5 1.1 課題研究的意義5 1.2 交流調(diào)速的發(fā)展和現(xiàn)狀5 1.3 本論文的主要工作6第2章 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析6 2.1 異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型6 2.2 異步電動(dòng)

4、機(jī)三相數(shù)學(xué)模型表達(dá)式7 2.2.1 電壓方程7 2.2.2 磁鏈方程7 2.2.3 運(yùn)動(dòng)方程7 2.2.4 轉(zhuǎn)矩方程7 2.3 坐標(biāo)變換8第3章 異步電動(dòng)機(jī)在精致坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8 3.1 電壓矩陣方程8 3.2 磁鏈方程8 3.3 電磁轉(zhuǎn)矩方程8 3.4 兩種二相靜止坐標(biāo)系下的模型9 3.4.1 電壓方程9 3.4.2 磁鏈方程9 3.4.3 轉(zhuǎn)矩方程9第4章 空間電壓矢量控制原理9 4.1 三相合成矢量10 4.2 空間矢量表達(dá)式10 4.3 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系10 4.4 SVPWM原理11 4.5 期望電壓空間矢量的合成12 4.6 SVPWM的實(shí)現(xiàn)12 4.6.1 電壓空間矢

5、量所在扇區(qū)的確定13 4.6.2 零矢量的實(shí)現(xiàn)方法13 4.7 本章小結(jié)14第5章 MATLAB/SIMULINK仿真15 5.1 仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介15 5.2 三相交流異步電機(jī)模型15 5.3 模型參數(shù)設(shè)置18 5.4 SVPWM控制模型21 5.4.1 系統(tǒng)仿真圖21 5.4.2 仿真結(jié)果23 第6章 總結(jié)25 參考文獻(xiàn) 25 第1章：簡(jiǎn)介1.1課題研究的意義隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來(lái)。由于換向器的存在,使直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。而異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、便于維修,但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。近年來(lái),交

6、流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，將矢量控制理論應(yīng)用到交流電機(jī)的調(diào)速控制中，可使交流系統(tǒng)的調(diào)速性能完全和直流系統(tǒng)相媲美。1.2交流調(diào)速的發(fā)展和現(xiàn)狀異步電機(jī)調(diào)速技術(shù)以微電子裝置為控制核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置的目的。異步電機(jī)它本身是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，很難和直流電機(jī)那樣對(duì)其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。直到 20 世紀(jì) 70 年代才有了突破性的進(jìn)展，首先是電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，新型的電力半導(dǎo)體器件的相繼出現(xiàn)，可為交流電動(dòng)機(jī)的控制提供高性能的功率變換器，并且其價(jià)格逐年下降，能夠?yàn)槿藗兯?/p>

7、受。特別是微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，高性能微處理器的引入，使得硬件簡(jiǎn)化；其次，交流電動(dòng)機(jī)控制理論上的突破，尤其是 20 世紀(jì) 70年代創(chuàng)立的磁場(chǎng)定向矢量控制理論和直接轉(zhuǎn)矩控制方法、非線性解耦控制方法等，為調(diào)速傳動(dòng)奠定了理論基礎(chǔ)。PWM 控制技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：1) 等脈寬 PWM：脈沖的寬度均相等，改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制算法可以使電壓和頻率協(xié)調(diào)地變化。該方法的缺點(diǎn)是輸出電壓中除了基波成分外，還包括有較大的諧波成分。2) 正弦波 PWM(SPWM)：它是從電動(dòng)機(jī)供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻、調(diào)壓的三相對(duì)稱正弦波電源。具體的方法是以一個(gè)

8、正弦波作為基準(zhǔn)波，用一系列等幅的三角波與基準(zhǔn)正弦波相比較，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角載波時(shí)，使相應(yīng)的功率開關(guān)器件導(dǎo)通當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角載波時(shí)，使開關(guān)器件截止。該方法的特點(diǎn)是在半個(gè)周期中總是中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖的面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例，這樣在輸出電壓中的低次諧波成分就可以大大減小。3) 空間電壓矢量 PWM (SVPWM)：是由德國(guó)學(xué)者 H.W.Vander, Broek 等提出來(lái)一種新穎的脈寬調(diào)制方法，它不是局限于如何使逆變器輸出按正弦規(guī)律變化的電源，而是將逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體，基于電壓空間矢量概念，用八種基本電壓空間矢量合成期望的電壓

9、空間矢量，建立逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)和空間矢量，并依據(jù)電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶颗c定子電壓之間的關(guān)系，直接達(dá)到控制電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶糠到坪愣?、頂點(diǎn)沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)、平均速度可調(diào)的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)近似恒磁通變壓變頻調(diào)速。SVPWM 相對(duì)于 SPWM 在逆變環(huán)節(jié)中直流側(cè)電壓利用率提高了 15%，減少了諧波分量，而且 SVPWM 更適合全數(shù)字化控制，因此本文研究的控制系統(tǒng)是基于 SVPWM 技術(shù)。1.3本論文的主要工作本論文的主要研究?jī)?nèi)容是異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立和電壓空間矢量調(diào)制的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。論文是從異步電動(dòng)機(jī)上的數(shù)學(xué)模型原理出發(fā)，再進(jìn)一步研究電壓空間矢量控制。論文主要包括以下幾個(gè)方面的

10、內(nèi)容：1. 闡述異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換原理，推導(dǎo)出二相靜止坐標(biāo)系下的模型方程。2. 對(duì)異步電機(jī)的 SVPWM 矢量控制原理進(jìn)行闡述。介紹坐標(biāo)變換下矢量控制的基本思想和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立。給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖并闡述了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。3. 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的 SIMULINK仿真。建立控制系統(tǒng)的各部分SIMULINK中的仿真模塊，按照系統(tǒng)原理圖組合成雙閉環(huán)仿真模型，最后得到各種狀態(tài)下動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行驗(yàn)證分析。第2章：異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析異步電機(jī)的模型種類繁多，在對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行暫穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)李模型要建立在某個(gè)坐標(biāo)系上，所以坐標(biāo)系的選擇就尤為重要。適當(dāng)?shù)倪x擇坐標(biāo)系會(huì)

11、使得模型更加簡(jiǎn)便，而且模型分析更容易，更能準(zhǔn)確地控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。自從1899年勃朗臺(tái)爾(Blonde)提出雙反應(yīng)理論及1918年福提斯(Foertsuce)提出對(duì)稱分量法，到派克(Park)提出旋轉(zhuǎn)變換及顧毓繡(Ku)提出復(fù)數(shù)分量變換以來(lái)，交流電機(jī)分析理論日漸成熟。由于坐標(biāo)變換即線性變換，是不改變系統(tǒng)的物理特性的，所以在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，我們可以通過(guò)坐標(biāo)變換使得三相電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析和控制大大簡(jiǎn)化。2.1 異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型在分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí),作如下假設(shè)：忽略空間諧波。設(shè)三相繞組對(duì)稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；忽略鐵

12、芯損耗；不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。并規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合 電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。 圖2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型2.2異步電動(dòng)機(jī)三相動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。2.2.1 電壓方程將電壓方程寫成矩陣形式 ：2.2.2 磁鏈方程異步電動(dòng)機(jī)每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和。 或?qū)懗桑?.2.3 運(yùn)動(dòng)方程2.2.4 轉(zhuǎn)矩方程2.3 坐標(biāo)變換按照能夠產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的原則，將三相交流繞組轉(zhuǎn)換成兩相交流繞組，即使在三相坐標(biāo)系下的、和在兩相坐標(biāo)系下的、彼此等效，兩個(gè)坐標(biāo)系下各電流

13、分量合成的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相同。按照上述原則,并遵循功率不變的約束條件，可得：三相/二相變換陣：求其反變換陣，可得二相/三相變換陣：第3章：異步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系、下的數(shù)學(xué)模型 通過(guò)三相/二相變換,我們可以得到在靜止坐標(biāo)系A(chǔ)、B下的異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。3.1 電壓矩陣方程3.2 磁鏈方程Lm：、坐標(biāo)系同軸等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感；Ls： 、坐標(biāo)系同軸等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感；Lr： 、坐標(biāo)系等效二相定子繞組的自感；3.3 電磁轉(zhuǎn)矩方程3.4 兩種二相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型對(duì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換，使其與定子坐標(biāo)系重合，且保持靜止。3.4.1 電壓方程3.4.2磁鏈

14、方程 3.4.3轉(zhuǎn)矩方程旋轉(zhuǎn)變換改變了定、轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)系，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定、轉(zhuǎn)子繞組用相對(duì)靜止的等效繞組來(lái)代替，消除了定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響。第4章空間電壓矢量控制原理空間矢量理論被引入到逆變器及其控制中，形成和發(fā)展了空間矢量 PWM(SVPWM)控制思想。它與常規(guī)正弦脈寬調(diào)制 SPWM 技術(shù)相比，不僅直流電壓利用率有很大提高，而且更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。矢量控制技術(shù)以經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ)，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，使得交流電動(dòng)機(jī)在理論上能像直流電動(dòng)機(jī)一樣，分別對(duì)勵(lì)磁與

15、轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)性能。4.1三相合成矢量圖4.1電壓空間矢量4.2空間矢量表達(dá)式 當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量 以電源角頻率為角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，幅值 ，在三相平衡正弦電壓供電時(shí)，若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已穩(wěn)定，則定子電流和磁鏈的空間矢量的幅值恒定，以電源角頻率為電氣角速度在空間作恒速旋轉(zhuǎn)。4.3電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓）。忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為或 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡 電

16、壓矢量圓軌跡4.4 SVPWM 原理 圖 4.4 所示是一個(gè)典型的電壓型 PWM 逆變器原理簡(jiǎn)圖。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合、以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形運(yùn)動(dòng)軌跡為目標(biāo)，就可以產(chǎn)生諧波較少且直流電源電壓利用率較高的輸出。VT1VT5VT3U dVT4VT6VT2圖 4.4三相電壓源型逆變器 圖中的 VT1VT6 是六個(gè)功率開關(guān)管，a、b、c 分別代表 3 個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)。規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(shí)(此時(shí)下橋臂開關(guān)管是“關(guān)”狀態(tài))，開關(guān)狀態(tài)為“1”；當(dāng)下橋臂開關(guān)管為“開”狀態(tài)時(shí)(此時(shí)上橋臂開關(guān)管是“關(guān)”狀態(tài))，開關(guān)狀態(tài)為“0”。3 個(gè)橋臂只有 1 和 0

17、兩種狀態(tài)，因此 a、b、c 形成 000、001、010、011、100、101、110、111 共 8 種開關(guān)模式。其中 000 和 111 開關(guān)模式使逆變器輸出電壓為零，所以這兩種開關(guān)模式為零狀態(tài)。當(dāng)零矢量作用于電機(jī)時(shí)不形成磁鏈?zhǔn)噶?；而?dāng)非零矢量作用于電機(jī)時(shí)，會(huì)在電機(jī)中形成相應(yīng)的磁鏈?zhǔn)噶俊?個(gè)有效工作矢量U1U6，幅值相同，相鄰的非零矢量間隔 60 度。2個(gè)零矢量U0，U7。開關(guān)狀態(tài)與相電壓在坐標(biāo)系的分量的對(duì)應(yīng)關(guān)系根據(jù)表得出的八個(gè)矢量就成為基本電壓空間矢量。4.5期望電壓空間矢量的合成 六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧波分量，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。要獲得更多邊形或接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有

18、更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇。按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量PWM（SVPWM）的基本思想。按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，當(dāng)期望輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就用與期望輸出電壓矢量相鄰的2個(gè)有效工作矢量等效地合成期望輸出矢量。4.6 SVPWM的實(shí)現(xiàn) 通常以開關(guān)損耗和諧波分量都較小為原則，來(lái)安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使PWM輸出波型對(duì)稱，以減少諧波分量。 前面已經(jīng)討論了逆變器 8 種開關(guān)組態(tài)形成的八個(gè)電壓空間矢量?？梢宰C明，當(dāng)繞組通以三相正弦對(duì)稱電壓時(shí)，電壓空間

19、矢量在復(fù)數(shù)平面上將以不變的長(zhǎng)度恒速旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓，即磁鏈圓，這一矢量的轉(zhuǎn)速就是電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。反之，只要使得磁鏈電壓空間矢量以不變的長(zhǎng)度在復(fù)平面上恒速旋轉(zhuǎn)，那么就可以確保產(chǎn)生這一磁鏈電壓空間矢量的三相電壓是正弦波而且是對(duì)稱的；而這個(gè)磁鏈電壓空間矢量的模代表相電壓的幅值，它的角速度代表正弦波的角頻率。4.6.1電壓空間矢量所在扇區(qū)的確定基本電壓空間矢量一共組成 6 個(gè)扇區(qū)，如圖 2.8 所示。只有確定要實(shí)現(xiàn)的電壓矢量位于哪個(gè)扇區(qū)，才能知道用哪一對(duì)相鄰的基本電壓空間矢量去合成它。先定義 A，B，C 三個(gè)變量如下：并設(shè)定如下的規(guī)則：如果 A>0，則 A1，否則 A0；如果 B>

20、0，B1，否則 B0；如果 C>0，C1，否則 C0。計(jì)算 N 值為：N = 4C + 2B +A4.6.2零矢量的實(shí)現(xiàn)方法零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法 ：按照對(duì)稱原則，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，安放在開關(guān)周期的首端和末端。零矢量的作用時(shí)間放在開關(guān)周期的中間，并按開關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不變，從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗小。 零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法 ：將零矢量平均分為4份，在開關(guān)周期的首、尾各放1份，在中間放兩份。將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，插在零矢量間。按開關(guān)次數(shù)最少的原則選擇矢量。

21、每個(gè)周期均以零矢量開始，并以零矢量結(jié)束。從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，三相狀態(tài)均各變化一次，開關(guān)損耗略大于零矢量集中的方法。圖4.6.1 零矢量集中的SVPWM實(shí)現(xiàn)圖4.6.2 零矢量分布的SVPWM實(shí)現(xiàn)4.7 本章小結(jié)本章主要介紹了異步電機(jī)矢量控制的基本思想，詳細(xì)推導(dǎo)了矢量控制系統(tǒng)的坐標(biāo)變換和三相異步電動(dòng)機(jī)在三種坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。分析了按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制基本方程式和轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)模型，在 SVPWM 基本原理的基礎(chǔ)上分析了其實(shí)現(xiàn)算法，最后建立了基于電壓空間矢量 PWM 的矢量控制系統(tǒng)。第5章：Matlab/Simulink 仿真5.1 Matla

22、b/Simulink 仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介 Matlab 是一種科學(xué)計(jì)算軟件，由美國(guó) Mathworks 公司于 1984 年開始推出，歷經(jīng)升級(jí)，到 2001 年己經(jīng)有了 6.0 版，現(xiàn)在 7.0 版以及更高的版本都相繼面世。Matlab能工作在多種平臺(tái)上，它的 Simulink 工具箱是一種優(yōu)秀的仿真軟件，具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程、以及高度可視化等特點(diǎn)。Simulink 提供了各種仿真工具，尤其是不斷擴(kuò)展、內(nèi)容豐富的模塊庫(kù)為系統(tǒng)仿真提供了極大的便利。在Simulink環(huán)境下利用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)(主要為Simulink模塊庫(kù)和SimPowerSystem模塊庫(kù))模塊，可以方便的進(jìn)行電力

23、電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的仿真。 Matlab/Simulink 具有開放的編程環(huán)境，它允許用戶開發(fā)自己所需的模型，要建立自己的模型，主要有如下方法：1)用現(xiàn)有模型組合成新的自定義功能模型；2)使用 Matlab Function 模型調(diào)用 Matlab 函數(shù)，構(gòu)造形如 y=f(x)的函數(shù)，其功能十分有限；3)通過(guò) S-Function 模板構(gòu)造新功能模塊，即通過(guò) Matlab、C+或 C 語(yǔ)言程序，依照需要設(shè)計(jì)的模型的數(shù)學(xué)模型及模型的狀態(tài)函數(shù)設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)所需功能的新功能模塊。第 1 種方法具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用 Simulink 提供的一個(gè)建立子系統(tǒng)Subsystem 的功能, 在其編輯區(qū)

24、將現(xiàn)有的多個(gè)功能模塊組合起來(lái)，合成新的功能模塊。子系統(tǒng)內(nèi)部還可以包含二級(jí)子系統(tǒng)模塊，多層嵌套，可以組成很復(fù)雜的子系統(tǒng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了功能塊的封裝，減小了模塊的體積。本論文主要利用第 1 種方法結(jié)合第 2 種方法搭建基于 SVPWM 的矢量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真模型。5.2 三相交流異步電機(jī)模型 為了使仿真結(jié)果盡可能地接近異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，仿真模型應(yīng)該與異步電動(dòng)機(jī)的原始模型盡量保持一致。由于兩相坐標(biāo)軸互相垂直，兩相繞組之間沒(méi)有磁鏈的耦合，因而異步電機(jī)的數(shù)學(xué)建模方法一般是將三相靜止坐標(biāo)系變換為兩相靜止坐標(biāo)系。在這里，以兩相 靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型作為建立仿真模型的依據(jù)，該數(shù)學(xué)模型是在變換前后功率

25、保持不變的約束條件下，經(jīng)過(guò)三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)變換得到的，不需要其他假設(shè)條件。由兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程變換可得：再根據(jù)式磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程可得兩相坐標(biāo)系下電機(jī)的數(shù)學(xué)模型狀態(tài)方程為：式中：Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；Ls，Lr分別為定轉(zhuǎn)子自感；Rs，Rr為定轉(zhuǎn)子電阻；為極對(duì)數(shù)；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 電磁轉(zhuǎn)矩；Ts=Ls/Rs；Tr=Lr/Rr；為轉(zhuǎn)子的角速度。根據(jù)上式，在 Matlab/Simulink 平臺(tái)下建立的仿真模型如下圖所示。圖5.1 兩相靜止坐標(biāo)系下仿真模型 圖 5.1 中輸入量為異步電機(jī)在 坐標(biāo)系下的定子電壓分量、；電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。輸出量為異步電機(jī)在 坐標(biāo)系下的定子電流分量、；轉(zhuǎn)子的角速度；

26、電磁轉(zhuǎn)矩T e。將圖 5.1 封裝成一個(gè)功能模塊，并結(jié)合坐標(biāo)變換，就得到三相交流異步電機(jī)的仿真模型圖 5.2。圖5.2 三相交流異步電機(jī)仿真模型 其子系統(tǒng)模型如下所示：1) 3/2轉(zhuǎn)換模型 通過(guò)3/2變換，將三相靜止坐標(biāo)系中的電壓轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓。圖中，2) 定子磁鏈電動(dòng)機(jī)模型 定子磁鏈電動(dòng)機(jī)各模塊子模型3) 2/3轉(zhuǎn)換模型根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)/靜止變換，將兩相靜止坐標(biāo)系中的定子電流 轉(zhuǎn)換成三相靜止坐標(biāo)系上的定子電流。圖中，5.3模型參數(shù)設(shè)置在本例中，需要設(shè)置的參數(shù)是定子電阻R1=12，轉(zhuǎn)子電阻R2=10.7，L1=0.8097，L2=0.8090，Lm1=0.7104，極對(duì)數(shù)np=2。S

27、cope示波器設(shè)置如圖5.3.1。輸入正弦電壓一相參數(shù)設(shè)置如圖5.3.2所示。其中100*pi=50Hz，其中兩相Frequency(rad/sec）分別設(shè)置成-2/3*pi,2/3*pi各相之間相位差為120°。 圖5.3.1 Scope示波器設(shè)置 圖5.3.2 Sine Wave正弦A相電壓輸入設(shè)置Steb輸入階躍負(fù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置如圖5.3.3所示。設(shè)置Graph在坐標(biāo)系中顯示轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系，Graph設(shè)置如圖5.3.4。 圖5.3.3 Step階躍負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入設(shè)置 圖5.3.4Graph輸出顯示設(shè)置仿真結(jié)果初始狀態(tài)電機(jī)正常啟動(dòng)，在0.65s的時(shí)刻，加上一個(gè)值為10的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

28、，觀察仿真得到的各個(gè)量之間變化關(guān)系。 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電流仿真曲線 空載起動(dòng)和加載過(guò)程的轉(zhuǎn)速仿真波形 電磁轉(zhuǎn)矩變化圖仿真結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)所建立的模型確實(shí)正確可用。5.4 SVPWM控制模型5.4.1系統(tǒng)仿真圖圖5.4.1 系統(tǒng)仿真圖1) 激勵(lì)模塊圖5.4.2 激勵(lì)模塊2) SVPWM模塊圖5.4.3 SVPWM模塊3) 開關(guān)函數(shù)模塊圖5.4.4 開關(guān)函數(shù)模塊4) Ed-able模塊圖5.4.5 Ed-able模塊5）電動(dòng)機(jī)模塊5.4.2仿真結(jié)果 異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 SVPWM輸出線電壓和線電流放大后SVPWM輸出線電壓和線電流第6章 ：總結(jié)在分析異步電動(dòng)機(jī)的物理模型后，建立異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后推導(dǎo)出兩相靜止坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)矩方程，利用Matlab/Simulink仿真工具把數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ?。運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型，可觀察到異步電