无速度传感器感应电机矢量控制仿真

拖动系统课程设计

报告书

题目： 无速度传感器感应电机矢量控制系统设计与仿真 专业： 姓名： 学号： 指导教师：

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课程设计任务书

课题名称 异步电机矢量控制系统设计与仿真 矢量变频器技术是基于DQ轴理论而产生的,它的基本思路是把电机的电流分解为D轴电流和Q轴电流,其中D轴电流是励磁电流,Q轴电流是力矩电流,这样就可以把交流电机的励磁电流和力矩电流分开控制,使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性,是为交流电机设计的一种理想的控制理论,大大提高了交流电机的控制特性。矢量控制，也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。本课题就是以这类高性能矢量型变频器为研究对象。 主要任务 与目标 一、该同学的主要任务 1、查找文献，掌握异步电动机矢量控制变频调速系统的基本控制原理。 2、设计异步电机矢量控制系统的硬件系统。 3、应用MATLAB软件对所设计的系统进行建模。 4、对系统进行仿真试验，分析系统的动静态性能。 二、目标 1、系统可以实现异步电动机的高性能变频控制； 2、系统具有良好的调速性能； 3、系统具有较好的控制精度； 本课题以DSP为控制器，采用转子磁场定向的矢量控制方式，设计异步电动机的变频调速系统。该同学的主要承担硬件系统设计与MATLAB仿真试验。 主要内容： 主要内容 1、设计系统交直交主电路、驱动电路； 2、设计转子磁场定向控制算法设计； 3、速度调节器、电流调节器设计； 4、负载变化等抗干扰性能的仿真试验。

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主要参 考资料 计划进度： 一、主要参考文献 1、电力拖动控制系统；陈伯时，机械工业出版社； 2、电气传动的脉宽调制控制技术，吴守，机械工业出版社；3、电力电子技术，浣喜明，高等教育出版社； 4、电动机的DSP控制，王晓明，北京航空航天出版社； 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实习地点 系 意 见 系主任签名： 年 月 日 指导教师 签 名 内容 任务布置与介绍 系统总体方案设计 异步电机数学模型推导 SVPWM算法设计 电流调节器设计 速度调节器设计 磁链观测器设计 仿真调试与试验 撰写课程设计报告 答辩 年 月 日 主管院长签名： 年 月 日 学院 盖章

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摘要

矢量变换控制(Transvector Control)，也称磁场定向控制。它是由德国学者F.Blaschke等人在1971年提出的一种新的优越的感应电机控制方式，是基于dq轴理论而产生的，它的基本思路是把电机的电流分解为d轴电流和q轴电流，其中d轴电流是励磁电流，q轴电流是力矩电流，这样就可以把交流电机的励磁电流和力矩电流分开控制，使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性，是为交流电机设计的一种理想的控制理论，大大提高了交流电机的控制特性。一般将含有矢量变换的交流电动机控制都称为矢量控制，实际上只有建立在等效直流电动机模型上并按转子磁场准确定向的控制，电动机才能获得最优的动态性能。本文介绍了矢量控制系统的原理及模型的建立，搭建了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制无速度传感器调速系统的Simulink模型，并用MATLAB最终得到了仿真结果。

关键词：感应电机; 矢量控制; 磁链观测; 速度估算

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目录

摘要 ...................................................................................................................... iv 目录 ........................................................................................................................v 1 异步电机及Simulink模型 ...............................................................................1 1.1 异步电动机的稳态等效电路 .........................................................................1 1.1.1 等效电路中各参数物理意义 ......................................................................1 1.1.2 感应电机功率流程 ......................................................................................1 1.2 Simulink仿真基础 ..........................................................................................2 1.2.1 异步电动机Simulink模型 .........................................................................2 1.2.2 异步电动机模型参数设置 ..........................................................................3 1.3 电机测试信号分配器模块及参数设置 .........................................................4 2 矢量控制 ............................................................................................................5 2.1 矢量控制的基本思路 .....................................................................................5 2.2 矢量坐标变换原理 .........................................................................................7 2.2.1 定子绕组轴系的相变换(A-B-C和?-?坐标系间的变换) ......................7 2.2.2 转子绕组轴系的变换(A-B-C和d-q坐标系间的变换) ............................8 3 电流正弦PWM技术 ........................................................................................8 4 转子磁链模型的建立 ........................................................................................9 4.1 基于电压电流模型设计转子磁链观测器 .....................................................9 4.2 基于转差频率设计的转子磁链观测器 .......................................................10 5 转矩计算模块 .................................................................................................. 11 6 转速推算器的设计 .......................................................................................... 11 6.1 基于转矩电流误差推算速度的方法 ........................................................... 11 6.2 基于模型参考自适应方法(MARS)的速度估算 .........................................12 6.3 基于空间位置角?s的速度估算方法 ..........................................................13 7 感应电机矢量控制系统的Simulink仿真 .....................................................13 8 结论 ..................................................................................................................19 参考文献 ..............................................................................................................19 附录1 基于??0的感应电机数学模型 ...........................................................20 附录2 基于dq0的感应电机数学模型 .............................................................21 附录3 基于dq0的转子磁链定向感应电机数学模型 .....................................22

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1 异步电机及Simulink模型

感应电动机是借定子旋转磁场在转子导体中感应电流，从而产生电磁转矩的一种电机。定、转子间的能量转换依靠旋转磁场的电磁感应作用，故称为感应电动机。

三相感应电动机利用旋转磁场的原理，当定子三相绕组通入三相电流后，在空气隙中将产生旋转磁场，如果在这个磁场内放一个短路线圈，则会在线圈中产生感应电动势，从而产生电流，这个电流和旋转磁场相互作用就产生了转矩，使线圈动起来，跟随旋转磁场转动。由于其转子转速始终低于同步速n1，即n与n1之间必须存在者差异，因而又称“异步”电动机。 转差(n?n1)的存在是感应电机运行的必要条件，我们将转差与同步转速的比值称为转差率，用符号s(0

1.1异步电动机的稳态等效电路

根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损。异步电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图所示。

异步电动机T形等效电路 1.1.1等效电路中各参数物理意义

’——定子每相绕组电阻和折合到定子侧的转子每相绕组电阻；Rs、RrL1s、L’1r —— 定子每相绕组漏感和折合到定子侧的转子每相绕组漏感；Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；Us——定子相电压；w1——供电电源角频率，w1?2?f1；Is、Ir’ ——定子相电流和折合到定子侧的转子相电流，箭头为规定正方向；s——转差率 1.1.2感应电机功率流程

U1I1cos?1 感应电动机定子绕组从电源输入的有功功率P1为 P1?3其中一部分消耗在定子绕组铜耗Pcu1?3I12r1及旋转磁场在定子铁芯中的铁损

2耗PFe?3I0rm(由于n?n1，f2很低，而且转子铁芯也为迭片而成，所以转子

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铁耗忽略不计)。剩下的大部分即为通过电磁感应而进入转子的电磁功率PM，即 PM?P1?Pcu1?PFe

PM为 由T形等值电路可知，进入转子回路的电磁功率’’’’2r2’2’’21?s’I2cos?2?3I2?3I2r2?3I2(r2)?Pcu2?P? PM?3E2ss即PM中的一部分消耗在转子绕组的铜耗上Pcu2，另一部分则转化为轴上的总机械功率P?。而且P?还必须克服机械损耗p?及由于定转子开槽等原因引起的附加损耗p?，剩下的才是从轴上输出的机械功率P2，即 P2?P??p??p??P 1?Pcu1?PFe?Pcu2?p??p??P1??p则感应电动机的效率为??P2?100%?P1??p?100%?(1??p)?100%

P1P1P1按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率PM分成两部分：

1?s’21?s’(r2)?Pcu2?PM?Pcu2?(1?s)PM是拖动一部分是机械功率P??3I2s’s2’负载的有效功率，另一部分Pcu2?3I2r2?sPM是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。

1.2Simulink仿真基础

Simulink工具箱的功能是在MATLAB环境下，把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型；电力系统仿真工具箱(SimPower System)是在Simulink环境下使用的仿真工具箱，其功能非常强大，可用于电路、电力电子、电机系统、电力传输等领域的仿真，它提供了一种类似电路搭建的方法用于系统的建模。

1.2.1异步电动机Simulink模型

Asynchronous Machine SI Units 国际单位制的异步电动机

其电气连接和功能分别为：

A、B、C：交流电机的定子电压输入端子；

Tm：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机械负载；

a，b，c：绕线式转子输出电压端子，一般短接；而在鼠笼式电机为此输出

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端子；

m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号。

1.2.2异步电动机模型参数设置

异步电动机模型参数设置

Rotor type：转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式(Wound)和鼠笼式(Squirrel-cage)两种类型；

Reference frame：参考坐标列表框，可以选择转子坐标系(Rotor)、静止坐标系(Stationary)、同步旋转坐标系(Synchronou)；

Nominal power, voltage(line-line), and frequency[ Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz) ]：额定功率(VA)，线电压(V)，频率(Hz)；

Stator resistance and inductance[ Rs(ohm) L1s(H) ]：定子电阻Rs(ohm)和漏感 第 3 页

L1s(H)；

Rotor resistance and inductance[ Rr’(ohm) L1r’(H) ]：转子电阻Rr(ohm)和漏感L1r(H)；

Mutual inductance Lm(H)：互感Lm(H)；

Inertia, friction factor and pairs of poles[ J(kg.m^2) F(N.m.s) p() ]：转动惯量J(kg.m^2)、摩擦系数和极对数；

Inertia conditions：初始条件包括：初始转差s，点角度phas, phbs, phcs(deg)和定子电流isa isb isc(A)。

1.3电机测试信号分配器模块及参数设置

电机测试信号分配器模块及参数设置

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ir_abc：转子电流ira, irb, irc；

ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d； phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d； vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d； is_abc：定子电流isa, isb, isc；

is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d； phis_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d； vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d； wm：电机的转速； Te：电机的机械转矩；

Thetam：电机转子角位移。

2 矢量控制

异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解十分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是矢量坐标变换。利用矢量坐标变换将异步电动机模拟成直流电动机进行电磁转矩控制，实现了异步电动机的高性能速度控制。

2.1矢量控制的基本思路

在交流异步电动机定子三相对称绕组中，通入对称的三相正弦交流电ia、ib、ic时，则产生旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场?ABC，如图(a)所示，磁场的旋转角速度等于定子电流的角频率ws。然而，产生的旋转磁场不一定非要三相绕组，除单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，都能产生圆形旋转磁场。如图(b)所示，具有位置互差900的两相定子绕组?、?异步电动机，当通入两相对称正弦电流i?、i?时，也能产生旋转磁场???。如果这个旋转磁场的大小，转速及转向与图(a)所示三相绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为图(a)和图(b)所示的两套交流绕组等效。由此可知i，处于三相静止坐标系上的三相对称静止交流绕组，可以等效为两相静止直角坐标系上的两相对称静止交流绕组；三相交流绕组中的三相对称正弦交流电流ia、ib、ic与二相对称正弦交流电流i?、i?之间必存在着确定的变换关系

i???C3S/2Siabc1iabc?C3?S/2Si???C2S/3Si?? 该式为矩阵方程，其中C3S/2S和C2S/3S为变换矩阵

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转速n=1200r/min，空载起动至0.6s时增至60N.m,环宽-8到5时的波形

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转速n=800r/min，空载起动至0.6s时增至60N.m,环宽-10到12时的波形

转速n=120r/min，空载起动至0.6s时增至60N.m,环宽-10到12时的波形

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8 结论

无速度传感器感应电机矢量控制的仿真系统采用了模型参考自适应法估算了感应电机的转速，这种估算转速的方法受电机参数影响小、具有较好的鲁棒性，实用性强。在仿真过程中我也试了其他的估算方法，但最终都没有成功，个人认为是参数没有调节好的原因还有就是对该方法了解不多吧；PI参数调整时，问题也不是很大；主要就是仿真时的仿真速度太慢了，改变了电流跟踪的滞环环宽，把开关频率变小，速度就变快了，整体仿真速度提高了，但电流波形就不大美观了，整体误差提高了。在改变给定转速时，根据需要改变滞环环宽，同时对PI参数稍作调整即可得出波形如上所示。在整个仿真初期，最初开始并不是很理解，后来慢慢的了解，查找资料，熟悉感应电机原理及矢量控制思想和变换，先做出有速度传感器的矢量调速系统，看波形调整参数，大致可以的时候，再搭出速度估算器，连入电路中，再进行仿真，调整参数，整个过程也就是仿真时速度太慢，后期改进在上文中已做简要介绍。

参考文献

[1] 周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2007，234-273

[2] 谢宝昌, 任永德.电机的DSP控制技术及其应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005，170-175

[3] 潘晓晟, 郝世勇.MATLAB电机仿真精华50例.北京：电子工业出版社，2007，65-78

[4] 王晓明.电动机的DSP控制——TI公司DSP应用（第2版）.北京：北京航空航天大学出版社，2009，100-210

[5] 任志斌, 杨勇.DSP控制技术与应用.北京：中国电力出版社，2015，1-57 [6] 陈梓乐, 师克力.感应电机智能调速.北京：国防工业出版社，2014，24-58 [7] 阮毅, 陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统.北京：机械工业出版社，2009

[8] 林瑞光.电机与拖动基础（第三版）.杭州：浙江大学出版社，2012，110-200 [9] 王兆安, 刘进军.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009

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附录1 基于??0的感应电机数学模型

1.在??0系统下，电机的定、转子电压方程为

us_??Rsis_??us_??Rsis_??ur_??Rrir_??ur_??Rrir_??d?s_?dtd?s_?dtd?r_?dtd?r_?dt??r_?wr??r_?wr

2.在??0系统下，电机的定、转子磁链方程为

?s_??Lsis_??Lmir_??s_??Lsis_??Lmir_??r_??Lrir_??Lmis_??r_??Lrir_??Lmis_?

对于鼠笼形异步电机，转子短路，即ur_??ur_??0。 3.电磁转矩方程

Te?PmLm(is_?ir_??ir_?is_?)

4.运动方程

一般情况下，电力拖动系统的运动方程为

Te?TL?Jdwr

Pmdt式中，TL为负载转矩，J为系统转动惯量，wr为转子转动角速度。

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