[其它课程]基于Matlab的矢量控制变频调速系统分析.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文）基于Matlab的矢量控制变频调速系统分析摘 要众所周知，交流异步电机因其结构简单、可靠性高、性能优良、输出转矩大等特点，被广泛的应用，且随着交流异步电机应用领域的不断拓宽，对电机控制系统的设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短等特点。然而变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。本文在分析交流异步电机数学模型的基础上，提出矢量控制。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。然后借助于MATLAB 仿真建模能力，提出了一种基于MATLAB的矢量控制变频调速系统仿真模型的新方法。其基本思想是：将交流感应电机控制系统的功能单元模块化，MATLAB中建立独立的功能模块：交流异步电机本体模块、矢量控制模块、速度控制模块、转矩计算模块等，这些功能模块进行有机整合，即可搭建出交流异步电机系统的仿真模型。控制系统中，速度环采用PI 控制，方法简捷，效果理想。仿真结果证明了该种新型建模方法的快速性和有效性。关键词：异步电动机，矢量控制，变频调速，MATLABMatlab-based Vector Control Frequency Control System Analysis ABSTRACTAs is known to all, because of its simple structure, high reliability, good performance, output torque big wait for a characteristic, communication, and widely used asynchronous motor with ac induction motor is expanding, and the fields of application of motor control system design requirements more and more high, both must consider low cost, control algorithm and reasonable and need to juggle good control performance, short development cycle, etc. Therefore, how to establish an effective communication asynchronous motor control system simulation model becomes the motor control algorithm design personnel urgent need to address the key problem. Based on the analysis of ac induction motor based on mathematical model, with the aid of MATLAB simulation modeling ability, strong in the function of using SIMULINK embedded components, proposed based on MATLAB/SIMULINK establish ac asynchronous motor control system simulation model of the new method. The basic idea is: will ac induction motor control system function module, MATLAB/SIMULINK unit in establishing the independent function module: ac induction motor ontology modules, vector control module, current hysteresis control module, speed control module, torque calculation module, the functional modules, can build the organic integration of ac indution motor system simulation model. Control system, the speed loop, current loop by PI control by hysteresis current control, the method is simple, the effect is ideal. The simulation results prove the new quickness and the effectiveness of modeling method.Key words: Induction motor, vector control, frequency control, MATLAB 基于Matlab的矢量控制变频调速系统分析马 晓 文 0213071280 引言70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。近10年来，随着电力电子技术、算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速，计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展的趋势。电机交流变频调速技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种重要手段。变频调速以其优异的调速启动，制动性能、高效率、高功率因数和节电效果广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有前途的调速方式。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动时一个重要的行业，被国家重视。交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变的很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。1 异步电动机变频调速1.1 异步电动机概述异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。 作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60多。作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。1.2 三相异步电动机的结构1.2.1 定子（静止部分）定子的作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。 定子的构造：定子铁心一般由0.35到0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 定子铁心槽型有以下几种： 半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。 半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。 开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。 定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。 构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。 定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。 （1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。 （2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。 （3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。 电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。 机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。 构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。 1.2.2 转子（旋转部分）三相异步电动机的转子铁心作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。 三相异步电动机的转子构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300到400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。 三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。 构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。 鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。 绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。 特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。1.3 异步电动机原理当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。 通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。2 变频调速2.1 变频调速原理异步电机的转速n可以表示为(2.1)式中，同步转速，转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCUDSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。2.2 变频技术的发展方向2.2.1 交流变频向直流变频方向转化直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流直流交流变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流直流变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低.2.2.2 控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。2.2.3功率器件向高集成智能功率模块发展虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎100采用IPM方式。近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IPM）相继面市。IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上。它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快可以组成运行系统。2.3 异步电动机调速方式三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串极调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。2.3.1 变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：1)具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2)无转差损耗，效率高； 3)接线简单、控制方便、价格低；4)有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。2.3.2 变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 1)效率高，调速过程中没有附加损耗； 2)调速范围大，特性硬，精度高； 3)技术复杂，造价高，维护检修困难； 4)本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 2.3.3 串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 1)可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 2)装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上； 3)调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 4)晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大； 5)本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 2.3.4 绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。2.3.5 定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： 1)调压调速线路简单，易实现自动控制； 2)调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低；3)调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。 2.3.6 电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点： 1)装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 2)调速平滑、无级调速； 3)对电网无谐影响； 4)速度失大、效率低； 5)本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。3 矢量控制3.1 矢量控制原理矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。3.2 控制策略1)正弦脉冲宽调制 SPWM；2)电压空间矢量SVPWM；3)质量控制；4)直接转矩控制DTC；5)矩阵式交-交控制方式 例（WVF变频 矢量控制变频直接转矩制变频都是交-直-交变频）。3.3 选择矢量控制策略的原因矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流,、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 综合以上：矢量控制无非就四个知识：等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转）。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。3.4 矢量控制的基本方程式及系统结构矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型包括电压方程、磁链方程和电磁转矩方程。分别如下: ;(3.1)= ; (3.2) (3.3)当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时,应有,即得: (3.4) (3.5) (3.6) (3.7) 为同步转速，为转子转速，s为转差角速度，u为电压，为磁链，i为电流，R电阻，L为电感，为极对数，为转子时间常数，为微分因子，s表示定子,r表示转子,d表示d轴,q表示q轴, m 表示同轴定,转子间的互感。 图3.4 系统结构框图系统结构图如图3.4 所示。逆变器采用电压型,整流侧输出为理想直流电压,故图中用直流电压源表示,逆变器输出的三相电流给异步电动机供电。该系统采用了转速、磁链的闭环控制,且转速、磁链调节器均为PI 调节器。图中上标*的控制量为指令值,其余为实际值。将角速度指令和的偏差信号送入转速调节器,输出转矩, 磁链指令和的偏差信号送入磁链调节器, 输出定子电流由矢量控制基本方程式可求出,.经过一系列坐标变换后, 可得到三相电流指令,与反馈三相电流, 相比较,经过脉冲发生器将输出信号送给IGBT 逆变器达到变频调速的目的。4 使用MATLAB建立模块4.1 MATLAB众所周知，电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，而且在国民经济中有非常重要的作用，电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要工具。因此电力系统仿真软件的功能特性对于提高研究、设计的效率和可信性有重要作用。将数字实时仿真技术、计算机技术、自动控制和电力系统融合在一起，形成电力系统实时仿真技术，国外对于这一领域有一定的研究，并处于领先的地位。例如，加拿大的实时仿真装置（RTDS），其功能强大，模型详细精确，实时性能好，但由于体积庞大、造价高以及维护困难等原因不利于实时仿真技术的推广普及。电力系统仿真软件主要用来进行潮流计算、电磁暂态仿真、机电暂态仿真等。在众多的仿真软件里，此次毕业设计选择的是Math Works公司开发的科学与工程计算软件MATLAB。MATLAB是高性能、通用的科学与工程计算软件，它功能强大，在电气、化工、制造、医疗等多个行业均有应用。被称为第四代计算机语言的MATLAB，一所以如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，它使人们无须直接对计算机硬件资源进行操作，利用其丰富的函数资源，MATLAB最突出的特点就是简洁，他用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。从分析研究的角度讲，我们使用这种SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节而且能让用户清晰地了解各种器件，系统。系统将的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。4.2 基于MATLAB 矢量控制变频调速系统模型的建立在Matlab6.5 的SIMULINK 环境下，利用SimPowerSystemToolbox2.3 丰富的模块库，在分析交流异步电机数学模型的基础上，建立了交流异步电机控制系统的仿真模型，整体设计框图如图4.2 所示。系统采用双闭环控制方案：转速环由PI 调节器构成，电流环由电流滞环调节器构成。根据模块化建模的思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要包括：交流异步电机本体模块、矢量控制模块、帕克变换模块、坐标变换模块、电流滞环控制模块、速度控制模块、转矩计算模块和电压逆变模块。通过这些功能模块的有机整合， 就可在MATLAB/SIMULINK 中搭建出交流异步电机控制系统的仿真模型，并实现双闭环的控制算法。图4.2 MATLAB的矢量控制变频调速系统图 MATLAB仿真三要素：系统，模型，计算机5个步骤：布局，连线，设置元器件参数，设置仿真参数并运行仿真模型，查看仿真结果。4.3 各模块的组成4.3.1 变频器变频器组成：整流单元，高容器电容，逆变器，控制器。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。4.3.2 变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。4.3 逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(TG、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。4.4 速度控制模块速度控制模块的结构较为简单，如图4.4所示，单输入：参考转速和实际转速的差值，单输出：参考电磁转矩Te 。其中，Ki为PI控制器中P（比例）的参数，K/Ti为PI 控制器中I（积分）的参数，Saturation 饱和限幅模块可将输出的参考电磁转矩的幅值限定在要求范围内。图4.4 速度控制模块结构框4.5 转矩计算模块根据交流异步电机数学模型中的电磁转矩方程式(4.5)式中：n p电机极对数；q 角位移进行abc/dq 坐标变换，可得电磁转矩计算方程式为：(4.6)可建立图 4.5 所示的转矩计算模块，模块输入为两相相电流和、转子绕组磁链和 ，通过加乘模块即可求得电磁转矩信号Te 。同时根据运动方程式，由电磁转矩Te 和负载转矩 ，通过加乘、积分环节，即可得到转速信号 ，求得的转速信号经过积分就可得到转子位置信号。图4.5 转矩计算模块结构框图4.6 电压逆变模块电压逆变模块实现的是逆变器功能，输入为位置信号和电流滞环控制模块给出逆变控制信号，输出为三相相电压，。该模块采用Matlab6.5 中SimPowerSystem Toolbox2.3 提供的通用逆变模块搭建，只需3 对IGBT 功率开关器件，反向并联续流二极管，根据电流滞环控制模块给出的导通信号，控制6 个开关器件顺序导通和关断，从而产生三相相电压输出。4.7 帕克变换模块帕克变换模块（见图4.7）实现的是参考相电流的 dq/abc 变换，即dq旋转坐标系下两相参考相电流向abc 静止坐标系下三相参考相电流的转换，由方程式实现：(4.7)图4.7 帕克变换模块结构框图park 逆变换：将3相交流电流投影到2维空间里，来反映他们的特质。像控制直流电机那样控制交流电机通过解耦4.8 脉冲宽度调制脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： (1）设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 。(2） 在PWM控制寄存器中设置接通时间 。(3）设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 。(4）启动定时器 。(5）使能PWM控制器。4.8.1 脉冲宽度调制优点PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。4.8.2控制方法采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。5 仿真结果及分析 本文基于MATLAB/Simulink建立了绕线式异步电机的模型，并对其进行了仿真测试。电机参数为异步电动机参数为：2HP，460V，60Hz，Lm=208.8mH,Rr=1.821 ,Lr=218.5Mh, 采用ode45算法，初始值50rad/s, 在t=0.1S时变为100rad/s，在t=0.4S时变为80rad/s，负载转矩初始值为0，在t=0.6S时变为60 N.m，此时转速PI调解器的参数= 70，=5。 图5.1 感应电机驱动相电流图5.2 Clarke变换后的输出