异步电动机矢量控制系统设计及仿真
中文摘要
异步电动机矢量控制系统设计及仿真
摘要
现代交流调速系统在矢量控制技术出现以前多用恒压频比的控制策略，采用这个控制策略的不足之处是在电动机低速转动或者在加减速、加减负载等动态情况下，系统性能显著降低，致使交流调速系统在低速、启动时转矩的动态响应以及整个系统的稳定度方面比直流调速系统逊色，这样就不能满足人们的高精度需求。后来，交流异步电动机控制开始大踏步从标量控制向矢量控制迈进了。下面就来简要介绍下矢量控制理论。
矢量控制发展起来的基础和核心理论支撑是坐标转换原理，机电能量转换理论等一些电机学的概念。这一控制的根本思想方法其实就是将异步电动机模仿成直流电动机来控制。只要建立出与三相交流绕组等效的两相绕组，即可建立与异步电动机等效的直流电机模型，再加上相应的比例积分调节环节，于是就可按对直流电机的控制策略对异步电动机进行控制。因而使用矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，使得调速性能得以优化提高。这次毕设中我根据这个思路成功地进行了MATLAB仿真。
关键词：交流电动机；矢量控制调速系统；仿真
ABSTRACT
The Design and Simulation of Vector Control System
of Asynchronous Motor
Abstract
Before the technique of vector control system was invented, alternating current speed control system used constant V/f ratio control method witch is normally known as scalar control. Systems which take this method show vital defect when the motor running at low speed or under circumstances like acceleration, deceleration, adding load, reducing load. Alternating current motor witch use vector control can achieve the same control performance as constant current motor, even better.
Vector control developed from the foundation of the theory of motor integration, mechanical-electric energy transition, coordinates transition. Its main idea is simulating constant current motor to control alternating current motor. Once the equivalent among three-phase alternating current wingding, two-phase alternating current wind and rotating constant current winding is established, the mode of alternating current motor that simulating constant current motor can be created as well. Therefore, asynchronous motor can be controlled in ways according to synchronous motor. So that vector control can achieve dynamic control of electrical torque of asynchronous motor and reach a high level of speed control performance. I have successfully made a MATLAB simulation of the system.
Key Words: Asynchronous Motor; Vector Control; Simulation
目录
摘要................................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................... II 第 1章绪论 . (1)
1.1交、直流调速系统 (1)
1.2交流调速系统概述 (2)
第2章异步电动机之矢量控制理论 (5)
2.1异步电动机之数学模型 (5)
2.1.1关于异步电动机数学模型之性质 (5)
2.1.2数学模型构建 (5)
2.2异步电动机的坐标变换 (8)
2.3异步地电动机根据矢量控制法则设计的调速系统 (10)
第3章矢量控制系统的仿真 (14)
3.1 MATLAB仿真工具介绍 (14)
3.2 电动机的具体仿真设计 (15)
3.2.1总体仿真结构图 (15)
3.2.2仿真系统各子模块设计及参数设置 (16)
3.3仿真结果分析 (24)
3.3.1空载运行结果分析 (24)
3.3.2电机带额定负载运行 (26)
3.3.3电机动态运行性能 (28)
第4章总结与展望 (32)
谢辞 (33)
参考文献 (34)
附录A外文文献原文 (35)
附录B外文文献译文 (43)
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第1章绪论
1.1 交、直流调速系统
一般来说，电力传动控制系统由电动机和控制装置组成。交流调速系
统是一种以控制对象为交流电动机的电力传动自控系统；与此同理，当以直流电动机为控制对象时的电力传动自控系统便是直流调速系统啦，这个不难理解。
直流调速系统在20世纪中期前都有着毫无疑问的重大作用对电气工程事业的发展起到推动作用，它之所以受青睐主要是因为它采用电流、转速两个闭环调速系统能获得良好的静、动态调速特性。一方面，该系统在额定转速以上通过使电枢电压保持不变而改变励磁电流实现恒功率调速即所谓的弱磁调速；另一方面，能实现恒转矩调速。不过什么事都是一分为二的，直流电机也存在其自身致命缺陷和不足，那就是它在结构上有接触摩擦式电刷与换向器结构。如下图1-1所示。
图1-1直流电机的换向器和电刷
换相结构对直流调速系统的发展的限制具体表现在：有会产生火花的隐患，直接导致其不能适合严谨存在火花的场合，否则极易造成火灾爆炸事故；为了让直流电机的换向器能可靠地工作，需要增大换向器和电枢的直径，这样又导致电机的转动惯量很大，不能满足有快速响应的生产场合的需要。这样以来便使得直流调速系统的维护工作量相当大，为了其正常工作需要储备一定的资源，故成本高昂，与此同时定期的停机检修也会使得工厂车间的生产效率降低；最后，换相器为防止环火的发生对电机运转速度及换相电流、电压有限定值，这会极大地限制了每台直流电动机的最大转速和运行功率。显然大功率的电动机制造起来更难，成本高昂，故直流调速对大功率高转速的电机应用场合不适合。
简而言之，直流调速系统的发展及其应用因此受到桎梏。交流电动机因而有不少的优点，比如，因为异步电动机的结构较直流电机简单只有定子三相电压输入，所以在体积相同的情况下异步电动机的输出功率一般都会比直流电动机的输出功率大很多。故而在输出功率相同的时候，异步电动机的体积一般也会比直流电动机的体积小很多。同样，在输出同样大功率的情况下，异步电动
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机的重量比直流电动机的重量轻很多。不仅如此，异步电动机的结构简单而且牢固，运行很久都不会出现故障问题，它的维修量比直流电动机小得多。另外，异步电动机转速特性和牵引力特性都优于直流电动机，异步电动机调速范围广，速度高牵引力小，速度低时牵引力高，非常适合机车运行的实际需要，而相比之下直流电机尤其是他励直流电机，它的速度特性较硬，在电枢电流变化很多即负载变化较大的情况下输出转速变化不够大，这样不利于机车的速度控制，比如机车在起动时转矩要大，但速度要小才能平稳起动。异步电动机的输入电压可通过三相桥式全控电力电子电路控制，通过每个桥臂上的晶闸管的一次交替导通即可实现对异步电动机的调速控制可无触点转换，不会像直流电动机那样有电刷和换向器等触点，于是也就不存在因触点存在而产生的如环火、电刷及换相器磨损和定期更换等麻烦的事情，省时省力又省心，同时由于控制异步电动机的电路是电力电子电路，这样便于实现对异步电动机的自动控制。再次，异步电动机的功率利用好，功率利用系数等于异步电动机最大转速时的电枢电流除以额定转速时的电流。最后一点也是很重要的，就是异步电动机的谐波干扰小，这个有点的好处不用多说，大家都知道，谐波干扰小就不会对外电子设备的正常工作产生不利影响，对系统本身来说这样也能增强其鲁棒性，降低因干扰而中断工作的概率。
总而言之，直流电机由于其换向器和电刷的存在严重限制了直流电机的发展，而异步电动机不存在这个问题，再加上理论和制造工艺上的日益完善进步，异步电动机的发展前途较直流电机大得多，可以说异步电动机在工业、国防以及人们生活中取代直流电机是大势所趋。
1.2交流调速系统概述
电能，这种中间能源它不管是在生产中亦或是在变换中均相对十分的不费钱，传输和分配的技术成熟，只要硬件部分如发电厂、变电站、电线杆等建设到位电能便不再占用耕地，使用它不会产生废物和垃圾，控制方便，电气工程师们开发了组态王等软件可以实时监视控制电能的产生、变换、传输和使用，而且电能又是绿色能源，使用起来不会造成温室效应、环境污染之类的问题，所以电能是国民经济个部门动力的主要源泉。而关键正是在于电机对于在电能重大意义，前者在后者的产生、变化、配置和用户使用等各个环节都扮演着非同寻常之角色，发电厂要有发电机，电扇、冰箱、空调、搅拌机、切割机、机床、机器人、汽车、火车等所有民用或军用的电器或电气设备无一不用到电动机，这其中绝大部分均是异步电动机。据可靠的统计显示，电机类产生的能耗占到企业总能耗的百分之七十甚至更多，其中众多的机械对电机有调速要求。因此，我们国家科技水平的一个重要体现点就是电力传动的技术水准。上节已经详细介绍了直流调速系统的特点与不足。
随着电力电子器件和微机控制技术的发展进步，当然还有矢量控制理论等关键技术的发展、国家对科技发展的大力支持与资助，交流调速技术于是便得以快速之发展。交流电动机尤其是鼠笼型的三相交流异步电动机，它的结构十分坚固因而持久耐用，其转动惯量小，易于控制，而且它结构简单体积小，维修不费力，可应用于外部条件十分恶劣的场合。
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图1-2交流异步电动机结构
直流电机的气隙磁场由由励磁绕组的励磁电流产生，与此不同交流异步电动机的气隙磁场是由定、转子绕组一起共同作用而产生，于是交流异步电动机的电
磁转矩T e不是和定子电流i A，i B，i C成正比。实际上，异步电动机的数学模型是个强耦合、非线性、高阶的多输入多输出系统，对其进行有效控制的策略便是矢量控制。成功用于交流调速的
矢量控制理论得益于以下几个方面的突破：电力电子器件的强势发展为交流调速系统的成长奠定了物质基础；现代微机控制技术和集成电路的发展为交流电动机调速提供了必要的技术手段；脉冲宽度调制技术即PWM技术使得变频器装置性能得到优化提高，这为交流调速系统的普及发挥了重要技术支撑作用。PWM技术具有相控技术不能比拟的优势，即能让三相交流异步电动机定子获得与正弦波相等效的输入电压和电流，这样便提高了异步电动机的输出效率和功率因数；矢量控制技术诞生。该理论采取状态重构和参数重构法等现代自控
理论实现了将三相交流异步电动机的定子电流的分解为励磁电流i sm*和转矩电流i s*t。于是便可仿照直流电动机的控制办法来控制交流异步电动机，交流调
速系统也因而有了可靠的性能。
上世纪70年代，F.Blaschke等人提出了，不就美国人P.C.Custman和A.A.Clark申关于电动机定向的原理，并请了相关的专利。一个独创性理论的诞生其产生的相应的一系列的革新作用不容小觑，这些都奠定了矢量控制理论的基础。在当代科技是把锋利的宝剑，可以说任何技术突破和产业的升级换代都离不开科技创新。我国的科技研发和转化水平较西方和日本还有几十年的差距，这令我们这一代共和国的青年技术工作者感到一股强烈的振兴科技、促进科技强国成形的巨大使命感，我们一定要在3-5年内研究或发明出有自己民族自主品牌的技术，且该技术转化成商业产品后要具有全球影响力，让其他国家的本科或者硕士学生在写毕业论文时也必然要引用到我们发明的技术。交流调速技术适合自动控制系统的TMS240X系列的DSP芯片还有一些高档的单片机大大促进了交流调速系统由模拟控制向着数字控制系统过度，各种针对运动控制的的片内丰富资源以及运算速度的大大提高使得很多控制算法具有了可行性。交
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流调速是目前有着最广泛的应用和最有发展潜力的调速方式，在电力传动系统占据主导地位，其在工业上的应用大大超过了直流调速系统。所以作为当代的电气工程及其自动化专业的年轻人我想借着本次毕设机会好好的集中研究一下交流调速传动系统，这不仅可以增长见识，巩固专业知识，也是为不就的将来走上工作岗位打下坚实的基础。我们的国家的现代化事业需要的是有真才实干的人。切实掌握当代最先进的矢量控制调速技术对今后的在交通事业方面发展无疑有重大积极意义。
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第2章 异步电动机之矢量控制理论
2.1异步电动机之数学模型
生产生活中对于工厂里的机器人、车间里的轧钢机、数控机床还有大楼的载客电梯等这些都是有高动态性能的调速系统或伺服系统，采用平滑调速的恒压频比的异步电动机调速控制显然满足不了要求。要实现高动态性能则需对异步电动机的数学模型有深刻的认识。
2.1.1关于异步电动机数学模型之性质
研究异步电动机的动态数学模型人们自然而然的会先将异步电动机同同步电动机在结构以及工作原理等方面作一番比较。因为电机学中直流电机结构和工作原理是人们最容易理解和学会的。做完了比较后，大家就会发现原来异步电动机的结构和原理其实没那么发杂可怕。
直流电机是个单输入单输出系统，即一个输入变量电枢电压，一个输出变量转速。而异步电动机是有输入电压和输入频率两个输入变量以及磁通和转速这两个输出变量的。三相异步电动机的定子和转子分别有三个绕组，每个绕组都有自身的电感同时相互之间也会产生互感，再加上变频装置可能产生的滞后因素以及运动系统转速与转角的积分关系等都使得它和他励直流电动机的数学模型在本质上不同。
当然，就一个绕组而言，感应电动势正比于转速乘以磁通，ωΦ=k e E ，
电磁转矩正比于电流乘以磁通，i k T m e Φ=，
这是电动机中的基本的电磁公式，不论对异步电动机还是同步电动机均是适用的。值得提出的是直流他励电动机的磁通是恒定的（由励磁绕组得到励磁电流产生），而在异步电动机中，只有一个三相交流电压从定子输入，所以在电机中磁通的形成和转速的变化同时发生，转矩和电动势也是由两个交变量相乘而得，所以异步电动机的模型一定不会是线性的，这就比线性的同步电动机模型复杂很多。交、直流电动机的不同的结构、不同的工作原理决定了二者的数学模型差异。
2.1.2数学模型构建
在做出三相异步电动机的数学模型必须要先预设出一个合理的前提条件，即使得那些会影响电动机工作的次要因素或者非主要的因素先设为常数或者假设其对电机工作无影响。这些假设有：不考虑频率变化以及温度变化对电机中定、转子绕组电阻的影响；不考虑磁路饱和的影响即定子和转子的各个绕组的电感及它们相互间的互感均是常数；不计铁芯损耗；不计齿槽效应以及空间谐
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波影响，而认为三相绕组对称，它们在空间上互差120度电角度，故而其产生沿着气隙周围按正弦规律变化的磁动势。
若三相感应电动机转子是绕线式的则应先对转子进行归算一下，之后再将转子参数折算至定子的那一侧就好了；若转子为鼠笼型，则先将转子等效为绕线式转子再归算到定子侧。这样可做三相异步电动机的模型如图2-1：
图2-1基于异步电动机物理构造而绘制的模型
图2-1中显而易见三相绕组的轴线A 、B 和C 在空间上是固定点的这点不难理解；与此不同的是转子的三个绕组a 、b 、c 是跟随着转子旋转的，因而亦为旋转的，与此同时， θ称作空间角位移变量。这样一个异步电动机的构造就清晰的勾勒出来了，有了这幅构造图，其他的公式的得来就不难理解了。以此为依据依次写出异步电动机的运动方程、转矩方程、磁链方程和电压方程等一系列的研究电动机至关重要的方程。
首先是异步电动机运动方程dt d J T T n L e ω+
= （2-1） 其中 T e 为电动机电磁转矩（N*m ），T L 为负载转矩(N*m),
J 为机组转动惯量，
p n 为极对数
其次是转矩方程i i i W W L T T m m )(2121'θ=ψ=
= （2-2） 式中 W m :磁场中的储能，W m '：磁共能
电磁转矩T e 等于磁共能随着机械角位移
θm （等于电角位移除以极对数）
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的变化率：
i i p W p W T L const i T n m n m m e θ
θθ??==??=??=
21)('' （2-3） 接下来是磁链方程式Li =ψ （2-4）
或者写成：
????
???????????????????????????????
?????=??????????
????????????i i i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L c b a C B A cc cb ca bc bb ba ac ab aa cC cB cA bC bB bA aC aB aA Cc Cb Ca Bc Bb Ba Ac Ab Aa CC CB CA BC BB BA AC AB AA c b a C B A ψψψψψψ （2-5）
???????????+?-?-?+?+?-==θθθθθθθθθcos )120cos()120cos()120cos(cos )120cos()120cos()120cos(cos L L L ms T sr
rs （2-6）
最后是电压方程式dt d Ri u ψ+
= （2-7）
或者写成
??????????
????????????+???????????????????????????????????
???
??=????????????????????ψψψψψψc b a C B A c b a C B A r r r s s s c b a C B A dt d i i i i i i R R R R R R u u u u u u 0000000000000000000000000000
00 （2-8）
R s ，R r 为定、转子绕组电阻，u A 、u B 、u C 、u a 、u b 、u c 为定、
转子相应电压瞬时值，i A 、i B 、i C 、i a 、i b 、i c 为定、转子相应电流瞬时值。
这样由以上方程便可综合得到异步电动机的动态数学模型：
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?????
??????=====θθθψθωm m e p m T T m d d L dt d W T n i i i W 2121 （2-9）
模型如下图2-3
图2-2交流电机非线性多变量结构
2.2异步电动机的坐标变换
交流电动机的控制是通过矢量的坐标变换把交流电机的转矩控制等效为直流电机的转矩控制，因而矢量的坐标变换是实现对交流异步电动机转速控制的重要一环。
2.2.1坐标变换的原则思路
以产生同样的旋转磁动势为原则以及根据坐标变换前后的功率不变原则可以将交流异步电动机的三相绕组等效成直流电动机的两相绕组，如图2-2。
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图2-3等效成的两相直流型电动机的模型 根据坐标变换原则，异步电机定子电流i A 、i B 、i C 和静止坐标系下两相垂
直的交流电流i α、i β产生相同的旋转磁场。故上述三相电流和两相电流之间存
在着唯一对应的函数关系，再通过按转子磁场定向的的旋转变换，便得到同步旋转坐标系下的直流电流i d 、i q 。这样便可模拟直流机来控制啦。这一等效思想奇
妙之处就在于此。在这里也可以看出科学家们是多么的善于转化和创新。我们读者也应受到启发，异步电机发杂的结构和工作原理原来是有办法控制的，不过需要我们换一个角度思考问题。科学家们提倡办法总比问题多，鼓励年轻人多提问题原来就是告诉人们要有发散性思维，不受思维定式的桎梏。当然这些等效的矢量在物理上是不存在，这么等效是为了方便计算，当计算出结果后再通过反左边变换来控制物理上实际存在的定子交变电流。
3/2变换矩阵为：
??????????=?????????????????????
?---=????????i i i C i i i i i C B A C B A 23232123210132βα （2-10）
同理2/3变换矩阵为：
??????
????????---=23212302113232C （2-11）
其中，类比类推或由数学上的矩阵公式推导一下即可得到：
???
?????=??????????????-=????????i i C i i i i q d s r q d 22cos sin sin cos ????βα （2-12）
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易求得??
????-==-????cos sin sin cos 1
222C C s r r s （2-13）
只要动下笔计算便可以证明，磁链和电压的变换矩阵与上述电流变换矩阵是一致的。坐标变换前后没有违反变换前后产生一致的旋转磁场这一原则，而变换后的αβ坐标系上的数学模型，十分有利于对异步电动机调速系统的分析和设计，需要强调的是尽管如此，异步电动机性质并没有改变，这一切只是计算电动机某些分量以供控制系统实现闭环稳定控制。在定子坐标系对交流电压进行控制时要将经3/2变换、旋转变换计算得到的直流给定量在经过相应坐标反变换变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系控制输入的交流电压使其实际值与给定值相等。整个控制过程如下图
2-4
图2-4异步电动机的矢量控制坐标变换过程图 2.3异步地电动机根据矢量控制法则设计的调速系统
矢量控制变频器能交流电动机的转矩和磁通电流进行检测控制，并自动改变输入的电压的频率和幅值，使检测实际值与给定值达到一致，从而实现对异步电动机的变频调速。这样便提高了电机控制的动态品质和静态精度。采用矢量控制电机调速系统的优点有可以对转矩实现较为精确的控制；系统的动态响应快；电动机的加速度特性好；能从0转速起进行速度控制，调速范围广泛。
异步电动机的矢量控制调速理论基于上节所讲的坐标变换理论，通过控制，把上述比拟直流电动机的控制关系用结构画出来如图2-5
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图2-5调速系统结构图
由图2-5可看出，整体上电动机定子输入为A 、B 、C 三相电压，输出为角速度ω，乃是一台交流异步电机，但是从内部分析却是台通过3/2变换和矢量旋转变换后的由i M 、i T 输入，ω输出的直流电机。
由模型可推导出：
ψωωω2211-T i L q m s =
= （2-14）
T 2为转子电路时间常数。
???
????+=+=ψωψ22122111L T i L T i m s q m d p （2-15）
ψ2
12
i L L N T q m p e = （2-16）
dt dt s ??=+==)(1ωωωθ? （2-17）
i i T T d q p 1
122s 1+=ω （2-18）
可根据这些条件实现对定子电流解耦和转子磁链观测，如图2-6、图2-7
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图2-6异步电动机通过矢量变换实现定子电流解耦数学模型
图2-7旋转坐标系中转子磁链观测模
最后是PWM变频器模块的设计。PWM技术应该说是当代电力电子技术中的一项比较厉害的技术了，大三上学期本人在电力电子课上曾经认认真真的学习和研究了一下这门技术，当时课的老师胡文华老师讲的也是很详细而且深入浅出，由于这项技术不仅是名字听起来很高大上，而且在现代社会也有着十分重要的作用，在高科技领域占有一席之地，是我们电气工程及其自动化专业的学生必须了解和掌握的一项技术。本人在大三下学期的计算机仿真课上曾做过大量的电力电子学仿真。其中，由于特殊的兴趣，我做了大量的有关PWM的仿真，比如单极单极性SPWM，三相双极性SPWM和单相双极性SPWM。这些仿真实验的成功都让我对PWM技术有了一定的认识和了解，为我在这次的毕业设计积累的必要的技术储备。所以现在一到我看到PWM这个字眼，就会感到一股亲切的似曾相识感。原来知识不仅能改变命运，还是巨大快乐的源泉。PWM的英文名全称叫做pulse width modulation，翻译过来即是脉冲宽度调制的意思。它的理论依据就是等效原则，所谓等效指的的面积的等效，比如把幅值和宽度调整到一定值时一组宽度各异的脉冲在时间轴上围得面积就可以做到与给定正弦脉冲在时间轴上所围的面积相等。基于这一等效原则得到的等效脉冲波形往往对一个系统具有重大意义，因为可以通过调节使得这组宽度各异的脉冲波与任意连续的信号脉冲想等效，可以想象通过PWM技术得到的一组脉冲波可以有任意的频率和有效值，其中就可能有某一一组脉冲的频率和有效值能满足控制异步电动机的需要。由于电机运行状态可能会比较复杂，如加减速或加减负载，为了使异步电动机能在这样的动态条件下仍有稳健的运行性能，要求系统要有迅速的自我调节、维持稳定的能力，这自然让人们想到现代自动控制理论中关于维持系统稳定的相关知识，学过自控原理的人都知道这需要设计一个闭环控制系统，以实时地调整定子电压输入。这样经过PWM技术输入到三相异步电动机定子的输入电压是动态变化的，当达到动态平衡时，电动机即
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会稳定运行下去。
在对本仿真的应用是对电流的闭环控制故可采用电流滞环跟踪控制技术，采用了这个技术就可以做到对定子电流幅值和频率的控制，而且此法响应速度很快，其电路原理图如下图2-8所示。
图2-8（a）电流滞环跟踪控制的原理
图2-8（b）电流滞环跟踪控制的原理
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第3章矢量控制系统的仿真
3.1 MATLAB仿真工具介绍
20世纪80年代以来，人们越来越多的利用计算机仿真工具来对交流电机及其调速系统进行设计分析和研究。这样在计算机模拟环境下运行既可以得到可靠的数据又节省了在实际实验室条件下研究的成本和时间。MATLAB是美国工程师发明的一种以矩阵运算为基础的工程计算语言。其功能十分强大，不仅体现在计算方面而且在计算结果的分析和数据的可视化方面。另外MATLAB 还有界面友好、编程效率高、扩展性强等优点。
MATLAB 提供的SIMUINK 她能神奇地对动态的实际情景进行模拟和分析。它适合连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统、以及线性、非线性系统。用户从其模块库中选取各种功能模块或电路元器件按一定顺序组合到一起构成某个系统便可开始对该系统仿真，系统一般由输入模块、主电路、接收模块组成。各个电路模块元件双击后便可赋值和设计参数，非常简便，同时还能用仿真元器件中的示波器元件动态地显示仿真结果，直观地向设计者反馈系统是否正常运行等信息。当仿真电路过于庞大或复杂时还可以通过构造子模块使得仿真电路看起来更清晰简洁、一目了然。MATLAB 的绘图能力也是值得一提，它能示波器里观测到的波形保存并传到工作空间，这样就可以到工作空间用MATLAB里相关的命令语言重新打开所需要的波形图，并能对该图做合理的加工，比如增长或缩短横轴或者纵轴的单位长度使图形更加清晰。当然还能对图形颜色进行加工，让不同路信号的波形同时出现在一幅图里便于比较和观测。这些都不过是MATLAB强大功能的冰山一角。
仿真技术在其几十年不间断的发展历史中，除了推动了可以说是所有设计领域的革命，而且它启迪了无数电气工程师、建筑工程师和设计师大脑，使他们深受启发。工欲善其事必先利其器，MATLAB就是卓越工程师们的利器，工程师利用这个工具不断开发新的科技领域，这些科技成果转化成的产品大大的给人们的生活带来便利和舒适。可以说正是由于善于制造和使用适当的工具才使得人类战胜大自然的能力也越来越强。它被人们誉为20世纪下半页十大工程技术成就之一，现在仿真技术也是现代工程师应该掌握的基本的技能之一，作为学习电气工程专业的我在大三下学期开始上计算机仿真课时便认真学习并充分掌握了MATLAB仿真技术，学会了利用MATLAB进行简单的单相半控整流电路、三相全控整流电路、SPWM逆变电路等典型电力电子电路的仿真研究，并成功利用MATLAB中的可视化功能将仿真模块中示波器里的图传递MATLAB工作空间，然后对仿真结果图进行加工和处理。这次的毕业设计不仅要用MATLAB对电力电子电路进行设计仿真还设计到三相异步电动机等电机学里的电路进行仿真，这是本人之前不曾接触过的，所以对这次研究颇感好奇和兴奋。MATLAB里的SIMULINK仿真模块不仅使得本人加强了对电力电子、电机学等课程的学习效果，还能为我在毕业设计、课程设计中提供强有力的工具，大大提高了我的动手能力、独立工作能力和创造性思维。使用MATLAB 的两年多来，我的分析问题、解决问题的综合能力明显得到增强。
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3.2 电动机的具体仿真设计
3.2.1总体仿真结构图
总体仿真结构由主电路和控制电路构成，设计布局如下图3-1所示。
图3-1 总体仿真电路图
主电路是由驱动电路和负载即三相异步电动机组成，驱动电路里有直流电源和将直流电压逆变为三相交流电压的逆变器构成，逆变成的交流电压的幅值和频率则由控制电路控制，所以该逆变器也是变频器，只要接受到来自控制电路的脉冲，逆变器就会输出满足一定要求的三相交流电压供给三相异步电动机，使后者输出满足要求的转速和转矩。控制电路较为复杂，其根据即为上面叙述的矢量控制理论，控制电路由脉冲发生模块、磁链检测模块、坐标变换模块、转子磁链相位角 计算模块以及比例积分模块等构成。另外，仿真模型中还有电机运行参数检测装置、模拟负载、转速和磁链给定值、示波器等便于实时观测和分析整个调速系统的运行情况和性能。
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3.2.2仿真系统各子模块设计及参数设置
首先，主电路的设计及其参数设置，主电路如下图3-2所示：
图3-2主电路
设置直流电压源电压为650伏特，负载0.5秒后变为60N*m:
图3-3主电路电源、负载参数设计
万用桥设置为三相桥，依次导通：
控制系统仿真课程设计报告.
控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
异步电动机矢量控制系统的仿真
异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （1） （2） （3） （4）
（5） 上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率； 是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，和ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，和定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接和实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、
异步电机矢量控制仿真
2.5异步电机基于磁场定向的矢量控制系统仿真 学号：S16085207020 姓名：李端凯 图1 矢量控制仿真模型整体结构图 图2 id*求解模块 图3 iq*求解模块
图4 DQ到ABC坐标转换模块 图5 求解转子磁链角模块 图6-1 ABC到DQ坐标转换模块 在这一部分转换中包含两种变换——3/2变换和旋转变换。在交流电动机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电动机气隙中产生空间旋转的磁场，在功率不变的条件下，按磁动势相等的原则，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效，三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换则建立了磁动势不变情况下，三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。图1绘出了ABC 和αβ两个坐标系中的磁动势矢量，按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在α、β轴上的投影都应相等，于是得：
()233332333cos60cos6011 ()22 sin 60sin 602a b c a b c b c b c N i N i N i N i N i i i N i N i N i N i i αβ=--=--=-=+ 写成矩阵形式： 图6-2 ABC 和αβ两个坐标系中的磁动势矢量 111220a b c i i i i i αβ???-- ?????=??????????? 再就是旋转变换，两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r 变换)，两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,称为两相旋转－两相静止变换，简称2s/2r 变换。其变换关系为: cos sin sin cos d q i i i i αβφφφφ-??????=???????????? 由此整理得到： 111cos sin 22sin cos 0a d b q c i i i i i φφφφ????-- ????????=?????-?????????? 同理可得：DQ 到ABC 坐标转换则是其逆变换。 图7 求解磁链模块
控制系统仿真课程设计
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
两相步进电机控制系统设计
综合课程设计 题目两相步进电机 学院计信学院 专业10自动化 班级2班 学生姓名 指导教师文远熔 2012 年12 月28 日
两相步进电机课程设计报告 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘、LED 显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 关键字: 步进电机单片机
感应电机矢量控制系统的仿真
《运动控制系统》课程设计学院： 班级： 姓名： 学号： 日期： 成绩：
感应电机矢量控制系统的仿真 摘要：本文先分析了异步电机的数学模型和坐标变换以及矢量控制基本原理，然后利用Matlab /Simulink软件进行感应电机的矢量控制系统的仿真。采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器，再进行功能模块的有机整合，构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明了该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强，验证了交流电机矢量控制的可行性和有效性。 关键词：异步电机；坐标变换；矢量控制；Simulink仿真 一、异步电机的动态数学模 型和坐标变换 异步电机的动态数学模型是一个 高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 异步电机的数学模型由下述电压方 程、磁链方程、转矩方程和运动方程 组成。 电压方程： 礠链方程： 转矩方程： 运动方程： 异步电机的数学模型比较复杂， 坐标变换的目的就是要简化数学模 型。异步电机数学模型是建立在三相 静止的ABC坐标系上的，如果把它变 换到两相坐标系上，由于两相坐标轴 互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦 合，仅此一点，就会使数学模型简单 了许多。 （1）三相--两相变换（3/2变换） 在三相静止绕组A、B、C和两相 静止绕组a、b 之间的变换，或称三相 静止坐标系和两相静止坐标系间的变 换，简称 3/2 变换。 （2）两相—两相旋转变换（2s/2r变 换） 从两相静止坐标系到两相旋转坐 标系 M、T 变换称作两相—两相旋转 变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表 示静止，r 表示旋转。
异步电机矢量控制
目录 1引言 (1) 1.1 交流电机调速系统发展的现状 (1) 1.2 矢量控制的现状 (1) 1.3 课题的研究背景及意义 (2) 1.4 本课题的主要内容 (2) 2 矢量控制的基本原理 (4) 2.1 坐标变换的基本思路 (4) 2.2 矢量控制坐标变换 (5) 2.3 矢量控制系统结构 (8) 3 转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制 (10) 4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统 (13) 4.1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统 (13) 4.2 带转矩内环的直接矢量控制系统 (13) 5 控制系统的设计与仿真 (15) 5.1 矢量控制系统的设计 (15) 5.2 异步电动机的重要子模块模型 (16) 5.3 系统仿真结果和分析 (18) 6 结论 (21) 参考文献 (22) 致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。
1引言 1.1 交流电机调速系统发展的现状 在当今用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、防、科技及社会生活的方方面面[1] [2] [3] [4]。电动机负荷约占总发电量的60％～70％，成为电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交电动机两大类，交流电动机分为同步电动机和异步电动机两种。电动机作为把能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要使电动机具有较高的机能量转换效率：二是要根据生产机械的工艺要求控制并调节电动机的转速。电动的调速性能直接影响着产品质量、劳动生产效率和节电性能。 但是直到20世纪70年代，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。其原因主要是：(1)不论异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速是最为方便的，而且以获得优异的调速特性。但大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路—定子绕阻，致其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流可方便地控制电动机的转速。但交流电机，特别是笼式异步电动机，拥有结构单、坚固耐用、价格便宜且不需要经常维修等优点，正是这些突出的优点使得气工程师们没有放弃对电力牵引交流传动技术的探索和发展。进入20世纪70代，由于电力电子器件制造技术和微电子技术的突破和发展，先进的控制理论矢量控制、直接转矩控制等具有高动态控制性能的新技术开始被采用，使得交传动进入一个崭新的阶段。 交流电动机的诞生已有一百多年的历史，时至今日已经研制出了形式、用途容量等各种不同的品种。交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类。同电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系：异步电动机则不保这种关系。其中交流异步电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通交流电动机加以利用的。据统计，交流电动机用电量约占电机总用电量的85％。 1.2 矢量控制的现状 自20世纪70年代，德国西门子公司的EBlasehke提出了“磁场定向控制的理论”和美国的PC．Custmna与A．AQark申请了专利“感应电机定子电压的坐标交换控
直流电机控制系统设计
直流电机控制系统设计
XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日
学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11) 附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)
控制系统仿真课程设计
控制系统数字仿真课程设计 1．课程设计应达到的目的 1、通过Matlab仿真熟悉课程设计的基本流程； 2、掌握控制系统的数学建模及传递函数的构造； 3、掌握控制系统性能的根轨迹分析； 4、学会分析系统的性能指标； 2．课程设计题目及要求 设计要求 1、进行系统总体设计，画出原理框图。（按给出的形式，自行构造数学模型，构造成1 个零点，三个极点的三阶系统，主导极点是一对共轭复根） G（s）=10(s+2)/(s+1)(s2+2s+6) 2、构造系统传递函数，利用MATLAB绘画系统的开环和闭环零极点图；(分别得 到闭环和开环的零极点图)参考课本P149页例题4-30 clear; num = [10,20]; den =[1 3 8 6]; pzmap(num,den) 3、利用MATLAB绘画根轨迹图，分析系统随着根轨迹增益变化的性能。并估算超 调量=16.3%时的K值（计算得到）。参考课本P149页例题4-31 clear num=[10,20]; den=[1 3 8 6]; sys=tf(num,den); rlocus(sys) hold on jjx(sys); s=jjx(sys); [k,Wcg]=imwk(sys)
set(findobj('marker','x'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); set(findobj('marker','o'),'markersize',8,'linewidth',1.5,'Color','k'); function s=jjx(sys) sys=tf(sys); num=sys.num{1}; den=sys.den{1}; p=roots(den); z=roots(num); n=length(p); m=length(z); if n>m s=(sum(p)-sum(z))/(n-m) sd=[]; if nargout<1 for i=1:n-m sd=[sd,s] end sysa=zpk([],sd,1); hold on; [r,k]=rlocus(sysa); for i=1:n-m plot(real(r(i,:)),imag(r(i,:)),'k:'); end end else disp; s=[]; end function [k,wcg]=imwk(sys) sys=tf(sys) num=sys.num{1} den=sys.den{1}; asys=allmargin(sys); wcg=asys.GMFrequency; k=asys. GainMargin;
异步电机的矢量控制系统
电力拖动课程结题报告 题目：异步电机的矢量控制系统 班级：K0312417 姓名：罗开元 学号：K031241723 老师：郎建勋老师 2015年 6月 22 日
前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能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系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期，西门子公司的F .Blashke 和W .Flotor 提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink 中SimPowerSystems 模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步 电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的 VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标 系上的定子交流电机A i 、B i 、C i ，通过3/2变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 α i 和 β i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 d i 和q i 。如果观察 者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。 把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图l 。从整体上看，输人为A ，B ，C 三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过3／2变换和按转子磁链
直流电机控制系统设计.
XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名
指导教师 航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7月9日至2012年7月20日 课程设计的容及要求： 1.容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。
指导教师年月日 负责教师年月日 学生签字年月日 目录 0 前言1 1 总体方案设计2 1.1 系统方案2 1.2 系统构成2 1.3 电路工作原理2 1.4 方案选择3 2 硬件电路设计3 2.1 系统分析与硬件设计3 2.2 单片机AT89C523 2.3 复位电路和时钟电路4 2.4 直流电机驱动电路设计4 2.5 键盘电路设计4 3软件设计5 3.1 应用软件的编制和调试5 3.2 程序总体设计5
3.3 仿真图形7 4 调试分析9 5 结论及进一步设想9参考文献10 课设体会11 附录1 电路原理图12附录2 程序清单13
直流电机调速系统设计 XXXXX大学自动化学院 摘要：本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。 关键词：单片机最小系统；PWM ；直流电机调速; 0 前言 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。
矢量控制异步电动机调速系统仿真设计
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。本设计研究的是矢量控制的异步电动机的调速系统，采用MATLAB软件在其simulink中进行仿真。 关键词：坐标变换矢量控制异步电动机MATLAB simulink仿真
ABSTRACT In recent years, with the development of the power semiconductor device，the microelectronics component, the microcomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day. Depend on the control principle of the MC and the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrant
MATLAB控制系统与仿真设计
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid
无刷直流电机控制系统的设计
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
异步电机矢量控制Matlab仿真实验
基于Matlab/Simulink异步电机矢量控制系统仿真 一．理论基础 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。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC ，通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流isα和isβ，再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流ism和ist。 图1-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型 从图1-1的输入输出端口看进去，输入为A、B、C三相电流，输出为转速ω，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和旋转变换2s/2r，变成一台以ism和ist为输入、ω为输出的直流电动机。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，ism相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，ist相当于与转矩成正比的电枢电流。 按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值，图1-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。
图1-2矢量控制系统原理结构图 通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量i sm 和转矩分量i st ，转子磁链r ψ仅由定子电流分量i sm 产生，而电磁转矩e T 正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。简化后的等效直流调速系统如图1-3所示。 图1-3简化后的等效直流调速系统 二．设计方法 1.电流模型设计 转子磁链在实用的系统中多采用按模型计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。本设计采用在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型。 由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流i sα和i sβ，在利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在αβ轴上的分量 ?? ? ?? ?? ++-=+--=β αβχαβααωψψψωψψψs r r r s r r r i Tr Lm Tr dt d i Tr Lm Tr dt d 11 (2-1-1) 也可表述为：
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
异步电机矢量控制设计
异步电机的矢量控制设计及仿真
前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能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系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期，西门子公司的F .Blashke和W .Flotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势 为准则，在三相坐标系上的定子交流电机A i、B i、C i，通过3/2变换可以等效成