异步电机调速矢量控制研究 开题报告

课题内容：

分析异步电机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案，结合矢量控制的方法使得异步电机达到直流电机的简单控制方法，矢量控制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，然后模仿直流电动机控制策略设计控制系统。

矢量控制中最重要的部分是坐标系的旋转变换，按转子磁链定向矢量控制系统设计出电流闭环的控制方式，然后再设计出速度闭环的控制系统形成双闭环的控制方式。采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地起、制动电流。

    毕业设计内容：

    1.矢量控制基本原理的学习，作出矢量控制原理图；

    2.异步电机的工作原理研究；

    3.学习MATLAB软件的电路搭建与仿真；

    4.电流环与速度环电路组成的双闭环电路的研究；

    5.PI调节器的的设计与PI参数的调节；

    6.完成电路仿真总结结果。

    当前随着工业的发展对自动化设备要求越来越高，电机作为很多设备中不可缺少的重要组成部分，所以的电机的发展相当一定程度上决定了工业化的发展方向和前景。直流电机控制简单，但是不能达到预期的工作状态，交流电机工作效果比较好但是控制过程比较复杂。由于直流电机和交流电机在磁通控制方面有相似的部分，因此科学家想出来矢量控制的方法结合交流电机的优越性能和直流电机的易于控制从而达到很好的控制和工作要求。

献

综

述

交流电机首先在不调速的领域慢慢取代了直流电机。交流电机本身是一个非线性、强耦合、高阶、多变量系统，其可控性较差。随着工农业生产的不断发展和社会进步，人们对系统调速的要求也越来越高，而异步电动机在调速方面相对于直流电机而言一直处于性能不佳的状态，交流电机的电磁转矩关系复杂难以控制。直流电机由于其机构的不同可以进行对电枢电流和励磁电流进行单独控制和调节，因而直流电机的电磁转矩具有控制简单灵活的特点[2]。

三相异步电机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在电力电子技术领域具有广泛应用。研究的矢量控制系统是以三相异步电动机为控制对象，以DSP 为核心控制器件，通过对理论的分析研究，建立了三相异步电机转子磁场定向的矢量控制系统，并利用MATLAB 进行了仿真，仿真结果表明所采用的控制策略具有良好的控制性能[3]。

交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。矢量控制方法的提出，使交流传动系统在动态特性方面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成为可能。矢量变换控制的异步电机变频调速系统是一种高性能的调速系统，已经在许多需要高精度，高性能的场合中得到应用[4][5]。

矢量控制运用的几个基本方法如下：

1.结合DSP 实现SVPWM 算法，产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，有效提高控制系统的性能和控制效果。并利用MATLAB 结合矢量控制基本思想，建立仿真模型进行仿真，结果进一步表明所采用的矢量控制策略具有良好的控制性能[6]。

2.矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解耦面实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统．矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质[7][8]。

    (1)可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广；

    (2)可以对转矩实行较为精确控制：

    (3)系统的动态响应速度很快；

(4)电动机的加速度特性很好。

   3.利用MATLAB对系统进行仿真与分析，在进入虚拟实验环境后，不需要书写代码，只需使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来，按照实验要求修改各元器件的参数。其系统的函数和电路元器件的模型都用框图[9][10]来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向[11]。                

4.矢量控制的基本概念及矢量变换规律表明，三相交流电动机模型可以等效成类似直流电动机的模型，这样就可以模仿直流电动机去控制交流电动机。异步电动机定子三相绕组和转子三相绕组经过3S／2S变换可以变换成等效的静止坐标系上的二相绕组[12]。

5.在分析交流异步电机数学模型的基础上，提出了交流异步电机控制系统仿真建模的新方法。在Matlab/Simulink 中，建立的功能模块，如电机本体模块、矢量控制模块、速度控制模块、电流滞环控制模块等，再进行功能模块的有机整合，搭建交流异步电机控制系统的仿真模型。系统采用双闭环控制：速度环采用PI 控制，电流环采用电流滞环控制。仿真结果证明了该方法的合理性、有效性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路[13]。

 6.在矢量控制系统中，由于要用到变频技术，所以下面对PWM变频原理简单扼要的介绍一下。PWM控制技术在逆变电路中应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术，逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合[14]。

德国人A.Schonung和H. Stemmler在19年将通讯系统的调制技术借鉴到交流传动中，提出脉宽调制(PWM)变频变压思想。由于它能同时实现变压、变频及抑制谐波, 所以PWM控制技术一直是电气传动和能量变换领域的研究热点。PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术的理论来源来自于采样控制理论的一个重要结论：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。这里，冲量指的是窄脉冲的面积；所说的对惯性环节的效果基本相同，是指惯性环节的输出相应波形基本相同[15]。

献

综

述

参考文献：

[1] 乔森.异步电动机矢量控制变频调速系统产品化研制.硕士论文.20080513

[2] 陈伯时、阮毅.电力拖动自动控制系统（第四版）.机械工业出版社.2009.8

[3] 李宁等.电力拖动与运动控制系统.高等教育出版社.2003.4

[4] 韩啸一、邱瑞昌. 基于空间矢量控制的PWM整流器建模与仿真. 北京交通大学电气工程学院，北京100044

[5] 陈轶涵，孙佩石，张国荣.三相电压型SVPWM整流器的控制策略研

究与实验[J].电力电子技术，2009,43(8):- 66

[6] 刘俊,庄圣贤. 三相异步电机矢量控制的研究［J］. 电气开关,2010（2）：26-30

[7] 陈顺中. 异步电机矢量控制方案的研究. 北京交通大学硕士学位论文.2007.02

[8] 张武荣. 异步电机矢量控制研究. 沈阳工业大学硕士学位论文.2007.01

[9] 纪志成、薛 花、沈艳霞. 基于 Matlab 交流异步电机矢量控制系统的仿真建模. 系统 仿 真 学 报.江苏无锡 214036

[10] 徐大利.叶安丽.马鸿雁.Xu Dali.Ye Anli.Ma Hongyan 永磁同步电机控制系统的电流滞环与电压空间矢量控制的仿真-北京建筑工程学院学报2009,25(2) 

[11]石秀敏，戴怡，刘朝华.数控机床主轴矢量控制策略研究.天津工程师范学院机械工程系，天津300222

[12] 苏位峰，异步电机自抗扰矢量控制调速系统[D]．北京：清华大学，2004

[13] 纪志成等，基于Matlab交流异步电机矢量控制系统的仿真建模[J]，系统仿真学报，2004，16(3)：384-3

[14] Guzinski J et al，Speed sensorless induction motor drive with predictive current controller [J]，IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(2)：699-709．

[15] Kazmierkowski MP et al，High-performance motor drives [J]，IEEE Industrial Electronics Magazine，2011，5(3)：6-26．

一、总体方案设计

  1.了解异步电机的相关结构，研究矢量控制的工作原理。初步确定矢量控制原理图，找出异步电机与矢量控制的连接关系。以产生相同的磁动势为准则，在三相坐标系下的定子交流电流通过三相/两相变换，再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流，异步电动机经过坐标变换后，等效成了直流电机。因而可以模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量再经过相应的坐标反变换，来控制异步电动机。矢量控制基本原理可以作出框图1如下：

              图1  异步电机矢量控制系统

交流电机在三相坐标系下的定子交流电流，通过三相/两相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流，再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流，交流电机就等效成了直流电机。电机转换的基本过程如下框图2：

           图2 异步电机等效成直流电机

  2.运用MATLAB进行仿真电路的搭建。

  3.改变仿真速度，进行仿真实验，观察速度环中仿真示波器的速度变化情况。

  4.设定仿真速度范围，根据仿真结果总结结论。

二、软件系统设计

  1.异步电机的选择，异步电机稳态变压变频调速系统中，利用规则采样法生成SPWM波。对称规则采样法原理是，在三角波的一个周期内，只利用三角波的一个峰值点所对应的正弦函数求取的脉冲以三角波的峰值点为对称，因此这种采样方法为对称规则采样法。具体采样步骤和框图3如下：

                  图3 对称规则采样法

  （1）取三角波的谷底；

  （2）取该时刻的sin值；

  （3）按sin函数值画直线；

  （4）横线与三角波的交接两个交点；

  （5）A取PWM上升沿，B去PWM下降沿；

  （6）占空比为（TＢ－ＴＡ）/TC

  2.电流环的设计，电流环的电源选择上可以使阶跃信号电流也可以是正弦信号。

  3.速度环的设计

  4.PI调节器的设计，PID调节器是双闭环电路中很重要的一部分，通过调节才能使得输入的电流信号符合电机的要求。

  5.示波器的选择设计

三、进行仿真实验并总结

  1.设定速度环仿真速度范围

  2.对PI参数进行调节，找到较为合理的参数值，其中P、I要分别进行设计和调试。

  3.根据仿真总结异步电机矢量控制的基本结论

  4.总结矢量控制的特点与存在的问题说明其适用范围

究

内

容

究

计

划

第二周       查找相关资料，熟悉异步电机的原理

第三周       查找相关资料，熟悉MATLAB软件功能

第四周       查找相关资料，撰写开题报告

第五周       软件电路设计，设计出电流环电路

第六周       软件电路设计，设计出速度环电路

第七周       软件电路设计，PI调节器设计与参数设定

第八周       电机的选择与参数设定

第九周       示波器的选定与设计

第十周       矢量控制双闭环电路连接 

第十一周     速度环中改变速度变化进行调试 

第十二周     调试中观察示波器图像变化

第十三周     总结实验结果写出结论 

第十四周     撰写毕业设计论文

第十五周     撰写毕业设计论文

第十六周     撰写毕业设计论文，准备毕业答辩

色

与

创

新

意  见

指导教师签名： 

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                     教学院长签名：

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