运动控制论文课题：异步电动机数学模型和电压空间矢量PWM控制技术研究姓名：xxxxxxxxx专业：电气工程及自动化班级：电097学号：**********日期：2013年3月30日摘要由于直流调速的局限性和交流调速的优越性,以及计算机技术和电力电子器件的不断发展,交流异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。

目前广泛研究应用的交流异步电动机调速技术有恒压频比控制方式，矢量控制，直接转矩控制等。

本论文中所讨论的异步电动机调速技术叫做空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)。

相对于直接转矩控制,它有可连续控制,调速范围宽等显著优点。

本文首先对交流异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述，通过对交流异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍，逐步引出了异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强藕合的非线性系统。

采用MATLAB /SIMULINK软件包,实现异步电动机动态数学模型的仿真。

仿真研究显示,该方法简洁、方便、实时交互性强,能充分融合到其它控制系统中,并具有良好地扩展性。

其次阐述了异步电动机电压空间矢量PWM控制技术的原理和矢量变换方法实现的步骤，据交流电机坐标变换及矢量控制理论提出了异步电机在任意同步旋转坐标系下仿真结构图的建模设想,得出了一种按转子定向磁场下的动态结构图,利用该结构图可以方便的构成电机的仿真模型,进行仿真计算。

然后运用MATLAB软件搭建模型进行仿真分析，结果表明电机有良好的稳、动态性能。

通过对仿真软件的应用也表明在进行复杂系统设计时运用仿真工具对设计进行仿真分析是行之有效的方法，可以提高系统设计效率，缩短系统设计时间，并能够较好的进行系统优化。

经试验表明，空间电压矢量调制的方法正确可行，可调高电压利用率和系统精度。

关键词：异步电动机；矢量控制；数学模型；仿真目录摘要 (2)第1章简介 (5)1.1 课题研究的意义 (5)1.2 交流调速的发展和现状 (5)1.3 本论文的主要工作 (6)第2章异步电动机的数学模型分析.................................... 错误!未定义书签。

2.1 异步电动机的三相数学模型................................... 错误!未定义书签。

2.2 异步电动机三相数学模型表达式 (7)2.2.1 电压方程 (7)2.2.2 磁链方程 (7)2.2.3 运动方程 (7)2.2.4 转矩方程 (7)2.3 坐标变换 (8)第3章异步电动机在精致坐标系下的数学模型 (8)3.1 电压矩阵方程 (8)3.2 磁链方程 (8)3.3 电磁转矩方程 (8)3.4 两种二相静止坐标系下的模型 (9)3.4.1 电压方程 (9)3.4.2 磁链方程 (9)3.4.3 转矩方程 (9)第4章空间电压矢量控制原理 (9)4.1 三相合成矢量.............................................. 错误!未定义书签。

0 4.2 空间矢量表达式 (10)4.3 电压与磁链空间矢量的关系 (10)4.4 SVPWM原理 (11)4.5 期望电压空间矢量的合成 (12)4.6 SVPWM的实现 (12)4.6.1 电压空间矢量所在扇区的确定 (13)4.6.2 零矢量的实现方法 (13)4.7 本章小结 (14)第5章 MATLAB/SIMULINK仿真 ........................................ 错误!未定义书签。

5.1 仿真平台简介............................................... 错误!未定义书签。

5.2 三相交流异步电机模型....................................... 错误!未定义书签。

5.3 模型参数设置............................................... 错误!未定义书签。

5.4 SVPWM控制模型 (21)5.4.1 系统仿真图 (21)5.4.2 仿真结果 (23)第6章总结 (25)参考文献 (25)第1章：简介1.1课题研究的意义随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。

由于换向器的存在,使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

而异步电动机结构简单、坚固耐用、便于维修,但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。

近年来,交流电动机的控制技术取得了突破性的进展，将矢量控制理论应用到交流电机的调速控制中，可使交流系统的调速性能完全和直流系统相媲美。

1.2交流调速的发展和现状异步电机调速技术以微电子装置为控制核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以达到控制电机转速或位置的目的。

异步电机它本身是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统，很难和直流电机那样对其转矩与转速进行实时控制。

直到20 世纪70 年代才有了突破性的进展，首先是电力电子技术和微电子技术的飞跃发展，新型的电力半导体器件的相继出现，可为交流电动机的控制提供高性能的功率变换器，并且其价格逐年下降，能够为人们所接受。

特别是微电子技术的惊人发展，高性能微处理器的引入，使得硬件简化；其次，交流电动机控制理论上的突破，尤其是20 世纪70年代创立的磁场定向矢量控制理论和直接转矩控制方法、非线性解耦控制方法等，为调速传动奠定了理论基础。

PWM 控制技术发展主要经历以下几个阶段：1) 等脉宽PWM：脉冲的宽度均相等，改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度可以调压，采用适当控制算法可以使电压和频率协调地变化。

该方法的缺点是输出电压中除了基波成分外，还包括有较大的谐波成分。

2) 正弦波PWM(SPWM)：它是从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、调压的三相对称正弦波电源。

具体的方法是以一个正弦波作为基准波，用一系列等幅的三角波与基准正弦波相比较，由它们的交点确定逆变器的开关模式。

当基准正弦波高于三角载波时，使相应的功率开关器件导通当基准正弦波低于三角载波时，使开关器件截止。

该方法的特点是在半个周期中总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲的面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样在输出电压中的低次谐波成分就可以大大减小。

3) 空间电压矢量PWM (SVPWM)：是由德国学者H.W.Vander, Broek 等提出来一种新颖的脉宽调制方法，它不是局限于如何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量，建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定子磁链矢量与定子电压之间的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似恒定、顶点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似恒磁通变压变频调速。

SVPWM 相对于SPWM 在逆变环节中直流侧电压利用率提高了15%，减少了谐波分量，而且SVPWM 更适合全数字化控制，因此本文研究的控制系统是基于SVPWM 技术。

1.3本论文的主要工作本论文的主要研究内容是异步电机动态数学模型的建立和电压空间矢量调制的电机矢量控制系统。

论文是从异步电动机上的数学模型原理出发，再进一步研究电压空间矢量控制。

论文主要包括以下几个方面的内容：1.阐述异步电动机的数学模型和坐标变换原理，推导出二相静止坐标系下的模型方程。

2.对异步电机的SVPWM 矢量控制原理进行阐述。

介绍坐标变换下矢量控制的基本思想和异步电机数学模型的建立。

给出系统的结构图并阐述了相关数学模型。

3.异步电机矢量控制系统的SIMULINK仿真。

建立控制系统的各部分SIMULINK中的仿真模块，按照系统原理图组合成双闭环仿真模型，最后得到各种状态下动态仿真的实验结果并进行验证分析。

第2章：异步电动机的数学模型分析异步电机的模型种类繁多，在对异步电机进行暂稳态分析时，异步电动机的数李模型要建立在某个坐标系上，所以坐标系的选择就尤为重要。

适当的选择坐标系会使得模型更加简便，而且模型分析更容易，更能准确地控制系统的动静态性能。

自从1899年勃朗台尔(Blonde)提出双反应理论及1918年福提斯(Foertsuce)提出对称分量法，到派克(Park)提出旋转变换及顾毓绣(Ku)提出复数分量变换以来，交流电机分析理论日渐成熟。

由于坐标变换即线性变换，是不改变系统的物理特性的，所以在实时控制系统中，我们可以通过坐标变换使得三相电机的数学模型分析和控制大大简化。

2.1 异步电动机的三相数学模型在分析异步电动机的数学模型时,作如下假设：①忽略空间谐波。

设三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；②忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；③忽略铁芯损耗；④不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。

并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。

图2.1 三相异步电动机的物理模型2.2异步电动机三相动态模型的数学表达式异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。

2.2.1 电压方程将电压方程写成矩阵形式 ：2.2.2 磁链方程异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和。

或写成：2.2.3 运动方程2.2.4 转矩方程⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡c 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 ψψψψψψ000000000000000000000000000d =+ψu Ri dtA AAAB AC Aa Ab Ac A B BA BBBC Ba Bb Bc B C CA CB CC Ca Cb Cc C a aA aB aC aa ab ac a b bA bB bC ba bb bc b c cAcBcCcacbcc c L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i ψψψψψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦Liψ=Le p T T dt d n J -=ωωθ=dtd [])120sin()()120sin()(sin )(︒-+++︒++++++-=θθθb C a B c A a C c B b A c C b B a A ms p e i i i i i i i i i i i i i i i i i i L n T2.3 坐标变换按照能够产生相同的旋转磁动势的原则，将三相交流绕组转换成两相交流绕组，即使在三相坐标系下的A i 、B i 、C i 和在两相坐标系下的αi 、βi 彼此等效，两个坐标系下各电流分量合成的旋转磁动势相同。