1、- I -摘 要本设计通过把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，模拟直流电动机的控制模型来达到控制交流电动机的目的。以电子电流的幅值、相位和频率为控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变旋转磁场的旋转速度，达到无延时的转矩响应。在分析三电平逆变器的拓扑结构及工作原理和三相异步电机的数学模型、坐标变换的基础上，深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的基本原理，设计了磁链和转速双闭环系统并给出了框图，通过计算机仿真方法分别建立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
2、证。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。直接矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，模拟直流电机的控制方式可以使交流电机也能达到与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并采用MATLAB 进行仿真设计。关键词：三电平逆变器；异步电机；转子磁场定向控制；MATLAB 仿真异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究- II -The Simulation Research on Asynchronous Motor Control System Based on Rotor Field-OrientedAbstractThr
3、ee-level inverter because it can achieve higher voltage grade, output less harmonic content of advantages in high pressure high-power inverter occasions a wide range of applications, and rotor field-oriented control is the most widely used control method. Therefore, this article chooses three-level
4、inverter induction motor rotor field-oriented control for research. Based on the analysis of the three-level inverter topology structure and working principle and mathematical model of three-phase asynchronous motor, on the basis of the coordinate transformation, the in-depth study of the rotor fiel
5、d-oriented vector control system design, the basic principle of the rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has completed the design of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation. Key words： Three-Level Inverter; Asynch
6、ronous Motor; rotor field oriented control; MATLAB simulation异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究- III -目 录摘 要 .IAbstract .II一、绪 论 .1（一）课题背景和意义.1（二）多电平逆变器的发展概况.1（三）异步电机转子磁场定向控制技术综述.21. 交流调速的发展概况.22. 转子磁场定向控制技术的发展概况.2（四）课题研究的主要内容.3二、二极管嵌位式三电平逆变器 .4（一）逆变器介绍.4（二）三电平逆变器的拓扑结构及工作原理.4（三）二极管钳位型三电平逆变器的优缺点.8三、异步电机转子磁场定向控制 .9（
7、一）异步电机动态数学模型与坐标变换.91.三相异步电动机的数学模型.92.坐标变换.133.异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型.164.异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型.18（二） 异步电机转子磁场定向控制.191.异步电机转子磁场定向控制简介.192.转子磁场定向控制的基本原理.193.转子磁链观测模型.21（三）异步电机转子磁场定向控制系统.231.异步电机转速、磁链双闭环控制系统.232.转速闭环控制.243.磁链闭环控制.24（四）本章小结.24四、控制系统仿真分析 .25（一）MATLAB/Simulink 软件介绍 .25异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究- IV
8、 -（二）异步电机转子磁场定向控制系统仿真.251.仿真模型.252.仿真结果分析.25（三）本章小结.33五、结论与展望 .34参考文献 .35致 谢 .361一、 绪 论（一）课题背景和意义在工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，约电能也需要调速。过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营
9、成本很高，特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前 3000 转/分左右的高速直流电机最大容量只有 400 千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。这些缺点正是交流电机所能克服的，但交流电机的调速性能不理想，致使交流调速在变速传动领域一直得不到广泛的应用。 随着电力电子技术的飞速发展，研究出各种新的控制技术以及新的控制理论，比如：异步电机的磁场定向控制，直接转矩控制，自适应控制理论等等，致使交流调速系统的技术性能指标和直流调速系统相媲美，而交流电机又具有直流电机所不具备的优点：结构简单，价格低廉，牢固，运行可靠，易于正反转，能
10、适应防尘、防爆、防腐蚀的恶劣环境，易于发展高速大容量的变速传动系统。交流电机典型的高效调速方法是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。现在广泛应用的磁场定向控制调速技术对电机进行节能技术改造，在磁场定向控制调速
11、技术中利用矢量控制原理的高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，使交流电动机可以有效地节电量，取得很好的经济效益。并使调速后的交流电动机具备宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好2技术性能，可以使其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美。在高压大功率的应用领域，结合多电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制因为其自身的优点得到了广泛的应用。（二）异步电机转子磁场定向控制技术综述1. 交流调速的发展概况直 流 电 动 机 的 调 速 性 能 优 于 交 流 电 动 机 ， 因 此 在 调 速 领 域 曾 一 直 占 主 导 地 位 。但 直 流 电 动 机 结 构 复 杂
12、 ， 转 速 、 电 压 、 功 率 受 到 环 境 影 响 ， 价 格 昂 贵 。 与 此 同 时交 流 电 动 机 具 有 结 构 简 单 、 坚 固 耐 用 、 价 格 低 廉 、 维 修 方 便 等 优 点 。 但 异 步 电 动机 本 身 是 一 个 非 线 性 、 强 耦 合 的 多 变 量 系 统 ， 可 控 性 较 差 ， 以 前 未 得 到 大 规 模 应用 。 交 流 调 速 的 初 期 ， 人 们 只 能 从 异 步 电 机 的 稳 态 模 型 研 究 调 速 方 法 。 异 步 电 机的 控 制 包 括 恒 压 频 比 控 制 、 滑 差 频 率 控 制 。 恒 压 频
13、 比 （ V/F） 控 制 是 只 在 控 制 过程 中 保 持 V/F 是 常 数 不 变 ， 保 证 定 子 磁 链 的 恒 定 ， 是 一 种 最 简 单 的 控 制 方 法 。 但它 是 一 种 开 环 控 制 ， 动 态 性 能 较 差 ， 控 制 参 数 还 需 要 根 据 负 载 的 不 同 改 变 ， 低 速时 还 可 能 产 生 不 稳 定 的 现 象 。 滑 差 频 率 控 制 包 含 了 速 度 闭 环 ， 更 容 易 使 系 统 稳 定 。但 是 没 有 瞬 时 转 矩 的 闭 环 控 制 ， 所 以 会 影 响 动 态 性 能 。 所 以 这 两 种 方 法 都 是
14、稳 态控 制 ， 电 机 动 态 性 能 不 好 。 大 多 应 用 在 风 机 等 没 有 高 动 态 性 能 要 求 的 调 速 中 2。由 于 现 代 电 力 电 子 技 术 、 现 代 控 制 理 论 、 微 机 控 制 技 术 等 理 论 技 术 的 发 展 ， 异 步电 机 调 速 取 得 了 突 破 性 进 展 ， 交 流 调 速 技 术 进 入 了 一 个 新 的 时 代 11。2. 转子磁场定向控制技术的发展概况德 国 的 F.Blaschke 在 1971 年 提 出 矢 量 控 制 理 论 。 矢 量 控 制 一 般 称 为 磁 场定 向 控 制 ， 也 就 是 将 磁
15、场 的 方 向 作 为 坐 标 轴 的 基 准 方 向 。 转 子 磁 场 定 向 控 制 的 思想 是 将 异 步 电 机 模 拟 成 直 流 电 机 控 制 。 应 用 坐 标 变 换 将 电 机 三 相 系 统 变 为 两 相 系统 ， 在 转 子 磁 场 定 向 坐 标 系 上 ， 交 流 电 矢 量 变 为 了 互 相 垂 直 独 立 的 励 磁 直 流 分 量和 转 矩 直 流 分 量 。 控 制 励 磁 分 量 为 恒 定 值 ， 通 过 控 制 电 流 转 矩 分 量 控 制 电 机 转 矩 ，这 种 控 制 方 法 和 直 流 电 机 的 转 矩 控 制 相 似 。 转 子
16、磁 场 定 向 控 制 消 除 了 标 量 控 制 的缺 陷 ， 同 时 提 高 了 实 时 控 制 。 在 转 子 磁 场 定 向 控 制 中 ， 电 机 参 数 变 化 和 转 速 测 量的 误 差 会 引 起 磁 链 误 差 ， 影 响 转 子 磁 场 定 向 控 制 的 效 果 。20 实 际 70 年 代 刚 刚 提 出 磁 场 定 向 控 制 的 基 本 理 论 ， 开 创 了 交 流 传 动 的 新 纪元 。 但 由 于 其 运 算 非 常 复 杂 ， 当 时 的 控 制 系 统 无 法 实 现 。 电 力 电 子 器 件 、 微 处 理3器 和 现 代 控 制 理 论 的 高
17、速 发 展 为 高 性 能 交 流 调 速 奠 定 了 基 础 。 21 世 纪 转 子 磁 场定 向 控 制 也 在 快 速 的 发 展 ， 日 本 在 通 用 变 频 器 上 的 无 速 度 传 感 器 方 面 比 较 先 进 ，美 国 在 电 机 参 数 辨 识 上 的 研 究 比 较 深 入 ， 德 国 在 大 功 率 系 统 应 用 上 比 较 先 进 。采 用 现 代 数 字 控 制 技 术 ， 开 发 更 精 确 的 转 子 磁 场 定 向 方 法 和 磁 通 观 测 器 ， 使变 频 器 获 得 更 大 的 低 频 转 矩 和 过 载 能 力 是 以 后 的 重 要 发 展 方
18、 向 ， 无 速 度 传 感 器 的开 发也 是 研 究 热 点 之 一 。（三）多电平逆变器的发展概况传 统 两 电 平 逆 变 器 在 一 个 输 出 周 期 内 桥 臂 的 相 电 压 为 两 电 平 波 ， 高 频 时 产 生很 大 的 浪 涌 电 压 和 开 关 损 耗 ， 无 法 应 用 在 高 压 输 出 逆 变 器 场 合 。 所 以 ， 日 本Akira Nabae 教 授 1981 年 提 出 了 中 点 嵌 位 逆 变 器 ,它 有 两 个 分 压 电 容 ， 每 个 桥 臂上 增 添 了 两 个 功 率 开 关 和 中 点 嵌 位 二 极 管 。 该 逆 变 器 输 出
19、 三 电 平 的 电 压 波 ， 称 为三 电 平 逆 变 器 。 P. M. Bhagwat 等 人 于 1983 年 将 三 电 平 逆 变 器 推 广 到 五 电 平 、 七电 平 等 多 电 平 逆 变 器 结 构 。 多 电 平 逆 变 器 能 够 实 现 更 高 的 电 压 等 级 、 输 出 电 压 谐波 含 量 低 、 du/dt 和 di/dt 引 起 的 电 磁 干 扰 小 ， 在 高 电 压 大 功 率 逆 变 场 合 具 有 广 泛的 应 用 。多 电 平 逆 变 器 包 括 二 极 管 嵌 位 型 、 电 容 嵌 位 型 、 有 源 中 点 嵌 位 型 逆 变 器 等
20、 。还 有 一 些 衍 生 的 拓 扑 结 构 ， 例 如 层 叠 多 单 元 逆 变 器 等 。 研 究 多 电 平 拓 扑 是 为 了 实现 多 电 平 的 输 出 电 压 ， 使 其 应 该 用 在 更 高 的 电 压 场 合 ， 减 小 谐 波 含 量 。 二 极 管 嵌位 型 、 电 容 嵌 位 型 多 电 平 逆 变 器 适 用 于 高 电 压 输 出 大 功 率 逆 变 场 合 。 随 着 电 力 电子 技 术 的 发 展 ， 大 容 量 逆 变 器 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 二 极 管 箝 位 式 逆 变 器 的 拓 扑 结构 已 经 有 了 成 熟 的 应 用 ，
21、但 中 点 电 压 平 衡 难 以 控 制 ， 目 前 只 有 三 电 平 逆 变 器 实 现了 应 用 3-4。（四）课题研究的主要内容多电平逆变器因为耐压高，输出谐波含量少等优点，适合应用于在高压大功率应用领域，三电平逆变器是多电平逆变器中应用最广泛的一种。异步电机的磁场定向控制模拟直流电机可以实现良好的动态性能。本文针对基于三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制进行了研究。本课题的主要工作包括：1. 对二极管嵌位式三电平逆变器的拓扑结构、工作原理进行了分析。42. 分析了异步电机在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系上的数学模型，研究了异步电机转子磁场定向控制的原理和磁链观测模型。3. 设
22、计了基于三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制系统，包括转速闭环、磁链闭环。4. 对三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制系统的动态性能进行了MATLAB 仿真。二、二极管嵌位式三电平逆变器（一）逆变器介绍多电平逆变技术最初的出发点是通过对逆变器的主电路进行改进，使得逆变器的所有开关器件都工作在基频或者基频以下，以达到降低功率器件开关的频率、减小开关应力、减小输出电压谐波含量等目的，提高整个功率变换的效率，但因多电平逆变器需要的各种功率器件较多，所以从提高产品性价比的角度考虑，更适合应用于高压大功率的场合。理论上，逆变器的电平数越多，所得到的阶梯数越多，从而更接近于正弦波，谐波含量越小。但在实
23、际应用中，由于受到硬件条件和控制电路的复杂性的制约，在综合考虑性能指标的情况下，三电平逆变器最为普遍，对其研究和分析具有实际意义三电平是相对于通用变频器中常用的两电平方案而言的 14。在两电平逆变器中，通过轮流导通的电力电子器件，在输出端把中间直流回路的正端电压和负端电压分别接到交流电动机定子各相绕组上。当逆变器输出电压较高时，开关器件的耐压不够。所以提出了多电平逆变器适应负载的要求 3，目前只有二极管嵌位式三电平逆变器在中压大功率传动系统中得到了实际应用 5。 三电平电路由于其特殊的电路结构，除 P、 N 两种电平输出外还可以实现零电平 O 输出 6。5二极管嵌位式三电平逆变器的电平数比两电
24、平逆变器多，输出电压和电流接近于正弦波，谐波含量减少。器件受到的电压应力小，系统可靠性提高。du/dt 的降低减小了对外围电路和电机的影响 17。但它也带来了中点电位平衡问题。基于三电平逆变器的优势，本文采用二极管嵌位式三电平逆变器，并通过开关状态的分配减小中点电位偏移。（二）三电平逆变器的拓扑结构及工作原理多电平电路的实现有很多方式，但从电路原理的角度，为得到所要输出的多层电平，至少应该具有两个条件：一在输入侧有基本的直流电平；二需要由有源和无源开关器件组成的基本变换单元，将基本电平合成以实现多电平输出。通过对基本电路单元的不同组合，可以生成不同电平数以及不同电路特性的多种电路。根据需要对这
25、些电路加以简化，就可以得到许多实用的多电平电路拓扑。目前所见到的多电平逆变器，按照主电路拓扑结构分，主要分为三类基本的拓扑结构：二极管钳位型多电平逆变器(Diode-clamped multilevel inverter)、飞跨电容型多电平逆变器(Flying-capacitor multilevel inverter)和级联型多电平逆变器(Cascaded multilevel inverter)。最常见的二极管钳位型三电平逆变器，这种拓扑简单，应用广泛，控制策略也比较简单，是分析多电平逆变器的基础。当逆变器电路需要输出电压较高时，开关器件的耐压不够，这时可以对电路拓扑结构进行改造，以使得在
26、当前开关器件耐压水平下，获得更高的电压输出，二极管钳位型三电平电路是最早提出的一种拓扑。6图 2.1 三电平逆变器拓扑结构三电平逆变器的拓扑结构如图 2.1 所示，当 S1 和 S2 同时导通时，输出端 A 相对 M 点的电平为 Ud /2(E)；当 S2 和 S3 同时导通时，输出端 A 相与 M 点相连，因此它的电平为 0；当 S3 和 S4 同时导通时，输出 A 相电压为-Ud /2(-E)，所以每相桥臂能输出三个电平状态，由三相这种桥臂组成的逆变器就叫做二极管钳位型三电平逆变器。从表 2.1 可以看到三种稳态工作模式的开关状态和输出电压的对应关系，主开关管 S1 和 S4 不能同时导通，且 S1 和 S3、S2 和 S4 的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均每个主开关管所承受的正向阻断电压为 Ud/2。另外从表 2.1 中也可以看出，每相桥臂中间的两个 IGBT 导通时间最长，导致发热量也多一些，因此实际系统散热设计以这两个 IGBT 为准。表 2.1 二极管箝位式三电平逆变器的开关状态和输出电平
