2021年感应电机矢量控制江南大学

设计题目：感应电机矢量控制的仿真

欧阳光明（2021.03.07）

设计要求：

1.分析感应电机矢量控制原理，对系统各个组成模块进行详细介绍；

2.在Matlab/Simulink 环境下建立感应电机矢量控制系统的仿真模型；

3.在不同给定、负载下进行仿真分析；

4.按规范撰写课程设计报告。

撰写规范：

1.报告由封面、设计要求、正文和设计心得体会组成；

2.封面包括：课程设计名称、学院、班级、姓名、学号、日期、成绩；

3.正文报告格式请按照江南大学学报的要求。

摘要：本文从感应电动机的数学模型着手介绍一种基于

matlab/simulink的感应电动机仿真模型，使用时只需要输入不同的电机参数即可。在此基础上设计一个典型的直接矢量控制系统，然后利用Simulink仿真软件对该控制系统运行情况进行仿真研究。

关键字：MATLAB/SIMULINK；感应电机；矢量控制；仿真

引言:

异步电动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，虽然通过坐标变换可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性多变量的本质。因此，需要异步电动机调速系统具有高动态性能，必须面向这样一个动态模型。目前电机调速行业内有几种控制方案已经获得了成功的应用。动态模型按转子磁链定向的直接矢量控制系统就应用的很广泛！本文利用matlab/simulink仿真软件建立一个通

用的仿真模型。然后用到直接矢量控制系统中去，对该系统进行仿真研究。

一、各部分原理介绍

1、矢量控制系统原理

既然异步电动机经过坐标变换可

以等效成直流电动机，那么，模仿直

流电动机的控制策略，得到直流电动

机的控制量，再经过相应的坐标反变

换，就能够控制异步电动机了。由于

进行坐标变换的是电流(代表磁动势)

的空间矢量，所以这样通过坐标变换

实现的控制系统就称为矢量控制系

统，简称VC系统。VC系统的原理结

构如图2.1所示。图中的给定和反馈

信号经过类似于直流调速系统所用的

控制器，产生励磁电流的给定信号

* m i

和电枢电流的给定信号

*

t

i，经过反旋

转变换1-

VR一得到*αi和*βi，再经过2

／3变换得到

*

A

i、*

B

i和*C i。把这三个

电流控制信号和由控制器得到的频率信号1ω加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。

图2.1矢量控制系统原理结构图

在设计VC系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器1-

VR与电机内部的旋转变换环节VR相抵消，2／3变换器与电机内部的3／2变换环节相抵消，则图2.1中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。

2、坐标变换的基本思路

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流A i、B i、C i，通过三相——两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流αi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 2.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变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由m

i和

t

i输入，由ω输出的直流电动机。。。。。。。

3/2

VR

等效直流电动机模型

αi β

i t

i A i m

i B

i C

i ϕ

ω

A B C

异步电动机

图2.2 异步电动机的坐标变换结构图

3、坐标变换 （1）三相——两相坐标系变换

（3/2变换）

图2.3为交流电机坐标系等效

变换图。图中的A ，B ，C 坐标轴分别

代表电机参量分解的三相坐标系。而α,β则表示电机参量分解的静止两

相坐标系。每一个坐标轴上的磁动势

分量，可以通过在此坐标轴的电流i 与电机在此轴上的匝数N 的乘积来表

示。

图2.3 坐标变换图

假定A 轴与a 轴重合，三相坐标

系上电机每相绕组有效匝数是3N

，两相坐标系上电机绕组每相有效匝数为

2N ，在三相定子绕组中，通入正弦电流，则磁动势波形为正弦分布，因

此，当三相总安匝数与两相总安匝数

相等时，两相绕组瞬时安匝数在βα,轴上投影应该相等。因此有式（2-

1）和（2-2）。

2

1

21(60cos 60cos 3030332i i i i i i B A C B A N N N N N -

-=--=α （2-1）

)(2

360sin 60sin 303032i i i i i C B C B N N N N -=-=β (2-2)

为了保持坐标变换前后的总功

率，即应该保持变换前后有效绕组在

气隙中的磁通相等

2

3B B =

（2-3）

设三相绕组磁通公式：

)]2/32/3(sin )2/12/1([cos 33C B C B A i i i i i KN B -+--=θθ （2-4）

两相绕组磁通公式：

)

sin (cos 22*

*+=βαθi i KN B

(2-5)

上面两式K 为固定比例参数，通过增入一个分量，我们可以写成矩阵形式为：

⎥⎥⎥

⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢

⎢⎣

⎡--=⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡C B A i i i x x x N N i i i 23230

21211230βα

(2-6)