无速度传感器感应电机矢量控制仿真

拖动系统课程设计报告书题目：无速度传感器感应电机矢量控制系统设计与仿真专业：姓名：学号：指导教师：课程设计任务书矢量变换控制(Transvector Control)，也称磁场定向控制。

它是由德国学者F.Blaschke等人在1971年提出的一种新的优越的感应电机控制方式，是基于dq轴理论而产生的，它的基本思路是把电机的电流分解为d轴电流和q轴电流，其中d轴电流是励磁电流，q轴电流是力矩电流，这样就可以把交流电机的励磁电流和力矩电流分开控制，使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性，是为交流电机设计的一种理想的控制理论，大大提高了交流电机的控制特性。

一般将含有矢量变换的交流电动机控制都称为矢量控制，实际上只有建立在等效直流电动机模型上并按转子磁场准确定向的控制，电动机才能获得最优的动态性能。

本文介绍了矢量控制系统的原理及模型的建立，搭建了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制无速度传感器调速系统的Simulink模型，并用MATLAB最终得到了仿真结果。

关键词：感应电机; 矢量控制; 磁链观测; 速度估算摘要 (iv)目录 (v)1 异步电机及Simulink模型 01.1 异步电动机的稳态等效电路 01.1.1 等效电路中各参数物理意义 01.1.2 感应电机功率流程 01.2 Simulink仿真基础 (1)1.2.1 异步电动机Simulink模型 (1)1.2.2 异步电动机模型参数设置 (2)1.3 电机测试信号分配器模块及参数设置 (3)2 矢量控制 (4)2.1 矢量控制的基本思路 (4)2.2 矢量坐标变换原理 (6)α-坐标系间的变换) (6)2.2.1 定子绕组轴系的相变换(A-B-C和β2.2.2 转子绕组轴系的变换(A-B-C和d-q坐标系间的变换) (7)3 电流正弦PWM技术 (7)4 转子磁链模型的建立 (8)4.1 基于电压电流模型设计转子磁链观测器 (8)4.2 基于转差频率设计的转子磁链观测器 (9)5 转矩计算模块 (10)6 转速推算器的设计 (10)6.1 基于转矩电流误差推算速度的方法 (10)6.2 基于模型参考自适应方法(MARS)的速度估算 (11)ϕ的速度估算方法 (11)6.3 基于空间位置角s7 感应电机矢量控制系统的Simulink仿真 (12)8 结论 (17)参考文献 (18)αβ的感应电机数学模型 (19)附录1 基于0附录2 基于dq0的感应电机数学模型 (20)附录3 基于dq0的转子磁链定向感应电机数学模型 (21)1 异步电机及Simulink 模型感应电动机是借定子旋转磁场在转子导体中感应电流，从而产生电磁转矩的一种电机。

定、转子间的能量转换依靠旋转磁场的电磁感应作用，故称为感应电动机。

三相感应电动机利用旋转磁场的原理，当定子三相绕组通入三相电流后，在空气隙中将产生旋转磁场，如果在这个磁场内放一个短路线圈，则会在线圈中产生感应电动势，从而产生电流，这个电流和旋转磁场相互作用就产生了转矩，使线圈动起来，跟随旋转磁场转动。

由于其转子转速始终低于同步速1n ，即n 与1n 之间必须存在者差异，因而又称“异步”电动机。

转差)(1n n -的存在是感应电机运行的必要条件，我们将转差与同步转速的比值称为转差率，用符号s(0<s<1)表示，按照定义，转差率与转速的关系为1)1(n s n -=，式中1n ——同步转速，p n f n /6011=。

1f 为供电电源频率；p n 为电动机极对数。

1.1异步电动机的稳态等效电路根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损。

异步电动机的稳态模型可以用T 形等效电路表示，如图所示。

异步电动机T 形等效电路1.1.1等效电路中各参数物理意义’、rs R R ——定子每相绕组电阻和折合到定子侧的转子每相绕组电阻；’、r s L L 11 —— 定子每相绕组漏感和折合到定子侧的转子每相绕组漏感；m L ——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；s U ——定子相电压；1w ——供电电源角频率，112f w π=；’、r I I s ——定子相电流和折合到定子侧的转子相电流，箭头为规定正方向；s ——转差率1.1.2感应电机功率流程感应电动机定子绕组从电源输入的有功功率1P 为 1111cos 3ϕI U P= 其中一部分消耗在定子绕组铜耗12113r I P cu =及旋转磁场在定子铁芯中的铁损耗m Fe r I P 203=(由于1n n ≈，2f 很低，而且转子铁芯也为迭片而成，所以转子铁耗忽略不计)。

剩下的大部分即为通过电磁感应而进入转子的电磁功率M P ，即 Fe cu M P P P P --=11由T 形等值电路可知，进入转子回路的电磁功率M P 为 Ω+=-+===P P r s s I r I s r I I E P cu M 2222222222222)1(333cos 3’’’’’’’’ϕ 即M P 中的一部分消耗在转子绕组的铜耗上2cu P ，另一部分则转化为轴上的总机械功率ΩP 。

而且ΩP 还必须克服机械损耗Ωp 及由于定转子开槽等原因引起的附加损耗∆p ，剩下的才是从轴上输出的机械功率2P ，即∑-=-----=--=∆Ω∆ΩΩpP p p P P P P p p P P cu Fe cu 12112 则感应电动机的效率为%100)1(%100%10011112⨯-=⨯-=⨯=∑∑P p P p P P P η按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率M P 分成两部分：一部分是机械功率M cu M cu P s P P P s s r s s I P )1(1)1(322222-=-=-=-=Ω’’是拖动负载的有效功率，另一部分M cu sP r I P ==’’22223是传输给转子电路的转差功率，与转差率s 成正比。

从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。

1.2Simulink 仿真基础Simulink 工具箱的功能是在MATLAB 环境下，把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型；电力系统仿真工具箱(SimPower System)是在Simulink 环境下使用的仿真工具箱，其功能非常强大，可用于电路、电力电子、电机系统、电力传输等领域的仿真，它提供了一种类似电路搭建的方法用于系统的建模。

1.2.1异步电动机Simulink 模型Asynchronous Machine SI Units 国际单位制的异步电动机其电气连接和功能分别为：A 、B 、C ：交流电机的定子电压输入端子；Tm ：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机械负载；a ，b ，c ：绕线式转子输出电压端子，一般短接；而在鼠笼式电机为此输出端子；m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号。

1.2.2异步电动机模型参数设置异步电动机模型参数设置Rotor type：转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式(Wound)和鼠笼式(Squirrel-cage)两种类型；Reference frame：参考坐标列表框，可以选择转子坐标系(Rotor)、静止坐标系(Stationary)、同步旋转坐标系(Synchronou)；Nominal power, voltage(line-line), and frequency[ Pn(V A), Vn(Vrms), fn(Hz) ]：额定功率(V A)，线电压(V)，频率(Hz)；Stator resistance and inductance[ Rs(ohm) L1s(H) ]：定子电阻Rs(ohm)和漏感L1s(H)；Rotor resistance and inductance[ Rr’(ohm) L1r’(H) ]：转子电阻Rr(ohm)和漏感L1r(H)；Mutual inductance Lm(H)：互感Lm(H)；Inertia, friction factor and pairs of poles[ J(kg.m^2) F(N.m.s) p() ]：转动惯量J(kg.m^2)、摩擦系数和极对数；Inertia conditions：初始条件包括：初始转差s，点角度phas, phbs, phcs(deg)和定子电流isa isb isc(A)。

1.3电机测试信号分配器模块及参数设置电机测试信号分配器模块及参数设置ir_abc ：转子电流ira, irb, irc ；ir_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的转子电流ir_q 和d 轴下的转子电流ir_d ； phir_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的转子磁通phir_q 和d 轴下的转子磁通phir_d ；vr_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的转子电压vr_q 和d 轴下的转子电压vr_d ； is_abc ：定子电流isa, isb, isc ；is_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的定子电流is_q 和d 轴下的定子电流is_d ； phis_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的定子磁通phis_q 和d 轴下的定子磁通phis_d ；vs_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的定子电压vs_q 和d 轴下的定子电压vs_d ； wm ：电机的转速；Te ：电机的机械转矩；Thetam ：电机转子角位移。

2 矢量控制异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解十分困难。

在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是矢量坐标变换。

利用矢量坐标变换将异步电动机模拟成直流电动机进行电磁转矩控制，实现了异步电动机的高性能速度控制。

2.1矢量控制的基本思路在交流异步电动机定子三相对称绕组中，通入对称的三相正弦交流电ia 、ib 、ic 时，则产生旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场ABC Φ，如图(a)所示，磁场的旋转角速度等于定子电流的角频率ws 。

然而，产生的旋转磁场不一定非要三相绕组，除单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，都能产生圆形旋转磁场。

如图(b)所示，具有位置互差090的两相定子绕组α、β异步电动机，当通入两相对称正弦电流αi 、βi 时，也能产生旋转磁场αβΦ。

如果这个旋转磁场的大小，转速及转向与图(a)所示三相绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为图(a)和图(b)所示的两套交流绕组等效。

由此可知i ，处于三相静止坐标系上的三相对称静止交流绕组，可以等效为两相静止直角坐标系上的两相对称静止交流绕组；三相交流绕组中的三相对称正弦交流电流ia 、ib 、ic 与二相对称正弦交流电流αi 、βi 之间必存在着确定的变换关系αβαβαβi C i C i i C i S S S S abc abcS S 3/212/32/3===- 该式为矩阵方程，其中S S C 2/3和S S C 3/2为变换矩阵由直流电动机的结构可知，直流励磁绕组是空间上固定的直流绕组，而电枢绕组在空间是旋转的绕组，虽然电枢绕组本身在旋转，但是电枢磁势Fa 在空间上却有固定的方向，这样从磁效应的意义上来说，可以把直流电动机的电枢绕组当成在空间上固定的直流绕组。