基于Matlab的矢量控制变频调速系统分析

上海工程技术大学毕业设计（论文）基于Matlab的矢量控制变频调速系统分析

摘 要

众所周知，交流异步电机因其结构简单、可靠性高、性能优良、输出转矩大等特点，被广泛的应用，且随着交流异步电机应用领域的不断拓宽，对电机控制系统的设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短等特点。然而变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。

本文在分析交流异步电机数学模型的基础上，提出矢量控制。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。然后借助于MATLAB 仿真建模能力，提出了一种基于MATLAB的矢量控制变频调速系统仿真模型的新方法。其基本思想是：将交流感应电机控制系统的功能单元模块化，MATLAB中建立独立的功能模块：交流异步电机本体模块、矢量控制模块、速度控制模块、转矩计算模块等，这些功能模块进行有机整合，即可搭建出交流异步电机系统的仿真模型。控制系统中，速度环采用PI 控制，方法简捷，效果理想。仿真结果证明了该种新型建模方法的快速性和有效性。

关键词：异步电动机，矢量控制，变频调速，MATLAB

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Matlab-based Vector Control Frequency Control System Analysis

ABSTRACT

As is known to all, because of its simple structure, high reliability, good performance, output torque big wait for a characteristic, communication, and widely used asynchronous motor with ac induction motor is expanding, and the fields of application of motor control system design requirements more and more high, both must consider low cost, control algorithm and reasonable and need to juggle good control performance, short development cycle, etc. Therefore, how to establish an effective communication asynchronous motor control system simulation model becomes the motor control algorithm design personnel urgent need to address the key problem. Based on the analysis of ac induction motor based on mathematical model, with the aid of MATLAB simulation modeling ability, strong in the function of using SIMULINK embedded components, proposed based on MATLAB/SIMULINK establish ac asynchronous motor control system simulation model of the new method. The basic idea is: will ac induction motor control system function module, MATLAB/SIMULINK unit in establishing the independent function module: ac induction motor ontology modules, vector control module, current hysteresis control module, speed control module, torque calculation module,

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the functional modules, can build the organic integration of ac indution motor system simulation model. Control system, the speed loop, current loop by PI control by hysteresis current control, the method is simple, the effect is ideal. The simulation results prove the new quickness and the effectiveness of modeling method.

Key words:MATLAB

Induction motor, 3

vector control, frequency control,

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马 晓 文 021307128

0 引言

70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正

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常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

近10年来，随着电力电子技术、算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速，计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展的趋势。电机交流变频调速技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种重要手段。变频调速以其优异的调速启动，制动性能、高效率、高功率因数和节电效果广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有前途的调速方式。

电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动时一个重要的行业，被国家重视。

交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变的很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。

1 异步电动机变频调速

1.1 异步电动机概述

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