异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究开题报告

天津科技大学本科生 毕业设计（论文）开题报告

学 院 电子信息与自动化学院 专 业 2008电气工程及其自动化 题 目 异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究 姓 名 高智 指导教师（签名）

年 月 日

拟选题目 异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究 选题依据及研究意义 1971年德国专家提出了矢量变换控制理论，解决了交流电机的转矩控制问题，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。现在广泛应用的变频调速技术对电机进行节能技术改造，在变频调速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。 其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 文献综述（对已有相关代表性研究成果的综合介绍与评价） 由于异步电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。上世纪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。 简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。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，SAJ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。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，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。 研究内容（包括基本思路、框架、主要研究方式、方法等） 利用矢量控制原理完成对异步电动机的调速，主要由六个部分进行阐述和研究设计：坐标变换及数学动态模型、矢量控制系统基本结构、转子磁链观测器的设计与构想、电机的自适应控制和参数辨识、数字化矢量控制系统的设计、系统仿真。 利用MATLAB进行电机运行状态仿真，最为关键的是建立正确的电机仿真模型。异步电机的数学建模方法一般是将三相电机转换成二相电机，因为建立在α-β 静止坐标系下的异步电机状态方程与定、转子之间的夹角无关，可以方便地求出异步电机各状态变量。考虑到笼型电机转子侧电压为零，可以建立异步电机在α-β静止坐标系下的数学模型。 异步电机转子磁场定向控制的基本原理。是将d-q坐标系放在同步旋转磁场中，将静止坐标系中的交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并取d轴与转子磁场方向一致；此时转子磁通q轴分量为零（q20,d22），则 Lmi2dlT2p1 对电机转子磁通和转矩的 显然，LTnmiepql2Lr控制，可以转化为对转子磁场定向坐标系下定子电流idl、iql的控制，如图2所示。控制过程中，检测电机的三相定子电流，通过坐标变换得到转矩分量和磁通分量；利用两个调节器分别对两个电流分量进行调节，从而实现对电机磁场和转矩的控制。 仿真中需要的坐标变换主要有2／3静止坐标变换、Park旋转坐标变换和反Park直角坐标-极坐标变换。 在转子磁场定向矢量控制系统中，只有当转子磁场位置定向准确时，定子电流的励磁分量和转矩分量才可以完全解耦，才能实现对异步电机的磁场和转矩的快速响应和完全解耦控制。因此，磁场定向控制算法需要得到精确的转子旋转磁链位置角。在间接转子磁场定向矢量控制中，可以通过电压模型法获得转子磁链观测模型。 系统采用模块化设计，可以方便地将各个模块连接起来组成一个系统；改变控制策略时，只需将其中的功能子模块替换为相应的功能模块，系统的其他模块无须作任何变动，大大缩短了建模时间，提高了系统仿真模型的通用性。 利用上述各功能子模块搭建出转子磁场定向矢量控制系统的仿真模型，如图所示。转速给定与电机反馈转速相比较后，通过速度PI调节器，输出定子电流转矩分量给定iql；定子电流励磁分量给定idl由磁链PI调节器得到。定子三相电流经过坐标变换后的iql与idl给定值相比较，再经过磁通分量PI调节器和转矩分量PI调节器后分别输出定子电压分量udl、uql。 研究进程安排 12.2.20~3.11（1-3周） 完成毕业实习、调研工作，撰写实习报告。 12.3.12~3.18（4周） 查阅相关文献资料，完成开题报告。 12.3.19~3.25（5周） 查阅英文资料，完成英文翻译。 12.3.26~4.15（6-8周） 对异步电动机矢量控制系统进行设计。 12.4.16~5.6（9-11周） 利用MATLAB进行建模与仿真。 12.5.7~5.27（12-14周） 论证方案的正确性，以及系统动态性能分析。 12.5.28~6.10（15-16周） 工作总结，撰写毕业论文。 12.6.11~6.17（17周） 提交论文初稿，论文修改。 12.6.18~6.24（18周） 论文排版装订，答辩准备及答辩。 主要参阅文献 [1] 别红波，徐中．基于MATLAB的异步电机无速度传感器直接转矩控制的仿真研究 [J]，机电工程技术，2004，33(9)：67–70． [2] 李永东．交流电机数字控制系统 [M]，北京：机械工业出版社，2002． [3] 薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用 [M]，北京：清华大学出版社，2002． [4] 张雄伟． DSP 芯片的原理与开发应用[M]．电子工业出版社,，1997，9． [5] 杨甫，许伯强，杨桂兰．变频器供电下异步电动机转子断条故障仿真研究 [J]．机电工程技术，2009，38（1）：67–69． [6] 李夙．异步电动机直接转矩控制 [M]． 北京：机械工业出版社，1994: 1–110． [7] 孟庆春，叶锦娇，郭凤仪．异步电动机直接转矩控制系统的改进方案 [J]．中国电机工程学报，2005，25（13）：118–122． [8] CHAO Ze-yun， KANG y0 ， ZHONG He-qing， XU Zhi—xin Modeling and Simulation of Asynchronous Motor Vector Control System [9] Sunter S,Clare J C. A true four quadrant matrix converterinduction motor drive with servo performance [J],IEEEAnnual Power Electronics Specialists Conference，1996 [10] 张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版社，1997. [11] 薛定宇.反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用[M].北京：清华大学出版社,2000 其它说明 指导教师是否同意开题 签名: 年 月 日 教研室教学负责人签署 签名: 年 月 日 说明： 1、开题报告工作从第七学期学生确定毕业设计（论文）题目后开始，在教师指导下，学生通过调研、收资后，于第八学期第四周前完成。 2、纸张填写不够可另加附页。