基于Matlab的鼠笼电机矢量控制算法研究精品资料.doc

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1、毕 业 设 计 论 文题目：基于Matlab的鼠笼电机矢量控制算法研究系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2012年 5 月 13 日 毕业设计（论文）任 务 书题 目基于MATLAB的鼠笼电机矢量控制算法研究系 别专业班级学号学生姓名指导教师发放日期一、主要任务与目标：毕业设计是检验学生四年来学习的情况的一项综合测试，它要求设计者把以往所学的知识综合应用、融会贯通，是对设计者能力的一项综合评定。目前，能源日益紧张，节能具有十分重要的意义在我国，电动机是能源消耗的大户电动机早期的调速方法由于调速范围小、效率低，造成能源的浪费所以，迫切需要对电动机进行高效调速 电动机早期的调速方

2、法其系统的控制规律是从电动机的稳态模型出发，动态性能尚不能令人满意，而矢量控制则是从电动机的动态模型出发，具有良好的动态性能，是目前交流电动机先进的控制方式。本设计需要以异步鼠笼感应电动机为研究对象，从电动机调速的实质出发，建立了异步鼠笼感应电动机的矢量调速控制系统首先分析了异步电动机的数学模型，通过坐标变换和按转子磁场定向，将定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电动机的控制效果其次。软件仿真和控制算法是本设计的重要目的。通过本次设计学生应该能够树立正确的设计思想和严肃认真的工作态度，树立正确的生产观念，经济意识的全面观念。二、

3、主要内容与基本要求：1、各种控制方法的对比2、鼠笼电机矢量控制参数设计3、鼠笼电机矢量控制算法设计三、计划进度：第5周：学生导师见面，确定任务，借阅资料，初步确定设计方案；第6周：拟定设计方案及实施步骤，并对方案的合理性做出论证。第7-8周：选择合适的总体的方案，对系统的参数做出设计。第9周：针对控制算法进行具体方案调试。第10周：将前期分部设计结合起来，对整体的硬件与软件做出合理的调整与调试。第11周：将所有设计整理成稿，并排版打印。第12周：做出答辩前的充分准备，迎接答辩。 第13周：整理毕业设计资料，准备答辩；第14-15周：答辩，毕业设计资料整理归档。四、主要参考文献：1李永东. 交流

4、电机数字控制系统M. 北京：机械工业出版社,2002.2韦立祥. 双PWM三电平异步电机磁链定向调速系统研究D.2000. 北京：清华大学.3胡寿松主编,自动控制原理科学出版社(第一版)M,北京：科学出版社，2003年8月. 4顾绳谷主编，电机及拖动基础（第二版）上下册, 北京：机械工业出版社，2000.指导教师（签名）： 2011 年 3 月 12 日教研室审核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。） 教研室主任签名： 年 月 日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师

5、下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见平顶山工学院毕业设计（论文）工作条例中附录2。五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教

6、师评分；（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分毕业设计（论文）成绩评定班级 姓名 学号综合成绩： 分（折合等级 ）答辩小组组长签字 年 月 日答辩小组评定意见一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合计（40分）完成任务情 况（5分）毕业设计（论文）质量（5分）表达情况（5分）回答问题情 况（5分）质 量（正确性、条理性、创造性、实用性）（10分）成果的技术水平（科学性、系统性）（10分）答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做

7、好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）： 签字： 年 月 日二、对毕业设计（论文）评分按下表要求综合评定。理工科评分表评分项目（分值）工作态度与 纪 律（10分）毕业设计（论文）完成任务情况与水平（工作量与质量）（20分）独 立工作能力（10分）基础理论和基本技能（10分）创 新能 力（10分）合 计（60分）得分指导教师签字： 年 月 日 摘要摘 要众所周知，交流异步

8、电机因其结构简单、可靠性高、性能优良、输出转矩大等特点，被广泛地应用，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。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。矢量控制的基本思想是把交流电机当做直流电机进行控制，把定子电流分解为转矩电流和励磁电流，分别对其大小和幅值进行控制，以获得与直流电机类似的调速特性。本文首先分析交流电机的调速方式和异步电机的数学模型，然后对矢量控制这种调速方式利用MATLAB/SIMULINK搭建模块对其进行了仿真，最后给出仿真结果与分

9、析。仿真结果非常理想，进一步验证了矢量控制的正确性，同时为实际应用提供了理论指导。关键词 异步电动机,矢量控制,变频调速,MATLABV AbstractAbstractAs everyone knows, AC asynchronous motor are widely used because of its simple structure, high reliability, excellent performance, large output torque characteristics,And with the expanding of AC asynchronous motor

10、application areas and the increasingly high demand of it, it is necessary to consider the cost, reasonable control algorithm, and both control performance and so on., is currently the most widely used and most promising control mode.The basic idea of the vector control is taken the ac motor as dc mo

11、tor , decomposing the stator current for torque current and exciter current respectively,then regulating the size and the amplitude of the two current , to get similar speed characteristics of dc motor. This paper first analyzes the way of speed adjustment of ac motor and the model of asynchronous m

12、otor, then the vector control the speed adjustment way using MATLAB/SIMULINK builds on the simulation module, and finally gives the simulation results and analysis. The simulation results are ideal, further verified the correctness of vector control,and provided theoretical guidance for practical ap

13、plications at the same time. Key words Induction motor, vector control, frequency control, MATLAB 目录目 录摘 要IAbstractII目 录III0 绪论11 交流电机调速的方式21.1 交流异步电机概述21.2 交流电机的结构21.2.1 定子（静止部分）21.2.2 转子（旋转部分）31.3 调速方法32 矢量控制的原理52.1关于变频调速52.1.1 变频调速的原理52.1.2 变频调速的发展方向52.2 SVPWM控制技术概述62.3 选择矢量控制的原因62.4 矢量控制的原理72.5

14、空间矢量的定义72.6 电压与磁链空间矢量的关系82.7 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场82.8 的特点122.9 异步电机的模型122.9.1 电压方程122.9.2 磁链方程123 Matlab仿真143.1 仿真的系统图如下143.2 各个模块的详细分析143.2.1 模块143.2.2 转子磁链角的计算模块163.2.3 转子磁链计算模块173.2.4 转速调节器的设计183.2.5 的计算模块193.2.6 的计算模块193.2.7 两个电流调节器的设计193.2.8 三相两相逆变换203.2.9 SVPWM部分213.3仿真参数的设置303.3.1电机参数的设置303.3.

15、2 仿真参数设置304 仿真的结果及其分析324.1 旋转磁链324.2 角速度和转矩仿真结果334.3 三相两相变换后的波形图344.4 信号354.5 N的波形354.6 转速的PI调节354.7 的PI调节36结论37致谢38参考文献39附录A40 0 绪论0 绪论高性能电气传动系统是一门集交流电机、现代电力电子技术、计算机控制术及现代控制理论于一体的多学科理论的交叉性新兴学科。矢量控制是交流电机的一种高性能控制技术，最早由德国学者Blaschke 提出。其基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量，转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁

16、分量和转矩分量两个独立的直流控制量，分别实现对电机磁通和转矩的控制，然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机，从而实现了像直流电机那样独立控制磁通和转矩的目的，大大提高了调速的动态性能。然而直接将这些复杂的控制算法应用于实际的系统通常存在着难于分析系统动态变化、调试困难、开发效率低等缺点。因此运用计算机仿真软件先对这些复杂算法进行仿真分析和研究是非常有效和必要的。Matlab 是当今流行的科学计算和仿真软件，具有强大的矩阵运算能力。Matlab 提供的Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的功能强大的软件包。Simulink 具有友好的用户开发

17、界面、开放的编程环境，用户可以开发自己的模型。基于以上思想，本文利用Simulink 中内含的功能元器件，搭建了坐标变换模块、磁链观测模块、转速调节模块、电流调节模块、svpwm等模块，将这些模块进行封装整合，便可构建出异步电机矢量控制系统，在此基础上讨论负载变化对系统调速性能的影响。 65 1 交流电机调速的方式1 交流电机调速的方式1.1 交流异步电机概述异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。

18、作电动机运行的异步电机，因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60多。作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。1.2 交流电机的结构1.2.1 定子（静止部分）定子的作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子的构造：定子铁心一般由0.35到0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 定子铁心槽型有以下几种：半

19、闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。 半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。 开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。 定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。 构造：由三个在空间互隔120电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）：（1）对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

20、（2）相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。 （3）匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。 电动机接线盒内的接线：电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。 机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。 构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机

21、座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。 1.2.2 转子（旋转部分）三相异步电动机的转子铁心作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。 三相异步电动机的转子构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300到400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠

22、笼式转子和绕线式转子。鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动

23、性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。1.3 调速方法现有文献中介绍异步电机调速方法种类繁多，按照交流异步电机的原理，从定子转入转子的电磁功率Pm可以分为两部分：一部分Pmech=(1-s)Pm是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另外一部分Ps=sPm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，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分为三类：转差功率消耗型调速这类调速系统的全部转差功率转换成热能消耗在转子回路中。这类常见的调速方法有降压调速、转差离合器调

24、速、转子串电阻调速。2）转差功率馈送型调速系统这类调速系统大部分的转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入。这类常见的调速方法有绕线型异步电机的串级调速和双馈调速3）转差功率不变型调速系统在这类调速系统中，转差功率只有转子铜耗，而且无论转速高低，转差功率基本不变。这类调速方法有变频调速和变极对数调速。而变频调速目前的方法有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制。本文选择矢量控制这种变频调速的方式进行仿真。 2 矢量控制的原理2 矢量控制的原理2.1关于变频调速2.1.1 变频调速的原理异步电机的转速n可以表示为： (2.1)式中，同步转速，转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f

25、为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCUDSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆

26、变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。2.1.2 变频调速的发展方向（1）交流变频向直流变频方向转化直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流直流交流变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流直流变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节

27、，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低。（2） 控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。（3）功率器件向高集成智能功率模

28、块发展虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎100采用IPM方式。近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IPM）相继面市。IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上。它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快可以组成运行系统。2.2 SVPWM控制技术概述SPWM控制主要是为了使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，

29、电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之接近正弦波。但是交流电动机最终需要的是三相正弦电流，使其在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果会更好，这种控制方法称为磁链跟踪控制，由于磁链的轨迹是不同的电压矢量的组合，故又称为电压空间矢量控制。2.3 选择矢量控制的原因矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流,通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流），然

30、后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。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。 综合以上：矢量控制无非就四个知识：等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转）。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。2.4 矢量控制的原理矢量控制的基

31、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。2.5 空间矢量的定义交流电机的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间向量来表示，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以定义为空间矢量，如果用A、B、C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120度，三相定子正弦

32、波相电压分别加在三相绕组山，定义三个定子电压空间矢量，使它们的方向始终处于个相绕组的轴线上，而大小则随着时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120度。那么三相定子电压空间矢量相加的合成空间矢量是一个旋转的空间矢量，它的幅值保持不变，是每相电压值的3/2倍，当电源频率恒定时，合成的电压空间矢量以电源角频率恒速旋转，当某一相电压达到最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。用公式表示，则有 （2.1）2.6 电压与磁链空间矢量的关系当异步电动机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时，对每一相都可以写出一个电压平衡方程式，三相电压平衡方程式相加，即得合成空间矢量表示的定子电压方程式为

33、（2.2）式中定子三相电压合成空间矢量；定子三相电流合成空间矢量；定子三相磁链合成空间矢量。当电动机转速较高时，定子电阻压降在所占成分很小，可以忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 （2.3）电动机在由三相正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹（即磁链圆），这样的定子磁链旋转矢量可以用下式表示 （2.4）式中磁链的幅值；磁链的旋转速度。由式（2.3）和式（2.4）可得 （2.5）式（2.5）表明，当磁链幅值一定时，的大小与成正比，方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆切线方向

34、运动弧度，其轨迹与磁链圆重合，这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。2.7 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场在常规的变压变频调速系统中，如果异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时供电电压并不是三相平衡的正弦波电压。为了讨论电压空间矢量的运动轨迹，把三相逆变器异步电动机调速系统主电路的原理绘在图 中，图中6个功率开关器件都用开关器件代替，可以表示任一种开关器件。图2.1 三相逆变器异步电动机调速系统主电路原理图图中的逆变器采用上下管换流，若VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1VT6、VT1

35、、VT2以及VT1、VT3、VT5和VT6、VT4、VT2等8种工作状态。如果把上桥臂导通用数字“1”表示，下桥臂导通用数字“0”表示，则上述8种，及111和000.从逆变器的正常工作来看，前6种工作状态是有效的，后2个状态是无效的，因为逆变器这时没有输出电压。对于六拍阶梯波的逆变器，其输出的每个周期中6种有效的工作状态个出现一次，逆变器每隔/3时刻就切换一次工作状态，而在这时刻内就保持不变，设工作周期从100状态开始，这时VT6、VT1、VT2导通，则电动机定子电压1/2 、-1/2 、-1/2，三相电压空间矢量的相位分别处于这三A、B、C这三根轴线上，方向分别与B、C轴相反，故取负号，有图

36、2.1可知，三相电压合成矢量为，幅值等于，方向沿A轴，存在时间为/2。在这段时间以后，工作状态变为VT1、VT2、VT3导通。则电动机定子电压1/2 、1/2 、-1/2，三相电压空间矢量的相位同样处于A、B、C三根轴线上，方向与A、B轴相同，方向与C轴相反。有图2.2可知三相电压合成空间矢量为，其幅值依然为，存在时间为/3，它在空间滞后于的相位为/3弧度，依次类推，以空间矢量、分别表示工作状态010、011、001和101，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到最后一个周期结束，的顶端与的尾端衔接，这样在一个周期中6个电压矢量共转过弧度，形成一个封闭的正六

37、边形，如图2.3所示，111和000两个无效的工作状态可分别冠以和，称为零矢量，它们的幅值均为零，也无相位，可认为它们坐落在六边形的中心点上。把正六边形电压空间矢量改画在图2.4所示的放射形式，各电压空间矢量相位和大小保持不变。图中在A轴水平方向，按顺序互相间隔/3画出、而把、放在射线的中心点。这样把逆变器的一个工作周期6个电压空间矢量划分为6个区域，称为扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器一拍，包含两个工作状态。一个电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看做是异步电机定子磁链矢量端点的运动轨迹。设在逆变器工作开始时定子磁链的空间矢量为，在第一个期间，电动机上施加的电压空间矢量为。按照式（2

38、.3）可以写成 （2.6）这表明在所对应的时间内，施加的结果是使定子磁链产生一个增量，其幅值与成正比，方向与一致，最后得到新的磁链，而 （2.7）依次类推，可以写出的通式 （2.8）而 （2.9）在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。图2.2 工作状态100的合成电压空间矢量ABC图2.3 工作状态110的合成电压空间矢量图2.4 每个周期六变形合成电压空间矢量图2.5 电压空间矢量的放射形式2.8 的特点（1）在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。（2）利用电压空间矢量直接生成

39、三相PWM波，计算简单。（3）逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%2.9 异步电机的模型矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型包括电压方程、磁链方程和电磁转矩方程。2.9.1 电压方程 （2.10）2.9.2 磁链方程 (2.11)当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时,应有,即得: （2.12） （2.13） （2.14） （2.15）

40、为同步转速，为转子转速，s为转差角速度，u为电压，为磁链，i为电流，R电阻，L为电感，为极对数，为转子时间常数，为微分因子，s表示定子,r表示转子,d表示d轴,q表示q轴, m 表示同轴定,转子间的互感。 3 Matlab仿真3 Matlab仿真3.1 仿真的系统图如下整个系统大致分为三个部分：1从定子检测电流经过三相两相变换，同步旋转变换分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量，2分解成的两个电流分量与给定量进行比较产生新的电流分量，3将新的电流分量经过相应的反变换去控制交流电机的转矩。系统框图见附录A。3.2 各个模块的详细分析3.2.1 模块该模块主要完成的任务是将定子电流经过三相两

41、相变换，同步旋转变换变为两相旋转坐标系下的电流分量图3.1 ABC-dq模块1) 三相两相变换以产生相同的旋转磁动势为准则及功率守恒，得基本关系式(3.1) (3.2)基本实现如下：图3.2 三相两相变换2）同步旋转变换该模块要完成从两相静止坐标系向两相旋转坐标系的转换。 基本关系式 (3.3) (3.4) 该模块的基本实现 图3.3 同步旋转变换3.2.2 转子磁链角的计算模块在部分进行同步旋转变换时需要用到磁链角，下面的模块就将完成的计算。其模块如下:图3.4 转子磁链脚的计算模块1）基本关系 (3.5) (3.6) (3.7)其中：对积分便可得到 （3.8）（2） 该模块的基本实现图3.5 磁链角的计算模块实现3.2.3 转子磁链计算模块该模块主要是计算磁链，因为在解耦时用到图3.6 转子磁链的计算模块1）基本关系式，利