機(jī)械電子工程畢業(yè)論文-電動汽車異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　電動汽車異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師

2、的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 電動汽車異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

3、 </p><p><b>　　1．課題意義及目標(biāo)</b></p><p>　　學(xué)生應(yīng)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用所學(xué)過的基礎(chǔ)理論知識，在深入了解 電動汽車電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用Matlab中的Simulink工具，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真，給出仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為學(xué)生在畢業(yè)后從事機(jī)

4、電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作打好基礎(chǔ)。 </p><p><b>　　2．主要任務(wù)</b></p><p>　　（1）分析電動汽車異步電機(jī)的原理及控制，理解控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理；</p><p>　?。?）建立啟動制動仿真模型并進(jìn)行分析；</p><p>　　（3）建立異步電動機(jī)調(diào)速控制的簡單的仿真模型；</p>

5、;<p>　?。?）利用Matlab/simulink對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真；</p><p>　?。?）調(diào)試、分析仿真結(jié)果。</p><p><b>　　3．主要參考資料</b></p><p>　　[1]孫仁云,付百學(xué).汽車電器與電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2006.</p><p>　　[2]陳桂

6、明,張明照等編著.應(yīng)用MATLAB建模與仿真[M].科學(xué)出版社.2001.</p><p>　　[3]鐘麟,王峰編著.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用教程[M].國防工業(yè)出版社.</p><p>　　[4] 李永東．交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng) [M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p>

7、<p>　　審核人： 年 月 日</p><p>　　電動汽車異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　摘 要：本論文主要研究的是電動汽車異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。對于電動汽車的控制系統(tǒng)來說，必須有著瞬時(shí)功率大、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快和調(diào)速范圍廣的特點(diǎn)。但是異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變系統(tǒng)，在控制上有著很大

8、的難度系數(shù)[1]。直到矢量控制系統(tǒng)的出現(xiàn)才很好的解決了異步電機(jī)的控制問題。它的主要思想是將異步電動機(jī)變換成直流電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制仿真。從而在現(xiàn)實(shí)生活中有著很重要的作用。</p><p>　　本文將利用MATLAB/SIMULINK工具將異步電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造，利用MATLAB軟件強(qiáng)大的資料庫對電動汽車異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，最后驗(yàn)證矢量控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)。</p><p>　　

9、關(guān)鍵詞：異步電機(jī)，矢量控制，坐標(biāo)變換，MATLAB仿真</p><p>　　Study on the control system design and simulation of electric vehicle for Asynchronous Motor</p><p>　　Abstract :This thesis mainly studies the design of the

10、control system of asynchronous motor of electric vehicle and simulation. It must have a large instantaneous power , fast torque response and the characteristics of wide speed range for the electric vehicle control system

11、.As a mathematical model of asynchronous motor, it is a high order, nonlinear and strong coupling system, variable in the control is a big difficulty coefficient, it was not until the emergence of the vector control syst

12、em go</p><p>　　This article will use the MATLAB/SIMULINK tool to set up asynchronous motor control system structure, using the MATLAB software powerful database for electric vehicles induction motor vector c

13、ontrol system for the simulation analysis, the final validation control characteristics of the vector control system.</p><p>　　Keywords: Asynchronous motor,Vector control,Coordinate transformation,The simula

14、tion of MATLAB </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前言1</b></p><p><b>　　1.1 背景1</b></p><p>　　1.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展2</p><p>

15、;　　1.3 脈寬調(diào)制技術(shù)3</p><p>　　1.4 本論文的工作內(nèi)容4</p><p><b>　　2 異步電機(jī)5</b></p><p>　　2.1 異步電機(jī)的工作原理5</p><p>　　2.2 三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型5</p><p>　　2.2.1 異步電機(jī)正常

16、狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型6</p><p>　　2.2.2 在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　2.2.3 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8</p><p>　　2.3 本章小結(jié)9</p><p>　　3 矢量控制系統(tǒng)的介紹10</p><p>　　3.1 矢量控制系統(tǒng)的機(jī)理10</p

17、><p>　　3.2 坐標(biāo)變換11</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測13</p><p>　　3.4 SVPWM技術(shù)15</p><p>　　3.4.1 電壓矢量作用時(shí)間18</p><p>　　3.4.2 電壓矢量所處扇形19</p><p>　　3.5 本章小結(jié)20

18、</p><p>　　4 矢量控制模型的建立與仿真分析21</p><p>　　4.1 Matlab軟件的介紹21</p><p>　　4.2 異步電機(jī)控制系統(tǒng)各模塊的建立21</p><p>　　4.2.1 坐標(biāo)變換22</p><p>　　4.2.2 PI調(diào)節(jié)模塊24</p>&l

19、t;p>　　4.2.3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模塊25</p><p>　　4.2.4 SVPWM模塊25</p><p>　　4.3 矢量控制系統(tǒng)的建立29</p><p>　　5 系統(tǒng)的仿真與分析30</p><p>　　5.1 電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)30</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的仿真分析31

20、</p><p>　　5.3本章小結(jié)32</p><p>　　6 全文總結(jié)32</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　1 前言</b></p>

21、;<p><b>　　1.1 背景</b></p><p>　　早在18世紀(jì)以前，人們就已經(jīng)意識到了電的存在，而西方的科學(xué)家從那時(shí)就開始對它的探索，從富蘭克林的避雷針到法拉利的電磁感應(yīng)定律，無不是人類對它不懈的研究。真正將它帶到人們眼前的還是1866年西門子發(fā)明的發(fā)電機(jī)，它將我們帶入了一個(gè)新的時(shí)代。</p><p>　　化石能源在19世紀(jì)到20世紀(jì)支撐

22、了我們?nèi)蛉祟惖纳a(chǎn)和發(fā)展對能源的需求，但是它的嚴(yán)重污染和不可再生的特性迫使著人類去發(fā)現(xiàn)新的、綠色的代替品，特別是汽車產(chǎn)業(yè)。汽車，作為人們?nèi)粘５拇焦ぞ邽槿藗兯熘?。?970年開始，全球汽車數(shù)量幾乎每15年便會翻上一番，有人預(yù)計(jì)到2014年全球?qū)?2億輛汽車。但是隨著時(shí)間的推移，面臨化石燃料的短缺和日益逼迫的環(huán)境問題，各國政府都將節(jié)能減排作為汽車發(fā)展的主要方向。特別是在我國，隨著人民逐年增長的對汽車的需求，我們不得不考慮隨之會帶來

23、的壞境問題。柴靜的“穹頂之下”依然回應(yīng)在耳際，我國已經(jīng)將環(huán)境問題提上了議程。</p><p>　　現(xiàn)在大部分的汽車公司都已經(jīng)開始在純電動汽車或者混合動力汽車的研究上加大了投資，而且有一部分汽車公司也已經(jīng)取得了很重大的突破。特別是較為出名的一些國際公司已經(jīng)擁有了一定的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，因此電動汽車有很大可能成為21世紀(jì)的主流交通工具。</p><p>　　當(dāng)說到電動汽車的美好前景，就不得不說討

24、論它的大腦——驅(qū)動控制系統(tǒng)。目前電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要分為直流驅(qū)動系統(tǒng)和交流驅(qū)動系統(tǒng)兩大類[2]。在控制系統(tǒng)的發(fā)展早期由于直流電機(jī)控制系統(tǒng)最先被開發(fā)，并且具有調(diào)速范圍廣、易于平滑控制、啟動、制動力矩大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)動車的驅(qū)動。但隨著近些年來電機(jī)控制理論體系的逐步成熟以及電子技術(shù)的發(fā)展，交流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯。而且交流電機(jī)不存在換向器，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代交流電機(jī)控制理論下，其動態(tài)性能已經(jīng)得到大大的

25、提升，甚至超越了直流電機(jī)的水平，故交流驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，成為目前電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主流[3]。由此可以得知，在當(dāng)今這個(gè)快速發(fā)展的社會中，控制系統(tǒng)對于電動汽車的發(fā)展與進(jìn)步起著一個(gè)相當(dāng)重要的作用，而本論文主要就是對電動汽車異步電動機(jī)控制系統(tǒng)的研究。</p><p>　　1.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　從19世紀(jì)末開始的很長一段時(shí)間內(nèi)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直是最主要的控制

26、系統(tǒng)。交流調(diào)速的方案雖然有很多種已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際生活中，但是表現(xiàn)出的性能卻還是不能被人們接受。這是因?yàn)閷τ谥绷麟妱訖C(jī)而言，在啟動性能、調(diào)速范圍、精度和控制方案上，它在這幾個(gè)方面的表現(xiàn)都比交流電機(jī)表現(xiàn)突出，同時(shí)在理論與實(shí)踐的結(jié)合驗(yàn)證上也比交流電機(jī)成熟的多。</p><p>　　直流電動機(jī)的優(yōu)勢在于它調(diào)速比較方便。只要改變電機(jī)的輸入電壓或者勵磁電流，就可以在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，而且在磁場一定的條件下，它的轉(zhuǎn)矩與電

27、流成正比，從而使得它的轉(zhuǎn)矩易于控制[4]。雖然直流電動機(jī)相比交流異步電機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)上更容易獲得良好的動態(tài)性能，隨著半導(dǎo)體的發(fā)展使得它的應(yīng)用范圍越發(fā)的寬廣，但是它本身的換向器卻成了它發(fā)展路上的一大塊絆腳石。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴和無法在復(fù)雜環(huán)境下工作的特點(diǎn)使得它遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展的大環(huán)境。于是異步電動機(jī)的時(shí)代便開始到來了，憑借著它結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉和能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的特點(diǎn)，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用。</p><

28、p>　　隨著交流電機(jī)走進(jìn)人們的視野，人們很快就發(fā)現(xiàn)了它的弊端，那就是它的調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)。直流電動機(jī)的磁場僅由勵磁繞組產(chǎn)生，可以通過觀測電流來進(jìn)行它的調(diào)速控制。在交流電動機(jī)中，磁場卻是由兩部分共同產(chǎn)生，因此不能用以前的控制方法來實(shí)現(xiàn)控制。但是人們沒有因?yàn)檫@個(gè)難題的出現(xiàn)而放棄交流電機(jī)，從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，各國迫于時(shí)代的需求，開始在交流調(diào)速控制的研究上加大了投入，為交流調(diào)速系統(tǒng)的理論與發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)很好的環(huán)境。終于西門子工程師提出的通

29、過矢量控制來解決交流電機(jī)的調(diào)速問題，將交流電機(jī)控制的優(yōu)越性提高到了一個(gè)新的高度。</p><p>　　矢量控制的理論基礎(chǔ)是感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理和定子電壓坐標(biāo)變換控制。三相交流異步電動機(jī)矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)的定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[5]。</p><p>　　通過使用矢量控

30、制的交流電機(jī)在理論技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用上都有了一個(gè)巨大的進(jìn)步，動態(tài)性能也與直流電機(jī)相當(dāng)，在電機(jī)控制的領(lǐng)域中占據(jù)了自己的一方天地。</p><p>　　1.3 脈寬調(diào)制技術(shù)</p><p>　　脈寬調(diào)制技術(shù)又稱為PWM技術(shù)，是通過利用電子器件的導(dǎo)通狀態(tài)將直流電壓轉(zhuǎn)變成一定形狀的電壓脈沖序列，在實(shí)現(xiàn)變壓，變頻目標(biāo)的基礎(chǔ)上還有消除諧波的能力[6]。這種技術(shù)是由德國人在1964年提出來的，通過將通信系

31、統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)運(yùn)用到變頻調(diào)速控制中，實(shí)現(xiàn)了控制調(diào)速理論界的創(chuàng)新與進(jìn)步。隨著時(shí)間的推移，人們在微處理器技術(shù)的進(jìn)步，也從側(cè)邊也促進(jìn)了PWM的發(fā)展。從開始的電壓波形的正弦，到電流波形，再到磁通波形正弦，一步一步的進(jìn)步促使著脈寬技術(shù)的成熟，也使得脈寬調(diào)制技術(shù)控制下的電機(jī)的工作效率和調(diào)速范圍都有著越來越好的性能。</p><p>　　脈寬調(diào)制技術(shù)主要分以下三種：</p><p>　?。?）等脈寬調(diào)制

32、技術(shù)。</p><p>　　它的脈沖寬度是相等的，通過改變脈沖周期來調(diào)節(jié)頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電壓。采用恰當(dāng)?shù)目刂扑惴軌蚴闺妷汉皖l率有規(guī)律的變化。但是它的輸出電壓中還有很多諧波存在，使得調(diào)制結(jié)果誤差較為明顯。</p><p>　　（2）正弦脈寬調(diào)制技術(shù)</p><p>　　正弦脈寬調(diào)制技術(shù)又稱為SPWM技術(shù)。是以一個(gè)正弦波作為基準(zhǔn)，用一系列的三角波與其作比較

33、：當(dāng)三角波低于基準(zhǔn)波時(shí)，開關(guān)的狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)基準(zhǔn)波低于三角波時(shí)，開關(guān)狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。整體來講就是從電動機(jī)的供電電源中分析得到既能夠調(diào)頻又可以調(diào)幅的三相對稱正弦電流。這種技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以在很大程度上降低低次諧波的成分，從而提高調(diào)制精度。</p><p>　?。?）空間電壓矢量調(diào)頻技術(shù)</p><p>　　空間電壓矢量調(diào)頻技術(shù)是由德國科學(xué)家提出的一種較為新型的脈寬調(diào)制方式，又稱為

34、SVPWM技術(shù)。他將逆變器和電動機(jī)看成是一個(gè)整體，把電壓空間分為八種基本的電壓空間矢量。依照定子磁鏈和定子電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系，同過電子器件的開關(guān)和空間矢量進(jìn)而達(dá)到控制電動機(jī)的目的?？臻g電壓矢量調(diào)頻技術(shù)相比于正弦脈寬調(diào)頻技術(shù)，將電壓的利用率提高了一些，同時(shí)又減少了諧波的分量，因此成為現(xiàn)在較為核心的技術(shù)。</p><p>　　使用脈寬調(diào)制技術(shù)的控制系統(tǒng)能夠在很大程度上減少噪音對控制系統(tǒng)的影響，因?yàn)樵谠胍魶]有大到將邏輯1變

35、換成邏輯0的條件上，都將對控制系統(tǒng)沒有效果，這也就變相的使控制系統(tǒng)的控制精度和結(jié)果更加精密準(zhǔn)確。</p><p>　　1.4 本論文的工作內(nèi)容</p><p>　　目前已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的較為良好的調(diào)速系統(tǒng)共分為兩種：一種是直接轉(zhuǎn)矩控制控制調(diào)速系統(tǒng)，另一種是矢量變換控制調(diào)速系統(tǒng)。雖然這兩種控制方式不一樣，但是都能實(shí)現(xiàn)較好的靜態(tài)和動態(tài)的調(diào)速性能，同時(shí)也都各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域中都有所側(cè)重。對

36、比直接轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)，矢量變換控制調(diào)速系統(tǒng)在連續(xù)控制和調(diào)速范圍等方面都有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過多年來在簡化矢量變換系統(tǒng)已經(jīng)獲得較為滿意的結(jié)果[7]。電動汽車異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)較多，研究方式也有所不同，由于本人能力和時(shí)間有限，因此，將異步電動機(jī)矢量調(diào)速控制系統(tǒng)在Matlab/Simulink軟件中仿真分析作為論文的主要工作內(nèi)容</p><p>　　本論文的主要工作內(nèi)容是：</p><p&

37、gt;　　查閱電動汽車的有關(guān)資料，較為深入地了解電動汽車的發(fā)展背景和發(fā)展過程。了解異步電機(jī)在電動汽車中的作用，學(xué)習(xí)和掌握異步電機(jī)的工作原理及特性。了解異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方法。</p><p>　?。?）理解交流調(diào)速系統(tǒng)基本理論，調(diào)速系統(tǒng)的背景及其發(fā)展過程。明白交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展對電動汽車發(fā)展的重大作用和意義。對矢量調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析和研究，為后期電機(jī)控制模型的建立打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><

38、;p>　?。?）分析矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的基本原理和系統(tǒng)構(gòu)成，理解公式的由來和轉(zhuǎn)換過程，對它的基本構(gòu)成做一個(gè)大體上的分類，為建立它的數(shù)學(xué)模型做一個(gè)前期的準(zhǔn)備。</p><p>　?。?）學(xué)習(xí)Matlab軟件的仿真工具Simulink，充分利用Matlab資源對異步電動機(jī)和矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析模型的含義并對其進(jìn)行仿真和分析。</p><p><b>　　2 異步電機(jī)<

39、;/b></p><p>　　2.1 異步電機(jī)的工作原理</p><p>　　三相異步電動機(jī)主要是由定子與轉(zhuǎn)子組成的，定子由鐵芯、繞組和機(jī)座組成，轉(zhuǎn)子由鐵芯、繞組和轉(zhuǎn)軸組成，定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子電流的相互作用便是三相異步電機(jī)的工作原理。如圖2.1所示，將三相電流接入定子的三相繞組上，繞組就會在空間內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場是沿著定子內(nèi)圓周切線方向旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體將會切割

40、磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)安倍電磁力定律，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，就會產(chǎn)生一個(gè)電磁力，推動轉(zhuǎn)子隨著磁場旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。但是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度一直比磁場轉(zhuǎn)動速度慢一些，因此把這種電動機(jī)稱為異步電動機(jī)。</p><p>　　圖2.1 異步電機(jī)的物理模型</p><p>　　2.2 三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　三相異步電動機(jī)的物理模型決定了他的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)

41、高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)建立起數(shù)學(xué)模型是非常困難的[8]。德國科學(xué)家在20世紀(jì)提出的矢量變換理論能夠較為簡單的解決這個(gè)難題。雖然矢量控制理論體系可以大大的簡化它的復(fù)雜程度，但也需要了解它的組成與轉(zhuǎn)換的關(guān)系。本論文選用的是最常見的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)定子三相繞組磁線在空間中是固定不變的。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機(jī)慣例和右手螺旋定則。</p><p>　　在研究異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，通常進(jìn)行如下假設(shè)

42、[9]：</p><p>　?。?）忽略磁路飽和，認(rèn)為各個(gè)繞組的自感和互感都是恒定不變的；</p><p>　?。?）忽略空間諧波，三相異步電動機(jī)定子繞組A、B、C和轉(zhuǎn)子繞組a、b、c空間上是對稱的，并且相互差120°；</p><p>　?。?）假設(shè)磁動勢和磁通在空間中是按照正弦規(guī)律變化的且不考慮鐵芯損耗；</p><p>　?。?/p>

43、4）假設(shè)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)不隨著時(shí)間、溫度、頻率等因素的影響。</p><p>　　在這個(gè)前提下，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型就是由以下敘述的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成[10]。</p><p>　　異步電機(jī)在不同狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型都有所不同，本論文就論文需要列出三種不同坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型：在正常狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。</p

44、><p>　　2.2.1 異步電機(jī)正常狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　電壓方程</b></p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　在電壓方程中，表示的是定子相電壓的瞬時(shí)值；表示的是轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；表示的是定子相電流的瞬時(shí)值；表示的是轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；表示的

45、是定子各相繞組的全磁鏈；表示的是轉(zhuǎn)子各相繞組的全磁鏈；p代替的是微分符號，也可以寫成；表示的是定子和轉(zhuǎn)子的繞磁電阻。</p><p><b>　　磁鏈方程</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　上式也可以寫成，磁鏈方程是一個(gè)6x6的電感矩陣；下標(biāo)相同的為各個(gè)繞組的自感系數(shù)；其他的為繞組

46、之間的互感。互感又可以根據(jù)互感對象分為兩類；一類是定子三相之間或者轉(zhuǎn)子三相之間的互感，互感系數(shù)為常值；另一類是定子的一相與轉(zhuǎn)子的一相之間的互感，因?yàn)樗麄兊奈恢檬亲兓?，因此不是常值，而是一個(gè)與角位移有關(guān)的一個(gè)函數(shù)。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>

47、;　　式中：ω電角速度；θ 電角度表示的空間角位移；Wm 磁場儲能； np 電機(jī)的極對數(shù)； θm 機(jī)械角位移。</p><p>　　上式也可以寫成： （2.4）</p><p><b>　?。?）運(yùn)動方程</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中為負(fù)

48、載，為轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　2.2.2 在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　異步電機(jī)在矢量控制過程中，需要經(jīng)過坐標(biāo)變換：Clarke變換和Park變換。而本節(jié)就異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型做一個(gè)簡單的介紹。</p><p><b>　?。?）電壓方程</b></p><p>　　本論文選

49、擇的鼠籠式電動機(jī)在經(jīng)過Clarke變換的過程中，它的轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路狀態(tài)，因此在計(jì)算中轉(zhuǎn)子上沒有電壓存在。因此它的電壓方程為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　上式中的各項(xiàng)參數(shù)都是在兩相靜止坐標(biāo)系中的，表示的是坐標(biāo)系中的定子電壓；表示的是坐標(biāo)系中的定子電流；表示的是坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電流；表示的是坐標(biāo)系中的互感系數(shù)，定子繞組的自感系數(shù)和轉(zhuǎn)

50、子繞組的自感系數(shù)。 </p><p><b>　?。?）磁鏈方程</b></p><p><b>　?。?.7） </b></p><p><b>　?。?）電磁轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　　（2.8）</b></p>

51、<p><b>　　（4）運(yùn)動方程</b></p><p><b>　?。?.9） </b></p><p>　　2.2.3 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　異步電機(jī)經(jīng)過Clarke變換和Park變換后的坐標(biāo)系是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系，因此它的組成公式如下：</p>&l

52、t;p><b>　?。?）電壓方程</b></p><p><b>　　（2.10）</b></p><p>　　在經(jīng)過Clarke變換后轉(zhuǎn)子的電壓在經(jīng)過Park變換后也為零，因此式中的參數(shù)都是在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的：表示的是坐標(biāo)系中的定子電壓；表示的是坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電壓；表示的是坐標(biāo)系中的定子電流；表示的是坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電流；表示的是電機(jī)的

53、同步角速度；表示的是電機(jī)的轉(zhuǎn)差角速度。</p><p><b>　　（2）磁鏈方程</b></p><p>　?。?.11） </p><p><b>　?。?）電磁轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>

54、;<b>　?。?）運(yùn)動方程</b></p><p>　?。?.13） </p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章作為介紹電機(jī)性能和算數(shù)公式的一章，較為具體的介紹了異步電動機(jī)的組成及其運(yùn)動原理。在認(rèn)真分析了異步電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)和物理模型后，然后繼續(xù)

55、分析它的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)楸菊撐氖窃谑噶靠刂茽顟B(tài)下研究電動機(jī)，在矢量控制過程中，經(jīng)過了Clarke變換和Park變換，因此需要在不同坐標(biāo)系中分析電機(jī)的不同狀態(tài)和電機(jī)計(jì)算公式的不同。首先需要假設(shè)在理想的條件下，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和它的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，并在將電動機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)計(jì)算公式做了詳細(xì)的介紹，能夠很清晰的對比出電動機(jī)在三種不同坐標(biāo)系下的不同的計(jì)算公式。將三種不同坐標(biāo)系下的特點(diǎn)與相同點(diǎn)也做了較為簡單的解釋，較為透徹的

56、將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型展現(xiàn)出來，為后面章節(jié)建立數(shù)學(xué)模型做了充分的準(zhǔn)備。</p><p>　　3 矢量控制系統(tǒng)的介紹</p><p>　　3.1 矢量控制系統(tǒng)的機(jī)理</p><p>　　根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可以得知直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與磁通的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)電流就可以對電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。但是對于三相交流異步電機(jī)而言，它的勵磁電流與負(fù)載電流是無法分開的，因此不能用直流電機(jī)的控

57、制方法進(jìn)行控制。為了解決這一問題德國科學(xué)家于1971年提出了磁場定向矢量變換控制理論，通過使用坐標(biāo)變換使得通過控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流來解耦電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈。求出這兩個(gè)控制量就可以將交流電機(jī)與直流電機(jī)做一個(gè)等效，實(shí)現(xiàn)控制。</p><p>　　圖3.1 等效的交流電機(jī)繞組與直流電機(jī)繞組</p><p>　　如圖3.1（a）,定子的三相繞組在空間中相互差120°，輸入的三相交流電也

58、是一個(gè)互差120°且與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)式，因此，三相繞組在空間中就會產(chǎn)生一個(gè)以同步旋轉(zhuǎn)角速度旋轉(zhuǎn)的磁動勢F。</p><p>　　如圖3.1（b）,兩相靜止繞組在空間中互差90°，如果加載在繞組上的電流是一個(gè)互差90°且與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，它也可以產(chǎn)生一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的磁動勢F。根據(jù)磁場等效原則，可以認(rèn)為三相交流繞組和兩相交流繞組是等效的。可以通過控制兩相交流繞組的各項(xiàng)參數(shù)來等效三相交流繞組

59、各相參數(shù)。</p><p>　　同理，若是在兩個(gè)互相垂直的繞組上加上直流電流，相互垂直的繞組按照一定速度旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的磁動勢F與三相交流繞組產(chǎn)生的磁動勢也有可能是相等的，因此在有一定前提下他們也是等效的。</p><p>　　綜上所述，一個(gè)三相交流磁場系統(tǒng)通過兩相交流磁場的變換，可以與一個(gè)旋轉(zhuǎn)的直流繞組系統(tǒng)做等效。因此，可以通過對旋轉(zhuǎn)直流系統(tǒng)電流的控制來等效控制三相交流電機(jī)，這就是異步電機(jī)

60、矢量控制系統(tǒng)的基本控制機(jī)理。</p><p>　　3.2 坐標(biāo)變換 </p><p>　　對于矢量控制系統(tǒng)來說，坐標(biāo)變換是很重要的一部分。通過變換坐標(biāo)使得對異步電機(jī)的控制可以等效為對直流電機(jī)的控制，使得異步電機(jī)的控制變得簡單起來。坐標(biāo)變換又分為Clarke變換和Park變換兩種。</p><p>　　Clarke 變換，又稱為3s/2s變換，是由三相平面坐標(biāo)系向兩

61、相靜止平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的過程。圖3.2為Clarke變換的坐標(biāo)變換圖。</p><p>　　圖3.2 Clarke變換的坐標(biāo)變換圖</p><p>　　從三相坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換過程中，電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該是等效的，而電機(jī)的功率也要是保持不變的。在三相坐標(biāo)系中繞組有效匝數(shù)為，兩相坐標(biāo)系中有效繞組匝數(shù)為。由以下公式：</p><p><b>　　（

62、3.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃嚪匠虨闉椋?lt;/p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　在保持功率不變的前提下，可以得到匝數(shù)比：</p><p><b>　?。?.4

63、）</b></p><p>　　從三相轉(zhuǎn)換到兩相坐標(biāo)矩陣為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　以上便是Clarke變換的矩陣方程，因此從兩相靜止坐標(biāo)系變?yōu)槿囔o止坐標(biāo)系的矩陣是上式的逆變換：</p><p><b>　?。?.6）</b></p&

64、gt;<p>　　Park變換，又稱變換，是將靜止兩相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系的過程。圖3.3為Park變換的坐標(biāo)變換圖。</p><p>　　圖3.3 Park變換的坐標(biāo)變換圖 </p><p>　　如圖所示，兩相交流電流在同步轉(zhuǎn)速下合成磁動勢F，由于電動機(jī)各繞組的匝數(shù)都是相等的，因此可以不計(jì)磁動勢中的匝數(shù)。旋轉(zhuǎn)軸與固定軸之間的夾角是隨著時(shí)間變化的，因此可以得到以下公式：

65、</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　（3.8）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)換成矩陣方程：</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中的為兩相

66、靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁鏈觀測也是矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵之一。從坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中可以得知，轉(zhuǎn)換過程中，需要知道旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與靜止之間的夾角，而轉(zhuǎn)子磁鏈觀測便是計(jì)算夾角θ的過程。轉(zhuǎn)子磁場定向是通過轉(zhuǎn)子的全磁鏈?zhǔn)噶縼泶_定M-T

67、坐標(biāo)系所處的位置。如圖3.4轉(zhuǎn)子磁場定向示意圖。</p><p>　　圖3.4 轉(zhuǎn)子磁場定向</p><p>　　從圖3.4中可以看出，M軸的位置完全可以由軸來確定，T軸與M軸垂直，因此軸在M軸上就沒有分量。因此在M軸上的分量就是純勵磁電流分量，在T軸上的分量是純轉(zhuǎn)矩電流分量?？梢詫⒃贛-T軸上的分量用方程表示出來：</p><p><b>　?。?.1

68、1）</b></p><p><b>　　得到矩陣方程：</b></p><p><b>　　（3.12）</b></p><p>　　將上式帶入式（3.3）中可以得到：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　

69、結(jié)合圖3.11和公式（3.13）可以看出，交流異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系中磁通量和轉(zhuǎn)矩是可以完全解耦的。</p><p>　　圖3.5所示的是在M-T坐標(biāo)系下按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的觀測模型。三相電流經(jīng)過Clarke變換、Park變換最后得到和。通過矢量控制方程能夠獲得和的信號。</p><p>　　圖3.5 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測方法一般分

70、兩種：</p><p>　　一種是直接法，顧名思義，是利用各種電機(jī)元件直接在電機(jī)定子內(nèi)測量出轉(zhuǎn)子磁鏈。它的優(yōu)點(diǎn)在于檢測精度較高，但由于在檢測中會改變電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其檢測信號中含有大量的脈動分量，而且隨著電動機(jī)的線速度的降低會越來越嚴(yán)重。</p><p>　　另一種是間接法，是通過數(shù)學(xué)分析，將檢測到的定子電流，電壓，轉(zhuǎn)速等物理量運(yùn)用數(shù)學(xué)知識轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子磁鏈的空間位置及數(shù)值。因其沒有很大的缺

71、點(diǎn)存在，在實(shí)際生活中運(yùn)用的也是較為多的。</p><p>　　矢量控制的基本結(jié)構(gòu)通過坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，最終得到的三相異步電動機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效為直流電動機(jī)[11]。然后我們就可以用控制直流電機(jī)的方法來控制三相異步電機(jī)。直流電機(jī)的控制受到轉(zhuǎn)速和磁鏈的控制，形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)是與轉(zhuǎn)速和磁鏈有關(guān)的。因此，我們保持磁鏈為固定值，就可以得到一個(gè)僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。</p>&

72、lt;p>　　圖3.6是異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中VR表示的是矢量變換環(huán)節(jié)，它與是互逆的，因此可以抵消，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也可以取消。在本論文中研究的是實(shí)時(shí)控制，需要忽略電機(jī)的滯后效應(yīng)，因此在圖2.3.3中的模塊可以取消一部分，形成一個(gè)近似直流電機(jī)的模型。</p><p>　　圖3.6 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.4 SVPWM技術(shù)</p>

73、;<p>　　本論文的控制系統(tǒng)是基于空間電壓脈寬矢量調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上建立的電動汽車的異步電機(jī)控制系統(tǒng)模型。由于它將電動機(jī)與逆變器作為一個(gè)整體來研究分析，因此SVPWM技數(shù)具有轉(zhuǎn)矩脈沖小、直流電壓利用率高、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等諸多有點(diǎn)，目前在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用[12]。它的重點(diǎn)就是如何能夠恰到好處地控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)。</p><p>　　如圖3.7逆變器原理可以看出共有6個(gè)功率開關(guān)管，組成

74、三個(gè)橋臂。首先規(guī)定：同一橋臂上的兩個(gè)功率管的狀態(tài)不能相同；當(dāng)上面的功率管處于‘開’的狀態(tài)時(shí)，這一橋臂的狀態(tài)為‘1’；當(dāng)上面的功率管處于‘關(guān)’的狀態(tài)時(shí)，這一橋臂的狀態(tài)為‘0’。因此這三個(gè)橋臂分別都有兩種狀態(tài)：‘0’和‘1’，整個(gè)逆變器就會出現(xiàn)000、001、010、011、100、101、110、111八種開關(guān)狀態(tài)。其中000和111的狀態(tài)會使得逆變器的輸出電壓不存在，因此稱他們這種狀態(tài)為零電壓狀態(tài)。當(dāng)逆變器出現(xiàn)這種零電壓狀態(tài)的時(shí)候時(shí)，電

75、機(jī)是不會出現(xiàn)磁鏈?zhǔn)噶康?；而?dāng)逆變器處于非零電壓狀態(tài)時(shí)，電機(jī)就會形成與電壓矢量狀態(tài)相對應(yīng)的磁鏈?zhǔn)噶俊?lt;/p><p>　　圖3.7 逆變器原理</p><p>　　可以知道逆變器的開關(guān)電壓矢量狀態(tài)和電機(jī)的相電壓的輸出矢量狀態(tài)具有以下的數(shù)學(xué)關(guān)系：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　為了便于

76、公式計(jì)算，在系統(tǒng)中利用的數(shù)值均是在兩相靜止坐標(biāo)系中的，根據(jù)三相坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換原理和公式（3.14）得到開關(guān)狀態(tài)和相電壓坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系如表3.1和圖3.8.</p><p>　　圖3.8 電壓空間矢量圖</p><p>　　從表3.1中可以看出三個(gè)橋臂的開關(guān)組合狀態(tài)和電壓空間矢量的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)相位角的關(guān)系將整個(gè)電壓矢量分為六個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量，且6個(gè)非零矢量的幅值是相等的，

77、非零矢量之間的間隔都是60°。如圖3.8，下標(biāo)的定義是根據(jù)其所處位置與坐標(biāo)系的角度所確定的，例如：定義到之間定義為區(qū)間，依次輪推可以得到后面的五個(gè)區(qū)間。</p><p>　　空間矢量脈寬調(diào)頻技術(shù)的本質(zhì)就是通過這八個(gè)基本電壓矢量來合成所需要的參考電壓矢量。在一個(gè)周期中，對于任意的參考電壓矢量，都能夠確定他所在的區(qū)間，根據(jù)它所處區(qū)間的作用時(shí)間就能夠得到一個(gè)近似的參考電壓。在合成的過程中，需要保證的是合成的電

78、壓矢量的幅值應(yīng)該保持不變，因此，在理想狀態(tài)下能夠保證利用這八個(gè)基本空間電壓矢量狀態(tài)能夠合成任何一個(gè)電壓矢量。</p><p>　　表3.1 開關(guān)狀態(tài)與相電壓坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系</p><p>　　空間矢量的脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是同過組合電壓空間矢量的位置狀態(tài)來控制參考電壓矢量輸出的。在任意一個(gè)周期中的輸出參考電壓矢量都可以由圖3.8中的基本空間矢量組合而成。因此就可以證明，當(dāng)電機(jī)繞組通以三相

79、正弦對稱電壓時(shí)，電壓空間矢量在復(fù)數(shù)平面上將會以一個(gè)不變的幅值恒速度旋轉(zhuǎn)起來，它的運(yùn)動軌跡就是一個(gè)圓，也就是我們俗稱的磁鏈圓，而它的轉(zhuǎn)速也就是電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。反之，只要使得磁鏈電壓空間矢量以一個(gè)不變的長度在復(fù)數(shù)平面上恒速度旋轉(zhuǎn)，那么就可以確保產(chǎn)生的這一個(gè)磁鏈電壓空間矢量的三相電壓是正弦波而且是對稱的；而這一個(gè)磁鏈電壓空間矢量的模代表著相電壓的幅值，它的角速度代表正弦波的角頻率[13][14]。</p><p>　　

80、3.4.1 電壓矢量作用時(shí)間</p><p>　　圖3.9為電壓空間矢量的局部放大圖。為矢量脈寬調(diào)節(jié)的固定周期，為基本電壓矢量和的作用時(shí)間，為零矢量000或者111的作用時(shí)間。</p><p>　　圖3.9 空間矢量局部放大圖</p><p><b>　　則有以下公式：</b></p><p><b>　?。?

81、.15）</b></p><p>　　根據(jù)線性時(shí)間組合的電壓空間矢量的函數(shù)關(guān)系可以得到</p><p>　　(3.16) </p><p><b>　　以此類推可以得到：</b></p><p><b>　　（3.1

82、7）</b></p><p>　　所以能夠得到任意扇區(qū)的矢量表達(dá)式：</p><p>　?。?.18） </p><p>　　根據(jù)公式（3.17）和（3.18）可得：</p><p>　?。?.19）

83、 </p><p>　　整理得： </p><p><b>　?。?.20）</b></p><p>　　3.4.2 電壓矢量所處扇形</p

84、><p>　　基本電壓矢量是由留個(gè)扇區(qū)組成的，因此只有確定了電壓矢量所處扇形才能利用基本電壓矢量合成。定義三個(gè)變量A、B、C。</p><p>　?。?.21） </p><p>　　假設(shè)A>0,則A=1,否則A=0;B>0，則B=1，否則B=0；如果C>0，C=1，否則C=

85、0。扇區(qū)N就滿足以下公式：</p><p><b>　　(3.22)</b></p><p>　　因此N的值就可以確定扇區(qū)的分布，表3.2所示。</p><p>　　表3.2 N值與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本

86、章主要就異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹。首先將異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)做了一個(gè)詳細(xì)的介紹，然后將整個(gè)系統(tǒng)剖開來講，將其分為坐標(biāo)變換過程、轉(zhuǎn)子磁鏈觀測理論、SVPWM技術(shù)。這三個(gè)模塊可以說是異步電機(jī)矢量控制整個(gè)系統(tǒng)中最為重要的模塊。</p><p>　　坐標(biāo)變換是矢量控制的核心思想，將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，然后再轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測，通過詳細(xì)的理論介紹配合數(shù)學(xué)公式，從正面證明了轉(zhuǎn)子磁鏈無論是

87、在靜態(tài)中還是動態(tài)中都與異步電動機(jī)的電流沒有關(guān)系而和它的轉(zhuǎn)矩成正比。SVPWM技術(shù)的主題思想是將電動機(jī)與逆變器作為一個(gè)整體，通過將電動機(jī)定子的磁鏈圓作為基礎(chǔ)，與逆變器產(chǎn)生的矢量作比較最后生成PWM波形。為了確定電壓分量準(zhǔn)確位置將電壓分量分為它所處的扇區(qū)和在該扇區(qū)的作用時(shí)間。</p><p>　　作為整個(gè)論文理論基礎(chǔ)的章節(jié)，詳細(xì)描述異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的組成部分與其作用，為后面建模做好理論基礎(chǔ)。</p>

88、<p>　　4 矢量控制模型的建立與仿真分析</p><p>　　4.1 Matlab軟件的介紹</p><p>　　本論文首先需要對對異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后根據(jù)需要作出仿真分析。Matlab/Simulink的較為明顯的特點(diǎn)就是它的動態(tài)分析性能較為突出。因此需要對Matlab軟件做一下簡單的介紹。</p><p>　　MATLAB是一款

89、特別好用的數(shù)學(xué)分析軟件，是由美國的MathWorks公司出品的。能夠?yàn)橛脩舴治隹偨Y(jié)數(shù)據(jù)，開發(fā)屬于自己的算法，還能將所計(jì)算的數(shù)據(jù)通過波形圖為用戶展現(xiàn)出來。在為用戶提供數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境過程中，把命令的翻譯和科學(xué)計(jì)算融合到一起。當(dāng)然除了傳統(tǒng)的交互式編程，還具有矩陣運(yùn)算，圖像繪制，圖像處理等特有的功能，更加方便了用戶的使用與分析結(jié)果。</p><p>　　Simulink是Matlab軟件中的重要組

90、件之一，它可以用來對異步電機(jī)的動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)建模、仿真和綜合分析。它的語言表述形式與其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行編程，因而特別適合對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真[16]。而且具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)與流程清晰、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)。利用圖形式的交互界面，用戶能夠很方便的將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖建立起來，通過Matlab強(qiáng)大的資源來對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，最后為用戶提供較為準(zhǔn)確的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)?，F(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號的處理。&l

91、t;/p><p>　　4.2 異步電機(jī)控制系統(tǒng)各模塊的建立 </p><p>　　在Matlab/Simulink中，存在著各種電機(jī)模型，在本論文中，重點(diǎn)在于電機(jī)的控制系統(tǒng)，因此決定調(diào)用軟件中的異步電機(jī)模型。根據(jù)上一個(gè)章節(jié)的介紹

92、，將異步電機(jī)的控制系統(tǒng)的框架圖繪制出來如圖4.1所示。在框架圖中能夠看出來，通過采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)來簡化異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模塊，除了PI調(diào)節(jié)建立控制系統(tǒng)的精度外，本論文決定采用離散的控制系統(tǒng)來使整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真時(shí)間盡可能的短而且保證控制系統(tǒng)的精度盡可能的高。</p><p>　　圖4.1 異步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在圖4.1中，還能夠很明顯的看出整個(gè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

93、方式及輸入輸出的數(shù)學(xué)關(guān)系。先從電機(jī)的輸入電流開始說，三相電流經(jīng)過Clarke變化成兩相電流，然后再經(jīng)過Park變換為，在變換過程中它的坐標(biāo)系也由三相靜止坐標(biāo)系變換成了兩相的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。通過轉(zhuǎn)速傳感器獲得轉(zhuǎn)矩和磁通與控制其中的參數(shù)進(jìn)行比較，利用PI進(jìn)行修正調(diào)節(jié)。能夠看出在整個(gè)系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)器有三個(gè)，他們能夠?qū)⒁恍└蓴_排除糾正，保證著整個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)在仿真控制過程中數(shù)據(jù)盡可能的精確。在經(jīng)過Park的逆變換后，可以獲得一個(gè)與電壓空間矢量具有相同

94、坐標(biāo)系的電壓分量，最后利用SVPWM技術(shù)，通過改變逆變器開關(guān)的接通與斷開來控制電動機(jī)速度的調(diào)整。</p><p>　　4.2.1 坐標(biāo)變換</p><p>　　根據(jù)本論文第二章對各個(gè)模塊的詳細(xì)介紹，和各個(gè)模塊中的數(shù)學(xué)表達(dá)式和異步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)在就可以開始在Matlab/Simulink模塊中建立他們的模型。本論文用的是Matlab軟件2014b版本。</p><

95、;p>　　在直接調(diào)出異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型后，決定從坐標(biāo)變換開始做模型，應(yīng)為各個(gè)模型的輸入和輸出都是相關(guān)的，因此在建立模型后需要將其連接到電機(jī)模塊中，對整體模型進(jìn)行模擬仿真，得出仿真結(jié)果后比較與理想中的分析結(jié)果中的差異，判斷模塊的準(zhǔn)確度。 </p><p>　　首先，打開Matlab軟件，輸入Simulink，就會出現(xiàn)Simulink Library Browser的窗口。在窗口中可以開始建立模型，參照Cla

96、rke變換的數(shù)學(xué)公式，分別從source塊和sinks中取出輸入和輸出。按照數(shù)學(xué)表達(dá)式連接起來，組成如圖4.2.2的Clarke變換數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　圖4.2 Clarke變換的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在圖4.2Clarke變換的數(shù)學(xué)模型中，就表示輸入的三相電流，經(jīng)過一系列的函數(shù)變換，最后輸出兩相電流ialfa和ibeta。</p><p>　

97、　與Clarke變換基本一樣，根據(jù)Clark的數(shù)學(xué)變換方程式從模塊庫中取出相對應(yīng)的模塊，連接組成Park變換的數(shù)學(xué)模型。如圖4.3為Park變換的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　圖4.3 Park變換的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在圖4.3Park變換的數(shù)學(xué)模型中，可以看出輸入是Clarke變換的輸出。Ialfa和ibeta在與經(jīng)過sin和cos變換后的angle形成函數(shù)關(guān)系。最后得到最

98、終的坐標(biāo)變換結(jié)果id和iq。</p><p>　　4.2.2 PI調(diào)節(jié)模塊</p><p>　　在整個(gè)控制系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)在對轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的變量數(shù)值上起著一定的糾正作用，使得整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)論的誤差盡可能的小。因此，在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、磁通的PI調(diào)節(jié)上都有著相似的結(jié)構(gòu)，只是在數(shù)值上有所差異。如圖4.2.4為轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)控制器模塊。</p><p>　　圖4.4 轉(zhuǎn)速P

99、I調(diào)節(jié)模塊</p><p>　　4.2.3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模塊 </p><p>　　根據(jù)公式（3.11）到（3.13），構(gòu)造出在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈定向模塊。圖4.5為轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型。</p><p>　　圖4.5 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型</p><p>　　4.2.4 SVPWM模塊</p><p>　?。?

100、）判斷電壓矢量所處扇區(qū)的模塊</p><p>　　在如圖4.6所示的判斷電壓矢量所處扇區(qū)的模塊中可以看出，在輸出前加入了能夠選擇的逆變器開關(guān)，這個(gè)開關(guān)能夠根據(jù)前面的算出結(jié)果判斷出開關(guān)的狀態(tài)，最后計(jì)算出電壓矢量所處的扇區(qū)位置。</p><p>　　根據(jù)異步電機(jī)矢量控制的原理和公式（3.20）和公式（3.22）能夠構(gòu)建出如下模型：</p><p>　　圖4.6 矢量所處

101、扇區(qū)的判斷模型</p><p>　　該模型的輸入表示的是和，通過計(jì)算公式最后得到電壓矢量所處的扇區(qū)N。</p><p>　?。?）扇區(qū)基本電壓矢量工作時(shí)間的計(jì)算</p><p>　　如圖4.7表示的就是電壓矢量所在的扇區(qū)的工作時(shí)間模塊，它的輸入是：N電壓矢量所處的扇區(qū)；ualfa和ubeta表示兩相靜止坐標(biāo)中的分量和；Udc表示的是母線的電壓；T是PWM的周期。因整

102、個(gè)系統(tǒng)太過于大，將其分為兩個(gè)小的系統(tǒng)，最后得到的輸出t1和t2就是各扇區(qū)的工作時(shí)間。</p><p><b>　　a）</b></p><p><b>　　b)</b></p><p>　　圖4.7 矢量所處各扇區(qū)的工作時(shí)間的模塊</p><p>　?。?）PWM波的開關(guān)控制時(shí)間</p>

103、<p>　　圖4.8 開關(guān)切換時(shí)間模塊</p><p>　　在圖4.8模塊中，n表示的是所處扇區(qū)的位置；T表示的是模塊的周期;表示的是扇區(qū)基本電壓矢量的工作時(shí)間；最后得到的輸出tcm1,tcm2和tcm3表示著PWM波控制的逆變器的開關(guān)切換時(shí)間。</p><p>　?。?）SVPWM波形生成模塊</p><p>　　圖4.9 SVPWM生成模塊<

104、/p><p>　　本論文的SVPWM模塊中采用的是三角波的輸入，將其與PWM波的開關(guān)切換時(shí)間相比較，調(diào)正制作出SVPWM波形[17]。</p><p>　?。?）SVPWM模塊及其仿真</p><p>　　綜合連接圖4.6到圖4.9，可以得到4.10所示的SVPWM仿真模塊。</p><p>　　圖4.10 SVPWM仿真模型</p>

105、<p>　　仿真模塊中輸入的電壓為220V，50Hz的三相交流電，為0.0001，直流母線電壓為1000V，能夠得到山區(qū)仿真模型如下圖4.11。</p><p>　　圖4.11 扇區(qū)仿真波形</p><p>　　從圖4.11中可以看出，當(dāng)電機(jī)平穩(wěn)工作時(shí)扇區(qū)的變化規(guī)律是從6區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、1區(qū)、5區(qū)、4區(qū)、6區(qū)，根據(jù)表3.2N值與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系可以得到扇區(qū)的變換規(guī)律是V-VI-

106、I-II-III-IV-V，結(jié)果符合本論文的理論分析，表明本文創(chuàng)建的SVPWM模塊和它的控制系統(tǒng)是正確的。</p><p>　　4.3 矢量控制系統(tǒng)的建立</p><p>　　將圖4.2至4.9按照圖4.1的異步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)圖拼裝起來，就能夠得到如下圖所示的完整的異步電機(jī)矢量控制圖4.12。</p><p>　　在圖4.12中異步電機(jī)矢量控制模型中，能夠看出將

107、額定轉(zhuǎn)速，磁通量和三相電流作為了整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入，三相交流電首先需要經(jīng)過Clarke變換和Park變換，得出的兩相電流穿過磁鏈觀測模型后需要經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器來進(jìn)行校正，經(jīng)過了負(fù)反饋的調(diào)節(jié)后到達(dá)Clarke逆變換模型，經(jīng)過Clarke逆變后就到了最后的逆變器模塊中，整個(gè)控制系統(tǒng)最后的出一個(gè)控制信號。</p><p>　　圖4.12 異步電機(jī)矢量控制模型</p><p>　　5 系統(tǒng)的仿真

108、與分析</p><p>　　將矢量控制模塊安裝到電機(jī)上，加上電壓輸入，就能夠組成一個(gè)完整的三相異步電機(jī)矢量控制模型。如圖5.1所示。</p><p>　　在圖5.1中，可以看出三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)是由三大部分組成的：電源，電機(jī)和矢量控制系統(tǒng)。電源，提供三相交流電，通過矢量控制信號的調(diào)節(jié)對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，而電機(jī)的輸出也將會參與到矢量控制調(diào)節(jié)中，通過輸入電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和磁通量，自感系數(shù)

109、，互感系數(shù)，電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)后，就能夠開始進(jìn)行仿真分析。</p><p>　　圖5.1 三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)</p><p>　　5.1 電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)</p><p>　　三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)已經(jīng)建立，現(xiàn)在需要做的就是在系統(tǒng)中加入電機(jī)的各項(xiàng)仿真參數(shù)進(jìn)行模擬。</p><p>　　電機(jī)參數(shù)如表5.1所示。</p>&l

110、t;p><b>　　表5.1 電機(jī)參數(shù)</b></p><p>　　5.2 系統(tǒng)的仿真分析</p><p>　　將電機(jī)的參數(shù)如表5.1所示輸入系統(tǒng)后，就可以開始對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖5.2到圖5.6。</p><p>　　圖5.2 定子磁鏈</p><p>　　圖5.3 轉(zhuǎn)矩仿真曲線</p>

111、<p>　　圖5.4 三相定子電流仿真波形圖</p><p>　　圖5.5 三相電流仿真波形圖</p><p>　　圖5.6 轉(zhuǎn)速仿真曲線</p><p>　　根據(jù)圖5.2到圖5.6可以看出電機(jī)啟動平穩(wěn)，再加上負(fù)載后，定子電流與轉(zhuǎn)子電流都相應(yīng)呈比例增大。調(diào)速過程短，相應(yīng)速度快的特點(diǎn)還是能夠很明顯的體現(xiàn)出來。電機(jī)啟動后，大約在0.01秒的時(shí)候達(dá)到了

112、穩(wěn)定狀態(tài)；在0.2秒的時(shí)候主動為電機(jī)加上了一個(gè)10N·m的外力，發(fā)現(xiàn)電機(jī)電流速度發(fā)生變化，約在0.005秒的時(shí)間內(nèi)調(diào)整完畢，定子和轉(zhuǎn)子電流發(fā)生一定變化，但保證電流的正弦性能保持得很好。</p><p>　　以上分析證明該系統(tǒng)的反應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)性能突出，穩(wěn)定性能也比較好，充分證明了三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的合理性和有效性。對于電動汽車而言，在正常的行駛過程中，需要進(jìn)行頻繁的啟動，加速，制動等過程，因此它的控

113、制系統(tǒng)必須能夠滿足反應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)快速，穩(wěn)定性好的要求，而矢量控制系統(tǒng)很好滿足了它的要求，因此可以應(yīng)用在電動汽車的控制中。</p><p><b>　　5.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章的主要工作內(nèi)容就是建立異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型和它的仿真分析。利用第二章的理論基礎(chǔ)，配合著學(xué)習(xí)的Matlab/Simulink軟件的知識，就坐標(biāo)變換模塊、PI調(diào)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)