自动控制系统课程设计-基于matlab的按定子磁链定向的异步电动机仿真

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1、唐山学院自动控制系统课程设计题目基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机仿真系(部)智能与信息工程学院班级12电本2班姓名学号指导教师2016年1月18日至1月22日共1周2016年1月22日目录1引言12异步电动机动态数学模型分析22.1异步电动机动态数学模型的性质22.2异步电动机的多变量非线性数学模型32.2.1电压方程32.2.2磁链方程42.2.3转矩方程72.2.4电力拖动系统运动方程82.2.5三相异步电机的数学模型83坐标变换和状态方程103.1坐标变换的基本思路103.2三相--两相变换（3/2变换）113.3

2、两相坐标系的数学模型123.4两相坐标系的状态方程134系统建模与仿真164.1MATLAB/Simulink简介164.2各模块模型实现164.2.13/2变换模块模型164.2.2异步电动机模块模型184.2.32/3变换模块模型194.2.4整体模块模型204.3仿真参数设置214.4仿真结果245总结27参考文献28课程设计说明书1引言异步电动机又称感应电动机，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[

3、1]。异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高。但它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。因此，在需要高动态性能的调速系统或伺服系统，异步电动机就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型[1]。系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具。建模可以超越

4、理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化并确定系统参数。长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，然后再将其编制成计算机程序，并在计算机上运行。显然，为达到理想的目的，在这一过程中编制与修改仿真程序十分耗费时间和精力，这也大大阻碍了仿真技术的发展和应用。近年来逐渐被大家认识的MATLAB软件则很好地解决了系统建模和仿真的问题。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。本次设计就是借助于MATLAB软

5、件的Simulink组件来建立异步电动机的动态数学模型，再按照定子磁链定向的方法来仿真分析异步电动机的运行特性。28课程设计说明书2异步电动机动态数学模型分析2.1异步电动机动态数学模型的性质直流电动机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外）。因此，它的动态数学模型只有一个输入变量——电枢电压和一个输入变量——转速，在控制对象中含有机电时间常数和电枢回路电磁时间常数如，果电力电子变换装置也计入控制对象，则还有滞后的时间常数。在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量（单输入

6、单输出）的三阶线性系统，完全可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。但是，同样的理论和方法用来分析与设计交流调速系统时，就不那么方便了，因为交流电机的数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别。1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生

7、较大的动态转矩。由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以用图2-1来定性地表示。图2-1异步电动机的多变量、强耦合模型结构2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。28课程设计说明书3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，

8、和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。综上所述，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。2.2异步电动机的多变量非线性数学模型在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下的