交流电机控制模型仿真设计【字数：11191】
摘 要电贯穿于我们每一项日常活动中，而电机作为产业生产、电力输送和日常使用必不可少的中介设备，尤其是近十年全球范围的技术革新，人们不断开创智能时代，利用发电机将新能源转化为电能，应用于新能源汽车等各个新技术行业，同时又利用电动机将电能转换成机械能来驱动智能化的生产设备，都可以看出，电机被广泛用于电能和机械能之间的转换，电机技术已然成为支撑人们生活和生产的战略技术。交流电机结构简单、制造方便，与直流电机相比寿命长、可靠性高。随着交流电机控制技术的发展，交流电机成为常用的电机类型，应用于新能源汽车等各个新技术行业。本文研究交流电机的控制模型，针对感应电机和永磁同步电机，分别建立了控制模型。首先对交流电机的进行了研究和分析，对比了国内外现有的电机类型以及控制技术，介绍了感应电机和永磁同步电机的基本控制原理，给出了两种电机矢量控制系统的模型，并在MATLAB/Simulink环境下，对这些模型进行搭建设计并仿真，最后综合分析两种电机之间的异同点。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 交流电机简介 2
1.3.1交流电机原理 2
1.3.2交流电机种类 2
1.3.3交流电机优缺点 3
1.4 MATLAB/SIMULINK功能简介 3
1.5 研究内容 4
2 矢量控制技术 5
2.1 三相两相静止坐标系变换（CLARKE变换） 5
2.1.1 Clarke变换前后功率不变 5
2.1.2 Clarke变换前后幅值不变 6
2.2 两相静止两相旋转坐标系变换（PARK变换） 7
3 感应电机控制模型搭建 10
3.1 感应电机结构组成 10
3.2 异步电机基本工作原理 11
3.3 感应电机的数学模型 12
3.4 感应电机矢量控制模型建立 13
3.4.1 SVPWM控制 14
3.4.2 PI调节器 19
3.4.3 角度计算模块 20
3.4.4 感应电机模块 21
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.5 逆变器模块 21
3.4.6 整体模型搭建 21
3.5 仿真结果 22
4 永磁同步电机模型搭建 24
4.1 永磁同步电机结构组成 24
4.2 同步电机基本工作原理 25
4.3 永磁同步电机的数学模型 25
4.4 永磁同步电机的矢量控制模块建立 26
4.4.1 SVPWM控制模块 27
4.4.2 PI控制模块 27
4.4.3 PMSM电机模块 28
4.4.4 逆变器模块 28
4.4.5 整体模型搭建 29
4.5 仿真结果 29
5 异步电机与同步电机比较 31
5.1 异同点 31
5.2 优劣势 31
6 总结与展望 33
参考文献 35
致谢 36
绪论
1.1 研究背景及意义
人类从发现电到开始使用电，在今天，电能已然成为最主要的能源之一，并且对近代人类文明的生产和发展都起着推动作用。随着社会科学技术不断革新，电机在电能的生产和使用中起着至关重要的作用。在新能源汽车的使用中最为明显，目前社会上的新能源汽车不断增多，快速发展，一方面是由于国家政策的大力支持，另一方面，也是因为电机是新能源汽车的心脏，而近些年来电机的技术水平不断提高，成本不断降低，因此促进了新能源汽车的发展。
电机从发明并投入使用，在中国，电机的发展与同时期的发达国家相比还是有一定差距[1]，但由于国家的支持及推广，自主品牌的研发受到资金投入，也渐渐发展起来，并随着世界电力电子技术和计算机技术的进步，电机也得到了新的发展和应用。交流电机由于结构简单、制造方便，与其他类型电机比起来寿命更长，因此交流电机也已经成为了人类生产生活中最常用的电机类型。交流电机分为变压器、异步电机和同步电机，其中异步电机和同步电机各有其优劣势，在市场上各有其一席之地。从目前看，想要对交流电机进行进一步发展，首先要对控制系统进行升级甚至是变革。
在交流电机的控制技术中，矢量控制能够使三相交流电机模拟出与直流电机相似的性质[2]，便于对交流电机进行调控，因此，矢量控制成为交流电机控制策略中的关键技术之一。
1.2 国内外研究现状
在19世纪80年代，第一台交流电机被特斯拉发明出来，交流电机很快也进入了市场。国外对电机的发现和研究很早，有了一定发展基础，而我国电机行业的发展起步较晚，大量生产和应用从20世纪60年代才开始[3]，但由于我国人口密集，人们的日常生产生活需要大量的电力电能，以及地方区域电能分布不均，使得电机的发展十分迅速。另外，随着全球的技术革新，人们致力于开发新能源汽车，电机的发展也因此进入了一个新台阶。
20世纪70年代，全球出现了能源危机，同时由于过去经济危机的烘托下，人们对交流电机的发展方向瞄向环保节能的需求，因此交流电机的发展也获得了一次飞跃性发展。国外以日、德、美等先进国家为领头，在交流电机节能、变频、数字化等技术都取得了很大的进展，而我国由于起步晚，电气传动的技术水平落后国际10到20年[3]，在这些方面与国外还有一定的差距。
矢量控制技术使速度和磁场两个分量能够进行独立控制。但是，这种方法依赖于电机参数，而电机参数具有时变性，因此常常需要与其他控制方法结合起来使用。其实，交流电机控制技术的发展有很多成果，但仍不完善，因此，控制技术仍是一个热门的研究课题。
1.3 交流电机简介
1.3.1交流电机原理
根据供电方式不同，电机可以分为直流电机和交流电机，直流电机是直接采用直流供电，交流电机是直接采用交流供电的电机。[34]对于直流电机，采用和电机集成在一起的集电环换向器，将外部的直流电换向后加到内部线圈。所以相对内部线圈，电流是交流的；而对于外部电源，电流是直流的。交流电机则直接采用交流供电，或者采用直流供电，然后经过电子换向器（逆变桥）将直流转换为交流电后直接供给交流电机。
在交流电机的定子上通入三相交变电流，定子不动，三相对称的交流电能够在电机气隙中产生旋转的合成磁场。电机中的转子通过励磁、加装永磁铁或做成闭合线圈，其也会形成磁极对，形成转子磁场。转子磁场和定子的旋转磁场相互作用，使得转子跟随定子磁场而转动。定子旋转磁场的转动速度被称为同步转速，根据定子和转子的转速差异可以将交流电机分为同步电机和异步电机。[5]
1.3.2交流电机种类
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 交流电机简介 2
1.3.1交流电机原理 2
1.3.2交流电机种类 2
1.3.3交流电机优缺点 3
1.4 MATLAB/SIMULINK功能简介 3
1.5 研究内容 4
2 矢量控制技术 5
2.1 三相两相静止坐标系变换（CLARKE变换） 5
2.1.1 Clarke变换前后功率不变 5
2.1.2 Clarke变换前后幅值不变 6
2.2 两相静止两相旋转坐标系变换（PARK变换） 7
3 感应电机控制模型搭建 10
3.1 感应电机结构组成 10
3.2 异步电机基本工作原理 11
3.3 感应电机的数学模型 12
3.4 感应电机矢量控制模型建立 13
3.4.1 SVPWM控制 14
3.4.2 PI调节器 19
3.4.3 角度计算模块 20
3.4.4 感应电机模块 21
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.5 逆变器模块 21
3.4.6 整体模型搭建 21
3.5 仿真结果 22
4 永磁同步电机模型搭建 24
4.1 永磁同步电机结构组成 24
4.2 同步电机基本工作原理 25
4.3 永磁同步电机的数学模型 25
4.4 永磁同步电机的矢量控制模块建立 26
4.4.1 SVPWM控制模块 27
4.4.2 PI控制模块 27
4.4.3 PMSM电机模块 28
4.4.4 逆变器模块 28
4.4.5 整体模型搭建 29
4.5 仿真结果 29
5 异步电机与同步电机比较 31
5.1 异同点 31
5.2 优劣势 31
6 总结与展望 33
参考文献 35
致谢 36
绪论
1.1 研究背景及意义
人类从发现电到开始使用电，在今天，电能已然成为最主要的能源之一，并且对近代人类文明的生产和发展都起着推动作用。随着社会科学技术不断革新，电机在电能的生产和使用中起着至关重要的作用。在新能源汽车的使用中最为明显，目前社会上的新能源汽车不断增多，快速发展，一方面是由于国家政策的大力支持，另一方面，也是因为电机是新能源汽车的心脏，而近些年来电机的技术水平不断提高，成本不断降低，因此促进了新能源汽车的发展。
电机从发明并投入使用，在中国，电机的发展与同时期的发达国家相比还是有一定差距[1]，但由于国家的支持及推广，自主品牌的研发受到资金投入，也渐渐发展起来，并随着世界电力电子技术和计算机技术的进步，电机也得到了新的发展和应用。交流电机由于结构简单、制造方便，与其他类型电机比起来寿命更长，因此交流电机也已经成为了人类生产生活中最常用的电机类型。交流电机分为变压器、异步电机和同步电机，其中异步电机和同步电机各有其优劣势，在市场上各有其一席之地。从目前看，想要对交流电机进行进一步发展，首先要对控制系统进行升级甚至是变革。
在交流电机的控制技术中，矢量控制能够使三相交流电机模拟出与直流电机相似的性质[2]，便于对交流电机进行调控，因此，矢量控制成为交流电机控制策略中的关键技术之一。
1.2 国内外研究现状
在19世纪80年代，第一台交流电机被特斯拉发明出来，交流电机很快也进入了市场。国外对电机的发现和研究很早，有了一定发展基础，而我国电机行业的发展起步较晚，大量生产和应用从20世纪60年代才开始[3]，但由于我国人口密集，人们的日常生产生活需要大量的电力电能，以及地方区域电能分布不均，使得电机的发展十分迅速。另外，随着全球的技术革新，人们致力于开发新能源汽车，电机的发展也因此进入了一个新台阶。
20世纪70年代，全球出现了能源危机，同时由于过去经济危机的烘托下，人们对交流电机的发展方向瞄向环保节能的需求，因此交流电机的发展也获得了一次飞跃性发展。国外以日、德、美等先进国家为领头，在交流电机节能、变频、数字化等技术都取得了很大的进展，而我国由于起步晚，电气传动的技术水平落后国际10到20年[3]，在这些方面与国外还有一定的差距。
矢量控制技术使速度和磁场两个分量能够进行独立控制。但是，这种方法依赖于电机参数，而电机参数具有时变性，因此常常需要与其他控制方法结合起来使用。其实，交流电机控制技术的发展有很多成果，但仍不完善，因此，控制技术仍是一个热门的研究课题。
1.3 交流电机简介
1.3.1交流电机原理
根据供电方式不同，电机可以分为直流电机和交流电机，直流电机是直接采用直流供电，交流电机是直接采用交流供电的电机。[34]对于直流电机，采用和电机集成在一起的集电环换向器，将外部的直流电换向后加到内部线圈。所以相对内部线圈，电流是交流的；而对于外部电源，电流是直流的。交流电机则直接采用交流供电，或者采用直流供电，然后经过电子换向器（逆变桥）将直流转换为交流电后直接供给交流电机。
在交流电机的定子上通入三相交变电流，定子不动，三相对称的交流电能够在电机气隙中产生旋转的合成磁场。电机中的转子通过励磁、加装永磁铁或做成闭合线圈，其也会形成磁极对，形成转子磁场。转子磁场和定子的旋转磁场相互作用，使得转子跟随定子磁场而转动。定子旋转磁场的转动速度被称为同步转速，根据定子和转子的转速差异可以将交流电机分为同步电机和异步电机。[5]
1.3.2交流电机种类
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