摘 要

异步电动机的数学模型是一个复杂的模型，它的特点在于高阶和非线性，不仅如此，它并不是一个简单的单变量的系统。为了能获得更好的交流电机调速效果，人们做出了很多研究。本文主要研究的是异步电机的矢量控制理论。这个理论的思想在于用数学上的方法将异步电动机的数学模型进行变换，最终可以将定子电流解耦，有了解耦后的电流，就可以通过坐标反变换找到对应的三相电流。这种方法对于交流调速系统来说是一个比较完善的方案。另一个问题在于系统成本的问题，如果这种方法导致系统成本大大增加，或者使系统的可靠性降低，那还是无法将其实用化。这个问题要靠无速度传感器来解决，本文基于MRAS理论，就此理论两个最重要的问题即磁链观测和转速估计进行了研究，而且建立了仿真模型，发现估计的转速比较好的符合实际情况。

关键词：异步电机；矢量控制；转速估计；磁链观测；模型参考自适应

Abstract

The mathematical model of asynchronous motor is a complex model, which is characterized by high order and nonlinear. It is not only so, it is not a simple single variable system.In order to get a better effect of ac motor speed regulation, a lot of research has been done.This paper mainly studies the vector control theory of asynchronous motor. Thought of this theory is to use mathematical methods to transform the mathematical model of asynchronous motor, stator current can be decoupled, eventually have the current after decoupling, can find corresponding to the three phase current through the coordinate transformation.This method is a relatively perfect scheme for ac speed control system. The other problem is the cost of the system. If this method causes the cost of the system to increase greatly, or reduces the reliability of the system, it cannot be applied in practice. This problem depends on the speed sensorless. Based on the MRAS theory, this paper studies the two most important problems of the theory, namely, magnetic chain observation and speed estimation, and establishes a simulation model to study its performance.

Key Words：asynchronous motor；vector control；Speed estimation；Flux observer；model reference adaptive

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究的背景及其意义 1

1.3 研究现状 3

1.3.1 基于数学模型的开环估计 3

1.3.2 基于模型参考自适应理论的方法 3

1.3.3 卡尔曼滤波法转速估计 4

1.3.4 神经网络法 4

1.4 本文的主要研究内容 5

第2章 三相异步电动机矢量控制理论 6

2.1 异步电机在三相静止坐标下的模型 6

2.1.1 电压方程 7

2.1.2 磁链方程 8

2.1.3 转矩和运动方程 9

2.2 异步电机在两相坐标下的数学模型 10

2.2.1 坐标变换的原则 10

2.2.2 异步电机在两相静止坐标系下的模型 12

2.2.3 异步电机在两相旋转坐标系下的模型 12

2.3 异步电机矢量控制 13

2.3.1 矢量控制的原理 13

2.3.2 按转子磁链定向的基本方程式 14

2.4 本章小结 16

第3章 速度估计和磁链观测 18

3.1 磁链观测方法研究 18

3.1.1 基于电流模型的方法 18

3.1.2 基于电压模型的方法 19

3.2 利用定子磁场定向轴系估计转速 20

3.3 基于MRAS的转速辨识 21

3.3.1 基于MRAS设计的基本原理 21

3.3.2 参考模型和可调模型 22

3.3.3 自适应律 23

3.3.4 MARS在低速下的问题 24

3.4 本章小结 25

第4章 转速估计系统的仿真 26

4.1 两种模型下的电路图 26

4.2 仿真结果 28

4.3 不足与展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 引言

电机作为人类社会重要的一部分，主要用于国防、工业农业等方方面面，而且在很多场合，电机调速是至关重要的，比如机床、汽车等等^[1]。就电机的分类来讲，大多数人将其分为两类，直流和交流。对于直流电机的调速来讲，人们已经有非常有效的方法，而交流电机的数学模型正如前文提到的那样，因此难以实现对交流电机的精准控制。

对于直流电机来说，从上世纪二十年代开始就有了调速方法，这是由直流电机的特性所决定的，可以分别控制直流电机的两个电流：励磁电流和转矩电流，这样可以控制直流电机的转矩，从而实现它的调速。而且这种调速方法的调速范围比较宽，当直流电机处于动态变化时，也可以有不错的性能。但直流电机的换向器结构决定了其很难甚至无法像交流电机一样向大容量发展。

交流电机，特别是鼠笼式异步电机，由于其优点众多，比如结构简单，没有换向器，因此它的转速和容量都可以做的比较大^[2]，从而得到了广泛使用，虽然早期异步电机主要用在不可调速的情况下，但随着电力电子器件的发展以及理论方面的逐渐完善，异步电机在可调拖动下也得到了越来越多的使用。

1.2 研究的背景及其意义

就目前的电机控制技术来讲，当然其控制对象就是各种电机，如异步电机、直流电机、同步电机等等，通过电力电子装置完成实际上的操作，而理论基础就是自动控制原理。

异步电机的调速方法有两种，第一种是变极调速，顾名思义，就是改变它的的极对数，极对数得到改变后，转速就会有相应的改变，但这种方法难以用于实际生活，因为改变极对数的操作比较复杂。第二种是变频调速，又分为了四种方法：U/F控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制^[3]。U/F控制原理是将电源的频率改变，而要保持磁通是一个常数，即磁通不能改变，这种变频器的结构并不复杂，缺点是它采用了开环控制方式，因此它的控制性能并不高，在低速时还要进行补偿。第二种方法是在前者控制的基础上发展得到的，速度传感器的使用在这种方法里是必要的。第三种方法，即交流电机矢量控制理论，是由一名德国学者提出。这种方法的提出在电机控制发展史上是浓墨重彩的一笔。本文研究的便是这种方法，其数学基础就是坐标变换，通过人们的大量研究，这种方法已经比较成熟。此后的三十年里，直流调速系统的缺点逐渐明显，有被交流调速系统替代的趋势。最后一种方法，直接转矩控制是上世纪八十年代中期提出的，这种方法是前者的延展。不可否认，从矢量控制理论开始，电机的调速效果就得到了提升，不论是动态性能或是静态性能，其效果都已经今非昔比。直接转矩控制相对于前面提到的矢量控制理论，更进一步使得转速可以更快的得到相应的变化。