摘 要

本文采用复矢量电流环控制方式来分析三相异步电机的动态响应特性和鲁棒性。通过设计电流环和转速环来构成异步电机的双闭环控制系统，分析电流调节器的跟踪情况和抗干扰能力，比较传统电流环双闭环控制和基于复矢量电流环双闭环控制的效果。采用正弦波脉宽调制（SPWM）方法获得三相交流电，利用复矢量坐标变换将异步电机模型简化，使用转子磁链定向矢量控制来分析电流调节器。同时由于定子电流方程存在耦合的问题，采用复矢量前馈解耦方式消除耦合。由于耦合程度受转速影响，为提高转速调节范围，所以使用弱磁调速方法构建电压闭环弱磁控制。在突加转速给定和负载转矩情况下，验证复矢量异步电机电流环控制系统动态响应和参数鲁棒性的优越性。

实验结果表明转速较低时，复矢量电流环控制相比于传统电流环控制，系统性能有所提升，但并不明显；高速时复矢量控制系统性能远胜于传统电流环控制系统。

关键词：复矢量控制、双闭环系统、电流解耦、弱磁调速

Abstract

The analysis and design of current loop using complex vector nation is used to study the dynamic performance and parameter robustness of the three-phase asynchronous motor. By designing the current loop and the speed loop to form the double closed-loop control system of the asynchronous motor, the tracking condition and anti-interference ability of the current regulator are analyzed, and the effects of the traditional current loop double-closed loop control and the complex vector current loop double closed-loop control are compared. The sine wave pulse width modulation (SPWM) method is used to obtain three-phase alternating current, the complex vector coordinate transformation is used to simplify the asynchronous motor model, and the rotor flux linkage vector control is used to analyze the current regulator. At the same time, due to the coupling problem of the stator current equation, the complex vector feedforward decoupling method is used to eliminate the coupling. Because the coupling degree is affected by the speed, in order to increase the speed adjustment range, the field weakening speed regulation method is used to construct a voltage closed-loop field weakening control. In the case of sudden speed setting and load torque, the superiority of the dynamic response and parameter robustness of the complex vector asynchronous motor current loop control system is verified.

The experimental results show that the system performance of the complex vector current loop control is improved compared to the traditional current loop control when the speed is low, but it is not obvious; the system performance is much better than the traditional current loop control at high speed.

Index terms—Complex vector control, Double closed-loop system, Current decoupling, Weak magnetic speed control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外技术现状 1

1.3 研究主要内容 2

第2章 三相异步电机数学模型 3

2.1 静止坐标系下三相异步电机数学模型 3

2.2 坐标变换 4

2.3 旋转坐标系中三相异步电机数学模型 5

2.4 MATLAB中三相异步电机建模分析 7

2.5 本章小结 8

第3章 正弦波脉宽调制（SPWM）技术研究 9

3.1 正弦波脉宽调制基本思想 9

3.2 正弦波脉宽调制原理 9

3.3 MATLAB中SPWM波形分析 10

3.4 本章小结 11

第4章 基于复矢量的矢量控制技术设计 12

4.1 基于转子磁链定向的矢量控制原理 12

4.2 电压闭环弱磁控制原理 13

4.3 转速环控制方案设计 17

4.4 普通电流环控制方案设计 18

4.5 复矢量电流环控制方案设计 20

4.6 本章小结 20

第5章 双闭环异步电机仿真分析 22

5.1 仿真主体及参数的选择 22

5.2 仿真波形分析 23

5.2.1 基速内动态响应的仿真比较 24

5.2.2 基速内突加转速给定仿真比较 26

5.2.3 基速内突加负载转矩仿真比较 28

5.2.4 高速下转速给定仿真比较 30

5.3 本章小结 33

第6章 总结与展望 34

6.1 研究总结 34

6.2 前景展望 34

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

自电动机发明以来，直流电动机调速系统一直备受欢迎，且研究理论都已经相当成熟，反观交流电动机，无论是研究深度还是应用范围都无法与直流电动机相媲美。因为直流电动机具有交流电动机无法达到的优点，例如启动制动性能、平滑调速等，异步电动机在调速方面，难以满足高精度的需求，所以高精度要求和不变速传动场合多采用直流电机。但是，随着生产技术的不断发展和生产力的不断提高，直流电机的弊端逐渐显示出来，例如维护费用高、调速范围窄、带载能力差等，于是交流电机又重新被人们关注。

但限于三相异步电机的特性达不到要求，故诸多场合使用的仍旧是永磁同步电机，比如电动汽车行业。所以研究三相异步电机的控制方法，提升异步电机品质，精确地控制电机转速，降低电磁转矩振荡，提高异步电机的动态响应能力和电能利用率成为当前迫切需求。国内外有很多的学者日以继夜地探索新的控制方法，倘若可以对三相异步电机控制方法做出重大革新，实现线性平滑精准调速，减小电磁转矩的振荡，便可以使得三相异步电机获得与直流电机相媲美的性能，从而得到广泛的应用，提高社会的生产效率。

1.2 国内外技术现状

随着技术的不断革新和研究方法的更迭，越来越多的人研究异步电机的复矢量控制技术，而电流环控制是异步电机的关键环节，实现电流环控制有多种方式，比如PI控制技术、模糊控制、滑模控制等。但在电流环的PI控制方式中，由于坐标变换使得定子电流方程式中存在交叉耦合项和反电动势项，对设计电流环造成一定影响。为消除此种影响，国内外很多学者提出改进的办法。