基于AMESim与Matlab/simulink联合仿真的异步电机矢量控制研究--《吉林大学》2013年硕士论文
基于AMESim与Matlab/simulink联合仿真的异步电机矢量控制研究
【摘要】：由于能源短缺与环境污染等问题愈发严重，使得汽车工业的发展朝着节能、低排放等新技术方向发展，由于电动汽车蓄电池问题一直没有突破性的进展，因此混合动力汽车（HEV）就成了目前缓解污染和能源消耗的最佳选择，成为国内外汽车发展研究的一个新热点。
相较与传统汽车，混合动力汽车增加了一个新的动力来源：发动机-发电机组以及用来储存能量的电池。本文通过对电机驱动系统的研究，选择三相异步电机为本文的被控对象，对其进行分析与研究，选取的控制方案为矢量控制法。本文主要围绕并联式混合动力汽车用三相异步电机展开，首先建立了异步电机的数学模型，并对矢量控制法控制异步电机时涉及到的复杂的解耦计算进行了详细的介绍，然后搭建了异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型以便后续的研究。
利用Matlab/simulink软件搭建了异步电机矢量控制的仿真模型，从仿真实验中得出了矢量控制算法的优点即两个电流闭环的存在，使得矢量控制算法对电机的控制效果较好，但是也正是由于算法中存在大量的坐标变换、解耦等环节，使得系统在运行过程中发生突变时会产生较大的波动，而且也需要较长的时间恢复。
对于已经搭建的simulink仿真模型，根据需要进行改进，因此在系统中加入了卡尔曼无速度传感器环节，在阐述了卡尔曼滤波器原理后，在simulink中搭建了基于卡尔曼滤波算法的矢量控制系统模型，对电机的调速实现了无速度传感器控制。仿真结果也验证了方法的有效性。
由于本文中使用的是在simulink中搭建的纯理想化的电机模型，为了更贴近实际，本文引入了AMESim仿真软件。利用AMESim中的更为贴近实际的电机模型来代替之前在simulink中搭建的理想化电机模型。实现AMESim/simulink联合仿真。并通过仿真实验验证其控制策略的有效性。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TM343;TP273【目录】：
中文摘要4-6Abstract6-10第一章 绪论10-22 1.1 课题来源及研究意义10-12
1.1.1 课题的来源10-12
1.1.2 课题的研究意义12 1.2 国内外电动汽车的发展现状12-20
1.2.1 国外电动汽车发展现状12-13
1.2.2 国内电动汽车发展现状13-15
1.2.3 混合动力汽车用电机种类介绍15-17
1.2.4 混合动力汽车用电机驱动系统的概述17-18
1.2.5 混合动力汽车电机驱动系统控制策略18-20 1.3 论文的主要内容与章节安排20-22第二章 交流异步电机矢量控制系统22-44 2.1 交流异步电机的动态数学模型22-29
2.1.1 交流异步电机的物理原理以及数学模型24-25
2.1.2 坐标变换和变换矩阵25-29 2.2 交流异步电机在任意两相旋转坐标系上的数学模型29-31 2.3 矢量控制系统原理及模型实现31-42
2.3.1 调节器的工作原理31-36
2.3.2 矢量控制算法在 simulink 中的模型实现36-39
2.3.3 仿真实验39-42
2.3.4 结果分析42 2.4 本章小结42-44第三章 基于扩展卡尔曼器的无速度传感器矢量控制系统44-54 3.1 卡尔曼滤波器的原理44-46 3.2 基于扩展卡尔曼滤波器的电机转速、磁链估计算法实现46-50
3.2.1 建立电机的状态空间方程46-47
3.2.2 系统状态方程的离散化47-49
3.2.3 基于 EKF 的电机状态估算流程49-50 3.3 基于 EKF 的无速度传感器矢量控制系统的仿真50-53
3.3.1 仿真实验51-52
3.3.2 结果分析52-53 3.4 本章小结53-54第四章 AMESim 与 Simulink 联合仿真的实现与算法验证54-64 4.1 AMESim 仿真软件的特点及功能介绍54-55 4.2 AMESim 和 simulink 联合仿真模型的搭建55-58
4.2.1 AMESim 中搭建模型55-57
4.2.2 在 AMESim 中建立交流异步电机驱动机械部分模型57-58 4.3 联合仿真的实现58-61
4.3.1 仿真前期准备58-60
4.3.2 AMESim 仿真设置60-61 4.4 算法验证仿真实验61-63 4.5 本章小结63-64第五章 总结与展望64-66 5.1 全文总结64-65 5.2 工作展望65-66参考文献66-70作者简介及科研成果70-72致谢72
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京公网安备75号simulink&terminator
1.用simlink画的图，在示波器中显示，如何复制到word中
（1）告诉你一个办法，在加上示波器的地方加上to workspace改为array,在主窗口中plot。
（2）直接抓过去也行吧，Edit下有copy model选项。
2.terminator的用法：终止未连接的输出端口
使用r模块去盖住不与其他模块连接的模块的输出。执行仿真时如果有不与输出相连的模块，simulink发出警告消息。使用Terminator模块可以阻止警告消息弹出。
它位于信宿（Sinks）模块库中。信宿（Sinks）模块库包括显示或将输出回写的模块。例如：
Display显示输入的值；
Output创建子系统的输出端口或外部输出端口；
Scope、Float Scope显示仿真时产生的信号；
StopSimulation当输入不等于零时停止仿真；
Terminator将未连接的输出端口作为终端；
XY Graph显示XY坐标图。
&& eg.switch
case模块的default选项被激活时，不做任何处理，所以使用了Terminator模块与default连接。
3.from goto的用法
&goto和from用于同一个仿真中的两个数据点之间的信号传递。不同仿真中的计算时间和采样点都不一样，怎么进行数据连接？
首先，介绍goto/from的用法：
1、在一个subsystem中放置一个goto，goto与一个经过运算后的输入信号连接；对goto中的tag命名，在tag
visibility选择local/scope/global类型。
2、在另外一个subsystem或与goto同一个subsystem中放置from，在from中的goto
tag处输入goto相同的名称，点击update tags。
经过上面2步就设置完成了该goto/from的组合使用。
不过，在开始使用goto/from搭建模型时，常常会遇到一个问题：
1、Goto/From connections cannot cross nonvirtual subsystem
boundaries. The only exception is when a goto is connected to a
state output port.
2、Invalid connection starts with
'untitled/CodeReuseSubsystem/Goto'.
3、Invalid connection ends with 'untitled/Atomic
Subsystem/From'.
仿真时同时出现的上面这3个提示信息，仿真失败。仔细研究后就会发现：
goto和from在同一个subsystem中，无论goto设置为local还是global，都能正常进行仿真；在不同subsystem中，goto设置为global是就会报上述错误。
再深入研究提示的第一条信息后发现，该subsystem是nonvirtual，而goto不能穿过nonvirtual的subsystem，因此应该将该subsystem改为virtual。
选中该subsystem，在鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“explorer”，在弹出的对话框中选中该subsystem，是否看到勾选了“treat
as atomic unit”，这就是问题的根源所在了。
<img BORDER="0" ALT="2.jpg" src="/blog7style/images/common/sg_trans.gif" real_src ="/images/attachments/292_TIME_0.jpg" WIDTH="450" HEIGHT="315" NAME="image_operate_90171"
TITLE="simulink&terminator" />
取消勾选该选项，再进行仿真，问题解决。
从 Goto模块中接受输入。
模块从相关的模块中接受信号，然后将它作为输出。输出的数据类型与Goto中的数据类型是一样的。和模块允许从一个模块到另一个模块传递一个信号，而不用实际连接他们。通过在 Tag参数。输入Goto模块的标签，使 和From模块联系起来。
模块只能从一个模块接收信号，但是Goto模块能将信号传递给多个From模块。
下图两图的作用是相同的，都是把中的信号传给block2.
局部变量名括在方括号（[]）；
一个范围的变量名括在大括号（{}）；
全局变量无需额外的字符。
参数和对话框：
Goto Tag:选择与其相连的模块的标签名；
Update Tags：模块标签名列表
Display：指定文本框显示Form模块的符号，可以选择模块标签、模块代表的信号名称、或者标签和名称同时选择。
3.5.Simulink中From、Goto模块与data
store三个模块有什么区别？
1、From/Goto是直通的，相当于把线直接连接起来，而Data Store则是有缓冲，也就是说，从Data Store
Read读取的数据可能并非当前步，而是多个仿真步长之前的数据。
2、From/Goto可以传递变维数的信号，而Data Store的数据类型和维数在仿真过程中是确定的（由Data Store
Memory的初始值决定）。
3、一个From模块只能对应一个Goto来源（反过来则不，Goto当然可以连接到多个From）；而Data
Store不是这样，可以有多个Data Store Write模块修改同一个Data Store
Memory的值——如果多个Write模块在同一个步长修改同一个Memory模块，则结果难以预知）。
矢量信号的提取和输出。
将多个输入。
Mux模块将其输入信号转换成一个矢量。输入可以是标量或者矢量信号。所有的输入必须是相同的数据类型和数字类型。元素的的矢量输出信号的它们的顺序从上到下，或左到右，输入端口信号。输出信号向量的元素按输入信号从上到下，从左到右排序。
显示并提供仿真时间。
在每个仿真步长输出当前仿真时间。该模块对那些需要仿真时间的模块是很有用的。
选择该复选框，在模块的图标中显示当前仿真时间。
8.Decimation
当选择了Display time，指定一个正整数代表simulink更新Clock模块的图标显示的时间间隔。
将数据写入matlab工作空间。
参数选择：
Save format：,,
Array：Workspace模块将输入保存为n维数组，n比输入信号的维数大1.例如，输入是一个1维数组，存到中就是2维。
样本被存储在数组中的方式依赖于输入信号是否是一个标量或矢量或矩阵。如果标量或者一个向量，每个输入样本作为行向量输出。例如，是。相当于第一个样本，simout（2,:）相当于第二个样本。
如果输入信号是一个矩阵，工作空间数组的第三维，等同于输入信号在指定采样点的输入信号值。例如，输出数组的名字是simout。那么simout（：,:，1）就是输入信号在第一个采样点的值，mout（：,:，2）就是输入信号在第二个采样点的值。
模块参数控制什么时候将数据写入workspace，和写入多少数据。
Limit data points to
last：表示存储多少数据点，如果仿真产生的数据比指定的最大数据多，只保存最近生成的样本，要获得所有参数，设为inf。
Decimation：每n个采样点写一个数据，默认值为1，每个步长写一个数据。
time：指定收集点的采样间隔。当使用变步长解算器时该参数有用。默认值为-1，使模块继承采样时间。
10.Structure
这个格式由3个领域的结构组成：时间、信号、模块名。时间是空的，模块名包含To
Workspace模块名。信号包含三个领域：值、维数和标签。值包含信号值数组。维数指定了值数列的维数，标签包含输入线的标签。
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。导读：4矢量控制调速系统建模与仿真，在进行交流调速仿真过程中，使用simulink里面的电机模型是不方便的，因为其模型电机的参数是不能变化的（如定子转子电阻电感），就必须自己搭建电机模型，矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一[12]，4.1建立异步电机模型，异步电动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，本设计采用的是二相旋转坐标系（d-q）下异步电机数
4矢量控制调速系统建模与仿真
在进行交流调速仿真过程中，会遇到各种相关方向研究，尤其是参数辨识的时候，使用simulink里面的电机模型是不方便的，因为其模型电机的参数是不能变化的（如定子转子电阻电感），如果想对各个参数的具体作用有比较直观的了解，就必须自己搭建电机模型。异步电动机具有高阶、非线性、强耦合和多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从其动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案，矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一[12]。本设计将逐渐对异步电动机矢量控制进行详细介绍。
4.1 建立异步电机模型
异步电动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。本设计采用的是二相旋转坐标系（d-q）下异步电机数学模型。
首先建立??坐标系的异步电动机仿真模型，再通过旋转变换就可得到dq坐标系下的异步电动机模型。
4.1.1 坐标变换
异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。
矢量变换是简化交流电动机复杂模型的重要数学方法，是交流电动机矢量控制的基础。矢量变换包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换，两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换，以及直角坐标和极坐标的变换等。不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等，变换前后总功率不变。
（1）三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换(简称3/2变换)
在交流电动机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电动机气隙中产生空间旋转的磁场，在功率不变的条件下，按磁动势等效的原则，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效。三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系描述出了ABC和?? 两个坐标系中的磁动势矢量，按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在?、
? 轴上的投影都应相等，因此
N2i??N3iA?N3iBcos
N2i??N3iBsin
经过数学换算，可得两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵
??1?2?1?3?2?1????2
在前述条件下，电压和磁链的变换阵与电流变换阵相同。 （2）两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r 变换)
两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。从两相静止坐标系??到两相旋转坐标系dq的变换,称为两相旋转－两相静止变换，简称2s/2r 变换，其中s表示静止，r表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。
i?、i?和id、iq之间存在下列关系：
写成矩阵形式，得
id?i?cos??i?sin?iq??i?sin??i?cos?
?iq???sin?sin???i???i??
??i??C2s/2r?i?
（4-2） cos????????
式(4-2)中，?为d-q坐标系d 轴与坐标系轴之间的夹角。则两相静止到两相旋转坐标系的变换矩阵为
??sin??cos???
（4-3） cos??
对(4-3)式进行逆变换可以得到两相静止到两相旋转的变换矩阵为：
电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同[13]。
4.1.2 建立dq坐标系下电机模型
（1）动态模型数学表达式
异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型包括电压方程、磁链方程和电磁转矩方程和运动方程。
旋转正交坐标系中的异步电动机的电压方程为
?usd?u?sq?urd???urq??Rs
0?????0?????0
??Rr???irq???sd
?dt??rd???????rq????1?sq?
???(?1??)?rq????
(???)??1rd???
磁链方程为
???sq??rd???rq?
0?????Lm????0?
??Lr???irq
（4-6） ????
转矩方程为
Te?npLm(isqird?isdirq)
运动方程为
以上式中Lm――定子与转子同轴等效绕组间的互感，Ls――定子等效两相绕组间的自感，Lr――转子等效两相绕组间的自感，?1――dq相对于定子的旋转角速度，np――极对数，J――转动惯量。 （2）以?-is-?r为状态变量的状态方程
旋转正交坐标系上的异步电动机具有四阶电压方程和一阶运动方程，因此需要选取五个状态变量。可选的状态变量共有九个，这九个变量分为五组：转速?；定子电流isd和isq；转子电流ird和irq；定子磁链?sd和?sq；转子磁链?rd和?rq。
转速作为输出变量必须选取，其余的四组变量可以任意选取两组，定子电流可以直接检测，应当选为状态变量，剩下的三组均不可直接检测或检测十分困难，考虑到磁链对电动机的运行很重要，可以在定子磁链和转子磁链中任选一组。在此次设计中以?-is-?r为状态变量。
U=[usd usq ?1 TL]T
考虑到笼形转子内部是短路的，则urd?urq?0，消去ird、irq、?sd、?sq，经整理后可得到状态方程和转矩方程
d?dtd?dtd?dtdisddtdisqdt
TLLmTrLmTr?isdisq
rd?(?1??)?
rq?(?1??)?rd??rd??
isd??1isq?isq??1isd?
?LsLrLmLsLr
电动机漏磁系数，??1?
；Tr――转子电磁时间常数，Tr?Lr
（4-13） Te?isq?rd?isd?rq）
（4-14） rd??rq]
4.2 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制
按转子磁链定向矢量控制的基本思想式通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也可称做矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制系统或按转子磁量定向控制系统。
4.2.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程
在旋转正交dq坐标系中，如果令d轴与转子磁链矢量重合，此时的坐标系也可称作按转子磁链定向同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系，此时，d轴改称m轴，
q轴改称t轴。
转子磁链旋转矢量?r的空间角度为?，它与旋转角速度?1的关系为
由于d轴与转子磁链矢量重合，因此
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