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1、目录第1章 绪论11.1论文研究背景11.2国内外研究现状21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状21.3论文主要内容2第2章 异步电机调速系统方案选择42.1交流调速系统42.2交流调速方案52.2.1调压调速52.2.2串级调速52.2.3变级调速62.2.4电磁调速72.2.5变频调速72.3交流调速方案确定8第3章 异步电机的变频调速93.1异步电机物理模型93.2变频控制方式选择103.2.1直接转矩控制方式113.2.2矩阵式控制方式113.2.3 电压空间矢量SVPWM控制方式123.2.4 正弦脉宽调制SPWM控制方式123.3变频调速控制方案确定123.4 SPWM变
2、频调速123.3.1同步调制与异步调制133.3.2自然采样与规则采样143.3.3单极性调制与双极性调制15第4章基于MATLAB的异步电机调速仿真164.1MATLAB简介164.1.1MATLAB介绍164.1.2MATLAB仿真模块184.2SPWM逆变器建模仿真194.2.1参数设置194.2.2SPWM模型204.2.3SPWM仿真214.3异步电机SPWM调速系统仿真224.3.1参数设置224.3.2调速系统模型234.3.3调速系统仿真23第5章总结与展望27参考资料28致谢29第1章 绪论1.1论文研究背景随着社会的发展，能源需求急速增长，如何有效地节能也成为了一个亟待解决
3、的问题。早期的交流电机调速方法，采用的绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速或者在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。就现阶段来说，电能是全球使用量最多的清洁能源，也是浪费最多的清洁能源，从电机控制方面入手，是解决此问题的最好方式。异步电动机可以将电能转化成机械能以及其它清洁能源，使用量也是相当广泛，一半以上的能量被用于电机的能量转换，而这些所消耗的能量的电机中大部分都是异步电动机，异步电机的潜在使用价值可见一斑。在国内，中小型的异步电机在使用过程中占主要分量，由于设备的陈旧以及制造技术的不到位，以及理论研究的不到位，导致能源的浪费问题十分严重。能源工业作为国民经
4、济的经济基础，在经济高速发展的今天，我国能源工业面临着环境保与护经济增长的双重压力。为此，国家十二五计划中，在电机系统节能的相关方面使用的资金总量高达515亿元之多，有资料显示，由于受到部分技术以及不部分资源的限制，我国能源有效利用效率比发达国家相对要低。交流变频调速的优越性早在上世纪20年代就已被人们认识，但受元器件体积过大的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大等缺点而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于晶闸管具有响应快、体积小、重量轻、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、
5、串级调速等系统。20世纪70年代发展起来的变频调速，比之两种调速方式效率更高，性能更优，在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得长足的进步；控制对象从异步电机到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性能不断提升，在工业自动化领域起着越来越重要的作用，已渗透到国民经济的各个角落。可见，异步电动机的变频调速问题在我国将有着巨大的发展方向。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状20世纪60年代中期，德国的A Schonung 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于变
6、频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。交流变频调速在工业发达国家已得到广泛应用。国外在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我国的前面，已有更高级别的高压逆变器大量投入市场，并应用于电力机车上、船舰电力推进、造纸、轧钢等系统中。交流变频调速技术以及产品已成为一些发达国家的先导产品。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例，20世纪后期，直流调速占80%，交流占20%。到目前为止，日本除了个别地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有调速系统那个都采用交
7、流变频装置。1.2.2国内研究现状我国在应用变频调速技术上目前处于初级阶段，但发展速度逐年增长较快，国家已将该项目列为“八五”重点攻关及推广项目。这将加快交流调速在我国的普及应用。目前国内变频调速技术状况如下：（1）变频器的控制策略的基础与国外差距不大；（2）变频器的整体技术落后，国内虽有很多企业投入了一定的人力和物理，但由于力量分散，并没能形成一定的技术和生产规模；（3）变频器产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白；（4）相关配套产品及行业落后；（5）产销量少，可靠性及工艺水品不高。1.3论文主要内容通过MATLAB中的simulink对三相异步电机变频调速进行仿真。基于 MATLAB
8、软 件 中 的Simulink 和 Power System Blochset，建立了SPWM三相异步电机变频调速的仿真模型，分析主电路及控制电路的工作原理，完成了SPWM变频调速特性的仿真的设计。并对仿真结果的分析验证。 论文的主要结构安排为：1、绪论：论述异步电机调速研究的背景及意义，简要概述异步电机调速的国内外研究现状。2、异步电机调速方案选择：论述交流调速系统结构，分析各种交流异步电机的调速方案，选择性能优的调速方案作为本论文的研究重点 3、异步电机的变频调速：介绍异步电机的物理模型，介绍了变频调速的四种控制方式，并选择应用广泛的正弦脉宽调制方式，详细介绍了SPWM控制方式下的变频。4
9、、基于MATLAB的异步电机调速仿真：首先介绍MATLAB的各个功能以及其simulink功能，并利用其PCB库中的电气元件建模；分别详细说明了SPWM变频模块与异步电机调速模块的建立与调试仿真。5、结论与展望：总结异步电机的正弦脉宽调速仿真结果，分析其角频率（n/9.55）与电压频率的关系，并分析SPWM变频的好处，总结此次论文的研究内容，提出需要改进的方面。第2章 异步电机调速系统方案选择2.1交流调速系统异步电机的稳态数学模型包括异步电动机稳态时的等效电路和机械特性，两者有联系又有区别。稳态等效电路描述了在一定转差率下电动机的稳态电气特性，而机械特性则表征了转矩与转差率的稳态关系。按照定
10、义，转差率与转速的关系为：n=60f1p式中n1同步转速p为电机极对数f1供电电源频率而同步转速与电机角速度关系为：n=602=9.55按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率Pm分成成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度看，转差率是否增大，能量石被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统性能高低的标志。转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，定子降电压调速和绕线转子电动机串电阻调速均属于这一类。转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，一部分转差功率被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电
11、网或转化成机械能予以利用，转速越低，能利用的功率越多，绕线转子异步电动机串级调速属于这一类。转差功率不变型调速系统：在转差功率中，转子铜损是不可避免的，在定子侧实行变压变频控制时，无论转速高低，转子铜损基本不变，转子电路中没有附加的损耗，因此效率最高，是应用最广的一种调速方案。2.2交流调速方案2.2.1调压调速保持电源频率f1为额定频率f1n，只改变定子电压Us的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压Us只能降低，不能升高，故又称作降压调速。调压调速的基本特征是电动机同步转速保持为额定值不变，即n1=n1N=60f1Np而气隙磁通m随定子电压的降低而减小，属于弱磁调
12、速。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： 调压调速线路简单，易实现自动控制； 调压过程中转差功率以发热形式
13、消耗在转子电阻中，效率较低。 调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。2.2.2串级调速在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。将异步电动机转子电压先整流成直流电压，然后在引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样一来就把交流电机调速的问题转化为与频率无关的直流变压问题，对问题的分析与工程实现都方便多了。加入这一直流附加电动势要有一定的技术要求：首先，他应该是可以平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并
14、加以利用。根据以上的要求，较好的方案是采用工作在有源逆变状体的晶闸管可控整流装置作为产生直流附加电动势的电源。串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%90%的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速
15、运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过变流装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。串级调速可分为两类：一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变器来实现调速。串级调速的主要优点是：可以将滑差能量以电能的形式回馈至电网，在整个调速范围内系统总效率较高，可达90%以上；调速平滑；装置容量与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，
16、设备费用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转子短接状态下运行。串极调速的主要缺点是：功率因数低，可能要低于0.6；晶体管串级调速装置有谐波危害；当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有可能停止运行；最大力矩降低约17%左右，电气制动的特性不够理想，线路相对较复杂等。2.2.3变级调速变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速的方式称为变极调速。变极调速技术是通过采用变极多速异步电动机实现调速的。这种多速电动机大都为笼型转子电动机，其结构与基本系列异步电动机相似，现国内生产的有双、三、四速等3类。变极调速是通过外部的开关切换改变电机绕组的串并联关系实现的。只
17、能实现有级调节（一般有两个速度），如电机由两极切换到四极，速度就会由大约3000转/分降到大约1500转/分。变极调速一般是以两个速度为主，辅以阀门和挡板调节，比单纯使用阀门和挡板要好一些，但是仍然有节能潜力可挖。另外，由于结构复杂，变极电机的效率比常规的通用电机要稍低一些。变极调速的优点是投资较少。变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。这是一种不连续的调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。从电机构造上看，定子绕组有单绕组和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少，用铜省，而且可以实现双
18、速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。 变极调速是一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是：无附加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。其主要缺点是：不能连续调节转速。这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。2.2.4电磁调速
19、电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋
20、转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点： 装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速； 对电网无谐影响； 速度失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。2.2.5变频调速变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机
21、； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 变频调速分为基频以下调速和基频以上调速，基频以下调速属于恒转矩调速方式，基频以上调速属于恒功率调速方式。2.3交流调速方案确定从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩
22、大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。现在人们所说的交流调速，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，除变频以外的另外一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。因此，此次选取变频调速方案作为交流调速系统的构成部分。第3章 异步电
23、机的变频调速3.1异步电机物理模型异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，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。三相异步电机的物理模型如图所示，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，转子绕组轴线a、b、c以角速度随转子旋转。如以A轴为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图3-1异步电机物理模型在一般情况下，其电磁方程是时变的非线性系统，求解困难，经过坐标变换以后，可进行解耦，得到一组时不变的状态方程。对于交流变频调速电机，一般采用
24、任意速d-q-n坐标系方程进行分析。在任意速下，静止三相坐标系as-bs-cs变换到任意速d-q-n坐标系方程：fqsfdsfns=23coscos(- 2/3)cos(+ 2/3)sinsin(- 2/3)sin(+ 2/3)121212fasfbsfcs=0tkdt+0式中fas静止坐标系定子电压fbs静止坐标系定子电流fcs静止坐标系定子磁链fqs任意速坐标系定子电压fds任意速坐标系定子电流fns任意速坐标系定子磁链k任意速度由上面的坐标变换，可以得到异步电机在任意速下的d-q-n坐标系的电压方程。uqsudsuqrudr=Rs00 00Rs0 00(kr/kb)Xm- (kr/kb)
25、Xm0Rr (kr/kb)Rr (kr/kb)Rr Rr iqsidsiqridr+Xs0Xm00Xs0XmXm0Xr00Xm0Xrpiqsidsiqridr式中Rs定子电阻Rr转子电阻Xs定子电抗Xr转子电抗Xm励磁电抗kr电磁转速kb参考转速p微分算子3.2变频控制方式选择交流调速传动控制技术之所以发展的如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化
26、控制技术等。近二十年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件、8位微处理器为控制核心、按压频比U/f控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。其一，是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高。其二，是8位微处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。其三，是在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现调速
27、，还可进行伺服控制。其控制方式主要分为以下四种：3.2.1直接转矩控制方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下线
28、脉动；由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累计误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。以上问题在低速时非常明显，因此系统的调速范围受到限制。3.2.2矩阵式控制方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1 (Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等
29、效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。3.2.3 电压空间矢量SVPWM控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈
30、估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。3.2.4 正弦脉宽调制SPWM控制方式正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。以频率与期望的输出电压波相同的正弦作为调制波，以频率比调制波高很多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由他们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。随着PWM变频器的广泛应用，已制成多种专用集成芯
31、片作为SPWM信号的发生器，许多用于电机控制的微机芯片集成了带有死区的PWM控制功能，经功率放大后，即可驱动电力电子器件，使用相当简便。3.3变频调速控制方案确定通过分析以上变频控制方法，直接转矩控制存在转矩脉动与调速范围较小的问题；矢量控制方式受电机参数影响较大加上等效过程复杂存在实际输出不理想的问题；电压空间矢量的控制环节复杂且未引入转矩调节所以对调速系统无较大改善；综上本次异步电机变频调速选择正弦脉宽SPWM控制方式，使用广泛，技术成熟，性能稳定。3.4 SPWM变频调速SPWM的原理为在控制电路中调制，在主电路中输出。在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur的参考正弦波Wsin（调制信号
32、）加载于频率为fc幅值为Uc的三角波W（载波）后，得到一个脉冲宽度变化的SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相似的SPWM电压波形，SPWM输入输出原理框图如下页所示：在控制电路中，一个频率为fr幅值为Ur的参考正弦波Wsin（调制信号）加载于频率为ft幅值为Ut的三角波W（载波）后，得到一个脉冲宽度变化的SPWM波Wspwm（已调制波），用已调制波的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波Wspwm相似的SPWM电压波形。调制度M：为正弦调制波参考信号幅值U
33、rm与三角载波幅值Ucm之比。载波比N：为三角载波频率fc与正弦调制波参考信号频率fr之比。从调制脉冲的极性上：单极性脉宽调制：如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内； 双极性脉宽调制：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化。从载频信号和参考信号的频率关系：异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式；同步调制： N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步；分段同步调制：把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。3.3.1同步调制与异步调
34、制同步调制方式：基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。异步调制方式：整个输出频率范围内载波比N不为常数，一般是保持载波频率始终不变，这样可使低频时载波比增大，输出半周期内脉冲数增加，解决了较低次数的高次谐波问题；不能在整个输出频率范围内满足N为3的倍数的要求，会使输出电压波形相位随时变化，难以保证正、负半波以及三相之间的对称性，会引起偶次谐波等其他问
35、题。 通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当fr较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。分段同步调制方式：是将同步、异步调制相结合的一种调制方法，它把整个变频运行范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比N为恒定，对不同频段取不同的N值。这样既保持了同步调制下波形对称、运行稳定的优点，又解决了低频运行时谐波增大的弊病。把 fr 范
36、围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。3.3.2自然采样与规则采样自然采样：将三相正弦波与三角波比较，在波形相交点自然地确定脉冲的采样点和开关点。即采样点和开关点重合。该法最准确，但要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多自然采样的长处在于，基波幅值与调制度M成正比，利于调压；高次谐波随着载波比N与调制度M的增大而减小，有利于波形正弦化。而其缺点在于实时控制时难以计算脉冲宽度；离线计算，利用查表法输出PWM波，占有内存过大，不符合微机等采样周期的控制要
37、求。规则采样：在载波三角波的固定点对正弦波进行采样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并不管此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交。也就是说采样点和开关点不重合，采样点是固定的，开关点是变化的。开关的转换时刻可以利用简单的三角函数在线地计算出来，满足了微机全数字控制的需要。工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样得E点，过E作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断，脉冲宽度t
38、2 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近图3-2规则采样与自然采样因此，一般而言，实际应用中都是采用规则采样的方式。3.3.3单极性调制与双极性调制单极性调制意指载波只有一个极性，或正或负，不会同时出现正负，单极性调制使用的元件为脉冲信号，阶跃信号，三角载波，正弦波，通过这些信号组合而成单极性调制波。双极性调制以在上述提出，即载波的正负同时存在。图3-3 单极性调制输出电压（上）双极性调制输出电压（下）由上图可以观察出，在载波频率和调制正弦波频率相同的情况下，在调制度M接近于1的情况下，单极性输出电压较之双极性的输出电压更符合原有正弦波形。所以一般而言都是采用单极性调制，这样调制出来的电压更加
39、接近原信号。第4章基于MATLAB的异步电机调速仿真4.1MATLAB简介4.1.1MATLAB介绍MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工
40、程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查
41、询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的，因此语法特征与C+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MAT
42、LAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分
43、析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一
44、些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制
45、设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的
46、，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。4.1.2MATLAB仿真模块Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并
47、基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过
48、程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。SIMULINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous（连续模块