前言就電機(jī)行業(yè)的目前的形式來看，大功率化是其發(fā)展趨勢(shì)，而多相感應(yīng)電機(jī)正巧為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)帶來了機(jī)遇，多相感應(yīng)電機(jī)在船舶推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)、電力機(jī)車等一些對(duì)可靠性要求較高的重要場(chǎng)合起到了非同一般的作用，并且它還具有許多其他優(yōu)勢(shì)，比如更低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、更低的渦流損耗等，然而有利就有弊，多相感應(yīng)電機(jī)的分析相對(duì)來說也會(huì)更加復(fù)雜。五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是相數(shù)最少的多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，具備適合大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、容錯(cuò)性能好，控制自由度高等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今社會(huì)具有很大的研究?jī)r(jià)值。本篇論文將對(duì)五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入探索，主要將空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)技術(shù)作為研究方向，經(jīng)過對(duì)比后采用相鄰最近四矢量（NFV-SVPWM）調(diào)制算法用于五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制，最終驗(yàn)證了該控制方法的有效性。首先，以型號(hào)為Y160L-4，額定功率為15kw的三相感應(yīng)電機(jī)為基礎(chǔ)，保證其定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑和額定功率不改變，通過感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法確定五相感應(yīng)電機(jī)基本尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)五相感應(yīng)電機(jī)。由于五相感應(yīng)電機(jī)在自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，對(duì)研究造成了不小的困難。為便于更深入地分析和研究，本文采用空間矢量解耦變換理論，通過此理論對(duì)五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行解耦，簡(jiǎn)化了其在自然坐標(biāo)系下的復(fù)雜模型。其次，針對(duì)五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的FOC展開了研究。依照五相逆變器的電壓空間矢量的具體分布情況對(duì)電壓源逆變器的SVPWM算法在五相感應(yīng)電機(jī)中的應(yīng)用展開了研究，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)NFV-SVPWM可以使PWM的輸出波形更加平滑，使輸出電壓低次諧波有效減少，將直流母線利用率大幅提高，因此著重分析了NFV-SVPWM控制方式，得知其能夠較好的抑制低次諧波。隨后研究了五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制的基本原理及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后，借助MATLAB/Simulink仿真工具完成了五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)FOC控制仿真系統(tǒng)的建立。建立了五相感應(yīng)電機(jī)電機(jī)本體仿真模型，在穩(wěn)定供電的情況下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩最終穩(wěn)定在理論值，通過仿真之后得出的分析結(jié)果證明了其數(shù)學(xué)模型搭建的合理性和正確性。之后對(duì)五相電機(jī)的啟動(dòng)特性、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的主要參數(shù)以及控制成果進(jìn)行了具體分析，根據(jù)輸出的波形得出結(jié)論，電機(jī)參數(shù)正常、控制參數(shù)在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了控制方法的有效性。緒論背景當(dāng)今世界上全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展日新月異，這也推動(dòng)著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量要求不斷提高，人們?cè)絹碓街匾暛h(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排，采取了很多相關(guān)的的行動(dòng)和措施，環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排已成為當(dāng)前人類發(fā)展的首要任務(wù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗加大，中國(guó)的國(guó)情決定著必須減能，而電能是目前世界上消耗最多的能源之一，在當(dāng)今能源消耗領(lǐng)域內(nèi)，用電問題已成為熱點(diǎn)問題，以電能作為重要?jiǎng)恿碓吹男履茉纯萍茧S之得到快速發(fā)展。作為電能消耗的主體，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大功率交流調(diào)速系統(tǒng)助力節(jié)能減排效果明顯，而且環(huán)境友好，特別是多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已成為實(shí)現(xiàn)大功率交流調(diào)速系統(tǒng)的主力軍之一，活躍于電動(dòng)環(huán)保汽車、船舶的推進(jìn)和航空航天等充斥著前沿科技的新興領(lǐng)域。事實(shí)上，三相電機(jī)才是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?，在生產(chǎn)生活的各種領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用，感應(yīng)電機(jī)工作性能穩(wěn)定、機(jī)械性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精煉，因此在日常生活中使用廣泛。但隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，多相電機(jī)所涌現(xiàn)出的優(yōu)秀特性越來越受到重視，電機(jī)相數(shù)不再受約束于傳統(tǒng)的變頻驅(qū)動(dòng)，多相感應(yīng)電機(jī)在工作生活中獲得了越來越多的重視和使用，與傳統(tǒng)常見的三相電機(jī)比較起來，它的發(fā)展前景更為廣闊。多相感應(yīng)電機(jī)與三相電機(jī)比較起來?yè)碛懈鼜V闊發(fā)展前景的原因主要有以下幾點(diǎn)：多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)擁有更多的相數(shù)，使得多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有更深的控制潛能、更高的控制自由度，在運(yùn)用SVPWM調(diào)制技術(shù)時(shí)，空間電壓矢量組合靈活，調(diào)制方式增加，控制更加靈活，電機(jī)輸出更加平滑，性能更加優(yōu)異；相較于三相感應(yīng)電機(jī)來說多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作性能提高效果顯著，如更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，更高的脈動(dòng)頻率；在控制過程中多相電機(jī)可靠性更好，就算出現(xiàn)一相或者幾相故障的情況，多相電動(dòng)機(jī)仍然能夠輸出的足夠大的轉(zhuǎn)矩，即具有更強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，能夠通過相應(yīng)的控制方法控制多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恢復(fù)成正常情況下的工作狀態(tài)；多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與其他三相系統(tǒng)相較來說，使用小功率的半導(dǎo)體器件就能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的性能；處于相同功率條件下，隨著電動(dòng)機(jī)相數(shù)變多，每組繞組承擔(dān)的電流降低、容量降低，功率開關(guān)的負(fù)擔(dān)也會(huì)減輕[1]。這些優(yōu)勢(shì)使多相感應(yīng)電機(jī)逐漸成為研究熱點(diǎn)，五相感應(yīng)電機(jī)就是其中的典范。20世紀(jì)后半葉，隨著科研工作者在自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路以及微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等領(lǐng)域不斷取得重大突破，電力電子變流器的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)不僅具有與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的優(yōu)良特性，還具備成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小等多個(gè)優(yōu)勢(shì)，所以它正逐步成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要的調(diào)節(jié)手段。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，由于電力系統(tǒng)的用電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)及配電環(huán)節(jié)里都選用三相交流電，三相交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟并在生產(chǎn)生活中廣泛的應(yīng)用。但面對(duì)一些特殊場(chǎng)合，三相交流調(diào)速系統(tǒng)的故障問題所帶來的損失是嚴(yán)重的：在一些特殊的場(chǎng)合中，有時(shí)會(huì)對(duì)供電可靠性以及調(diào)速可靠性要求相對(duì)較高，或者是在低壓大功率的場(chǎng)合中，普通的三相感應(yīng)電機(jī)的工作性能會(huì)受到一定的限制；對(duì)于需要大功率的場(chǎng)合，就需要更高的電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是由于電力電子功率器件以及交流電機(jī)本身耐壓值限制了電機(jī)的上限功率和性能；在發(fā)電機(jī)組、潛艇等各種對(duì)電源的可靠性要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)景，三相電機(jī)中的電力電子元件破損、電機(jī)一相或多相出現(xiàn)故障（如絕緣擊穿、接地等）都會(huì)使電機(jī)的磁場(chǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，以至于使電機(jī)失去正常的工作能力只能停機(jī)，沒有辦法帶故障運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。因此提高交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性成為近幾年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的研究的重點(diǎn)。在現(xiàn)如今的交流控制系統(tǒng)當(dāng)中大批量采用變頻器，從實(shí)際意義上來看能夠避免電動(dòng)機(jī)與三相供電系統(tǒng)進(jìn)行直接連接，電力電子，電力系統(tǒng)控制等技術(shù)也在飛速發(fā)展，三相電源對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制約和限制已經(jīng)不再需要擔(dān)憂，多相變頻調(diào)速優(yōu)勢(shì)如下：同等級(jí)電壓，輸出功率更大。多相電機(jī)系統(tǒng)不再如三相電機(jī)系統(tǒng)一般被功率器件電流等級(jí)制約，電機(jī)相數(shù)逐漸增多，系統(tǒng)能夠達(dá)到傳統(tǒng)電機(jī)在較高工作電壓時(shí)同等的動(dòng)力輸出，可以在一定程度上降低供電電源的功率，如此便可以使用小功率電力電子器件完成大功率輸出的性能，將電機(jī)的可靠性提高，使多相電機(jī)在電動(dòng)車啟動(dòng)系統(tǒng)、電力艦船推進(jìn)系統(tǒng)等大功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合得到越來越廣泛的應(yīng)用。具有較低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度，增大了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的數(shù)量。由于定子轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)諧波在空間和時(shí)間上存在著非一致性的相互影響，因此，隨著多相異步電動(dòng)機(jī)的相數(shù)增加，其諧波電流、磁動(dòng)勢(shì)以及諧波轉(zhuǎn)矩的最小幅值也會(huì)逐步增加，從而獲得更高的調(diào)速效率，更快的脈動(dòng)頻率，更高的低速工作性能以及更低的噪聲控制。多相異步電機(jī)系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的相冗余能力，容錯(cuò)工作特性優(yōu)于三相異步電機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)三相異步電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)（如缺相、接地、短路等），異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須要馬上停止工作，但是對(duì)于多相異步電機(jī)而言，因?yàn)閾碛懈嗟碾姍C(jī)相數(shù)，即相數(shù)冗余備用，當(dāng)出現(xiàn)缺相故障時(shí)，氣隙磁鏈畸變的情況沒有三相異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)嚴(yán)重，在多相系統(tǒng)一相或者兩相故障時(shí)，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)降低負(fù)載繼續(xù)運(yùn)行，無需停機(jī)或重啟，極大地增強(qiáng)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，在一些沒有條件停機(jī)的場(chǎng)合里起著重要作用。多相異步電動(dòng)機(jī)具有更多的相數(shù)，因而具有更充足的控制資源和更多的脈沖寬度調(diào)制方式。多相異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有較廣闊的操縱自由度，使得其控制系統(tǒng)具有更高的靈活程度和較高的精度。在多相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)不同的電壓源逆變器開關(guān)狀態(tài)可構(gòu)成多種電壓矢量與脈沖寬度調(diào)制方法，與多相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性相互結(jié)合，在廣闊的控制自由度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多相異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制要求，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面的優(yōu)化[2]。多相交流系統(tǒng)并不只擁有顯著的優(yōu)點(diǎn)，隨著相數(shù)的增加也會(huì)無法避免地帶來一部分弊處。由于多相系統(tǒng)相數(shù)的增多需要匹配的開關(guān)器件也隨之增加，所需要的空間更多，各種電力電子器件的成本及數(shù)量、控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(huì)隨之增加；在機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換中，多相感應(yīng)電機(jī)的低次電流諧波并不參加，只發(fā)生在定子側(cè)，因?yàn)槎ㄗ勇┛剐?，定子?cè)就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生較大的諧波電流，定子損耗增大等問題。由此可知電機(jī)的相數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)該和實(shí)際情況相結(jié)合，不能夠一昧地為電機(jī)設(shè)計(jì)出更多的相數(shù)，要使電機(jī)能夠正常運(yùn)行，就需要選擇合理的控制方式，由于多相感應(yīng)電機(jī)其本體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相數(shù)較多，導(dǎo)致多相電機(jī)的控制方式更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)出更加適用于多相電機(jī)的控制系統(tǒng)，就能夠更進(jìn)一步發(fā)揮多相電機(jī)在日常生產(chǎn)生活的潛能。在現(xiàn)有的對(duì)于多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)所展開的研究中，更多的項(xiàng)目主要集中在六相、九相以及與三相異步電機(jī)等一些相數(shù)成倍增長(zhǎng)的電機(jī)上，而對(duì)于五相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)特性的研究相較于其他研究來說要少一些，為了充分發(fā)揮五相異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還必須對(duì)其調(diào)制方案和控制策略進(jìn)行更加深入的研究，因此五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很重要的研究?jī)r(jià)值。本文根據(jù)異步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出一臺(tái)五相異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)五相異步電機(jī)在自然基下的數(shù)學(xué)模型，采用多相對(duì)稱分量變換方法，依托MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行諧波基下的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立，之后再計(jì)算電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線、輸出功率—效率特性，通過對(duì)以上參數(shù)的分析證實(shí)五相異步電機(jī)設(shè)計(jì)的正確性和合理性?；诳臻g電壓矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，選取相鄰最近四矢量調(diào)制方式(NFV-SVPWM)用于五相異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制。本篇論文中對(duì)五相異步電機(jī)SVPWM矢量控制系統(tǒng)的分析和研究，有助于加強(qiáng)對(duì)五相異步電機(jī)的理解，深化對(duì)矢量控制技術(shù)的認(rèn)知，可以更好地理解五相感應(yīng)電機(jī)控制策略的正確性，充分發(fā)揮五相感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，為完善相關(guān)研究提供有力支持，為后續(xù)更進(jìn)一步的研究做好鋪墊，將為多相電機(jī)在電動(dòng)艦船、新能源電動(dòng)汽車以及航空航天等更多的中低壓大功率電力推進(jìn)背景中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀近年來，由于多相電機(jī)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)越來越明顯，國(guó)內(nèi)外對(duì)多相電機(jī)的關(guān)注度一直在提升，人們對(duì)多相電機(jī)投來了更多關(guān)注的目光并進(jìn)行了深入探究。在國(guó)外，多相電機(jī)的相關(guān)研究飛速發(fā)展，來自英國(guó)的JohnsM通過多臺(tái)五相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行研究，使用五相逆變器的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)建立起數(shù)學(xué)模型和等效電路，同時(shí)對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行條件進(jìn)行分析，最后證明了并聯(lián)運(yùn)行還有許多不足之處有待改進(jìn)[3]；學(xué)者H.Zhaobin通過建立五相電機(jī)空間解耦數(shù)學(xué)模型解釋了多相電機(jī)的場(chǎng)定向矢量控制（Field-OrientedControl，F(xiàn)OC），并且結(jié)合了電流滯環(huán)跟蹤PWM進(jìn)行研究，針對(duì)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)提出了兩種基于動(dòng)態(tài)磁阻差的無傳感器初始轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)新方法，其試驗(yàn)成果證明了所提出的方法可以可靠、快速地估計(jì)出初始位置[4]；學(xué)者JinhongLi，DaweiMeng提出了一種動(dòng)態(tài)可調(diào)的新型四矢量SVPWM算法，改善了感應(yīng)電機(jī)特性，增強(qiáng)了直流母線的利用率，最終實(shí)現(xiàn)了五相感應(yīng)電機(jī)的諧波抑制[5]。在國(guó)內(nèi)，眾高校以及科學(xué)研究單位在多相感應(yīng)電機(jī)方面的研究也獲得了相當(dāng)驕人的成績(jī)，海軍工程大學(xué)的蔡巍、喬鳴忠、張曉鋒等人通過五相電機(jī)及H橋逆變器的分析，以五相感應(yīng)電機(jī)的電壓空間矢量為研究對(duì)象展開了研究與計(jì)算，充分的將電壓脈動(dòng)與開關(guān)損耗等多種因素考慮在內(nèi)，最后得出了五相感應(yīng)電機(jī)的電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法，證明了該算法的有效性[6]；華北電力大學(xué)的許伯強(qiáng)和程華鑫對(duì)于五相電機(jī)電壓空間矢量多、控制方式復(fù)雜的問題，展示了一種經(jīng)過優(yōu)化后的五相電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的算法，并進(jìn)行仿真研究，優(yōu)化后的算法諧波畸變率降低，開關(guān)損耗降低約20%[7]。除了上文中所列舉的例子，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)以及中科院電工所等眾多高等院校以及科研單位對(duì)于多相感應(yīng)電機(jī)的探索都獲得了具有推動(dòng)意義的重要結(jié)論，多相電機(jī)將在生活中的各個(gè)領(lǐng)域擁有更加廣闊的應(yīng)用前景，帶來更多的研究?jī)r(jià)值[8]。論文安排本文圍繞五相感應(yīng)電機(jī)的SVPWM矢量控制技術(shù)這一主題，將分為四大章節(jié)，設(shè)計(jì)一臺(tái)五相感應(yīng)電機(jī)，分別通過五相感應(yīng)電機(jī)機(jī)體模型、矢量控制系統(tǒng)SVPWM技術(shù)以及五相電機(jī)的調(diào)速控制策略展開了比較系統(tǒng)的分析和研究。本篇論文將從四個(gè)章節(jié)進(jìn)行論述，大致內(nèi)容如下：第一章是緒論。闡明課題的研究背景和意義，陳述了一些具有代表性的多相電機(jī)的控制和調(diào)節(jié)方法等研究成果并大致安排了本文的結(jié)構(gòu)。第二章是五相感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型。介紹了自然（ABCDE）坐標(biāo)系下的五相電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及Clark和Park變換，并且對(duì)自然坐標(biāo)系下電機(jī)模型進(jìn)行解耦?；谝慌_(tái)型號(hào)為Y160L-4的三相感應(yīng)電機(jī)，在保證其定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑及額定功率保持15kw不變的前提下，采用電機(jī)的設(shè)計(jì)方法確定五相感應(yīng)電機(jī)的基本尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)五相感應(yīng)電機(jī)。第三章是五相感應(yīng)電機(jī)FOC控制技術(shù)研究。對(duì)空間電壓矢量的SVPWM進(jìn)行研究，經(jīng)過對(duì)比后選用NFV-SVPWM算法用于多相電動(dòng)機(jī)控制，對(duì)NFV-SVPWM算法的原理進(jìn)行分析研究。第四章是基于Simulink的五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真。首先根據(jù)第二章內(nèi)容利用MATLAB/Simulink軟件搭建諧波基下的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到各矢量空間的等效電路，將電機(jī)的參數(shù)解耦到各序子空間。計(jì)算電機(jī)的機(jī)械特性曲線、輸出功率—效率特性，證實(shí)五相感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。其次根據(jù)搭建出的五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)建模和SVPWM矢量控制，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立起五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)FOC控制系統(tǒng)，最后在特定工況下對(duì)仿真波形做對(duì)比分析，證明了五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制方案的合理性。五相感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型在以往的研究當(dāng)中，多相異步電動(dòng)機(jī)的建模是多相異步電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵步驟。要研制出一種性能優(yōu)良的五相異步電機(jī)控制系統(tǒng)，必須先對(duì)電機(jī)機(jī)體進(jìn)行建模，以便進(jìn)行分析和研究。與傳統(tǒng)的異步電機(jī)一樣，五相異步電機(jī)在建立電機(jī)的本體時(shí)也要經(jīng)歷大量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，所以依據(jù)電機(jī)的基礎(chǔ)電磁場(chǎng)原理和繞組之間的相對(duì)位置，可以推導(dǎo)出五相異步電機(jī)的各個(gè)線圈間的電壓、電流、磁鏈等物性參數(shù)之間的相互影響，但是這樣的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜。由于線圈間的磁場(chǎng)相互影響，使得單個(gè)或多個(gè)參數(shù)難以相互獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)控，這給相關(guān)的控制方法研究帶來了很大的不便。在此基礎(chǔ)上，選擇了一種基于多變量耦合的空間解耦，將復(fù)雜且不易控制的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而為之后對(duì)五相感應(yīng)電機(jī)更高性能的控制策略展開研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。描述五相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，首先需要以相變量的形式進(jìn)行推導(dǎo)，為了消去時(shí)變電感項(xiàng)簡(jiǎn)化電機(jī)模型，采用了坐標(biāo)變換，因此構(gòu)造了電機(jī)在dqxy0坐標(biāo)系的模型，假定電機(jī)內(nèi)所有的磁動(dòng)勢(shì)(磁場(chǎng))沿空間呈正弦分布，在具有集中式繞組的五相電機(jī)中，電流的3次諧波分量可以同基波一起用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，本文暫不考慮五相電機(jī)的這個(gè)特性，僅考慮磁場(chǎng)基波分量所發(fā)出的轉(zhuǎn)矩。自然坐標(biāo)系下的五相感應(yīng)電機(jī)模型本篇論文中采用了一種基于鼠籠的五相異步電動(dòng)機(jī)，為了降低建模的復(fù)雜性，將進(jìn)行以下假設(shè)：(1)五相定子繞組呈星形聯(lián)接形式，并沿定子內(nèi)壁均勻地排列，這就是五個(gè)等效的集繞組軸向有一定的相互影響。(2)五個(gè)相位的電流在定子繞組上呈均勻的分配。(3)轉(zhuǎn)子采用鼠籠結(jié)構(gòu)，不考慮空氣間隙電阻，使線圈不受衰減。(4)不考慮定子的齒槽效應(yīng)引起的空氣間隙場(chǎng)的變化。(5)在電機(jī)運(yùn)行過程中，不考慮電機(jī)溫度升高引起的阻抗變化。五相電機(jī)模型包括電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程[9]。在一臺(tái)五相異步電機(jī)中，定子周圍分布有10個(gè)相區(qū)，每個(gè)相區(qū)覆蓋36°的空間范圍，從而相鄰兩個(gè)相區(qū)之間的角度間隔為72°。轉(zhuǎn)子的繞組被視為一組與定子繞組屬性一致的五相繞組。假設(shè)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過繞組變換系數(shù)調(diào)整后，與定子繞組的參數(shù)一致，因此，這臺(tái)五相異步電機(jī)的工作原理可通過特定的公式進(jìn)行表述。電壓方程（2.1）（2.2）式（2.1）、（2.2）中為定子電壓列矩陣，為轉(zhuǎn)子電壓列矩陣，為定子相電阻矩陣，為轉(zhuǎn)子相電阻矩陣，為定子電流列矩陣，轉(zhuǎn)子電流列矩陣，為轉(zhuǎn)子磁鏈，為定子磁鏈。他們表示如下：（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）（2.8）定子與轉(zhuǎn)子繞組的電阻矩陣是的對(duì)角矩陣：（2.9）（2.10）磁鏈方程（2.11）（2.12）式中為定子電感矩陣，轉(zhuǎn)子電感矩陣，為定轉(zhuǎn)子互感矩陣，為轉(zhuǎn)定子互感矩陣。他們表示如下：（2.13）變化成與角度α=2-/5相關(guān)的矩陣，可寫做如下：（2.14）（2.15）變化成與角度α=2-/5相關(guān)的矩陣，可寫做如下：（2.16）定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感矩陣為：（2.17）由于繞組在空間分布的對(duì)稱性，轉(zhuǎn)子與定子的互感有如下關(guān)系：（2.18）轉(zhuǎn)矩方程電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式可以用相變量表示如下：（2.19）化簡(jiǎn)后如下：（2.20）式（2.19）、（2.20）中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式為：（2.21）式（2.21）中，為機(jī)械角速度，為磁極對(duì)數(shù)，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為電磁轉(zhuǎn)矩。顯然，在自然坐標(biāo)系中，電機(jī)的相關(guān)變量之間耦合性強(qiáng)，這使得直接控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變得困難。因此，為了更加簡(jiǎn)便的進(jìn)行分析，采用坐標(biāo)變換技術(shù)對(duì)感應(yīng)電機(jī)模型實(shí)施解耦處理，以減少狀態(tài)變量間的耦合性。坐標(biāo)變換理論正文為了對(duì)電機(jī)進(jìn)行更簡(jiǎn)單的建模，就必須使用坐標(biāo)系的變換，這樣就會(huì)消除上面公式中的時(shí)變電感，坐標(biāo)變換中采取功率不變的形式，下面的矩陣變換適用于電機(jī)定子的五相繞組。對(duì)一個(gè)p相電機(jī)通入p相對(duì)稱電流，它就是一個(gè)維控制系統(tǒng)。利用坐標(biāo)變換，將改系統(tǒng)解耦為一個(gè)維系統(tǒng)，也就是相自然坐標(biāo)系變換為相坐標(biāo)軸相互正交的坐標(biāo)系。對(duì)于五相電機(jī)，使用高階的Clark與Park解耦變換矩陣對(duì)五相電機(jī)進(jìn)行解耦，將電動(dòng)機(jī)的耦合的變量分別映射到兩相靜止坐標(biāo)系和雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，以實(shí)現(xiàn)解耦[10]。CLARK變換（2.22）其中，α=2/5π。T5s/2s第一行與第二行共同組成了a-β（兩相靜止）基波子空間，之后的第三行與第四行則組成了x-y（兩相靜止）三次諧波子空間，最后的一行是零序空間，Clark矩陣有如下屬性：（1）矩陣中所列出的a-β、x-y、零序互相正交。（2）電動(dòng)機(jī)的空間矢量中的一次諧波與10k±1（k=1，2，…）次所有的較高諧波分量被映射到a-β子空間中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)又該子空間的氣隙磁通鏈內(nèi)產(chǎn)生，并且電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能發(fā)生在該空間。（3）電動(dòng)機(jī)空間矢量中的10k±3（k=1，2，…）次所有的較高諧波分量被映射到x-y三次諧波子空間中，參與能量損耗（熱損失和磁滯損耗等），不參與有效能量轉(zhuǎn)換，這些諧波分量存在于于非機(jī)電能量量子空間[11]。（4）電機(jī)空間矢量中的5k（k=1，2，…）次所有的諧波分量被映射到了零序子空間，該子空間的電氣量也不參與有效能量轉(zhuǎn)換。在經(jīng)過空間解耦后，能夠使ABCDE坐標(biāo)系中的5維電機(jī)的電氣量等實(shí)際參數(shù)映射到二維機(jī)電能量子空間，極大程度上將模型的復(fù)雜度和階數(shù)進(jìn)行了降低，如此便可以更加便捷的建立起五相電機(jī)的實(shí)際物理模型，另一方面來說也可以為五相電機(jī)系統(tǒng)之后的有效控制奠定基礎(chǔ)。PARK變換異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速（即定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度），因此park變換存在兩個(gè)角度?？梢酝ㄟ^同樣的變換矩陣對(duì)轉(zhuǎn)子繞組變量實(shí)施坐標(biāo)變換，但公式中的角度應(yīng)該用β，β=θs-θ、-0來代替，這些符號(hào)中θs指的是公共坐標(biāo)系d軸與a相定子繞組磁場(chǎng)軸相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角位置，β是指公共坐標(biāo)系d軸與a相轉(zhuǎn)子繞組磁場(chǎng)軸相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角位置。由此可見，轉(zhuǎn)子變量的變換矩陣如下所示：（2.23）（2.24）通過clark與park變換，可將強(qiáng)耦合的電機(jī)模型解耦，在不同矢量空間對(duì)變量進(jìn)行獨(dú)立控制。為簡(jiǎn)化計(jì)算，令（2.25）（2.26）則（2.27）（2.28）定子變量的變換公式和轉(zhuǎn)子變量的變換公式中的角度和任意速度的選定公共坐標(biāo)系的速度有聯(lián)系：（2.28）（2.29）其中ω是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)電角速度。五相感應(yīng)電機(jī)模型解耦（1）解耦模型結(jié)合自然坐標(biāo)系下電機(jī)模型及和，得到：（2.30）將式（2.30）拆開得到（P為微分因子，）（2.31）引入勵(lì)磁電感，式（2.31）中的磁鏈分別為（2.32）在式（2.32）中，令為定子電感，令為轉(zhuǎn)子電感。在進(jìn)行坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式并沒有任何改變。在五相異步電機(jī)中，x-y變量與d-q坐標(biāo)變量解耦，同時(shí)x-y與轉(zhuǎn)子電路也無耦合。這對(duì)具有正弦分布MMF的n相交流電機(jī)都成立，僅有一對(duì)變量，即d-q坐標(biāo)變量產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其他坐標(biāo)量?jī)H僅是增加電機(jī)損耗。不同次數(shù)的定子電壓/電流諧波分別映射到d-q或x-y平面中，具體映射關(guān)系與諧波次數(shù)有關(guān)，見表2.1，這是多相系統(tǒng)的共同特點(diǎn)。這將導(dǎo)致多相電機(jī)的控制出現(xiàn)顯著不同。因此，基波、9次、11次等諧波由d-q分量產(chǎn)生，3次、7次、13次等諧波由x-y分量產(chǎn)生，5次整數(shù)倍的諧波則由零序分量產(chǎn)生。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11五相異步電機(jī)諧波映射關(guān)系Tab.2.SEQTab\*ARABIC\s21HarmonicMappingRelationofFive-phaseAsynchronousMotor分量五相系統(tǒng)d-q10j±1（j=0,1,2,…）x-y10j±3（j=0,1,2,…）零序10j±5（j=0,1,2,…）（2）轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算通過對(duì)五相定子電流進(jìn)行坐標(biāo)變換、磁鏈定向，就可以得到了轉(zhuǎn)子磁通方向d-q坐標(biāo)系中的電流isd和isq。公式如下所示：（2.33）在上式中，Tr是電磁時(shí)間常數(shù)，Tr=Lr/Rr，五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制技術(shù)研究五相逆變器電壓空間矢量分布圖3.1中展示了五相PWM電壓型逆變器供電方式的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中所示的逆變器采用五相半橋逆變電路，通過五個(gè)橋臂組成，每一個(gè)橋臂上包含兩個(gè)開關(guān)管，圖中由Si(i=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10)表示理想的開關(guān)管，該電路擁有許多優(yōu)點(diǎn)，例如控制簡(jiǎn)單，使用器件少等。直流母線輸入電壓Ud。為每個(gè)橋臂兩端所施加的直流電壓，負(fù)載為繞組對(duì)稱的五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，每相繞組以其等效電阻及電感組成的RL串聯(lián)電路表示。為防止出現(xiàn)橋臂短路等情況，五相逆變器控制過程中要求任何時(shí)刻每一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管必須保證一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷。為簡(jiǎn)化調(diào)制算法分析，可令第i個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，Si=1；否則，Si=0。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11五相PWM電壓型逆變電路主電路FigSTYLEREF2\s3.1.Maincircuitoffive-phasePWMvoltagesourceinvertercircuit由圖3.1可以得知，逆變器輸出端至直流電源中性點(diǎn)g的電壓為(3.1)其中，SA，SB，SC，SD，SE為開關(guān)函數(shù)，定義為（3.2）由逆變器輸出端A、B、C、D、E至直流電源中性點(diǎn)g的電壓為（3.3）式（3.3）中，Uag，Ubg，Ucg，Udg，Ueg為逆變器輸出相電壓，其中Uog是負(fù)載中性點(diǎn)O與直流電源中性點(diǎn)g的電壓。設(shè)五相負(fù)載對(duì)稱，有，由式（3.3）可得（3.4）將式（3.3）代入式（3.4）得（3.5）再將式（3.1）代入式（3.5），可得（3.6）五相SVPWM調(diào)制五相調(diào)制基本理論同三相SVPWM逆變器調(diào)制策略相比，多相逆變器擁有更多的電壓矢量，具有更大的靈活性，但算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也會(huì)有所上升，高性能多相逆變器SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)一直是多相電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域的關(guān)鍵研究問題之一。利用矢量空間解耦變換，可將五相逆變系統(tǒng)的電壓矢量投影到α1-β1子空間和α3-β3子空間，投影后參考電壓矢量為（3.7）（3.8）式（3.8）、（3.9）中，為基波參考電壓矢量，為三次諧波參考電壓矢量。由式（3.8）和式（3.9）可以得到在開關(guān)的不同狀態(tài)下所組成的2^5(即32)個(gè)基本的電壓矢量，這些基本電壓矢量中包含30個(gè)非零矢量與2個(gè)零矢量，圖3.2分別展現(xiàn)了在α1-β1子空間和α3-β3子空間中基本電壓矢量的具體分布情況。三十個(gè)非零矢量又可以依據(jù)其幅值分為大矢量，中矢量和小矢量三種，每種10個(gè)，組成了三個(gè)邊長(zhǎng)為0.6472，0.4，0.2472的正十邊形[12]。（a）α1-β1子空間電壓矢量分布（b）α3-β3子空間電壓矢量分布(a)a1-β1subspacevoltagevectordistribution(b)a3-β3subspacevoltagevectordistribution.圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12五相逆變器電壓空間矢量的空間分布FigSTYLEREF2\s3.2SpatialDistributionofVoltageSpaceVectorofFive-phaseInverter根據(jù)選擇不同的空間電壓矢量組合，可以將SVPWM分成NTV-SVPWM與NFV-SVPWM。其中NTV-SVPWM控制組成目標(biāo)輸出矢量時(shí)只選擇2/3工作方式（上橋臂2個(gè)開關(guān)管（5選2）打開，下橋臂3個(gè)開關(guān)管（5選3）打開，滿足約束條件：任何時(shí)刻每一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管必須保證一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷）的10個(gè)max電壓矢量，這種控制方式存在輸出電壓以及輸出電流中含低次諧波的缺陷，由此可知該控制方法在五相系統(tǒng)中并不適合使用。與NTV-SVPWM控制不同的是，NFV-SVPWM控制選用了10個(gè)最大電壓矢量和10個(gè)中等電壓矢量，從而使得到的PWM輸出波形更加平滑，減少了輸出電壓的低次諧波，提高直流母線利用率,，能量利用率更高。下面將著重分析NFV-SVPWM控制方式。（1）扇區(qū)選擇仿照三相逆變器SVPWM策略中判斷扇區(qū)的方法，可分別使五個(gè)電壓矢量為（3.9）之后根據(jù)式（3.10）和表3.1中所展現(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系就能夠確定電壓矢量所處的扇區(qū)。（3.10）在上述公式中，sign(x)代表符號(hào)函數(shù)，當(dāng)x>0時(shí)，sign(x)=1；否則，sign(x)=0。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11N值與扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系TabSTYLEREF2\s3.2.NValueandSectorNumberCorrespondence扇區(qū)號(hào)IIIIIIIVVN1917252428扇區(qū)號(hào)VIVIIVIIIIXXN1214673（2）對(duì)各個(gè)扇區(qū)內(nèi)的電壓矢量作用時(shí)間進(jìn)行計(jì)算以NFV-SVPWM控制方法為基礎(chǔ)，五相逆變器中的電壓矢量分別被映射到兩個(gè)二維子空間中。首先在α1-β1(同上文α-β)子空間中選擇與基波參考電壓矢量距離最接近的2個(gè)大矢量UL與2個(gè)中等矢量Us，將基波參考電壓矢量合成。將α3-β3(同上文x-y)子空間中與上述2個(gè)大矢量和中等矢量所對(duì)應(yīng)（下標(biāo)相同）的兩個(gè)小矢量進(jìn)行合成，得到三次諧波參考電壓矢量，例如在第一扇區(qū)中，通過選擇、四個(gè)矢量進(jìn)行空間電壓矢量合成[13]。圖3.3中就展示了合成空間電壓矢量的過程，這是從其矢量關(guān)系中獲得的。（3.11）（3.12）式中，為開關(guān)周期，和分別為和四個(gè)空間電壓矢量的作用時(shí)間。基波參考電壓矢量合成(a)synthesisoffundamentalreferencevoltagevector三次諧波參考電壓矢量合成(b)Thirdharmonicreferencevoltagevectorsynthesis圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13第一扇區(qū)基波和三次諧波電壓矢量合成Fig3.3Firstsectorfundamentalwaveandthirdharmonicvoltagevectorsynthesis.將式(3.11)和式(3.12)進(jìn)行聯(lián)立，就能夠通過計(jì)算得出第一扇區(qū)四個(gè)矢量的作用時(shí)間。而對(duì)零矢量來說，它的作用時(shí)間能夠通過求得。其他各個(gè)扇區(qū)作用時(shí)間的求解方式基本上與第一扇區(qū)相同,可以使用統(tǒng)一的矢量平衡表達(dá)式(3.13)和(3.14)代替上文中式(3.11)和式(3.12)來聯(lián)立求解，就能夠得出每個(gè)扇區(qū)下的工作時(shí)間。（3.13）（3.14）式（3.13）、（3.14）中，k為參考電壓矢量所在的扇區(qū)號(hào)。（3）確定開關(guān)器件的切換順序只有當(dāng)各矢量以一定順序作用時(shí)，開關(guān)元器件的總開關(guān)次數(shù)才能最少。仍然從第一扇區(qū)來看，每半個(gè)開關(guān)周期中，若各矢量依據(jù)順序作用，那么每個(gè)開關(guān)器件在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)僅僅有一次動(dòng)作，開關(guān)損耗最低。同理可推知其它9個(gè)區(qū)的開關(guān)器件切換順序[14]，如圖3.4所示。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s14開關(guān)器件切換順序Fig3.4Switchingsequenceofswitchingdevices五相SVPWM仿真圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s15扇區(qū)判斷Fig3.5SectorJudgment如圖3.5所示，根據(jù)公式3.10依次判斷扇區(qū)為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s16五相調(diào)制波(馬鞍波)Fig3.6Five-phasemodulatedwave(saddlewave)如圖3.6所示，通過計(jì)算得到的電壓矢量的工作時(shí)間調(diào)制波和載波進(jìn)行對(duì)比后，方波脈沖信號(hào)產(chǎn)生，在五相橋逆變器開關(guān)管的控制端施加這個(gè)時(shí)間信號(hào)，五相逆變器將輸出如上圖所示的五種不等幅值和不等寬的脈寬電壓。五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制基本原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)矢量控制又被稱作FOC。達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的K.Hasse在60年代末提出了一種電機(jī)矢量控制的概念，差不多同時(shí)期的F.Blaschke也于1970年代初提出了相差不多的概念，這種概念主要應(yīng)用于交流電機(jī)控制[15]。FOC控制對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行控制的主要方法是通過逆變器的電壓矢量來實(shí)施的，通過此種方法也可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)施間接控制。這種方法可以減小電動(dòng)機(jī)的耦合強(qiáng)度，具有更大的調(diào)節(jié)范圍，但對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)要求更高，當(dāng)溫度波動(dòng)大或者存在其它擾動(dòng)時(shí)，矢量控制對(duì)電機(jī)的控制性能將被削弱，影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。在多相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制領(lǐng)域中，矢量控制具有很強(qiáng)的普適性。五相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別是電流閉環(huán)控制模型，轉(zhuǎn)矩解耦控制模型和轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算模型[16]。在圖3.7中展示了五相感應(yīng)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s17五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig3.7StructureDiagramofVectorControlSystemofFive-phaseInductionMotor由圖3.7可知，F(xiàn)OC的主要部分包括PI控制器設(shè)計(jì)、坐標(biāo)變換、五相SVPWM調(diào)制、電機(jī)模型、磁鏈計(jì)算、電信號(hào)（電流和電壓）和轉(zhuǎn)速信號(hào)采集等幾部分。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程去研究FOC的核心內(nèi)容，認(rèn)為信號(hào)采集是理想不失真的、開關(guān)器件是理想的、PI控制器設(shè)計(jì)通過湊試法（實(shí)際是雙閉環(huán)工程整定法）。在對(duì)所檢測(cè)的五相電流進(jìn)行矢量空間解耦變換以及同步旋轉(zhuǎn)變換后，就能夠得到d-q子空間中的電流isd與isq以及x-y子空間中的電流isx與isy，通過將解耦項(xiàng)與電流調(diào)節(jié)器的輸出相加，能夠得出所需要的定子電壓給定值usd*、usq*、usx*與usy*，再經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換就可以得到usα*、usβ*、usx*和usy*。在dqxy0下的電機(jī)模型的基礎(chǔ)上可以得到，坐標(biāo)系中的d軸和q軸并不是完全的解耦，因此依然存在耦合項(xiàng)，所以可以將它引進(jìn)電流閉環(huán)中，以實(shí)現(xiàn)完全解耦的目的，電流閉環(huán)的前饋解耦項(xiàng)分別是（3.15）（3.16）再經(jīng)逆變器輸出五相電壓，其中電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù)，。綜上所訴，五相感應(yīng)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)參數(shù)如表3.2、表3.3所示。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12電機(jī)參數(shù)如下Tab3.2MotorparametersareasfollowsRr/ΩRs/ΩLls/HLlr/HLm/HP/對(duì)0.3759190.367260.00210.0030.26952JTL_ref/(Nm)Nerf/(r/min)isx_ref/Aisy_ref/Aphi_ref/wb0.05981460000.9表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13控制參數(shù)如下TabSTYLEREF2\s3.3ControlparametersareasfollowsPI磁鏈環(huán)PI3000.03轉(zhuǎn)速環(huán)PI200.03x軸電流環(huán)PI2000.0001d軸電流環(huán)PI50.08d軸電流環(huán)PI200.01y軸電流環(huán)PI200.0001基于Simulink的五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真五相感應(yīng)電機(jī)模型驗(yàn)證Simulink之電機(jī)控制Simulink是一個(gè)可視化的仿真工具，它可以為各個(gè)領(lǐng)域的模擬與建模建設(shè)模塊化的圖形環(huán)境。通過Simulink仿真，實(shí)現(xiàn)了各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模型仿真、自動(dòng)生成代碼，并對(duì)其進(jìn)行持續(xù)的測(cè)驗(yàn)，MATLAB軟件具有圖形化的編輯器、能夠自定義的模塊庫(kù)和求解程序，可用于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建模與模擬，對(duì)MATLAB與Simulink模塊結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)MATLAB算法與模型的一體化，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行更深入的研究分析[17]。Simulink模塊在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。它可用于電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真，包括直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等各種類型的電機(jī)。通過該模塊能夠使對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的方式簡(jiǎn)單化，更便捷的進(jìn)行研究和操作以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，具體來說，Simulink在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：（1）電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真：通過Simulink中的圖形編輯器與模塊庫(kù)，可以方便地搭建電機(jī)控制系統(tǒng)的模型，并且展開分析。這能讓研發(fā)人員在設(shè)計(jì)階段就能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能，從而避免在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)問題。（2）控制算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化：Simulink軟件支持PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等各種控制算法的實(shí)現(xiàn)。通過Simulink，可以對(duì)這些算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而提高矢量控制系統(tǒng)的工作性能[18]。（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和仿真：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的不可忽視的組成部分，它的性能與電機(jī)的運(yùn)行效果直接聯(lián)系。通過Simulink，可以對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，從而優(yōu)化其性能和提高其可靠性。Simulink在電機(jī)控制領(lǐng)域發(fā)揮著很大的作用，它可以幫助研發(fā)人員更好地研究電機(jī)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行特性。感應(yīng)電機(jī)模型搭建根據(jù)第二章中五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，如下圖所示：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11感應(yīng)電機(jī)模型驗(yàn)證FigSTYLEREF2\s4.1ModelVerificationofInductionMotor如圖4.1在dqxy0坐標(biāo)系下建立仿真模型，給定五相正弦電源（310v/50hz），轉(zhuǎn)矩給定負(fù)載為30Nm。輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩如下圖轉(zhuǎn)矩torque轉(zhuǎn)速(b)rotationalspeed圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s12電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩Fig4.2Speedandtorqueofmotor如上圖，在穩(wěn)定供電的情況下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩最終穩(wěn)定在理論值，驗(yàn)證了電機(jī)模型的正確性。五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制波形分析運(yùn)行工況設(shè)定理論同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)差率為2.61%，故設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1460r/min（此時(shí)轉(zhuǎn)差率為2.67%）；根據(jù)電機(jī)功率24.5kw，計(jì)算出額定電磁轉(zhuǎn)矩Te為156Nm，設(shè)定在0.35s給定負(fù)載78Nm（50%的負(fù)載），在0.5s給定負(fù)載148Nm（95%的負(fù)載）；另外，設(shè)定磁鏈為0.9wb。在此工況下，仿真電機(jī)的運(yùn)行。輸出波形分析在上一小節(jié)，設(shè)定了電機(jī)的運(yùn)行工況，具體輸出波形如下。定子電流圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s13五相電流Fig4.3Five-phasecurrent如圖4.3五相電流正弦度好，諧波少，波形平滑。在負(fù)載變化時(shí)，電流也隨負(fù)載變化且?guī)缀鯚o超調(diào)。系統(tǒng)控制性能優(yōu)異。（a）直軸電流isd(a)directaxiscurrentisd（b）交軸電流isq(b)Quadratureaxiscurrentisq圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s14交直軸電流Fig4.4Quadratureaxiscurrent理論上采用的id=0的FOC控制，在電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)際id=0。如圖4.4（a），直軸電流isd在初始狀態(tài)和0.35s及0.5s時(shí)刻收到干擾時(shí)，發(fā)生了波動(dòng)，之后迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。如圖4.4（b），交軸電流isq與磁鏈及極對(duì)數(shù)共同決定了電磁轉(zhuǎn)矩的大小，磁鏈基本不變，極對(duì)數(shù)為定值，電磁轉(zhuǎn)矩Te跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL變化而變化，故isq正比于Te。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s15諧波空間電流Fig4.5HarmonicSpaceCurrent如上圖4.5，穩(wěn)態(tài)時(shí)諧波電流isxy基本為0A。雖然諧波電流不參與電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換，但是諧波會(huì)增加電機(jī)銅損及鐵損，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱和絕緣降低，能量利用率低。故諧波空間采用電流閉環(huán)控制，給定電流為0，抑制電流，使其再±1A之內(nèi)。轉(zhuǎn)矩跟蹤圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s16轉(zhuǎn)矩Fig4.6Torque如上圖4.6，電磁轉(zhuǎn)矩Te跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL變化而變化，設(shè)定在0.35s給定負(fù)載78Nm（50%的負(fù)載），在0.5s給定負(fù)載148Nm（95%的負(fù)載），Te幾乎完美跟蹤TL，且無超調(diào)。轉(zhuǎn)速跟蹤圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s17轉(zhuǎn)速Fig4.7Speed如上圖4.7，設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1460r/min（此時(shí)轉(zhuǎn)差率為2.67%），初始狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)無超調(diào)。在0.35s給定負(fù)載78Nm，在0.5s給定負(fù)載148Nm，轉(zhuǎn)速分別降落10r/min、9r/min，降落分別為額定轉(zhuǎn)速的0.68%、0.62%，滿足工程需求。（4）磁鏈圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s18磁鏈Fig4.8Fluxlinkage如上圖4.8，根據(jù)磁鏈公式，其值正比于isd，前面已經(jīng)分析isd在0.35s和0.5s存在波動(dòng)，故磁鏈也存在稍微波動(dòng)，波動(dòng)范圍在0.015wb以內(nèi)。五相感應(yīng)電機(jī)仿真總結(jié)本章根據(jù)前三章的理論，在Simulink中搭建模型，分別完成了對(duì)五相感應(yīng)電機(jī)模型的驗(yàn)證和對(duì)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由輸出的波形可以得到結(jié)果，電動(dòng)機(jī)參數(shù)正確、控制參數(shù)合理。

結(jié)論多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)在低電壓、高功率、高可靠性等方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，擁有很深的發(fā)展?jié)摿?。本文通過査閱大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，主要以五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，選取相鄰最近四矢量算法（NFV-SVPWM）作為五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制方式，圍繞五相感應(yīng)電機(jī)的SVPWM矢量控制技術(shù)這一主題，分為四大章節(jié)，分別從電機(jī)模型、坐標(biāo)變換理論、電機(jī)解耦、五相逆變器、五相SVPWM調(diào)制等幾部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后，在simulnk中模型搭建驗(yàn)證和矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文的研究成果和主要結(jié)論如下：（1）本項(xiàng)目針對(duì)五相感應(yīng)電機(jī)的建模問題，從電機(jī)的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩及運(yùn)動(dòng)方程等方面展開深入的分析研究，將坐標(biāo)變換原理應(yīng)用到五相感應(yīng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)五相感應(yīng)電機(jī)的解耦。（2）進(jìn)行了對(duì)五相感應(yīng)電機(jī)矢量控制技術(shù)的研究。通常可分為NTV-SVPWM與NFV-SVPWM。