基于异步电动机矢量控制系统仿真模型设计

异步电动机矢量控制系统的仿真模型设计

中文摘要：矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，它的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。本文针对异步电动机磁链闭环矢量控制进行研究和探索。通过空间矢量的坐标变换，对系统进行建模，其中包括直流电源、逆变器、电动机、转子磁链电流模型、ASR、ATR、AΨR等模块。并对控制系统进行了MATLAB/Simulink仿真分析。

关键词：异步电动机、矢量控制、MATLAB仿真

Abstract：V ector control(VC) is based on motor unification principle,energy conversion and vector coordinate transformation theory.By transforming coordinate, The stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively.So magnetic flux and torque are decoupled. It controls the asynchronous motor as a synchronous way. This paper does some research works of the asynchronous motor flux vector control closed-loop research and exploration. Through the space vector coordinate transformation, and the modeling of system,including DC power supply, inverter, AC motor, rotor flux current model, the ASR, ATR,AΨR and modules. And the control system is MATLAB/Simulink analysis.

Key Words：Asynchronous Motor,V ector Control,MATLAB Simulation

一、绪论

1、交直流调速系统的相关概念及比较

交流调速系统是以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统。直流调速系统是以直流电动机作为控制对象的电力传动自控系统。

直流调速系统可以在额定转速以下通过保持励磁电流改变电枢电压的方法实现恒转矩调速;在额定转速以上通过保持电枢电压改变励磁电流来实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的静、动态调速特性，因此直流调速在很长时间以来(20世纪80年代以前)一直占据主导地位。

但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这就给直流调速系统的开发及应用带来了一系列的限制，具体表现在以下几个方面:

(1)机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一定的限值，这极大的限制了单台电动机的转速和运行功率。而且，大功率的电机制造技术难，成本高。对于高转速大功率的电动机应用场合，直流调速方法是行不通的。

(2)为使直流电动机的机械式换向器能够可靠的工作，往往要增大电枢和换向器的直径，导致电机转动惯量很大，对于要求快速响应的生产场合就不能够实现。

(3)机械式换向器带来的另外一个麻烦就是必须经常检修和维护，因为电刷要必须定期更换。这样导致直流调速系统的维护工作量大，运行成本高，同时由于定期的停机检修也造成了生产效率的下降。

(4)由于电刷的电火花，直流电机也不能应用于易燃易爆的生产场合，对于多粉尘和多腐蚀性气体的地方也不适用。

总之，由于直流电动机存在的这些问题，使得直流电动机的应用受到了极大的限制，也使得直流调速系统的发展和应用受到相应的限制。

相对于直流电动机而言，交流电动机(特别是鼠笼型异步电动机)具有许多优点:结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。

交流调速系统由于采用了无换向器的交流电动机作为调速传动设备，突破了直流电动机所带来的种种限制，可以满足生产生活的各种需求，具有很大的发展潜力。

2、交流调速系统的历史和现状

电能是现代社会最广泛使用的一种能量形式，具有生产和变换比较经济、传输和分配比较容易，使用和控制比较方便的特点，因此成为国民经济各部门动力的主要来源。而电能的生产、交换、传输、分配、使用和控制等，都必须利用电机来完成。所以电机传动在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中得到了广泛的应用。其中许多的机械对调速有要求，如城市无轨电车，铁路牵引机车，电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行、生产工艺的要求需要调速;另一类机械如风机、水泵等为了减少运行损耗、节约电能也需要调速。在20世纪70年代以前的很长一段时间内，直流调速占统治地位，交流调速系统的方案虽然己有多种发明并得到实际应用，但其性能始终无法与直流调速系统相匹敌。因为直流调速系统具有启制动性能良好，调速范围广，调速精度高，控制方案简单高效等突出的优点。同时直流调速系统与交流调速系统相比无论从理论土还是实践上都十分成熟。对于直流电机而言，只需要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以在很广的范围内实现无级调速，而且在磁场恒定的条件下它的转矩和电枢电流成正比，转矩易于控制。因此直流电动机调速系统比较容易获得优良的动态性能。并且随着半导体变流器件的发展，直流调速系统也从旋转变流机组(G一一M系统)，静止可控硅变流器调速系统(V一M系统)发展到目前为止还在很多领域(铁路用的直流牵引机车和城市无轨电车等)广泛应用的直流斩波器和脉冲宽度调制器直流调速系统。但是直流电动机本身具有机械接触式换向器，这使得直流电机调速系统的应用带来一些问题。

（1）首先电机的结构复杂，制造费时，价格昂贵。在使用时由于换向器的存在，调速系统的维护费时费力。因为换向器的机械强度不高，电刷易磨损，需要经常维护检修。

（2)由于换向器的换向问题的存在，对调速系统容量和最高速度有限制。无法感应电机矢量控制系统的研究与仿真做成高速大容量的机组。

(3)无法应用在粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆的场合。

所有这些使得直流拖动系统无法适应现代拖动系统向高速大容量方向发展的趋势。而交流电动机，特别是鼠笼型交流异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，体积小(与同容量的直流电机相比)，并且坚固耐用，转动惯量小，运行可靠，维护简单，可用于恶劣场合等优点，在各种场合得到了广泛的应用。但是交流调速比较困难，与直流电机气隙磁场有励磁绕组产生，交流电机的气隙磁场则是有定子绕组和转子绕组共同产生，这就使得交流电机的电磁转矩不

再与定子电流成正比关系。这样就不能通过简单的控制定子电流就可以控制电机的转矩。自20世纪30年代人们开始进行交流调速技术的研究，认识到变频调速是交流电动机的一种最好的调速方式，他既能实现宽范围无级调速，又具有很好的动态性能。但是由于进展不大，在20世纪的大部分时间直流调速仍占据统治地位。直到上世纪六七十年代电力电子技术和控制技术的相继出现和飞速发展最终促成高性能可与直流调速系统相媲美的交流调速系统的出现，到目前交流调速在电力拖动中已占据主导地位。七十年代初期，西门子公司的F.Blashke和WFlotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的。得到了类似于直流电机的模型，1980年，日本.ANabas教授和山村昌教授提出转差矢量控制系统，标志着矢量控制理论的初步形成。直接转矩控制(DTC)是80年代中期提出的又一转矩控制方法，它的设计思路是把电机和变频器作为一个整体去控制，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通和转矩的计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此DTC无需对定子电流进行解藕，不需要复杂的矢量变换计算，控制结构简单，目前也是矢量控制研究的一个重要分支。同时各国学者也致力于无速度传感器控制系统的研究，利用定子电流、电压等容易检测的物理量对电机的速度进行在线估计以取代速度传感器。从而进一步拓展变频器的适用范围。无速度传感器矢量控制系统必须保证速度估算的实时性，以满足实时控制的要求。

总的来说，由于电力电子器件的飞速发展，各种价格便宜，性能优越的微处理器芯片的不断涌现如:适合运动控制的16位高档单片机以及德州仪器的

TMS240X系列DSP芯片，促进了交流调速系统从模拟控制系统向数字控制系统的转变。运算速度的提高以及各种针对运动控制的片内资源的丰富性使得以前看来无法实现的复杂的控制算法变得简单起来，各种控制用微处理器的运算速度的提高，片内资源的日益丰富，集成度的提高无一不促进交流调速系统数字化。可以说数字化将成为控制技术的发展方向。

3、本文的意义及主要工作

异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得实际应用的高性能异步电机调速系统。这两种方案作为高性能的调速系统，都能实现较高的静、动态性能，但两种系统的具体控制方法不一样，因而具有不同的特色和

优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，又各有所侧重的应用领域。针对目前变频器技术的两种技术”矢量控制”及”直接转矩控制’，上海大学的陈伯时教授在，交流变频传动控制的发展”的报告中，就两种控制原理进行了深入的对比，得出了技术本身并无本质差别、各有优缺点的结论。对比直接转矩控制系统，矢量变换控制系统有可连续控制、调速范围宽等显著优点，且多年来在简化矢量变换控制系统方面亦己获满意的结果，为此矢量变换控制系统仍不失为现代交流调速的重要方向之一。

在现代计算机应用技术的快速发展下，电力传动自动控制系统的设计也受益于计算机仿真技术的成熟应用。通过建立计算机仿真模型，在人为的模拟环境下通过计算机的仿真运行，就可以模拟替代真实电机在工作现场的运行实验条件，并得到可靠的数据，节约了研究时间和费用。计算机仿真带来的另一个优点是在系统设计之初进行仿真，可以预测系统行为特性并可通过计算机来不断修改系统参数直到获得理想的系统特性。这样就可以实现系统的优化设计。 本文的主要工作：

（1）较为详细地分析异步电机磁链闭环矢量控制系统基本原理与系统组成。 （2）构建异步电动机磁链闭环矢量控制调速系统各模块的仿真模型。

二、 异步电动机矢量控制系统

1、矢量控制系统原理

既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量控制系统，简称VC 系统。VC 系统的原理结构如图2.1所示。图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的

控制器，产生励磁电流的给定信号*m i 和电枢电流的给定信号*t i ，经过反旋转变换

1

-VR

一得到*αi 和*βi ，再经过2／3变换得到*A

i 、*

B i 和*

C i 。把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号1ω加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。、、、、、、、、、、

图2.1矢量控制系统原理结构图

在设计VC 系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器1-VR 与电机内部的旋转变换环节VR 相抵消，2／3变换器与电机内部的3／2变换环节相抵消，则图2.1中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。

2、坐标变换的基本思路

坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流A i 、B i 、C i ，通过三相——两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流αi 和βi ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流d i 和q i 。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。

把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图2.l 。从整体上看，输人为A ，B ，C 三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过3／2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由m i 和t i 输入，由ω输出的直流电动机。。。。。。。

A

图2.2 异步电动机的坐标变换结构图

3、坐标变换

（1）三相——两相坐标系变换（3/2变换）

图2.3为交流电机坐标系等效变换图。图中的A ，B ，C 坐标轴分别代表电机参量分解的三相坐标系。而α,β则表示电机参量分解的静止两相坐标系。每一个坐标轴上的磁动势分量，可以通过在此坐标轴的电流i 与电机在此轴上的匝数N 的乘积来表示。

图2.3 坐标变换图

假定A 轴与a 轴重合，三相坐标系上电机每相绕组有效匝数是3N ，两相坐标系上电机绕组每相有效匝数为2N ，在三相定子绕组中，通入正弦电流，则磁动势波形为正弦分布，因此，当三相总安匝数与两相总安匝数相等时，两相绕组瞬时安匝数在βα,轴上投影应该相等。因此有式（2-1）和（2-2）。 )2

12

1(60cos 60cos 3030332i i

i i i i i C

B

A C

B A N N N N N -

-

=--=α （2-1）

)

(2

360sin 60sin 303032i i i i i C B C B N N N N -=

-=β (2-2)

为了保持坐标变换前后的总功率，即应该保持变换前后有效绕组在气隙中的磁通相等

23B B = （2-3） 设三相绕组磁通公式：

)]2/32/3(sin )2/12/1([cos 33C B C B A i i i i i KN B -+--=θθ （2-4） 两相绕组磁通公式：

)sin (cos 22**+=βαθi i KN B (2-5)

上面两式K 为固定比例参数，通过增入一个分量，我们可以写成矩阵形式为：

???

??????????????

????

?

???

?

-

-=????

??????C B A i i i x x

x N N i i i 2323

21211

230βα (2-6)

将上两式写成矩阵形式并对其规格化得到下面方程：

()1212112

22

23=???

?

???

?

??? ??-+??? ??-+???? ??N N (2-7) 从上式解得，三相到两相的匝数比应该为：

3

22

3=

N N (2-8)

因此，可以得到下面的矩阵形式：

?

??

??????????????????

?--

-=

??

?

???C B A i i i

i i 232

3

0212

1132βα (2-9)

当电机使用星型接法时，有等式：

0=++C B A i i i (2-10) 则上面的变换矩阵可以写成下面的形式：

??????????

?

????

???=??????B A i i i i 221

02

3

βα (2-11)

同时，我们可以得到从两相到三相的变换矩阵，即为上面矩阵的逆变换：

???????????

?

???

??

?-=??????βαi i

i i B A 261

02

3

（2-12）

从原理上分析，上面的变换公式具有普遍性，同样可以应用于电压或者其他参量的变换中。从三相坐标到两相坐标的变换，通常只是简化电机模型的第一步，为了满足不同参考坐标系的各个参量分量的分析，需要找出不同参考运动坐标系的变换方程，下面推导从静止坐标系到运动坐标系的变换公式。

（2）旋转变换（2s/2r 变换）

α 图2.4 旋转坐标变换图

下面通过相电流的等效变换，来说明旋转变换原理。如图2.4表示了从两相静止坐标系到两相旋转坐标系dq 的电机相电流变换。此变换简称2s/2r 变换。其中s 表示静止，r 表示旋转。从图中可以看出，假定固定坐标系的两相垂直电流与旋转坐标系的两相垂直的电流产生等效的、以同步转速旋转的合成磁动势，由于变换坐标变换前后各个绕组的匝数相等，故能量恒定，因此变换前后的系数相等。当合成磁动势在空间旋转，分量的大小保持不变，相当于在dq 坐标轴上绕组的电流是直流。α轴与d 轴夹角随时间而变化。从图上可以得到:

??

?

???=??????????

??-=??????q d s r q d i i C i i i i 2/2cos sin sin cos θθ

θθ

βα (2-13)

式中s r C 2/2为2s/2r 变换矩阵。

同理，经过坐标逆变换，也可以得到从两相静止坐标系变换到旋转坐标系的变换矩阵：

??

?

???=?

?????????

??-=???

???βαβαθθ

θθ

i i C i i i i r s q d 2/2cos sin sin cos （2-14） 从上面电机的坐标系变换中，可以看到，经过3/2变换以及旋转变换，可以将子三相绕组电流等效在空间任意角度坐标系上。同理，对于任何电参数，都可以通过等效变换，将其变换在空间任意角度的坐标系上。如果将上面推导的电机数学模型中的电压矩阵经过旋转变换，同样可以将电机各个参量等效在空间任意位置的坐标系中，因此当选择与转子磁场固联的坐标系时，可以大大简化电机数学模型，便于电机解耦控制。在当前电机控制系统中应用广泛的广义旋转变换电压变换矩阵为:

?????

???????

?????

?

???

???

???

?

??? ?

?

+-?

?? ??

---??? ??

+?

?? ??

-=

????

?

?????C B A

q d V V V V V V 21

2

1

2132sin 32sin sin 32cos 32cos cos 3

20πθπθθπθπθθ (2-15)

上面的变换矩阵的系数是经过规格化的。在不同控制方式中可将其等效在电机转子上，还可等效在旋转磁场上，也可以等效于一个变量上，如电流，电压，或者磁通等。不同的坐标等效导致了不同的坐标系和不同的控制方法。当角度为零时，就是上述的3/2变换，即为a ，β,0坐标下的模型，当坐标于转子轴上时，对异步电机来说:t ωθ=。

4、异步电动机在不同坐标系下的数学模型

（1）异步电动机在βα,坐标系上的数学模型

对于异步电机定子侧的电磁量我们用下角标以s ，对于转子侧的电磁 量用下角标r ，气隙电磁量则用下角标m ，电压矩阵方程为:

?????

?

?

??

??????????????

?

??+--+++=??????????????β

α

β

α

β

αβαωωωωr r s s r r s s r r s s i i i

i Lrp R Lr

Lmp

Lm

Lr Lrp R Lm Lmp Lmp

Lsp

R Lmp p Ls

R u u u u 00

（2-16） 磁链方程为：

?????

?

?

?????????????????

??=??????

???????

?βα

β

α

βαβαψψψψr r s s r r s s i i i i Lr Lm

Lr Lm Lm Ls Lm Ls

0000000 （2-17）

电磁转矩为：

)(βααβr s r s p i i i i Lm n Te -=

（2-18）

（2）异步电动机在两相旋转坐标上的数学模型

因为2ψ定义方向为d 轴，所以22d ψψ=，2q ψ=0通过变换，异步电机在d-q 坐标系下数学模型，电压方程为：

?????

?

?

????????????????

?

??++--+=??????????????irq rd sq sd

s s r s s rq

rd sq sd

i i i Lr Lm

Lrp

R Lmp Lmp

Lm Lsp

R Ls

Lm Lmp

Ls Lsp

R u u u u 000

01111ωωωωωω （2-19） 磁链方程为：

?????

?

?

?????????????????

??=??????????????rq

rd

sq

sd rq

rd sq sd i i i i Lr Lm

Lr Lm Lm Ls Lm Ls

000000ψ

ψψψ

（2-20）

电磁转矩为：

)(rd sq rq sd p e i i i i Lm n T -= （2-21）

（3）转子磁链计算

按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是r ψ的准确定向，也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置。根据转子磁链的实际值进行控制的方法，称作直接定向。

转子磁链的直接检测比较困难，现在实用的系统中多采用按模型计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。 1）在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型

由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流

βαs s i i 和，在利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在αβ轴上的分量

??

?????++-

=+

--=βα

βχ

αβ

αα

ωψ

ψψωψψψ

s r r r s r r r i Tr Lm Tr dt

d i Tr

Lm

Tr dt d 11

（2-22） 也可表述为：

???

?

???++=

-+=)(1

1)(1

1

α

ββ

β

αα

ψ

ωψ

ψωψ

r r s m r r r r s m r r T i L s T T i L s T （2-23）

然后，采用直角坐标-极坐标变换，就可得到转子磁链矢量的幅值r ψ和空间位置?，考虑到矢量变换中实际使用的是?的正弦和余弦函数，故可以采用变换式

22χαψψψr r r += （2-24）

r

r ψψ?β=sin

（2-25）

r

r ψψ?α=cos

（2-26）

在αβ坐标系中计算转子磁链时，即系统达到稳态，由于电压、电流和磁链均为正弦量，计算量大，程序幅值，对计算步长敏感。

αs i

?cos

r

? 图2.5 在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型

2）计算转子磁链的电压模型

根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以

得到磁链，这样的模型叫做电压模型。

αβ坐标系上定子电压方程为：

?

?

?

??

+-=+-=βββ

ααα

ψ

ψ

s s s s s s s s u i R dt

d u i R dt

d （2-27）

磁链方程为：

??

?

?

?

??

+=+=+=+=βββ

α

ααβββ

αααψψψ

ψ

r r s m r r r s m r r m s s s r m s s s i L i L i L i L i L i L i L i L （2-28）

由式（2-27）前两行解出：

???

?

??

?

-=

-=

m

s s s r m s s s r L i L i L i L i ββ

βαα

αψ

ψ （2-29）

代人式（2-28）后两行得：

()??

?

?

?

??

-=

-=ββ

β

αβ

α

σψ

ψ

σψ

ψ

s s s m

r r s s s m r r i L L L i L L L )( （2-30）

由式（2-29）和式（2-30）得计算转子磁链的电压模型为：

[]

[]

??

?

?

?

??

--=

--=

??βββ

βααα

ασψσψs s s s s m

r r s s s s s m

r r i L dt i R u

L L i L dt i R u L L )()(

（2-31）

计算转子磁链的电压模型如图6所示，其物理意义是：根据实测的电压和电

r

?

图2.6 计算转子磁链的电压模型

计算定子磁链，然后，再计算转子磁链。电压模型不需要转速信号，且算法与转子电阻无关，只要定子电阻有关，而定子电阻相对容易测得。和电流模型相比，电压模型受电动机参数变化的影响较小，而且算法简单，便于应用。但是，由于电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子电阻电压降变化的影响也较大。

比较起来，电压模型更适用于中、高速范围，而电流模型能使用低速。有时为了提高准确度，把两种模型结合起来，在低速时采用电流模型，在中、高速时采用电压模型，只要解决好如何过渡的问题，就可以提高整个运行范围中计算转子磁链的准确度。

三、异步电动机矢量控制调速系统的仿真模型

1、各模块的仿真模型

（1）2s/2r变换和2s/2r逆变换的仿真模型

由坐标变换的原理建立3s/2r变换和3r/2s变换的仿真模型，如图3.1，图3.2所示。

图3.1 2s/2r变换仿真模型

图3.2 2s/2r逆变换仿真模型

（2）转子磁链模块

在设计系统中，用到了坐标变换的基础是转子磁链的准确观测，没有它就不能进行2s/2r变换及逆变换，而且转子磁链还关系到能否实现磁场的定向磁链的闭环控制。本人采用的是转子磁链的电流模型。如图3.3所示

图3.3 转子磁链电流模型

（3）异步电动机仿真模型

异步电动机仿真模块如图3.4

图3.4 异步电动机仿真模型

2、带转矩内环的转速、磁链闭环矢量系统仿真模型

带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的电气原理如图15所示。在图中，主电路采用了电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转矩控制内环，转速调节器ASR 的输出是转矩调节器ATR 的给定*

e T ，而转矩的反馈信号e T ，则通过矢量控制方程计算得到，电流中的磁链调节器用于电动机定子磁链的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节。ATR 和ApsiR 的输出分别是定子电流的转矩分量*

st i 和励磁分量*

sm i 。*

st i 和*

sm i 经过2r/3s 变换后得到三相定子电流的给定值*

*

*

sC sB sA i i i ,,，并通过电流滞环控制PWM 逆变器控制电动机定子的三相电流。

图3.9 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统电气原理图

带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型如图16所示。其中直流电源DC 、逆变器、电动机和电动机测量模块组成了模型的住店离开，逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节器ASR 、ATR 、A ΨR 均是带输出限幅的PI 调节器。转子磁链观测使用两相同步旋转坐标系上的磁链模型。

四、异步电动机矢量控系统的仿真及结果分析

1、各模块参数设置

在完成模型建立后，根据得到的各波形图的显示，经过反复的对各个模块参数调试和更改，得到以下个模块的相对标准的参数。

（1）电动机参数

（2）各调节器参数

（3）各给定参数

2、仿真结果

(1) 定子磁链轨迹

图17 （2）三相电流给定波形

图18

（3）转速响应

图19 （4）转速调节器ASR输出

图20

异步电动机矢量控制系统的仿真

异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （1） （2） （3） （4）

（5） 上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率； 是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，和ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，和定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接和实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、

永磁同步电机矢量控制简要原理

关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。

原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref 和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM

异步电机矢量控制

目录 1引言 (1) 1.1 交流电机调速系统发展的现状 (1) 1.2 矢量控制的现状 (1) 1.3 课题的研究背景及意义 (2) 1.4 本课题的主要内容 (2) 2 矢量控制的基本原理 (4) 2.1 坐标变换的基本思路 (4) 2.2 矢量控制坐标变换 (5) 2.3 矢量控制系统结构 (8) 3 转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制 (10) 4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统 (13) 4.1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统 (13) 4.2 带转矩内环的直接矢量控制系统 (13) 5 控制系统的设计与仿真 (15) 5.1 矢量控制系统的设计 (15) 5.2 异步电动机的重要子模块模型 (16) 5.3 系统仿真结果和分析 (18) 6 结论 (21) 参考文献 (22) 致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。

1引言 1.1 交流电机调速系统发展的现状 在当今用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、防、科技及社会生活的方方面面[1] [2] [3] [4]。电动机负荷约占总发电量的60％～70％，成为电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交电动机两大类，交流电动机分为同步电动机和异步电动机两种。电动机作为把能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要使电动机具有较高的机能量转换效率：二是要根据生产机械的工艺要求控制并调节电动机的转速。电动的调速性能直接影响着产品质量、劳动生产效率和节电性能。 但是直到20世纪70年代，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。其原因主要是：(1)不论异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速是最为方便的，而且以获得优异的调速特性。但大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路—定子绕阻，致其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流可方便地控制电动机的转速。但交流电机，特别是笼式异步电动机，拥有结构单、坚固耐用、价格便宜且不需要经常维修等优点，正是这些突出的优点使得气工程师们没有放弃对电力牵引交流传动技术的探索和发展。进入20世纪70代，由于电力电子器件制造技术和微电子技术的突破和发展，先进的控制理论矢量控制、直接转矩控制等具有高动态控制性能的新技术开始被采用，使得交传动进入一个崭新的阶段。 交流电动机的诞生已有一百多年的历史，时至今日已经研制出了形式、用途容量等各种不同的品种。交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类。同电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系：异步电动机则不保这种关系。其中交流异步电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通交流电动机加以利用的。据统计，交流电动机用电量约占电机总用电量的85％。 1.2 矢量控制的现状 自20世纪70年代，德国西门子公司的EBlasehke提出了“磁场定向控制的理论”和美国的PC．Custmna与A．AQark申请了专利“感应电机定子电压的坐标交换控

异步电机矢量控制仿真

2.5异步电机基于磁场定向的矢量控制系统仿真 学号：S16085207020 姓名：李端凯 图1 矢量控制仿真模型整体结构图 图2 id*求解模块 图3 iq*求解模块

图4 DQ到ABC坐标转换模块 图5 求解转子磁链角模块 图6-1 ABC到DQ坐标转换模块 在这一部分转换中包含两种变换——3/2变换和旋转变换。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，按磁动势相等的原则，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，三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换则建立了磁动势不变情况下，三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。图1绘出了ABC 和αβ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α、β轴上的投影都应相等，于是得：

()233332333cos60cos6011 ()22 sin 60sin 602a b c a b c b c b c N i N i N i N i N i i i N i N i N i N i i αβ=--=--=-=+ 写成矩阵形式： 图6-2 ABC 和αβ两个坐标系中的磁动势矢量 111220a b c i i i i i αβ???-- ?????=??????????? 再就是旋转变换，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的变换,称为两相旋转－两相静止变换，简称2s/2r 变换。其变换关系为: cos sin sin cos d q i i i i αβφφφφ-??????=???????????? 由此整理得到： 111cos sin 22sin cos 0a d b q c i i i i i φφφφ????-- ????????=?????-?????????? 同理可得：DQ 到ABC 坐标转换则是其逆变换。 图7 求解磁链模块

异步电机矢量控制Matlab仿真实验

基于Matlab/Simulink异步电机矢量控制系统仿真 一．理论基础 矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的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经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC ，通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流isα和isβ，再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流ism和ist。 图1-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型 从图1-1的输入输出端口看进去，输入为A、B、C三相电流，输出为转速ω，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和旋转变换2s/2r，变成一台以ism和ist为输入、ω为输出的直流电动机。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，ism相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，ist相当于与转矩成正比的电枢电流。 按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值，图1-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。

图1-2矢量控制系统原理结构图 通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量i sm 和转矩分量i st ，转子磁链r ψ仅由定子电流分量i sm 产生，而电磁转矩e T 正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。简化后的等效直流调速系统如图1-3所示。 图1-3简化后的等效直流调速系统 二．设计方法 1.电流模型设计 转子磁链在实用的系统中多采用按模型计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。本设计采用在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型。 由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流i sα和i sβ，在利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在αβ轴上的分量 ?? ? ?? ?? ++-=+--=β αβχαβααωψψψωψψψs r r r s r r r i Tr Lm Tr dt d i Tr Lm Tr dt d 11 (2-1-1) 也可表述为：

感应电机矢量控制系统的仿真

《运动控制系统》课程设计学院： 班级： 姓名： 学号： 日期： 成绩：

感应电机矢量控制系统的仿真 摘要：本文先分析了异步电机的数学模型和坐标变换以及矢量控制基本原理，然后利用Matlab /Simulink软件进行感应电机的矢量控制系统的仿真。采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器，再进行功能模块的有机整合，构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明了该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强，验证了交流电机矢量控制的可行性和有效性。 关键词：异步电机；坐标变换；矢量控制；Simulink仿真 一、异步电机的动态数学模 型和坐标变换 异步电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， 异步电机的数学模型由下述电压方 程、磁链方程、转矩方程和运动方程 组成。 电压方程： 礠链方程： 转矩方程： 运动方程： 异步电机的数学模型比较复杂， 坐标变换的目的就是要简化数学模 型。异步电机数学模型是建立在三相 静止的ABC坐标系上的，如果把它变 换到两相坐标系上，由于两相坐标轴 互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦 合，仅此一点，就会使数学模型简单 了许多。 （1）三相--两相变换（3/2变换） 在三相静止绕组A、B、C和两相 静止绕组a、b 之间的变换，或称三相 静止坐标系和两相静止坐标系间的变 换，简称 3/2 变换。 （2）两相—两相旋转变换（2s/2r变 换） 从两相静止坐标系到两相旋转坐 标系 M、T 变换称作两相—两相旋转 变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表 示静止，r 表示旋转。

永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书剖析

题目1：永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真 一．实验目的 ．加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理1．掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法2 二．实验要求： 1.永磁同步电机双闭环控制系统建模 2.电流控制器设计 3.电流环动态跟随性能仿真实验 4.转速控制器设计 5.转速环抗负载扰动性能仿真实验 6.给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论 三．预习内容 注：以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索 Simulink的启动在MATLAB中键入>>Simulink，进入Simulink library，2014版本的可直接点击MATLAB界面上的Simulink library，在Simulink界面上选择 File->New->Model。如图1所示： 图1 Simulink界面 拖入空白文件作为转速)阶跃函数step(将source一级标题下点击Simulink在．给定，也可用两个ramp函数相减，使转速缓慢达到预定转速，如图2：

图2 转速给定 在Simulink一级标题下点击Ports & Subsystems 选择Subsystem放入空白文件并双击，删除In1和Out1的连线，如图3： 图3 子函数模块 选择Simulink>Continuous下的integrator、Simulink>discontinuous下的Saturation、Simulink>math operation下的gain和Add，连好线后保存并返回，作为PI调节器，其中saturation可设置上下限为100和-100，如图4：

图4 PI子函数模块设置 此PI调节器输出结果作为Iq的电流给定，同样方法得到一个PI调节器，输出结果作为电压给定，并设置saturation上下限为380和-380，Simulink下math operation选择sum双击并修改第二个“+”为“-”，如图5： 图5 转速和电流反馈PI调节 选择Simulink>Ports & Subsystems下的Subsystem 拖入并双击进入子系统，并添加2个In1和1个Out1如图6：

永磁同步电动机矢量控制(结构及方法)

第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。

异步电机的矢量控制系统

电力拖动课程结题报告 题目：异步电机的矢量控制系统 班级：K0312417 姓名：罗开元 学号：K031241723 老师：郎建勋老师 2015年 6月 22 日

前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期，西门子公司的F .Blashke 和W .Flotor 提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink 中SimPowerSystems 模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步 电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的 VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标 系上的定子交流电机A i 、B i 、C i ，通过3/2变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 α i 和 β i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 d i 和q i 。如果观察 者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。 把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图l 。从整体上看，输人为A ，B ，C 三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过3／2变换和按转子磁链

矢量控制异步电动机调速系统仿真设计

摘要 近年来，随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，再加上现代控制理论，特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用，使得交流电机调速技术日臻成熟。以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型，从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制，交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。因此，研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。最后，综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。本设计研究的是矢量控制的异步电动机的调速系统，采用MATLAB软件在其simulink中进行仿真。 关键词：坐标变换矢量控制异步电动机MATLAB simulink仿真

ABSTRACT In recent years, with the development of the power semiconductor device，the microelectronics component, the microcomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day. Depend on the control principle of the MC and the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrant

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的仿真建模

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统 的仿真建模 *** （江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122） 摘要：矢量控制是目前交流电动机的先进控制方式，本文对异步电动机的动态数学模型、转差频率矢量控制的基本原理和概念做了简要介绍，并结合Matlab／Simulink软件包构建了异步电动机转差频率矢量控制调速系统的仿真模型，并进行了试验验证和仿真结果显示，同时对不同参数下的仿真结果进行了对比分析。该方法简单、控制精度高，能较好地分析交流异步电动机调速系统的各项性能。 关键词：转差频率；交流异步电动机；矢量控制；Matlab Modeling and Simulation of induction motor vector control system Based on Frequency control Luxiao (School of Communication and Control, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214036，China) Abstract: Vector control is an advanced AC motor control, this paper dynamic mathematical model of induction motor, slip frequency vector control of the basic principles and concepts are briefly introduced, and combined with Matlab / Simulink software package ,give the slip frequency vector Control System of the simulation model of the induction motor .Showed the simulation results, and simulation results under different parameters were compared. The method is simple, high control precision, can better analyze the AC induction motor drive system of the performance. Keywords: AC asynchronism motor; vector control; modeling and simulation; Matlab; 引言： 由于交流异步电动机属于一个高阶、非线性、多变量、强耦合系统。数学模型比较复杂，将其简化成单变量线性系统进行控制，达不到理想性能。为了实现高动态性能，提出了矢量控制的方法。所谓矢量控制就是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电动机进行控制。因此，它可以实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。 Matlab是一种面向工程计算的高级语言，其Simulink环境是一种优秀的系统仿真工具软件，使用它可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。本文在此基础上构造了一个矢量控制的交流电机矢量控制调速系统，包含了给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节，并给出了仿真结果。 1．异步电动机的动态数学模型 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。在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下的假设： 1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿

异步电机矢量控制设计

异步电机的矢量控制设计及仿真

前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期，西门子公司的F .Blashke和W .Flotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势 为准则，在三相坐标系上的定子交流电机A i、B i、C i，通过3/2变换可以等效成

基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统

基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言 永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。 高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。 永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步

电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。

图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型 首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。 为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。 这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：

Simulink异步电机矢量控制(全文)

异步电动机矢量控制系统的仿真研究 摘要： 本文根据异步电动机矢量控制的基本原理，基于Matlab 软件构造了按转子磁场定向的矢量控制系统的仿真模型。通过仿真试验验证了模型的正确性，结果表明所建立的调速系统具有良好的动态性能，实现了系统的解耦控制。 关键词：异步电动机矢量控制Matlab 仿真 Simulation of Vector Control System for Asynchronous Motor Abstract: According to the basic principles of induction motor vector control，this paper constructssimulation model of rotor magnetic field oriented vector control system based on the MATLAB software.It verifies the accuracy of the model by simulation. Results show that it has good dynamic performance，andit realizes the decoupling control system. Key words: asynchronous-motor; vector control; matlab simulation 0 引言 异步电动机具有非线性、强耦合、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。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的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经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。 1异步电动机矢量控制原理及基本方程式 1.1基本公式 矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。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。分别如下: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + - + - + - - + = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? rq rd sq sd r r r s m m s r s r r m m m m s s s m m s s s rq rd sq sd i i i i P L R L P L L L P L R L P L P L L P L R L L P L L P L R u u u u ω ω ω ω ω ω ω ω 1 1 1 1 1 （1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? rq rd sq sd r m r m m s m s rq rd sq sd i i i i L L L L L L L L ψ ψ ψ ψ （2） ) ( rq sd rd sq m p e i i i i L n T- =（3）当两相同步旋转坐标系按转子磁链定

矢量控制系统仿真课程设计

矢量控制系统仿真课程设计 初始条件： 根据转差频率矢量控制系统原理图设计对应的simulink 仿真模型，电机参数为：额定功率power=2.2KW,线电压2203L V U =,额定频率50f Hz =；定子电阻0.435s R =Ω,漏感0.002ls H L =;转子电阻, 0.816r R =Ω,漏感, 0.002lr H L =;互感 0.069m H L =,转动惯量0.089.^2J kg m =,极对数2P =,其余参数为0。 要求完成的主要任务: （1）用MATLAB 建立矢量控制系统仿真模型； （2）根据仿真结果分析起动时定子电流励磁分量和转矩分量； （3）根据仿真结果分析起动时转速与转子磁链。 摘 要 因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。 直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并用MATLAB 最终得到了仿真结果。 关键词：矢量控制 非线性 MATLAB 仿真 矢量控制系统仿真 1设计条件及任务 1.1设计条件

根据转差频率矢量控制系统原理图设计对应的simulink 仿真模型，电机参数为：额定 功率power=2.2KW,线电压2203L V U =,额定频率50f Hz =；定子电阻0.435s R =Ω,漏感 0.002ls H L =;转子电阻,0.816r R =Ω ,漏感,0.002lr H L =;互感0.069m H L =,转动惯量0.089.^2J k g m =,极对数2P =,其余参数为0。 1.2设计任务 （1）用MATLAB 建立矢量控制系统仿真模型； （2）根据仿真结果分析起动时定子电流励磁分量和转矩分量； （3）根据仿真结果分析起动时转速与转子磁链。 2 异步电动机矢量控制原理及基本方程式 2.1矢量控制基本原理 矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的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经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图2-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流,,A B C i i i ,通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流s i α和s i β再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流sm i 和st i 。m 绕组相当于直流电动机的励磁绕组，sm i 相当于励磁电流，t 绕组相当于电枢绕组，st i 相当于与转矩成正比的电枢电流。其中矢量控制系统原理结构图如图2-2所示。 图2-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型

交流异步电动机的矢量控制系统设计原理

交流异步电动机的矢量控制系统设计原理 本文主要利用电机矢量控制系统原理，提出了一种异步电机矢量控制系统及其控制策略总体设计方案，采用Simulink工具构建了矢量变频调速系统数学模型，详细介绍了各个子模块的构建方法和功能。通过仿真可得系统的动态及稳态性能，表明系统具有较高的响应能力和鲁棒性，为矢量控制技术提供了一种前期检验方法和研究手段。 0引言 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，矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法，由于其交流调速时的优越性被广泛应用到异步电机调速系统中。基于Simulink的交流异步电机仿真可以验证系统设计方案的有效性，在实验室应用过程中可能遇到系统设计难题。 本文以双闭环矢量控制系统为研究对象，在Simu-link中进行仿真来验证控制系统的有效性。通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性，从而证实了本设计方案的可行性。 1矢量控制原理 矢量控制系统，简称VC系统，坐标变换是核心思想。矢量控制的基本思想是以产生同样的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流，等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果，得到直流电动机的控制量。便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得与直流调速系统接近的动、静态性能。 矢量控制中矢量变换包括三相-两相变换和同步旋转变换，将d轴沿着转子总磁链矢量φr的方向称为M轴，将q轴逆时针转90°，即垂直于矢量φr的方向称为T轴，经过变换电压-电流方程改写为式（1），磁链方程为式（2）：

异步电动机矢量控制系统

异步电动机矢量控制系统 由于DSP能对输入数据进行高速处理，克服了一般单片机处理能力有限的问题，而且电路设计较为简单，能获得较强的抗干扰能力，另外DSP具有专业化的指令集，提高了数字滤波器的运算速度，使得DSP在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换等方面具有独特的优势。在电机控制系统中多用DSP作为核心控制器，以满足对实时性、稳定性及可靠性的要求。控制器选用TMS320F2812，具有丰富的电机控制外设电路，16个12位A/D转换通道，12个PWM输出通道，能控制两台三相电机，体积小、价格低、可靠性高，能在高度集成的环境中实现高性能电机控制。基本结构如下：

通过芯片内部自带的ADC转换模块中的3个A/D转换通道捕捉霍尔位置传感器的3个相位置信号，接到ADCINA3、ADCINA4、ADCINA5引脚上，可以检测转子的转动位置。 F2812同时需要3个A/D转换通道对霍尔电流传感器电流进行采集，以获得3个相电流信号。霍尔电流传感器采集电机相电流的瞬时值，估计电机的实时运行状态，如转矩的大小和方向、电机的转速和滑差。 测量电机转速常用的方法有增量编码器和测速发电机。本设计采用光电编码器，F2812包含一个正交编码单元，电机的码盘信号通过CAP1和CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放在寄存器中，通过比较捕捉到的两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向，完成这些仅需两个数字量输入和一个内部寄存器。为防止电流过高对DSP造成损坏，信号经过一个光耦合器件连接到DSP引脚。 2.A/D转换模块 F2812内部集成了16路12位A/D转换模块，模拟量的输入范围是0-3.3V，通道分为两组，0-7为一组，8-15为一组，每组具有一个专门的输入端。事件转换器可将ADC配置成两个独立的8通道模块，也可串接成一个16通道模块。8通道模块将8路输入信号自动排序，并按序选择一路信号进行转换，完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。串接模式下，成为16通道的A/D转换器模块允许对同一个通道信号进行多次转换，主要用于过采样的算法中。 3.电机驱动器 F2812有16路PWM输出口供电机使用，通过控制PWM波的占空比来改变加在电机两端的电压，从而改变电机的转速。由于DSP发出的PWM波功率不足以驱动大功率电机，需要经过IGBT进行功率转换。设计中采用功率芯片如PM100DSA120等，这类芯片利用TTL电平即可实现功率驱动，而且具有完整的隔离及保护功能，如过流、过压保护等。 主要软件设计如下： 1.初始化程序; CLRC CNF SETC OVM SPM 0 SETC SXM LAR AR0,#DEC_MS LAR AR1,#(24-1) LACC #ANGLES_ LARP AR0 INIT_TBL TBLR *+,AR1 ADD #1 BANZ INIT_TBL,AR0 LAR AR4,#79H LDP #0E0H SPLK #68H,WDCR SPLK #0284H,SCSR1 LDP #0E1H