按照转子磁链定向的矢量控制系统仿真 1. 矢量控制技术概述 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，其控制十分复杂。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。将异步电动机的异步电动定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 ω 图1 带转矩内环节磁链闭环的矢量控制系统结构图 2. 几个关键问题： ● 转子磁链函数发生器 根据电机的调速范围和给定的转速信号，在恒转矩范围内恒磁通调速、转子磁通保持额定磁通；在恒功率范围内弱磁调速，转子磁通随转速指令的增大而减小。 转子磁链函数发生器用来产生磁链大小信号。这里采用下面的曲线。转子磁链的幅值一般为1。 ● 转子磁链的观测与定向 转子磁链的观测模型主要有二种： （1） 在两相静止坐标系上的转子磁链模型 电机的定子电压和电流由传感器测得后，经过3S/2S 变换，再根据异步电机在两项静止坐标系下的数学模型，计算转子磁链的大小。 ()r αm s αr r βr 1 1 L i T T p ψωψ= -+ ()r βm s βr r αr 1 1 L i T T p ψωψ= ++ （2） 按磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型 三相定子电流 iA 、 iB 、iC 经3/2变换变成两相静止坐标系电流 is α 、 is β ，再经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到M ，T 坐标系上的电流 ism 、ist ，利用矢量控制方程式 m st 1s r r L i T ωωωψ-==
转子磁链观测 检测转子磁链的目的是：（1）生成单位矢量，进行直接矢量控制；（2）进行磁链的闭环控制或补偿控制，使磁链的控制更加精确。直接检测气隙磁链必须在制造电机时预先在某相绕组平面内间隔90 ?电角度埋入两个磁通传感器，对使用者很不方便。而采用电机以外的其他传感器间接检测磁链，即采用磁链观测器观测磁链则增加了使用电机的主动性，所以受到人们的重视[2,5]。 电流模型转子磁链观测器是通过检测定子电流和转子旋转速度而计算出转子磁链的一种观测方法。计算公式如下所示： 21222 2 12221()11()1m m i T L T p i T L T p ααβββαψωψψωψ? =-?+?? ?=+?+? （2-14） 电流模型观测器的优点是在整个速度范围内均可以对转子磁链进行观测，但 观测的精度与转子绕组参数的测量（或计算）的准确程度关系很大，而且存在随温度变化和集肤效应随频率的变化，这对精确地观测磁链带来困难。 电压模型转子磁通观测器是通过检测异步电动机定子电压和定子电流而计算出转子磁通的一种观测方法，实现方法如图2-7所示。以下公式给出了在两相静止坐标系下转子磁通的计算公式。 ()()()() 2 111 1122111 11 2m m L dt u i i R L L L dt u i i R L L ααααββββσψσψ? =--??? ?=--?? ?? （2-15） 电压模型转子磁链观测器易于实现，因为只需要电压互感器和电流互感器，电路简单，但电压模型磁链观测器一步只能在额定转速的10％以上使用，因为在10％以下的转速范围内，电机的定子电压变得很小，真实值被积分误差和检测误差所淹没，难以保证精度。因此，通常在高速段采用电压模型观测器，而在低速段才使用电流模型观测器。 图2-7电压模型磁链观测器 电压型转子磁链观测器由于使用了纯积分环节，存在直流偏差和初始值问题，为了克服这些问题，在积分环节后串连一个一阶高通滤波器，写出表达式如下：
异步电机定子磁场定向控制方法 目前应用广泛的高动态性能的交流调速系统控制方法有矢量控制和直接转矩控制，这两种控制方法各有所长，但也存在着一些缺点。 矢量控制采用转子磁场定向的方法，实现定子电流的励磁分量与转矩分量的动态解耦，采用PI连续调节方式，实现转矩与转子磁场的控制。但是其解耦性能取决于转子磁场的精确定向，由于转子磁链的观测或计算是在电机模型的基础上进行的，因而转子磁场的定向受到电机参数特别是易于变化的转子电阻的影响。 直接转矩控制是根据转矩及定子磁链的偏差，分别采用砰砰控制的方法，根据定子磁链所在的扇区，直接产生PWM驱动信号，系统结构简单，对转子参数不敏感，但砰砰控制决定了转矩脉动不可避免，虽然增加电压综合矢量个数可以降低转矩脉动，但不能消除，本报告中的定子磁场定向控制方法是在两种系统的基础上，取长补短的一种新方法。 异步电机定子磁场定向控制方法有两个特点： 1、定子磁链用电压模型计算，采用连续的闭环控制，在补偿定子电阻压降的基础上直接控制定子磁链的变化率； 2、转速控制采用与矢量控制相仿的三环结构，内环为定子电流转矩分量控制，实现了转矩电流的快速跟随，第二环是转矩闭环控制，用以抑制定子磁链对转矩的扰动，最外环为转速闭环。 这种控制方法克服了矢量控制对转子电阻的直接依赖性，同时采用连续的控制方法克服了砰砰控制带来的转矩脉动。 为了研究异步电机定子磁场定向控制方法，我们要建立异步电机按定子磁场定向的动态模型。 根据定子磁场定向的定义可知，在d-q坐标系中，规定d轴与定子磁链矢量ψ的方向重合，q轴与ψ的方向垂直。因此，在d-q坐标系中，A相的电流、电压、磁链可以表示为：
文章编号:1009-3486(2002)05-0019-03 异步电机矢量控制中转子磁链的直接观测方法 Ξ 王铁军,单潮龙,赵镜红,张俊洪 (海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033) 摘 要:以异步电机的等效电路为模型提出了在电机的外部构造转子磁链物理观测器的方法.理论上证明了在选取合适参数之后,用该物理观测器可以直接得到感应电机转子磁链的大小与相位,该方法用于异步电机的矢量控制系统,具有很好的实时性,且避免复杂的数字运算.关键词:感应电动机;矢量控制;转子磁链观测中图分类号: TM346.2 文献标识码: A 图1 U V W 、αβ、dq 坐标系与电流矢量 在异步电动机的调速技术中,转子磁链的定向矢量控制代表着该领域中新的技术理论.转子磁链定向的基本思想是:将U V W 坐标系变换到α β坐标系,再由αβ坐标系变换到d q 坐标系[1] ,当选择的d 轴与转子的全磁链Ψ? 2重合时,称该坐标系为 M T 坐标系.此时,代表定子磁动势的空间矢量电流i 1被分解为M 轴方向的励磁分量i m 1和T 轴方向的转矩分量i t 1,图1表示3种坐标系与矢量电流.可以证明[2],异步电动机的电磁转矩为: T =n p L m L r Ψ2i t 1 (1) 而转子磁链为: Ψ2= L m 1+T 2p i m 1 (2) 式中:n p 为电机磁极对数;L m 为定转子间互感;L r 为转子电感;T 2=L r /R 2为转子时间常数;p 为微分 算子.从(1)、 (2)式中不难看出,通过合适的坐标变换可以实现与直流电动机类似的速度控制过程.为了进行磁场定向和坐标变换,以及对控制系统中的指令电量和检测电量作运算处理,需要确定转子磁链的图2 磁链观测器原理框图 瞬时空间位置和大小.Ψ? 2的观测有多种方法[1～4].随着微处理器技术的发展,目前多采用间接观测的方法,即检测定子的电压、电流或转速等物理量,再利用转子磁链的数学模型,实时计算转子磁链的幅值和相位.图2为根据定子电流和定子电压的检测值估算转子磁链的原理框图,图中:u u ,v ,w 、i u ,v ,w 分别为来自电压检测器、电流检测器 的异步电动机定子三相电路的电压、电流信号.(3)、 (4)两式为磁链观测器的内部运算关系. Ψα2=L r L m [∫(u α1-R 1i α1)d t -L s σi α1](3)Ψβ2= L r L m [∫ (u β1 -R 1i β1)d t -L s σi β1] (4) 第14卷 第5期 2002年10月 海军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UN IV ERSIT Y OF EN GIN EERIN G Vol.14 No.5 Oct.2002 Ξ收稿日期:2002203222;修订日期:2002204218 作者简介:王铁军(19652),男,讲师,硕士.
第五章 定子磁场定向矢量控制 5.1 转子电流控制 在双馈电机定子磁场定向的矢量控制策略中，通常将同步旋转坐标系的d 轴与双馈电机定子磁场相重合，逆时针旋转90度的方向作为q 轴方向，即在同步旋转dq 坐标系中定子磁链可表述为： ???ψ=ψ=ψs sd sq 0 （5-1） 其中，s ψ为定子磁链的幅值。 由此，在定子磁链定向的情况下，重写双馈电机在同步旋转坐标系中的定转子电压方程、磁链方程： ????? ??????++=+-=+-=+-=qr dr s qr r qr dr qr s dr r dr ds qs s qs ds ds s ds dt d i r u dt d i r u i r u dt d i r u ψψωψψωψωψ1 （5-2） ??? ????+-=ψ+-=ψ+-=+-=ψqr r qs m qr dr r ds m dr qr m qs s dr m ds s s i L i L i L i L i L i L i L i L 0 （5-3） 求解后，得： qr s m qs i L L i =、()ms dr s m ds i i L L i -= （5-4） 其中：m s ms L i ψ=，称为通用励磁电流 计算转子磁链如下： ??????????? ??+-=ψ???? ??+-+=ψqr r s m qr dr r s m ms s m dr i L L L i L L L i L L 222 （5-5） 设??? ? ??-=s m r s L L L L 2σ为漏磁系数，则5-5式又可表示为： ?????=ψ+=ψqr r qr dr r ms s m dr i L i L i L L σσ2 （5-6） 利用式5-2计算转子电压如下：
转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及 MATLAB仿真 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和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
Speed and flux vector control system for closed-loop control theory analysis and MATLAB simulation ABSTRACT Because asynchronous motor's physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonlinear simultaneous equation to describe, therefore controls extremely inconveniently. The reason that asynchronous machine's physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separately, may simulate direct current motor's control model to control the motor. The direct vector control is one superior alternating current machine control mode, it simulates direct current machine's control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares favorably with the direct current machine. This article has studied in the vector control system the flux linkage regulator's design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB. KEY WORDS:Vector Control, Misalignment, MATLAB simulation
六相永磁同步电动机磁场定向控制方案实例： 本文在分析了六相永磁同步电动机(PMSM)的数学模型的基础上，建立了六相PMSM 矢量控制系统的仿真模型。同时，利用数字信号处理器TMS320LF2407的强大资源来实现矢量控制算法。最后，仿真分析和实验结果相符合，而且使得系统能够获得很好的性能。 在满足一定的假设条件下，我们建立p 对极N 相正弦波永磁同步电动机在abc 坐标下和dq 坐标下的状态数学模型： fs ss sr s s f r rs rr r r L L i L L i ψψψψ????????=+????????????????，s s s r r u i p R u i ψψr ?????=+? ???????????? 式中 () kd kq R diag r r r r r =" 定转子绕组之间的互感矩阵 rs L ? 232 3kd1 kd kd kdn rs sr kq1 kq kq kqn L L L L L L L L L L ?? ==? ??? "" 转子绕组的电感系数矩阵 rr L ? 00 kd rr kq L L L ??=? ??? ss L -定子绕组电感系数矩阵 fs ψ-永磁体产生的磁通链过定子绕组的磁链 rs ψ-永磁体产生的磁通链过定子绕组的磁链 -定子绕组，直轴阻尼绕组和交轴阻尼绕组 ,,kd kq r r r p -对时间的求导算子d p dt = dq系统的磁链方程 假设气隙磁场按正弦分布，忽略磁场的高次谐波分量，通过合适的变换矩阵
得到： 220 00 00 skd d kd kd d d fsd dq q q skq q kq kq pL L r pL i i pL L r pL ψψψψ?? ? ??+?????? ? ?==+??? ?????????????? +??? ? fsd ψ-定子相绕组轴线与直轴一致时，永磁体产生的基波磁通链过该相绕组的磁链 fr d ψ-永磁体产生的基波磁通链过转子绕组的直轴磁链 建立了p 对极N 相正弦波永磁同步电动机的数学模型后，有助于我们从控制的角度出发对其进行分析，进而实现各种先进的控制策略，只是基本而重要的步骤。 为建立六相PMSM的dq轴数学模型，假设： (1) 电机定子绕组产生的磁动势波和磁场在空间上都按正弦分布； (2) 忽略电机铁心剩磁，磁路线性； (3) 不计定子表面齿、槽的影响。 在上述前提下，由图1所示的变换可得到dq 坐标系下六相PMSM 的磁链方程、电压方程和电磁转矩方程分别为： d d d s q s q q q s d 00 u i R p u i R ψψωψψ??????????=++?????????????????? ? ?? （1） d d d f q q q 000L i L i ψψψ???????? =+?????????? ?????? （2） em p f q d q d q ())T n i L L i i =+? （3） em l ?d T T R J dt Ω ??Ω= （4）
电机磁场定向控制系统概述 永磁同步电机（PMSM）是近年来发展较快的一种电机，由于其转子采用永磁钢，属于无刷电机的一种，具有一般无刷电机结构简单，体积小，寿命长等优点。 本文讨论空间矢量控制的永磁同步电机，采用磁场定向算法借助DSP高速度实现对转速的实时控制。由于控制算法必须获取转子位置信息，所以传统的控制系统都需要以光电编码器等作为转子位置传感器。为了最大限度减少传感器，本文从改变相电流检测方法，建立采用砰－砰控制的滑模观测器，介绍一个可以实现的模型。 2磁场定向原理 磁场定向控制，简称FOC。两直角坐标系：αβ坐标系为定子静止坐标系，α轴与定子绕组a相轴重合；dq为转子旋转坐标系，d轴与转子磁链方向重合，并以同步速ωr逆时针旋转。两坐标系之间的夹角为θe。可以把定子电流综合矢量is，在旋转坐标系dq轴上如下式分解 is＝isd＋isq （1） 在交流永磁同步电机中，转子为永磁钢，可认为转子电流综合矢量的模大小不变，常用常数值IF代表。根据交流电机电磁转矩T与定、转子电流综合矢量的普遍关系式 式中p———极对数 L12———定、转子互感 i1———定子电流综合矢量 i2———转子电流综合矢量 δ———定、转子综合矢量间夹角 这样电磁转矩只随｜i1｜和角δ变化。为了获得简单可控的转矩特性，可以给定定子电流综合矢量指令使其始终在q轴上，即δ＝90°，从而得 式中Is———定子电流综合矢量的模 按上式可以实现用定子电流综合矢量的模来直接控制电动机电磁转矩，从而使永磁同步电动机获得类似直流电动机的伺服性能，并可得到快速无静差的调节特性。 该速度控制系统由速度、电流双闭环实现，采用的算法由相应的模块实现，包括：Park变换模块，Clark变换模块，反Park变换模块，转子位置角估计模块，转速计算模块，弱磁控制模块，PI调节模块，空间矢量PWM生成模块等。整个控制系统，以DSP芯片为核心再配以简单的外围电路，其复杂的控制算法及功能全部由软件来实现。其中每一个控制模块，对应一C调用函数，主函数流程用C语言编制。与有位置传感器的控制系统相比，无位置传感器系统仅在对反馈量的处理中采用了转角观测器模块函数，而对其他控制模块，而系统可以以完全相同的方法实现，这更显示了软件构成系统的灵活性。 3无传感器算法 3．1减少一路电流传感器方法 在逆变器控制中都需要相电流信息，传统采用的方法是直接用传感器获得需要的相电流，这种方法依赖负载的布置，并且至少需要两个传感器直接应用于电机组绕组。本文介绍的方法是仅通过采集直流侧母线电流信息，来估计交流侧三相电流值。因为逆变器开关状态是我们直接控制的，所以已知输入电流的路径，即输入线电流和电机相电流间的关系。这样在通常八个开关状态（Sa，Sb，Sc）中除（0，0，0）和（1，1，1），在其他六个开关状态下，直流侧线电流信息总对应a，b，c中某一路相电流值。 开关状态（Sa，Sb，Sc）＝（0，0，1）下，相电流ic等于直流线电流，另外两相电流ia，ib则等于直流线电流的一半。这样线电流信号经一路AD通道，送给DSP，再经过适当计算即可获三相电流信息。
科技论坛基于MATLAB 的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真 常伟 （华北电力大学电气学院，北京100043） 1概述 异步电机是一个高阶、非线性、强藕合的多变量系统，数学模型比较 复杂。本文利用M ATLAB /Simulink 软件对异步电动机转子磁场定向控 制系统动态过程建立仿真模型,并对控制方案进行仿真研究。按转子磁 场定向的矢量控制系统是已经获得实际应用的高性能调速系统，控制思 想是在转子磁场定向的基础上,经过一系列的坐标变换,实现将三相异步 电机像直流电机一样对磁场和转矩的解耦控制,注重转矩与转子磁链的 解耦，实行连续控制，可获得较宽的调速范围，使异步电机的动静态性能 有很大提高，所以，异步电机矢量控制技术已被广泛应用于高性能异步 电机调速系统中。 2异步电机的数学模型 对于笼型异步电机，转子侧电压为零,根据文献[1]可以建立异步电 机在α-β静止坐标系下的数学模型以同步角速度旋转的两相直流旋 转坐标d 、q 之间的变换,可以推导出异步电机在d 、q 坐标系上的数学模 型的电压方程: 式中U sd ，U sq 为定子电压在同步坐标系上分量，R s ，R r 为定子电阻和 转子电阻，，为定子磁链在同步坐标系上的分量，，为转子 磁链在同步坐标系上的分量，，分别为同步角速度和转差角速度, P 为微分算子。 磁链方程: 式中，L s ，L r ，L m 分别为定子电感，转子电感和互感。，为定 子电流在同步坐标系上的分量，为转子电流在同步坐标系上 的分量。 转矩方程： T e 表示为电机的电磁转矩，p 为电机极对数。 根据上面公式，可以得到下列关系式 异步电机矢量控制系统的模型: 图1为矢量控制系统的原理图。图中转速调节器ASR 的输出是转 矩调节器的给定转矩。磁链调节器用于控制电机转子磁链，并设置 了电流变换和磁链观测环节，转矩调节器ATR 和磁链调节器的输 出分别是定子电流的转矩分量和励磁分量。和，电流滞环控制PWM 逆变器控制电机定子三相电流。图2是在M atlab/Simulink 环境下建立的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真模型[3]。3仿真结果根据建立的异步电机矢量控制模型做仿真分析，实验参数为:极对数p=2，定子电阻r 1=0.075，定子绕组漏电感=0.72mH ，转子电阻r2=0.231，转子绕组漏电感=0.72mH ，互感L m =36mH ，恒负载转矩为T m =30Nm ，结果如下：从图3可以看出转速上升的速度比较快，且超调量比较小，输出转速出与转速给定指令基本相同，电机的跟随性好，说明建立矢量控制方法是正确的。4结论本文采用M atlab/Simulink 系统仿真工具,对异步电机转子磁场定向的矢量控制系统进行了建模仿真。按转子磁链定向，实现了定子电流 励磁分量和转矩分量的解耦，使系统具有良好的调速性能。仿真试验证明该矢量控制系统可以大范围地调速,具有很好的跟随性能，动态性能良好。因此,该系统在工业应用领域中具有很好的应用前景。参考文献: [1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.[2]尔桂花.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2004.[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动系统的MATLAB 仿真[M].北京:机械工业出版社。 摘要：异步电动机的模型特点是一多变量、强耦合的非线性系统。本文根据异步电机理论，建立了异步电动机的数学模型，给出了异步电动机转子磁场矢量控制系统基本结构和矢量控制系统仿真模型，仿真结果证明了所建电机模型的正确性。 关键词：异步电机；矢量控制；磁场定向；磁链 作者简介：常伟（1980-），男，工程师，华北电力大学在职研究生，首钢动力厂供电技术员。 ááL áá L 88··
磁场定向矢量控制技术按照获得磁链的不同方式大致可分为两种:直接和间接方式。直接方式的实现依赖于直接测量或对转子，定子，气隙磁链矢量的幅值和位置的估算。传统的直接矢量控制策略使用检测线圈，具有抽头的定子绕组或霍尔效应传感器对磁通进行检测，但由于电机结构或散热的需要就会产生一定的限制，但随着目前高速DSP的不断面世，在一个PWM周期内，实现负载的控制及磁链估算应成为可能，所以近年来基于磁链观测器的直接方式由重新得到了人们的重视。而间接方式则使用电动机模型，例如对于转子磁通定向控制，它利用了固有的转差关系。与直接的方法相比，间接方式对电机参数有较高的依赖性。多数场合使用间接策略，因为这会使硬件电路相对简单并且在低频下也具有较好的总体性能，但是由于包含了会随着温度，饱和度和频率变化而变化的电机参数，所以需要研究不同的参数自适应策略。 如果从选择的磁链矢量分类的话，磁场定向矢量控制技术一般可分为三种，即气隙磁场定向控制，定子磁场定向控制，转子磁场定向控制。 1. 气隙磁场定向控制方案。气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的M轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的T轴分量为零。如果保持气隙磁通M轴分量恒定，转矩直接和T轴电流成正比。因此，通过控制T轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。 2. 定子磁场定向控制方案。定子磁场定向的控制方法，是将旋转坐标的M 轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的T轴分量为零。如果保持定子磁通恒定，转矩直接和T轴电流成正比，从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。因此，需要设计一个解耦器，对电流进行解耦。 3. 转子磁场定向控制方案。转子磁场定向的控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，将M,T坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的M坐标轴。若忽略由反电动势引起的交叉祸合，只需检测出定子电流的M轴分量，就可以观测转子磁通幅值。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的T 轴分量成正比，通过控制定子电流的T轴分量就可以控制电磁转矩。因此称定子电流的M轴分量为励磁分量，定子电流的T轴分量为转矩分量。可由电压方程M 轴分量控制转子磁通，T轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩的解耦控制。 下面对它们进行简要的总结和比较： 气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在耦合，需要增加解耦器这使得它比转子磁通的控制方式要复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。 定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单，然而在低速时，由定子电阻压降占
摘要 本文对三相异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统进行了计算机仿真研究，运用Matlab/Simulink和SimPowerSystem工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模与仿真；重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置，给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果非常接近实际情况，说明了仿真模型的正确性。 关键词：异步电动机；交流调速；矢量控制
目录 摘要.......................................................................................................... I 1概述 (1) 2总系统设计 (2) 3子系统设计 (6) 3.1 转速控制器 (6) 3.2 定向控制器 (6) 4三相异步电动机磁场定向矢量控制系统仿真 (8) 4.1参数给定 (8) 4.2系统仿真 (10) 总结 (12) 参考文献 (13) 附录 (14)
1概述 交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。对其仿真研究不能像控制系统那样可用各环节简化传递函数来表示，这样会有很多重要环节被忽略，完全体现不了交流调速系统的整体结构和各个环节点上的信号状态。对电气传动系统的建模仿真力求达到与实际系统相一致，Matlab提供的Simulink中的电力系统工具箱（SimPowerSystems）能很好地满足这一要求。以往对电气传动系统的仿真研究主要集中在电机的建模和仿真，最近，许多对复杂电力传动系统的建模仿真方法已提出，主要有运用仿真工具箱对电力传动系统建模仿真和将电力传动系统的功能单元模块化的仿真建模。 由于三相异步电动机是一个多变量、强耦合非线性系统，存在着高性能上难以控制的问题。矢量控制技术有按转子磁链定向和按定子磁链定向的控制等策略。按转子磁链定向矢量控制给出了交流电动机的基本解耦控制方法。在设计调速系统过程中，利用Matlab按转子磁链定向矢量控制的交流调速系统仿真，正确的应用坐标变换模块是建立转子磁链模型的基础。同时，转子磁链、转矩解耦环节的模型也是仿真的关键因素。
第七章磁场定向矢量控制系统 判断题 1.不同电机模型彼此等效的的原则是在不同的坐标系下所产生的磁动势完全一致。√ 2.矢量控制系统可以分为电压型和电流型，现代牵引传动系统中，电流型矢量控制系 统应用最为普遍。? 3.低速情况下，采用电压模型法观测转子磁链性能比采用电流模型法好。? 4.转子磁链准确的检测与计算是进行矢量变换控制的前提。√ 5.直接矢量控制系统是转速和磁链闭环控制的矢量控制系统。√ 6.CRH2型动车组在低速时采用异步调制，高速时采用分段同步调制，弱磁控制采用 单脉冲控制。√ 7.间接矢量控制系统是转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统。√ 8.转子磁链观测模型中电流模型比较适用于微机数字控制。? 9.在电传动系统中，电机是实现机电能量转换的主体。√ 10.转子系统与静止系统之间的变换是一种旋转变换，而不是静止的三相/两相变换。√ 11.矢量控制是以定子磁链的矢量来定向的。? 12.电机转子时间常数会随着转子绕组温度而变化。√ 13.德国的BR152电力机车采用的是间接矢量控制方式。? 14.一般情况下，我们希望电动机工作在额定满磁场的状态。√ 15.直接转矩控制方式比矢量控制方式具有更优良的动、静态性能。√选择题 1.我国CRH2型动车组采用的控制策略是______ （B） A. 恒压频比控制策略 B. 转子磁场定向间接矢量控制策略 C. 转子磁场定向直接矢量控制策略 D. 直接转矩控制策略 2.下面几种异步电机控制方式中，属于智能控制的是______ （C） A. 恒压频比控制 B. 直接转矩控制
C. 人工神经网络控制 D. 矢量控制 3.下面几种转子磁链观测的方法中，哪一种是在两相旋转坐标系上实现的 （D） A. 电压模型法 B. 电流模型法 C. 电压—电流模型法 D. 根据指令电流和转速检测值计算磁链法 4.在电压—电流转子磁链观测模型中，没有用到的信号是______ （B） A. 定子电流信号 B. 转子电流信号 C. 定子电压信号 D. 转速信号 5.下列车型中，采用间接矢量控制的是______ （A） A. CRH2型动车组 B. 德国BR152电力机车 C. 奥地利1012电力机车 D. CRH3型动车组 6.在电力牵引交流传动电力机车和高速动车组上，异步牵引电动机控制方法经历了几 个发展过程。（B） A.2个 B.3个 C.4个 D.5个 7.影响电机转子时间参数的因素为______ （D） A.磁路饱和 B.温度变化 C.频率变化 D.以上三项都是 8.在矢量控制系统中，用于两个正交量求取模及幅角的运算的坐标变换是______ （D） A.3/2变换 B.2/3变换 C.VR变换 D.K/P变换 9.下面哪项不是人工神经网络的优点______ （B） A.具备快速并行计算能力 B.控制电路简单 C.容错能力强 D.对参数变化的影响较小 10.数字信号处理器(DSP)的优点有______ （D） A.硬件简单、控制算法灵活 B.抗干扰性强 C.无漂移、兼容性好 D.上述三项都是
§3.6 异步电动机的矢量控制 异步电动机的磁场定向控制是从70年代发展起来的一种新的控制技术。 定义：异步电动机的磁场定向控制是把定子电流做为具有垂直分量的空间分量来处理的，因此又称为矢量控制。 目的：通过这种控制技术能使异步电动机得到和直流电动机相同的调速特性 一． 磁场定向控制的基本思想 基本思想；把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制 在任何电力拖动的控制系统，电动机产生的电磁转矩 e T 作用在电动机轴上的负载转矩（包括电动机的空载转矩0M ）L T 以及惯性转矩dt J m /ω? 三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即： dt J T T m L e /ω?=- 设L T 及 J 均为常数，那么在动态过程中电动机速度 m ω 的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩e T 的控制。举例如下： 起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩 e T 使其保持在最大允许值，就能使电动机以最大的恒加速度或恒减速度运行，从而缩短了起、制动的时间。 在突加负载时，只要能迅速地使电动机的电磁转矩 e T 增加，就可以使动态速降减小，缩短速度的恢复时间。由此可见调速系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中电动机的转矩 是否能
很方便、很准确地被调节和控制。 由于结构上的特点，他励直流电动机的电磁转矩 T很容易控 e 制。其工作原理可用下图来表示。 在励磁绕组f中通以励磁电流 i则通过电刷及换相器流入 f 电枢绕组。由于电刷和换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转动但它产生的电枢磁场在空间是固定不动的。因此可用一个等效的静止绕组来代替实际的电枢绕组。这个等效静止绕组的轴线与励磁绕组轴线垂直，绕组中通过电枢电流 i，产生的磁场与实际电枢绕组产 a 生的磁场相同，并且由于实际电枢绕组在旋转，因此等效静止绕组中有一感应电势 e，这样，就可以用下图的等效模型来代替实际 a 的他励直流电动机。 励磁绕组中通入的励磁电流产生主极磁通φ，电枢绕组电流 i与φ a 作用产生电磁转矩 T。无论电机处于稳态或动态，它产生的电磁转 e
中华人民共和国教育部 东北林业大学 毕业设计设计题目：按转子磁链定向的矢量控制系统设计学生：黄建龙 指导教师：李克新讲师 学院：机电工程学院 专业：电气工程及其自动化2007级3班 2011年6月
按转子磁链定向的矢量控制系统设计 摘要 本文在对交流异步电动机坐标变换原理的概念，异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式介绍的基础上，指出了异步电动机模型多变量、强耦合非线性的特点，介绍了SVPWM空间矢量变频调速技术，并对基于高速数字信号处理器（DSP）的交流电动机按转子磁链定向的矢量控制调速系统进行了研究。 本设计完成了基于TMS320F2812DSP的交流电机按转子磁链定向的矢量控制系统设计。 在系统总体设计方面，系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。功率电路包括整流电路、直流中间电路、逆变电路以及驱动电路等组成；控制电路由F2812芯片及其外围电路组成，用来完成矢量控制核心算法、SVPWM产生、相关电压电流的检测量处理等功能；辅助电路由开关电源、串行通信电路等组成，以实现给系统提供多路直流电源以及上位机的监控等功能。 系统硬件电路主要是由主电路、驱动电路、微控制电路、检测电路、信号采集与故障综合电路等组成；软件程序主要由主程序、中断程序以及键盘程序等组成。 关键字：SVPWM；矢量控制；磁链定向；DSP
The Design of Orientated by the Rotor Flux Vector Control System Abstract In this paper, we introduces the ac induction motor concept, the principle of coordinate transformation of asynchronous motor in different reference frames mathematical model and mathematical model of the express equations, and pointed out the characteristics asynchronous motor model multivariable and strong coupling nonlinear characteristics, and introduced the SVPWM space vector, and the technology of frequency conversion based on high speed digital signal processor (DSP) according to the ac motor rotor flux vector control speed control system is studied. This design completed the design of ac motor according to rotor flux vector control system based on TMS320F2812DSP. In the design of the whole system, this system consists of power circuit, auxiliary circuit and control system. The Power circuit includes rectifier circuit, dc intermediate circuit, inverter circuits and drive circuit etc; Control circuit is composed of F2812 chip and its peripheral circuit, to complete vector control core algorithm, SVPWM production, related voltage current detection quantity processing function; Auxiliary circuit by switching power supply, Serial communication circuit etc, so as to realize the system to provide multi-channel to dc power supply and PC monitoring, and other functions. The hardware circuit is mainly composed of main circuit, drive circuit, micro control circuit, detection circuit, signal acquisition and fault integrated circuit etc; Software program mainly by the main program, interruption program and keyboard program etc. Key word: SVPWM;Vector control; Flux; DSP 目录 摘要 Abstract 1.绪论 .......................................................................................................... 错误!未指定书签。 1.1矢量控制技术的发展现状 ................................................................... 错误!未指定书签。 1.1.1交流电动机调速技术的发展现状 .................................................... 错误!未指定书签。
1. 气隙磁场定向控制方案。气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的M轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的T轴分量为零。如果保持气隙磁通M轴分量恒定，转矩直接和T轴电流成正比。因此，通过控制T轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。 2. 定子磁场定向控制方案。定子磁场定向的控制方法，是将旋转坐标的M轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的T轴分量为零。如果保持定子磁通恒定，转矩直接和T轴电流成正比，从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。因此，需要设计一个解耦器，对电流进行解耦。 3. 转子磁场定向控制方案。转子磁场定向的控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，将M,T坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的M坐标轴。若忽略由反电动势引起的交叉祸合，只需检测出定子电流的M轴分量，就可以观测转子磁通幅值。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的T轴分量成正比，通过控制定子电流的T轴分量就可以控制电磁转矩。因此称定子电流的M轴分量为励磁分量，定子电流的T轴分量为转矩分量。可由电压方程M轴分量控制转子磁通，T轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩的解耦控制。 下面对它们进行简要的总结和比较： 气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在耦合，需要增加解耦器这使得它比转子磁通的控制方式要复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。 定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单，然而在低速时，由定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情况。 转子磁场定向的控制方案，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时问常数的影响较大，降低了系统性能。但它达到了完全的解耦控制，无需增加解耦器，并且不存在静态稳定性限制的条件，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度，故应用最为广泛。