按转子磁链定向的矢量控
制系统
Prepared on 24 November 2020
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
按转子磁链定向的矢量控制系统设计
1.绪论
随着电力电子技术和数字控制技术的不断发展，交流异步电动机在电力传动领域应用越来越广泛，其取代直流电机已成为不可逆转的趋势。异步电机具有结构简单、工作可
靠、维护方便且效率较高的优点。普通的变频调速装置采用恒定磁通控制，即V/F恒定控制，电机即使在轻载运行时，其磁场的大小并不改变，电机的铁损耗并不会因为电机的轻载运行而减小，特别是当电机负载变化时将会造成电能的浪费，这种变频调速系统虽然具有异步交流电机调速的部分优点，但是它的动态性能差。现在，各种通用的和高性能的交流电机控制策略相继诞生，市面上有各种变频器，而在高性能异步电机调速系统中通常采用具有良好动静态性能的矢量控制技术，其控制性能可和直流调速相媲美。
矢量控制技术的发展现状
交流电动机调速技术的发展现状
在20世纪60年代以前，全世界电气传动系统中高性能调速传动都采用直流电动机，而绝大多数不变速传动则使用交流电机。到了60-70年代，随着电力电子技术的发展和应用，出现了采用电力电子变换器的交流调速系统。再后来随着微型计算机技术的发展及现代控制理论的深入应用，交流调速控制策略取得不断突破：先后出现调速性能比较好的恒V/F控制、转差频率控制，这些控制方式的静态性能比较好，实现了交流电机在一定范围内调速要求，但由于其控制思想基于交流电机的稳态控制规律，在动态特性、低速转矩特性方面，还不能与直流调速相媲美，从而使其应用范围受到了很大限制。但直流电机本身具有许多难以克服的缺点，例如：电刷和换向器必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等（极限容量与转速之积约min)[1]。而相比之下，交流电机具有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高的优点，应用很广泛。所以发展高性能交流调速系统成为现代工业生产的迫切要求且意义重大。
自1958年晶闸管（SCR）在美国GE公司诞生以来，电气传动技术就进入了电力电子发展时代，电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。在电气传动控制系统中，电力电子技术的作用主要是构成功率变换器，它作为弱电控制强电的枢纽，起着至关重要的作用。传统的电力电子器件是以晶闸管（SCR）为代表的，用它构成的可控硅整流装置使直流传动占据传动领域统治地位达数十年之久。然而晶闸管属于半控型器件且频率低，除在某些超大容量的场合中还在使用外，中小容量场合已被逐渐取代了[2]。在20世纪70年代以后，GTR、GTO、Power MOSFET、IGBT、MCT等全控型器件先后问世。由于IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。目前己经应用于交流
调速的智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，是功率器件的重要发展方向。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。一般认为，1964年西德的A．Schonung和H．stemmler首先在《BBC评论》上发表文章，提出把通信系统的调制技术应用于交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变压变频的思想，从而为交流传动的推广应用开辟了新的局面[3]。
所谓PWM技术即脉冲宽度调制技术，就是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术[4]。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比
较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说到现在，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。在世界能源紧张、节能已成为工业生产主要课题的今天，PWM调速技术更显示出其优越性[3]。目前已有多种PWM控制方案，其中，空间电压矢量PWM(SVPWM)逆变器以控制磁通正弦为目标的磁链跟踪控制技术，以不同的开关方式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆，来确定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于其控制简单、数字化实现方便，且直流母线电压利用率高，已呈现出取代传统SPWM的趋势。另外还经常采用电流的闭环控制，即电流正弦PWM技术，使电机具有良好的动态特性，且在低速时也能平稳运转。
在变频技术飞速发展的同时，交流异步电机控制技术也取得了突破性进展。对任何电气传动系统而言，从动态转矩到转速均为一积分环节，动态转矩为电磁转矩和负载转矩的差值，因而电磁转矩是电系统和机械系统相联系的重要纽带，传动系统性能的好坏，归根结底取决于系统对电磁转矩的控制能力。
交流电机是一多变量、非线性、强耦合的受控对象，其电磁转矩的产生和定转子磁场及其夹角有关，因此，如欲控制转矩，必先控制磁通。如何使交流电机获得和直流电机一样的转矩控制性能，是对交流电机实施有效控制的关键。而矢量控制和直接转矩控制系统基于交流电机的动态数学模型，因而动态性能好，转矩响应速度快，获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代[5]。同时，单片微机、数字信号处理器(DSP)等微处理机引入电机控制系统，尤其是近年来能够进行复杂运算的数字信号处理器的应用，使得复杂的电机控制得以实现。另外，微机运算速度不断提高，存储器大容量化，进一步促进了数字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的发展方向。
在电气传动领域，前后产生了多种通用的和高性能的交流电机控制策略，主要有：转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制等。其中，转差频率控制又有转速开环和闭环的转差频率控制，这都是依据电机的稳态数学模型，其动态性能不高，但控制规则简单，仍在一般的调速系统中应用。要实现高动态性能的调速和伺服系统，必须依据异步电动机的动态模型来建立控制系统。由于交流电机的输入量是定子电压和定子频率，输出量则是电机转速和磁链，如果仍采用简单的线性PID控制器，就必须对电机数学模型进行解耦，通过解耦使电机模型线性化，等效为直流电动机模型来实施控制，基于动态电机模型的控制策略有矢量控制、直接转矩控制等。
矢量控制技术的发展现状
异步电机矢量控制技术是由德国学者和在20世纪70年代初建立起来的。矢量控制(Vector Control)又称磁场定向控制(Field Oriented Control)，就是将交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，其实际是一种解耦合控制，通过坐标变换和其它一系列的数学运算，将交流电机的定子电流分解为按磁链定向的励磁电流分量i sd和转矩电流分量i sq，再通过仿照直流电动机的控制方法对这两个电流分量单独控制实现对电磁转矩和磁通的分离控制。
毫无疑问，矢量控制理论的提出在交流传动史上具有划时代的意义。但在当时要将其实用化还存在以下几个方面的问题[6]：
(1)矢量控制诞生不久，理论上并没有完全成熟，需要针对具体应用不断完善理论。
(2)由于矢量控制中包括坐标变换和旋转以及其他一些包含非线性的复杂运算，其运算处理的规模比直流调速大很多，若要进行实时控制必须有运算速度极快的控制系统。
但在70年代，计算机技术还不发达，当时的计算机由于运算速度低、价格昂贵和体积庞大而不能广泛应用于工业控制领域，只能用复杂的模拟电路来完成矢量控制系统，但模拟控制系统硬件结构相当复杂、可靠性低并且价格也很高，这些制约了矢量控制技术的实用化。
(3)当时的电力电子技术还不足以使矢量控制技术进入实用化。在70年代，虽然PWM 逆变器己出现，但GTO 和GTR 尚未完全走入实用，PWM 技术实现起来成本很高。而普通晶闸管由于本身的特点，不能利用门极关断信号使其关断，由普通晶闸管构成的逆变器必须有复杂的换流电路才能工作，这样一方面降低了系统的可靠性，另一方面，由于逆变器的开关频率很低，不能适应矢量控制中电压电流的快速变化。
随着各国学者的不断努力，经过近40年的发展，矢量控制技术逐步走向成熟。这期间电力电子器件也从最初的可控硅(SCR )发展至GTR 、GTO 、MOSFET 、IGBT 等多种开关频率高、控制性能好的开关器件。再加上电子计算机技术、大规模集成电路技术的发展，在80年代中后期交流电机矢量控制技术开始逐步迈入实用阶段。进入90年代，数字信号处理器(DSP )的应用，为矢量控制技术的实用化开拓出崭新局面，DSP 的高速运算能力使矢量控制系统的软硬件结构得到简化，这就为一些结构较为复杂而性能较好的矢量控制方案的实施提供了物质保证。而电力电子器件的进一步发展也为矢量控制技术的应用提供了更好的舞台，现在小到精密伺服大到电力牵引，都有矢量控制技术的身影。随着控制系统硬件(包括DSP 和电力电子器件)性价比的进一步提高，以矢量控制技术为核心的交流调速系统将有望在越来越多的领域中取代直流调速[7]。
目前较典型的矢量控制方案有：转差矢量控制、气隙磁场定向的矢量控制、定子磁场定向的矢量控制、转子磁场定向的矢量控制等。
矢量控制的思想及其优点
矢量控制的基本思想
矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于两相β、α静止系统模型，再经过旋转坐标变换为磁场方向与M 轴方向一致的同步旋转的两相M 、T 模型。电流矢量i 是一个空间矢量，因为它实际上代表电机三相产生的合成磁势，是沿空间作正弦分布的量，不同于在电路中电流随时间按正弦变化的时间向量。电流矢量分解为与M 轴平行的产生磁场的分量—励磁电流i m 和与T 轴平行的产生转矩的分量—转矩电流i T,前者可理解为励磁磁势，后者可理解为电枢磁势。通过控制大小也就是矢量电流i 的幅值和方向（M 、T 坐标系中的β角）去等效地控制三相电流ic 、ib 、ia 的瞬时值，从而调节电机的磁场和转矩以达到调速的目的。
经典的正弦脉宽调制（SPWM ）控制主要着眼于使变压变频器的输出电压接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流跟踪控制则主要控制输出电流，使之在正弦附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机则需要输入单项正弦电流的最终目的使在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场作为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM （Space Vector PWM ，SVPWM 控制）”[8]。
矢量控制不同的电压空间矢量是由电力电子变频器根据一定的输出要求产生的。变频器按其变频方式可分为交-直-交变频器和交-交变频器，变频器的结果示意图如图1-1：
a ）交-直-交变频器
b ）交-交变频器
图1-1 变频器结构示意图
常用的交-直-交变频器主回路结构图如图1-2所示：
图1-2 交-直-交变频器主回路结构图
本文所要研究的按转子磁链定向的矢量控制系统其基本实现方法，是通过对交流异步电机进行坐标变换解除定子电流转矩分量和磁链分量的耦合，通过对电力电子变频器输出的电压空间矢量按一定的方式进行合成，使逆变器的输出趋近于目标控制轨迹。其中坐标变换的具体方法将在第二章中介绍。
矢量控制的优点
矢量控制系统是已经获得实际应用的高性能交流调速系统，它有以下特点1)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，需要电流闭环控制；2）转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制；3）采用连续的PI控制，转矩于磁链变化平稳，电流闭环控制可有效的限制起制动电流[8]。
矢量控制系统的优点有，转子磁链控制可以闭环控制也可以开环控制；转矩控制连续，转矩脉动小，比较平滑；调速范围较宽，调速性能好。正是由于矢量控制系统的这些优点，又由于交流电机具有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高的优点，使得矢量控制调速系统获得广泛的应用。
2.矢量控制技术的基本原理
异步电动机的动态数学模型[8] [9]
三相异步电动机的物理模型
异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，这就决定了对于异步电机的控制，如果要实现良好的调速性能，必然较为复杂。70年代发展建立起来的磁场定向理论(即矢量控制理论)，为现代交流调速控制的发展提供了理论基础，使交流电机的动、静态性能能够和直流电机相媲美。本节将对异步电机的数学模型进行介绍，为了解矢量控制和转子磁链模型的建立奠定数学基础。
在讨论异步电动机的数学模型之前，先对其进行如下假设[9]：
1．设三相定子绕组A，B，C及三相转子绕组a，b，c在空间对称分布，各相电流所产生的磁动势沿气隙圆周正弦分布，无齿槽效应。
2．忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。
3．忽略铁心损耗。
4．不考虑频率变化和温度变化对电机参数的影响。
在三相异步电机中，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。三相异步电机的物理模型如图2-1所示：
图2-1 三相异步电动机的物理模型
三相异步电动机的动态数学模型
异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。
1.电压方程
三相定子绕组的电压平衡方程为
????
?????+=+=+=dt d R i u dt d R i u dt d R i u C C c C B B b B A A a A ψψψ （2-1） 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 ????
?????+=+=+=dt d R i u dt d R i u dt d R i u c r c c b r b b a r a a ψψψ （2-2） 将电压方程写成矩阵方程
?????????
???????????+????????????????????????????????????????=????????????????????c b a C B A c b a C B A r r r s s s c b a C B A dt d i i i i i i R R R R R R u u u u u u ψψψψψψ000000000000000000000000000000 （2-3） 式中u A 、u B 、u C 、u a 、u b 、u c ——定子和转子相电压的瞬时值
i A 、i B 、i C 、i a 、i b 、i c ——定子和转子相电压的瞬时值
ψA 、ψB 、ψC 、ψa 、ψb 、ψc ——各项绕组的全链值
R s 、 R r ——定子和转子电阻。
2.磁链方程
?????????
???????????????????????????????=????????????????????c b a C B A cc cb ca cC cB cA bc bb ba bC bB bA ac ab aa aC aB aA
Cc Cb Ca CC CB CA Bc Bb Ba BC BB BA
Ac Ab Aa AC AB AA c b a C B A i i i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ψψψψψψ (2-4) 式中i A 、i B 、i C 、i a 、i b 、i c ——定子和转子相电压的瞬时值
ψA 、ψB 、ψC 、ψa 、ψb 、ψc ——各项绕组的全链值
L ——电感矩阵，其中对角线元素L AA 、L BB 、L CC 、L aa 、L bb 、L cc 是各绕组的自感，其余各项是相应绕组的互感。
3.转矩方程
综合考虑机电能量转换、电感的矩阵关系，得到转矩方程如下：
)]
120sin()()120sin()(sin )[(?-+++?++++++-=θθθ
b C a B
c A a C c B b A c C b B a A ms p e i i i i i i i i i i i i i i i i i i L n T (2-5)
4.运动方程
运动控制系统的运动方程为：
L e p T T dt
d n J -=ω (2-6) ωθ=dt
d (2-7) 式中 J ——机组的转动惯量；
T L ——包括摩擦阻转矩的负载转矩。
从以上三相异步电动机的原始数学模型可以看出来，三相变量中只有两相是独立
的，因此三相原始数学模型并不是其物理对象最简洁的描述，完全可以且完全有必要用两相模型代替。异步电机三相原始模型中的非线性耦合主要表现在磁链方程式与转矩方程式）中，既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。三相绕组在空间按120°分布，必然引起三相绕组间的耦合。而交流异步电机的能量转换及传递过程，决定了定、转子间的耦合不可避免。由于定转子间的相对运动，导致其夹角不断变化，使得互感矩阵和均为非线性变参数矩阵。
可以看出，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的困难。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。异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系。因此，要简化数学模型，须从简化磁链关系入手。
SVPWM 基本原理
1.基本电压矢量
如图2-2所示是电压源型PWM 逆变器—电动机示意图。图中U A 、U B 、U C 是逆变器的电压输出，VT1到VT6是6个IGBT ，他们分别被a 、a'、b 、b'、c 、c'这六个控制信号所控制。当逆变桥上半部分的一个IGBT 开通时，即a 、b 或c 为1时，其下半部分相对的IGBT 被关断（即a'、b'或c'为0）。VT1，VT3和VT5 3个IGBT 的开关状态，即a 、b 和c 为0或为1的状态，将决定U A 、U B 、U C 三相输出电压的波形。
可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量[]T CA BC AB U U U 与开关状态矢量
[]T c b a 的关系为
????????????????????---=??????????c b a U U U CA BC AB 101110011 （2-8） 三相逆变器输出的相电压矢量[]T C B A U U U 与开关状态矢量[]T c b a 的关系为
????
????????????????------=??????????c b a U U U U DC C B A 21112111231 （2-9）
式中，U DC 是直流电源电压。不难看出，因为开关状态矢量 []T c b a 有8个不同的组合值（a 、b 、c 只能取0，1），即逆变桥上半部分的三个IGBT 的开关状态有8种不同的组合，故其输出的相电压和线
图2-2 电压源型PWM 逆变器—电动机示意图[1]
电压也有8种对应的组合。开关状态矢量与输出的相电压和线电压的对应关系见表2-1所示。将表中的8组相电压值代入式（2-14），就可以计算出相应的8组相电压的矢量，这8个矢量就称为基本电压空间矢量，图2-3给出了8个基本电压空间矢量的大小和位置，包括6个标准矢量U 0、U 60、U 120、U 180、U 240、U 300和两个零矢量O 000和O 111。其中非零矢量的幅值相同，都为2U DC /3。且相邻的两矢量相位相差60°，而2个零矢量幅值为零，位于中心。
当采用DSP 编程实现SVPWM 时，为了计算方便，需要将如图2-3所示的三相ABC 平面坐标系中的线电压和相电压值转换到平面直角坐标系中，其中平面直角坐标选择α轴与A 轴重合，β轴超前90°。如果 在两个坐标系的旋转中保持电动机的总功率不
表2-1 开关状态与相电压和线电压的对应关系[16]
A
b c U A U B U C U AB U BC U CA 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 2U DC /3 -U DC /3 -U DC /3 U DC 0 -U DC 1
1 0 U DC /3 U DC /3 -2U DC /3 0 U DC -U DC 0
1 0 -U DC /3 -U DC /3 -U DC /3 -U DC U DC 0 U DC 0
1 1 -2U DC /3 U DC /3 U DC /3 -U DC 0 0
0 1 -U DC /3 -U DC /3 2U DC /3 0 -U DC U DC 0 0
1
0 1 U DC /3 -2U DC /3 U DC /3 U DC -U DC 1 1 1 0 0 0 0 0 变，则变换矩阵为：
?????
???????---=-232302121123αβABC T （2-10） 利用这个变换矩阵，就可以将三相ABC 平面坐标系中的相电压转换到平面直角坐标系中，其转换式为
????
??????????????????---=??????C B A U U U U U 232302121123βα （2-11） 图2-3 基本空间矢量对应图[15]
2 磁链轨迹PWM 的控制算法
当磁链空间矢量Ψs 的矢端在如图2-4所示的位置时（定点在BC 边上），如果此
图2-4 正六边形磁链轨迹
时逆变器加到定子上的电压空间矢量为U 0，则由Ψs 于U 的积分关系，使Ψs 的矢端将沿BC 边的轨迹向所作用的方向运动。Ψs 的矢端运动到C 点时，如果定子上的电压空间矢
量变为U60，则Ψs矢端将沿CD边运动。用同样的方法依次给出电压空间矢量U120、
U180、U240、U300，则Ψs矢端将沿DE、EF、FA、AB边的轨迹运动。这样，就形成了正六边形磁链运动轨迹（逆时针方向）。同样如果要使磁链顺时针方向运动，则当Ψs在如图2-13所示位置时，应依次给出U180、U120、U60、U0、U300、U240，Ψs的始端将沿正六边形的六条边以顺时针方向运动。
由于非零的基本电压矢量只有6个，因此只能形成一个正六边形的磁链轨迹。为获得近似圆形的磁链轨迹，一种方法就是利用这几个非零的基本电压空间向量的线性组合来得到更多的开关状态。如图2-5所示，任意时刻输出参考相电压矢量Uout可由相邻的两个基本电压空间矢量U X和U X±60的线性时间组合来合成，它等于t1/T PWM倍的U X与
t2/T PWM倍的U X±60的矢量和。其中t1和t2分别是U X和U X±60作用的时间，T PWM是Uout 作用的时间。按照这种方式，在下一个T PWM期间，仍然用U X和U X±60的线性时间组合，但作用的时间t1'和t2'与上一次的不同，它们必须保证合成的新的电压空间矢量Uout'与原来的电压空间矢量U OUT的幅值相等。
图2-5电压空间矢量的线性组合
如此下去，在每一个T PWM期间，都改变相邻基本矢量作用的时间，并保证所合成的电压空间矢量的幅值都相等，因此，当T PWM取足够小时，电压空间矢量的轨迹使用一个近似圆形的正多边形，这样形成的磁链空间矢量Ψs的轨迹也近似为圆形。
磁链空间矢量Ψs运动速度的改变可由各边中添加零矢量来实现。添加零矢量的原则
是选择使期间开关次数最少的零矢量。对于图2-4，在边BC选用的电压空间矢量是U0，则当Ψs的矢端在BC边运动时，调节磁链的运动速度由添加零矢量O000来实现。U0和
O000的开关模式分别为（100）和（000），可见，添加零矢量后，只一个桥臂发生了开关
动作，开关器件的个数最少。同理，在CD边上应选择O000来调节磁链的运动速度。
一般为了使磁链的运动平滑，零矢量并不是在某一个点加入，而是采用零矢量分割技术将零矢量多点插入到磁链轨迹中，作用时间之和仍为t0。这样做可以大大减少电动机的转矩脉动。
矢量控制的基本原理
矢量控制要求对异步电机的动态数学模型进行化简，将定子电流分解为转矩分量和励磁分量，通过控制矢量电流i的幅值和方向(M、T坐标系中的β角)去等效地控制三相电流i a、i b、i c的瞬时值，从而调节电机的磁场和转矩以达到调速的目的。矢量控制系统的原理结构图如图2-6[8]:
图2-6 矢量控制系统原理结构图
由图2-6可以看出，从给定输入到等效直流电机的输出，异步电机的直流等效过程就是解除异步电机非线性耦合关系简化其数学模型的过程，在这个过程中，涉及三种坐标系统：三相静止坐标系(3S)、两相静止坐标系(2S)和两相旋转坐标系(2R)，三相异步电机模拟成直流电动机进行控制需将三相变换到两相，以及静止坐标系变换到旋转坐标系，以下对这些变换过程进行简要的阐述。
三相—两相静止坐标系变换(3/2变换)
不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下产生的合成磁动势完全一致。总所周知，在交流电动机三相对称静止绕组A、B、C中，通以三相平衡的正弦电流i A、
i B、i C时，所产生的合成磁动势F是空间正弦分布的旋转磁通势。我们还知道，旋转磁通
势并非要三相不可，除单项外，二相，三相，四相……等任意对称的多项绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁通势。
现在考虑三相静止绕组A 、B 、C 到静止两相绕组α、β的变换。如图2-7是3/2变
图2-7 3/2变换坐标系与绕组磁动势空间矢量图
换坐标系与绕组磁动势空间矢量图（为方便起见，取A 轴与α轴重合，图中）。
静止坐标系变换是按等效电机原则进行，即变换前的三相电机与变换后的两相电机具有相同的功率和磁动势，在电、磁两方面完全等效。从三相到两相的变换关系为：
（2-12)
变换矩阵为:
（2-13)
反变换关系为：
(2-14)
反变换矩阵为：
(2-15)
两相—两相旋转变换（2s/2r 变换）
从两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换，称做静止两相-旋转正交变换，简称变换。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。两相静止和旋转坐标系中的磁动势矢量如图2-8所示（其中）：
图2-8 两相静止和旋转正交坐标系中的磁动势矢量
由图2-8可见，和之间存在下列关系：
(2-16)
旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换为：
（2-17）
其中，s 分别是静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系、旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换矩阵。电压和磁链的旋转变换阵相同。
图2-9静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系
旋转正交dq 坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量Ψr 同步旋转的坐标系，若令d 轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt 坐标系，如图2-9所示，此时d 轴改为m 轴，q 轴改为t 轴。
在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系中，有：，，，于是有按转子磁链定向同步旋转坐标系中的状态方程：
??????
???????+-+--=+++-=+-=-=s st sm st r s m r r s r r s m st s sm st sm r s m r r
s r r r s m sm sm r m r r r L p r st r m p L u i i L L L R L R L L L dt di L u i i L L L R L R T L L L dt di i T L T dt d T J n i JL L n dt d σωσωψσσωσψσψψψω1222122221 （2-18）
按转子磁链定向同步旋转正交坐标系上的数学模型是同步旋转正交坐标系模型的一个特例。通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量i sm和转矩分量i st，使转子磁链Ψr仅由定子电流励磁分量i sm产生，而电磁转矩T s正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。因此，按转子磁链定向同步旋转坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当[8]。
从本节可以看出，相当复杂的异步电动机原始模型，经过以上的坐标变换，是能够简化数学模型，有利于我们的分析计算。我们选取转速ω，定子电流i sd，转子磁链Ψr为状态变量，通过相应变换，对电机进行控制。
按转子磁链定向的矢量控制技术的实现
电流闭环控制后，转子磁链为稳定的惯性环节，对转子磁链可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式，而转速通道存在积分环节，为不稳定结构，必须加转速外环使之稳定。常用的电流闭环控制有两种方法：三相电流闭环控制的矢量控制、定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制。两种电流控制作用相同，前者多采用硬件电路，后者可用软件实现，由于现代计算机运算速度高，功能强，我们采用后者。
采用定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制方法，我们需要将检测到得三相电流（实际只要检测两相）施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流i sm和i st，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为定子电压给定值和，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值和，再经SVPWM控制逆变器输出三相电压[8]。
定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图如图2-10所示：本文将采用带基于电流模型反馈信号的转子磁链定向控制。如图2-10所示，此控制系统由转速控制外环和电流控制内环组成，转速控制环由用户给定的转速指令值与来自于电机轴上的光电编码器的转速反馈信号ω进行比较，将其偏差通过速度PI调节器调整，并输出转矩分量电流作为内环转矩调节器的指令值，再与通过霍尔电流传感器检测到的三相定子电流经过3/2变换和旋转变换信号比较，经过转矩PI调节器，得到旋转坐标系下的定子转矩电压分量。电流控制内环中由励磁分量指令值（为零)与检测到的定子电流经过
3/2变换和旋转变换信号比较，经过PI调节器，得到旋转坐标系下的定子励磁电压分量u sm再将u sm和u st进行反旋转变换，变换到定子静止两相坐标系统，获得与逆变器的电压空间矢量具有相同坐标系统的两个电压分量，最后利用空间矢量脉宽调制技（SVPWM）产生逆变器开关导通状态的PWM波形。
图2-10 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图
转矩控制方式
当转子磁链发生波动时，将影响电磁转矩，进而影响电动机转速。此时，转子磁链调节器力图使转子磁链恒定，而转速调节器则调节电流的转矩分量，以抵消转子磁链变化对电磁转矩的影响，最后达到平衡，转速等于给定值，电磁转矩等于负载转矩。
图2-11 转矩闭环的矢量控制系统原理结构图
转速闭环控制能够通过调节电流转矩的分量来抑制转子磁链波动所引起的电磁转矩变换，但这种调节方式是在转速发生变化后起作用的，为了改善系统的动态性能，采用转矩控制方式。常用的转矩控制方式有转矩闭环控制和在转速调节器的输出增加出发环节两种。两种转矩控制方式的作用相同，我们采用转矩闭环控制方式。转矩闭环的矢量控制系统原理结构图如图2-11所示。
转子磁链的计算
按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是Ψr的准确定向，也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置，除此之外，在构成转子磁链反馈以及转矩控制时，转子磁链幅值也是不可缺少的信息。根据转子磁链的实际值进行矢量变换的方法，称作直接定向。转子磁链的直接检测相对困难，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，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。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分电流模型和电压模型两种。电流模型需要实测电流和转速信号，不论转速高低都适用，受电机参数影响较大。在坐标系上计算转子磁链的电流模型如图2-12所示。
图2-12 在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型
电压模型不需要转速信号，且算法与转子电阻无关，只要定子电阻相对易于测得，和电流模型相比，电压模型受电机参数变化影响较小，而且算法简单，但是在低速时，定子电阻压降变换影响也较大。计算转子磁链的电压模型如图2-13所示：
图2-13 计算转子磁链的电压模型
转子磁链计算的两种模型，比较起来，电压模型更容易适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速，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，高速时采用电压模型。
系统的总体设计
按转子磁链定向的矢量控制控制系统和其他的异步电机调速系统一样，由主电路和控制电路两大部分构成。系统主电路采用通用变频器IPM模块作为化的成交一直一交电压源型通用变频主电路。矢量控制尽管为高性能电机控制系统提供了理论依据，但是系统中的控制电路所采用的微处理器的性能将直接影响系统性能。实践表明，采用高性能微处理器实现的电机控制系统是简化系统结构、完善系统功能、实现复杂有效的控制策略以及提高控制系统可靠性的重要手段。在交流电机控制中，DSP所特有的高速计算能力，可以用来增加采样频率，并完成复杂的信号处理和控制算法，控制电力电子的外围设备。PID算法、卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制及智能控制等，均可利用DSP在较短的采样周期内完成。因此利用DSP的信号处理能力还可以减少传感器的数量。电机控制专用DSP具有PWM生成功能：可产生高分辨率的PWM波形，可灵活实现各种PWM控制模式，具有多路PWM输出功能。美国TI公司的数字信号处理器
TMS320F2812芯片，具有相当快的数据处理能力和丰富的输入输出设备及接口电路，因而本系统选用它作为核心控制器件来构成控制回路，扩展模拟信号采样板、稳压电源板。其中上位机通过串口通信完成参数给定、数据显示等功能；辅助电路由速度检测电路，电流检测电路，故障检测保护电路以及串行通信电路等组成，实现异步电动机的转速电流检测。
按转子磁链定向的矢量控制系统的硬件由以下几部分构成：1.上位机和RS232串行联接线；2.主电路，采用通用的IPM功率模块成交一直一交电压源型通用变频电路以及用于给TMS320F2812控制板提供直流电的开关电源电路；控制板，这是整个控制系统的核心；4.用于检测采集两相定子电流和直流母线电压的检测电路；5.用于转速检测的光电编码器及三相交流异步电动机。系统的硬件结构原理电路如图2-14所示。
图2-14 系统硬件结构原理框图
系统参数可以由上位机通过RS232接口传给下位机，DSP控制器负责A/D转换、计算电动机的转速和位置，最后运用矢量控制算法，得到电压空间矢量的SVPWM控制信
号，再经过光耦隔离电路后，驱动IPM功率开关器件。DSP控制器还负责系统的保护和监控，当系统出现过压、欠压等故障时，DSP将封锁PWM输出信号，以保护IPM模块。由于DSP本身带有A/D转换电路，没有必要再外加A/D转换，因为系统的硬件设计变得简单，外围电路大大简化，既降低了系统的成本又提高了其可靠性。
系统的软件部分只要完成数据的计算、事件处理和控制功能。在本设计中，计算与控制功能主要由TMS320F2812DSP芯片来完成。通过软件和算法，进行相应的变换和PI 调节控制。
3．系统硬件电路设计
核心芯片选择与介绍
1．TMS320F2812DSP控制器简介[10]
TMS320F2812型DSP是TI公司C2000系列电机控制专用电路的高端产品，是定点32位数字信号处理器，主频可达150 MHz（时钟周期）。内含128位Flash和两个通用事件管理器，可用于产生脉宽调制输出信号；还有16通道12位高精度AD转换模块，并可拓展外部存储器。如图4-1所示，TMS320F2812器件由三个主要的功能单元组成：内核CPU、存储器与I/O接口和片内外设。TMS320F2812型DSP具有哈佛结构、流水线技术、硬件乘法器、快速的指令周期和特殊DSP指令等特点，使得它成为实时信号处理的理想选择。
F2812除具
图3-1 TMS320F2812 DSP功能框图
有数字信号处理器的一般特点之外，片内还增加了经过优化的、专门用于数字控制的外设电路，因此称为DSP控制器。
TMS320F2812型DSP的功能框图如图4-1所示，有16路的12位A/D转换器(A/D)分为两个单元，每个单元各有8个模拟输入通道，使用A/D转换器可同时测量两个模拟输入(每个单元一个)。每个模数转换时间小于60ns。在本系统中需要同时检测A、C两相电流，经A/D转换采入CPU内部进行处理。TMS320F2812的A/D转换器既可以保证采样到的A、C两相的电流为同一时刻的电流，又缩短了电流采样的时间，非常有利于提高调速装置的动态性能。两个事件管理器(EVA、EVB)是专门用于电机控制的外设模块。每个事件管理器包括三个通用定时器、三个全比较单元、脉宽调制电路、捕获（Capture）单元以及正交编码器脉冲(QEP)电路。事件管理器中的比较/PWM通道能够输出PWM波形，PWM波形的周期、有效电平和有效信号的占空比都能够通过对控制寄存器的编程确定。其中全比较单元的六个PWM输出引脚是成对工作的，专门为桥式电路所设计，PWM模式波形的发生是经过一个内嵌PWM电路产生，在其中有一个死区产生电路和一个空间矢量状态机。死区产生电路用于上、下桥臂的状态转换时增加一个死区时问，确保不发生短路直通现象。TMS320F2812有两个串行通讯接口(SCI)，可与上位机串口等通讯。本系统使用的是DSK2812-I型DSP。
2．功率模块IPM的简介
随着电力电子技术的发展，功率模块(IPM)不断地向小型化、专用化、高性能的方向发展。有的智能功率模块出了普通的变频还可以实现电流检测、电压检测、电平转换和驱动功能，例如三菱的ASIPM智能功率模块PSll011是专为简化设计和节省体积而设计的，其内部集成三相整流桥、七单元IGBT(包括六个逆变单元和一个制动单元，制动电阻需外接)及其驱动电路、各种保护电路以及三相电流检测电路。PSll011的最大工作电压是
600V，额定电流0．8A，最大PWM载波频率20kHz，适用于0．1kw/AC200v的高速变频装置。它的应用可以大大简化系统电路，增加稳定性，提高效率和减小功率。在本设计中，为了体现各检测电路的组成及其在系统中的作用，为了更清晰的显示变频及电路保护的一些电路结构，采用通用的结构代替具体的变频器。虽然，变频器的种类很多，其内部结构也各有不同，但都有着仙童的基本结构。在通用的变频器功率模块中，其主电路主要由整流电路，直流中间电路逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成[12]。通用变频器IPM的基本结构框如图3-2所示：
图3-2通用电频器IPM的基本结构框图
图中，R、S、T是三相AC220V输入端，经过三相桥式整流电路整流后，经过滤波等直流中间电路，最后逆变输出。
系统主电路的设计
IPM功率模块是整个控制系统的主电路部分。其整流电路种类很多，在本设计中采用桥式不可控整流，直流侧则采用大电容滤波。这种整流方式可减小对电网的干扰，能给逆变器输出较恒定的直流电压。通用电压型变频器的基本结构如图3-3所示。
现代通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器。VT b和R b为泵升限制电路，为了便于散热，制动电阻器称作为附件单独装在变频器机箱外边。主电路：采用交-直-交电压型
图3-3 用电压型变频器的基本结构
变频装置。它主要由整流电路、滤波电路、逆变器三部分组成。整流电路是利用二极管三相桥式不可控整流模块将三相工频交流电整流成直流电；滤波电路采用电容滤波，将整流输出的脉动电压转化为平直的直流电压VDC；逆变器是由IGBT构成的三相全桥式逆变器。
图中，R、S、T是三相AC220V输入端，经过三相桥式整流电路整流后，经过滤波等中间电路，再由逆变输出。为了避免大容量在合上电源开关K1后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容器间的直流回路上串入限流电阻R0(或电抗）。刚通上电源时，由R0限制充电电流，然后延时将R0短路，以免长期接入R0时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。
驱动电路作用是将微机控制电路产生的PWM信号经功率放大后，控制电力电子器件的开通或关断，起到弱电控制强电的作用。
图3-4 数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图[8]图3-4为基于DSP的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图。它包括主电路（为了清楚起见，将IPM的主要功能结构简化抽象成图中所示）、驱动电路、微控制电路、信号采集与故障综合电路，图中未绘出开关器件的吸收电路和其他辅助电路。为了完整，把主电路也示于图中。
1 信号采集与故障综合电路
电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，并同时用作显示和故障保护。
2 微机控制电路
现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片
主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。PWM信号可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。
3 控制软件
控制软件使系统的核心，出了PWM生成、给定积分和压频控制等主要功能软件外，还包括信号采集、故障综合及分析、键盘及给定电位器输入、显示和通信等辅助功能软件。
现代通用变频器功能强大，可设定或修改的参数达数百个。有多组压频曲线可供选择，除了常用的带低频补偿的恒压频比控制，还带有S型和二次型曲线；具有多段加速或减速功能，每段的上升或下降斜率均可分别设定，还具有摆、频率跟踪以及逻辑控制和PI控制等功能，以满足不同用户的需求。
控制电路及其外围电路设计
PWM电路的设计以及驱动电路
IPM控制电源要求范围是~，尽量是在15V下工作，当电压低于时损耗会增加，保护特性会漂移，会导致保护功能不够充分，致使IPM损坏。上桥臂一组电源及下桥臂一组电源各自组成一个回路，即四组电源是绝缘的，不可将其共地。
故障输出光耦合器接入IPM智能模块的ALM输出端，当发生故障时，向外部输出
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：
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··
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。
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
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。
§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。