存档日期：存档编号：
本科生毕业设计（论文）论文题目：
异步电机矢量控制系统设计姓名：刘成成
学院：电气工程及自动化学院
专业：自动化
班级、学号： 08电51 08285008
指导教师：甘良志
江苏师范大学教务处印制
摘要
目前广泛研究应用的异步电机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电机矢量控制调速法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有优秀的动态性能和低速性能，还有其调速范围宽的优点。
在给出异步电动机的矢量控制原理的同时，一并给出了矢量变换实现的步骤，解释了三相异步电动机数学模型的解耦方法。在论述了三相异步电功机的磁场定向原理之后，又介绍了转子磁链计算方法并设计了转子磁链观测器。详细分析了转矩调节器，转速调节器和磁通调节器的工作原理，并根据各个调节器的原理对各个调节器进行了相应的设计。以DSP为控制核心，设计了异步电机矢量控制系统的硬件电路，并编制了软件程序。
运用了MATLAB的工具软件SIMULINK对磁通闭环的控制矢量系统进行了仿真，并给出了仿真结果。
关键词：异步电机矢量控制 DSP处理器
Abstract
At present, the asynchronous motor velocity modulation, vector control and direct torque check etc. Are in detailed studies. This paper discusses the modulation method of asynchronous and wide velocity modulation scope.
This paper points out the process of implementing vector transformation and explains how to work in pairs in the mathematical models of asynchronous motors in turns while elaborating the vector control principle in asynchronous motor. It introduces the computational method of rotor flux linkage and designed the visualizer for rotor flux linkage.
This paper analyzes the working principles of magnetic flux regulator, torque regulator and RPM control and has designed all of them. Taking DSP as the control core, it has also designed the hardware of the vector controlling system in the asynchronous motor and has written the software program.
It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the controlling system of the magnetic closed loop vector and give the simulation result and the analysis of the result.
Key words:Asynchronous Motor Vector Control Digital Signal Processors
目录
摘要................................................... I Abstract................................................ II 1 概述 (1)
1.1 系统设计的主要任务要求 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.3 本设计的完成的主要工作 (2)
2 异步电机调速的基本理论 (3)
2.1异步电机的三相数学模型 (3)
2.1.1 异步电机三相动态数学模型的数学表达式 (4)
2.1.2 电压方程 (7)
2.1.3 转矩方程 (8)
2.1.4 运动方程 (9)
2.2 坐标变换 (10)
2.2.1 坐标变换的基本思路 (10)
2.2.2 三相-两相变换（3/2变换） (11)
2.2.3 静止两相-旋转正交变换（2r/2s变换） (14)
2.3异步电机按转子磁链定向的矢量控制系统 (16)
2.3.1 转子磁链计算 (17)
3 基于DSP芯片TMS320F2812的矢量控制系统设计 (20)
3.1 DSP芯片TMS320F2812 (21)
3.2 主电路设计 (22)
3.2.1 智能功率模块设计 (22)
3.2.2 整流滤波电路的设计 (23)
3.3 控制电路设计 (24)
3.4 检测电路设计 (25)
3.4.1 电压检测电路 (25)
3.4.2 转速检测电路 (26)
3.4.3 电流检测电路 (26)
3.5 保护电路 (27)
4 系统软件设计 (28)
4.1主程序设计 (28)
4.2 初始化程序设计 (29)
4.3 定子电流采样程序设计 (30)
4.4速度采样程序设计 (31)
4.5 SVPWM中断程序 (32)
5 Simulink仿真及结果分析 (34)
致谢 (37)
[参考文献] (38)
1 概述
1.1 系统设计的主要任务要求
异步电机矢量控制系统设计是基于三相异步电机的交流调速技术的研究[1][2][3]，本设计的主要任务有：（1）研究矢量控制系统的原理[4]。（2）研究矢量控制系统的实现方法。（3）分析矢量控制系统特点及软硬件接口。（4）设计矢量控制系统硬件电路（5）设计矢量控制系统的软件流程。（6）对矢量控制的数学模型进行仿真分析[5]。
1.2 国内外研究现状
矢量控制理论是由美国和德国的科学家在二十世纪七十年分别提出的理论[5][6]，经过半个世纪的补充和完善，使得矢量控制技术在工农业各种生产应用中逐渐突出[7][8]。
交流电机矢量控制技术就是建立电机可靠的数学模型，把定子电流矢量分解为转矩电流矢量和励磁电流矢量，分别控制其方向和大小，使其合成变频器的可控有效信号[9]。此技术是建立在直流调速系统深入研究基础上的仿直流调速系统，它实现了交流电机的直流化控制，进而极大地提高了交流调速系统的高效性、稳定性和易操作性。异步电机矢量控制系统的基本思想是通过对变频器参数的控制信号的分析控制，实现对电磁转矩的有效控制，使得异步电机调速系统获得和直流调速系统相似的控制方法及控制效果。具体原理如下：首先将电流的坐标变换，将定子上的三相对称电流A i、B i、C i通过坐标变换到同步旋转坐标系d-q 坐标系下两相直流电流（同步旋转坐标系下，始终保持d-q坐标系中d轴与转子磁场方向一致），即通过数学变换将三相交流电机的电子电流分解为两个分量：产生旋转磁动势的励磁分量M i和产生电磁转矩分量r i，然后以控制电流电机的方式分别对磁场和转矩进行单独控制，再经过变换方式把控制的结果转换成随时间变化的瞬间变量，所以系统控制频率特性好、控制精度高、转矩动态响应速度快。
总而言之，矢量控制技术的发展及完善极大地提高了工农业的生产水平，并减少了对环境的破坏，降低了对能源的损耗。
1.3 本设计的完成的主要工作
在设计中主要研究了按转子磁链定向的异步电机矢量控制系统，并对系统的硬件设计[10]、软件设计、仿真分析[11][12]及控制方法做了详细的论述和验证。在本设计中可以分为理论研究、硬件设计、软件流程设计、系统等几个部分。采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术[13]，使得系统的控制效果突出于传统的控制方法。
本文所完成主要工作包括：
（1）介绍了交流调速系统的发展和控制方法的完善以及本系统研究的应用背景和意义。
（2）对电机的矢量控制的基本原理做了比较详细的介绍，另外就矢量控制系统的发展和控制思想进行了比较细致的论述。
（3）对系统硬件电路的设计进行详细解释。设计采用TI公司生产的DSP 芯片TMS320F2818作为控制核心并进行了硬件控制电路设计[14]，另外还设计了相应的以智能控制模块为核心的逆变耦合电路、检测电路、整流滤波电路以及保护电路。
（4）详细论述了本设计的采用的矢量控制系统软件，对应硬件电路以及控制算法，编写了整个系统的软件流程图。
（5）建立了系统在Simulink平台上仿真模型，对系统的参数进行了设置，最后得出了系统的仿真控制模型效果图，验证了系统设计的正确性及可行性。
（6）对整个矢量控制系统的优点和缺点进行了分析和总结，并对以后的研究方向进行了展望。
2 异步电机调速的基本理论
2.1 异步电机的三相数学模型
因为在研究异步电机的数学模型时研究的是理想模型，所以需要对模型条件进行假设[15]：
1）忽略空间内的谐波，设三相绕组为对称绕组，在空间中互相相差3
2π
电角度，所产生磁动势沿气隙按正弦规律分布；
2）忽略磁路的饱和影响，假设各绕组互感以及自感都是恒定的； 3）忽略铁心中的损耗；
4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻阻值和耗散功率的影响。 无论异步电机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数等。异步电机三相绕组可以是Y 联结，也可以是△联结，以下均以Y 联结进行讨论。若三相绕组为△联结，可先用△-Y 变换，等效为Y 联结，然后按Y 联结进行分析和设计。
三相异步电机的物理结构模型如图1所示，定子三相绕组轴线A 、B 、C 在空间中是固定的，转子绕组轴线a 、b 、c 以角速度ω随转子旋转。如以A 轴作为参考坐标轴，转子a 轴和定子A 轴间的电角度θ为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。
图2-1 三相异步电机的物理模型
2.1.1 异步电机三相动态数学模型的数学表达式
异步电机动态数学模型由电压方程、磁链方程、运动方程和转矩方程组成，其中磁链方程和转矩方程是代数方程，电压方程和运动方程是微分方程。
1.磁链方程
异步电机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组可用下式表示。
??????????
????????????ψψψψψψc b a C B A =?????????
???????????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
bc 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
??????
???
???????????i i i i i i c b a C B A （2-1）
或写成
Li ψ= （2-1a ）
式中i A ，i B ，i C ，i a ，i b ，i c ——定子和转子相电流的瞬时值；
ψ
ψψψψψc
b
a
C
B
A
,,,,,——各相绕组的全磁链。 L 为电感矩阵，其中对角元
素L AA 、L BB 、L CC 、L aa 、L bb 、L cc 是各相绕组的自感，其余各项都是相应两相绕组间的互感。定子各相的漏磁通所对应电感就是定子漏感L ls ，各相转子的漏磁通相对应转子上的漏感L lr ，由于各相绕组是对称的，所以各相的漏感值均相等。相对于定子互感L ms 的是定子一相的绕组交链的磁通最大互感值，而相对应于转子互感L mr 的是转子一相绕组的交链中的最大的互感磁通，由于折算后的定子和转子的绕组匝数相等，故L ms =L mr 。上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示这算量的上角标“'”均省略，以下同此。
对于每一相的绕组来说，它所交链的磁通是漏感磁通与互感磁通之和，因此，定子各相的自感为
L L
L L L ls
ms
CC BB AA +
=
== （2-2）
而转子各相的自感为
L L L L L ls ms cc bb aa +=== （2-3） 绕组之间互感分为两类：①定子三相相互之间和转子三相相互之间的位置都相对固定的，所以互感值是常量；②定子任意一相与转子任意一相之间相对位置都是变化着的，所以互感值是角位移θ的函数。
先讨论第一种情况，三相绕组的轴线在空间中彼此的相位相差是3
2π
±
，如果假设气隙磁通是正弦分布的，那么互感的值就应该是
L L
L
ms
ms
ms
2
1
32cos
32cos -==
??? ?
?-ππ，于是就有
L L
L
L
L
L
L
L L
L
L L L L ms
ac
cb
ba
ca
bc
ab ms AC
CB
BA CA BC
AB
21
21
-
==
=
=
=
=
-
==
=
=
=
=
（2-4）
关于第二种情况，也就是定、转子绕组间的互感由于绕组的相对位置变化而变化时（见图2-1），可分别表示为
?
?? ?
?
-==
=
=
=
=
?
?? ?
?
+=======
=====32cos 32cos cos πθπθθ
L L
L
L
L
L
L
L L L L L L L L
L L L L L L ms bC
Cb aB Ba cA Ac ms aC
Ca cB Bc bA Ab ms
Cc
cC
bB
Bb
aA
Aa
（2-5）
在定子和转子的两相绕组的轴线重合时，两者的互感值最大，L ms 就是最大互感。
将式（2-4）、式（2-5）代入式（2-1），即得到完整的磁链方程，用矩阵表示为
??
???????
?
??=???
????
?i i L L L L r
s
rr
rs
sr
ss r
s ψ
ψ （2-6） 式中
[
][][][]
i i i i i i c b
a
C B A c b
a
C B
A T
r
T
s
T
r
T s
==
==
i
i
ψΨψψψψψψ
???
???
??????
????
+-
--+--
-
=+L L L L L L L
L L L L L L ls ms ms
ms
ms
ls ms
ms
ms ms ls ms ss 212
1
2
1212121
（2-7）
???
?????????????
+-
--+--
-
+=L L L L L L L
L L L L L L
lr ms L
ms
ms
lr ms
ms
ms ms lr ms rr
212
1
2
1212121
（2-8） ?
?
???
??
??????
??
?
?
?? ?
?
+??
? ??-
?
?? ?
?
-???
??
+
?
?? ??
+?
?? ??
-==
θπθπθπθθπθπθπθθcos 32cos 32cos 32cos cos 32cos 32cos 32cos cos L L
L
ms T sr
rs
（2-9） L rs
和L sr 互为转置矩阵，而且都和转子的位置有关，它们的元素均为变参
数，这是系统非线性的一个根源。
2.1.2 电压方程
定子的三相绕组的电压平衡方程式为
d
d R i u d d R
i u d
d R i u
t
C
s
C C t
B
s
B B t
A
s
A A
ψψψ
=== （2-10）
相对应，转子的三相绕组折算到定子一侧之后电压方程式为
d
d R
i u d d R i u d
d R
i u t
c
r
c c t
b
r
b b t
a
r
a a
ψψ
ψ
+=+
=+
=
（2-11）
式中u u u u u u c b a C B A 、、、、、为定子和转子相电压的瞬时值； R R r s 、为定子和转子绕组电阻。 将电压方程写成矩阵形式
??????????
?????
?
??
??
?
?
+
???????
????????????????????????????????
?=??????
?
?????????????ψ
ψψψψψ
c b a C B
A
t c b a C B A s s
s
s
s
s
c b a C B A
d i i i i i i R R
R
R
R
R u u u u u u d 0
00000000
00000
00000
00000
0 （2-12） 或写成
d
d t
ψRi u +
= （2-13）
如果把磁链方程式代入到电压方程式，那么得展开之后的电压方程式为
()i
L
L Ri i
L L Ri Li Ri u i i ωθ
d d
d
d
d
d d d d d
t
t
t
t +
+=++=+
= （2-14）
式中dt
di L ——由于电流变化而引起的脉变的电动势；
i L ωdt
d ——由于定子和转子的相对位置变化而产生的与转速ω之间成正比
关系的电动势，即旋转电动势。
2.1.3 转矩方程
根据电机能量转换的原理，电感为线性电感时，磁场储能W m 以及磁共能
W m
'
为
Li ψi i T T m m
W W
2
121'
=== （2-15）
电磁转矩等于机械角位移的变化时，磁共能变化率为θ
m
m W ?
?'
（将电流变化不
计，约束为一个常值），而且机械角位移为
n
p
m
θθ
=
，于是
θ
θ????====
W n
W T m m
m i p
i e
''常数
常数
（2-16）
将式（2-14）代入式（2-15），由于考虑到了电感分块矩阵的关系式，得
i i L L L i i
??
???
?
????
??
????=??=
002121θ
θθrs
sr T p T
p e n n T （2-17） 又考虑到[][]i i i i i i c
b
a
C
B
A
T r
T s
T ==
i i
i ，代入式（2-17）得
?
?
??????+??=
i L i i L i r sr
T s s rs T r p e
n T
θθ21 （2-18） 将式（2-9）代入式（2-18）并展开后，得
()()(
)[()(
)]
120
120sin sin sin ?
?
-+++++++++-=θθθi i i i i i i i i i i i i i i i i
i L n T b C a B c A a C c B b A c C b B a
A
ms p e
(2-19)
2.1.4运动方程
根据对运动控制系统的理论研究，运动方程式为
T T n L e p dt
Jd -=ω
（2-20） 式中 J ——异步电机的转动惯量； T L
——负载转矩（包括摩擦阻转矩）。
转角方程为
ωθ
=dt
d （2-21） 上述的异步电机动态数学模型是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件下得出的，对定、转子电压和电流未作任何假定，因此，该动态模型完全可以用来分析含有电压、电流谐波的三相异步电机调速系统的动态过程。
2.2 坐标变换
2.2.1 坐标变换的基本思路
图2-2给出了两极直流电动机的物理模型，图中F为励磁绕组，A为电枢绕组，C为补偿绕组。F和C都在定子上，只有A在转子上。把F的轴向称作直轴或者d轴（direct axis），主磁通Φ的方向就是沿着d轴的；A和C的轴线则称为交轴或者q轴（quadrature axis）。
如果可以把交流电机物理模型（图2-1）等效的变换成类似直流电机的模型，分析和控制的过程就可以大大地简化。而坐标变换正是按照这种思路进行的。在这里，不同坐标系之中的电动机模型可以等效看待的原则是：绕组在不同的坐标系之中产生的合成磁动势是相等的。
在交流电机的对称三相静止绕组A、B、C中，在电路中同三相平衡正弦交
流电电流i
、时，它们产生的合成磁动势就是旋转磁动势F，F在空
i C
i
B
A、
间是正弦分布，并以同步转速ω1顺着A-B-C的相序在旋转，如图2-3所示。
图2-3 三相坐标系、两相坐标系的物理模型
图2-3中绘出的两相绕组β
α、，通以平衡两相交流电，电流为iα和iβ，也能产生旋转的磁动势。如果三相绕组和两相绕组产生的磁动势大小和转速都相等时，就可以认为两相绕组和三相绕组等效，这就是3/2变换。
图2-4中除两相绕组β
α、外，还给出了匝数相等的两个相互正交的绕组
q
d、，分别通直流电流i d和i q，使其产生的合成磁动势F的位置相对于绕组的位置来说是固定不变的。如果人为地使铁心（包含绕组）以同步转速去旋转，则磁动势F也将随着铁心旋转，F就可以成为旋转磁动势。如果这个旋转磁动势F 的大小和转速都与固定交流绕组所产生的旋转磁动势相等，那么这套旋转的直流绕组就可以视为和前面两套固定的交流绕组都是等效的。
图2-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型
2.2.2 三相-两相变换（3/2变换）
图2-5是交流电机的坐标系的等效变换图。图中A，B，C三个坐标轴分别
α、则表示电机参量后分解的静止的代表电机分解后的参量的三相坐标系，而β
两相坐标系。而在每一个坐标轴的磁动势的分量都可以通过在这个坐标轴上的电流i和电机在这个坐标轴上的匝数N之间的乘积来表示，其空间矢量均位于相关的坐标轴上。
图2-5 两相正交坐标系和三相坐标系的磁动势矢量
按照磁动势等效原则，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βα、轴上的投影都相应相等，因此
()
i i N i N i N i N i i i N i N i N i N i N C
B
C B B c B A C B A -=
-=--
=
--=
3
33233332
2
3
3
sin
3
sin
)2
1
21(3
cos
3
cos π
π
π
π
α
写成矩阵形式得
?????
??????????????
?-
-
-=????????i i i i i C B A
23230
2121123βα （公式2-22）
按照变换前后总功率不变，可以证明匝数比为
3
2
2
3=
N
N （2-23） 代入式（2-22），得
?????
???????????????
-
-
-=???????
?i i i i i C B A
23230
2121132βα （2-24）
令C
2
/3表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则
?????
????
?--
-=
23230
21211322
/3C
（2-25） 利用0=++i i i C B A 的约束条件，将（2-24）扩展为
??
???
?????????????????
??
?
?-
-
-
=????
?
?????i i i i i C B A 212
12
1
2323021211320βα （2-26） 第三行的元素取2
1，使其相应的变换矩阵为正交矩阵，其优点在于逆矩阵
等于矩阵的转置。由式（2-26）求得逆变换
?????
?????????????????
??
?
?-
-
-
=????
?
?????0212
12
1
232302121132i i i i i B A C B A （2-27） 再出去第三列，即得两相正交坐标系变换到三相正交坐标系（3/2变换）的
变换矩阵
?????
??
?
????????---=2321232101323/2C （2-28） 考虑到0=++i i i C B A ，代入式（1-23）并整理后得
???
????????
???
???
?
=????????i i i i B A 212
1023βα （2-29） 相应的逆变换
????
?????????
???
???
?
=??????i i i i B A βα
212
1023 （2-30） 从原理上分析，上面的变换公式是有普遍性额，同样能应用在电压或者其他的参量的坐标变换中．将三相坐标的模型变换为两相坐标的模型，这是简化电机模型复杂度的第一步，为满足不同的参考坐标系下的各参量的分量分析，需要找到不同的参考运动坐标系下的变换方程，接下来推演静止坐标系变换到运动坐标系的公式。
2.2.3 静止两相-旋转正交变换（2r/2s 变换）
将静止两相的正交坐标系αβ到旋转正交坐标系dq 之间的变换，称为静止两相-旋转正交变换（简称2s/2r 变换），其中，S 表示静止，r 表示旋转，变换的前提还是产生的磁动势等价。
图2-6给出了αβ和dq 坐标系中的各个磁动势矢量，绕组每项有效匝数均为N 2
。
磁动势矢量是位于相关坐标轴上的。两相交流电流i i 、βα以及两个直流电
流i i q d 、会以角速度
ω1
旋转的产生等效的的合成磁动势F 。
图2-6 旋转正交坐标系以及两相静止正交坐标系中的磁动势矢量
由图2-6可见，i i 、βα和i i q d 、之间存在的关系。
?
???βαβαcos sin sin cos i i i i i i q
d +-=+= （2-31） 写成矩阵的形式，得
???
?????=????
??????????-=????????i i C i i i i r s q d βαβα??
??2/2cos sin sin cos （2-32） 因此两相静止正交坐标系到旋转两相正交坐标系的变换矩阵为
??
?
?
??-=??
??
cos sin sin cos 2/2C r s （2-33） 那么两相旋转的正交坐标系到两相静止正交坐标系的变换矩阵为
??
?
?
??-=????
cos sin sin cos 2/2C
s
r （2-34） 即
浅析交流伺服电机的矢量控制 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）关于交流电机的矢量控制技术，有很多论文与各种文章介绍。但多用难解的公式与坐标来记述，如果没有扎实的数学和控制等理论基础的话，相信大家有同感比较难理解。日笃君尽量用简单易懂的图解与计算来聊聊电机的构造，静止坐标与旋转坐标的变化，矢量控制，伺服控制等电机驱动技术。 在聊控制之前，为了更好理解控制，我们先来看看电机的构造。实时应用的电机构造很复杂，但可以简单的理解成：电机由装在里面的转子与装在外面的定子构成（也有相反的电机），转子里面一般放入永久磁石，定子里面一般缠绕铜线。然后在中间插入中轴来带动驱动物体。 电机技术经过百年的发展，形成了如上的各种分类。电机上使用的磁石属于稀有金属，产量主要分布在中国，近年由于稀土材料的价格高腾，工业界正在积极研究如何减少稀土的使用量，保持性能的同时降低产品成本，是企业也更是工程师永远的课题。如今实际应用中，同步电机得到广泛的采用。 同步电机又以磁石所装入的部位，主要分类为SPM（表面磁石）和IPM（内部磁石）： SPM电机由于控制简单，早起被工业界所采用，但是这种电机由于磁石装在转子的表面，所以可以利用的动力主要来源于自身的表面磁石。 IPM电机由于可以利用磁石与磁石周围励磁的动力，产生高密度的能量，而且可以通过构造的工夫减少稀土的使用量，所以今年得到更广泛的应用。 下面进入正题，聊聊交流电机的控制问题。
第5章三相异步电动机及其控制线路 5.1 三相异步电动机 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。 在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。 对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。 5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理 1．三相异步电动机的构造 三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。 图5-1 三相电动机的结构示意图 1）．定子 三相异步电动机的定子由三部分组成： 定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片 内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组
AX、BY、CZ。 定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。 机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组2）．转子 三相异步电动机的转子由三部分组成： 转子转子铁心 由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片 外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。 转子绕组 转子绕组有两种形式： 鼠笼式-- 鼠笼式异步电动机。 绕线式-- 绕线式异步电动机。 转轴转轴上加机械负载 鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。 为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。 2．三相异步电动机的转动原理 1）．基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。 图5-2 三相异步电动机工作原理
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
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、
三相异步电动机基本控制线路的安装与调试 任务1-1 三相异步电动机的单向运行控制 学习内容: 1、常用低压电器的基本结构、工作原理、图形符号和文字符号、主要技术参数及其应用； 2、三相异步电动机的启/停、点动/长动控制。 学习目标: 1、知道：常用低压电器的工作原理、图形符号和文字符号；常用低压电器的用途。 2、能根据控制要求正确选择低压电器。 3、了解：常用低压电器的基本结构；主要技术参数。 4、掌握三相异步电动机的启/停、点动/长动控制电路的原理。 学习重点:工作原理、图形符号、文字符号、选择使用。 学习难点:工作原理、选择使用 §1-1 机床电气控制中常用的低压电器 目标任务： 1、了解低压电器的基本知识，熟悉常用的低压电器种类； 2、熟悉常用的各种低压电器的结构及原理、符号、选用； 3、熟练掌握常用低压电器的使用。 相关知识： 1-1. 低压电器基本知识
凡是对电能的生产、输送、分配和应用能起到切换、控制、调节、检测以及保护等作用的电工器械，均称为电器。低压电器通常是指在交流1200V及以下、直流1500V及以下的电路中使用的电器。机床电气控制线路中使用的电器多数属于低压电器。 一、低压电器的分类 低压电器是指工作在交流电压1200V 、直流电压1500V 以下的各种电器。生产机械上大多用低压电器。低压电器种类繁多，按其结构、用途及所控制对象的不同，可以有不同的分类方式。 1 ．按用途和控制对象不同，可将低压电器分为配电电器和控制电器。 用于电能的输送和分配的电器称为低压配电电器，这类电器包括刀开关、转换开关、空气断路器和熔断器等。用于各种控制电路和控制系统的电器称为控制电器，这类电器包括接触器、起动器和各种控制继电器等。 2 ．按操作方式不同，可将低压电器分为自动电器和手动电器。 通过电器本身参数变化或外来信号（如电、磁、光、热等）自动完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为自动电器。常用的自动电器有接触器、继电器等。 通过人力直接操作来完成接通、分断、起动、反向和停止等动作的电器称为手动电器。常用的手动电器有刀开关、转换开关和主令电器等。 3 ．按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器 电磁式电器是依据电磁感应原理来工作的电器，如接触器、各类电磁式继电器等。非电量控制电器的工作是靠外力或某种非电量的变化而动作的电器，如行程开关、速度继电器等。 二、低压电器的作用 控制作用、保护作用、测量作用、调节作用、指示作用、转换作用 三、低压电器的基本结构 电磁式低压电器大都有两个主要组成部分，即：感测部分──电磁机构和执行部分──触头系统。 1 ．电磁机构 电磁机构的主要作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触头动作，从而完成接通或分断电路的功能。 电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁 3 个基本部分组成。常用的电磁机构如图所示，可分为 3 种形式。 2. 直流电磁铁和交流电磁铁
《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。
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
三相异步电动机的控制电路 一、复习思路及要求 1. 题型：选择题、技能题、简答题。 2. 必须熟练分析各种控制电路的工作原理，只有熟悉了工作原理才能正确绘制控制电路；补画控制电路；识别电路图中的错误；对故障进行正确分析处理；设计一些简单的控制电路；并且对PLC中简单的程序设计也有帮助。 3. 该部分容是非常重要的，要熟悉电路形式及控制形式：自锁、联锁的作用及连接方式；点动、连续运转；具有过载保护的连续运转控制电路是基础。 4. 需要掌握的控制电路有：⑴点动单向运转控制电路；⑵连续单向运转控制电路；⑶点动与连续混合控制电路；⑷接触器联锁双向运转控制电路；⑸按钮联锁双向运转控制电路；⑹接触器按钮双重联锁双向运转控制电路；（7）降压起动控制电路。 二、控制电路的分析 1.单向点动转控制电路 2.单向连续运转控制电路 3.连续与点动混合控制电路（一） 4.连续与点动混合控制电路（二） 5.连续与点动混合控制电路（三）
该电路中使用了中间继电器。其电器符号是KA。作用是：当其他继电器的触点数量不够时，可借助中间继电器来扩展触头数和触点容量，起到信号中继作用。 注：通过以上控制电路明确自锁的作用及其连接方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。 6.多地控制电路 该控制电路能实现电动机的两地控制。起动按钮并联，停止按钮串联。（图中如果SB1、SB2控制A地，则SB3、SB4控制B地。） 7.接触器联锁双向控制电路 该电路采用了接触器联锁优点是工作安全可靠。但电动机由正转变为反转时，必须先按下停止按钮，才能按反转按钮，否则由于接触器联锁作用，不能实现反转。 8.按钮联锁双向控制电路该线路的优点是操作方便，由正转变为反转时不必按下停止按钮，但容易产生电源两相短路故障。 9.接触器按钮双重联锁双向控制电路 该线路工作安全可靠、操作方便。 注：通过以上三个线路要明确联锁的作用及连接方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。 10.定子绕组串电阻降压起动控制线路（一）
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：
三相异步电动机的控制 1．直接启动控制电路 直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说， 电动机的容量不大于直接供电变压器容量的20％~30％时，都可以直接启 动。 1）．点动控制 合上开关QF ，三相电源被引入控 制电路，但电动机还不能起动。按下按钮SF ，接触器KM 线圈通电，衔铁吸合，常开主触点接通，电动机定子接入 三相电源起动运转。松开按钮SF ， 图5-13 点动控制 接触器KM 线圈断电，衔铁松开，常开主触点断开，电动机因断电而停转。 2).直接起动控制 （1）起动过程。按下起动按钮SF ，接触器KM 线圈通电，与SF 并联的KM 的辅助常开触点闭合，以保 证松开按钮SF 后KM 线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM 的主触点持续闭合，电动机连续运转，从而实现连续运转控制。 （2）停止过程。按下停止按钮SS ，接触器KM 线圈断电，与SF 并联的KM 的辅助常开触点断开，以保 证松开按钮SS 后KM 线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM 的主触点持续断开，电动机停转。 与SF 并联的KM 的辅助常开触点的这种作用称为自锁。 图示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压 保护。 图5-14直接起动控制 ? 起短路保护的是串接在主电路中的熔断器FU 。一旦电路发生短路故障，熔体立即熔断，电动机立即停转。 ? 起过载保护的是热继电器KH 。当过载时，热继电器的发热元件发热，将其常闭触点断开，使接触器KM 线圈断电，串联在电动机回路中的KM 的主触点断开，电动机停转。同时KM 辅助触点也断开，解除自锁。故障排除后若要重新起动，需按下KH 的复位按钮，使KH 的常闭触点复位（闭合）即可。 ? 起零压（或欠压）保护的是接触器KM 本身。当电源暂时断电或电压严重下降时，接触器KM 线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电源，电动机停转，同时解除自锁。
基于MATLAB交流异步电机矢量控制系统建 模与仿真 摘要：在分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上,利用MATLAB，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。 关键词：交流异步电机，矢量控制，MATLAB 一、引言 交流电动机由于动态数学模型的复杂性，其静态和动态性能并不是很理想。因此在上世纪前期需要调速的场合下采用的都是直流电动机，但是直流电动机结构上存在着自身难以克服的缺点，导致人们对交流调速越来越重视。从最初的恒压频比控制到现在的直接转矩控制和矢量控制，性能越来越优良，甚至可以和直流电机的性能相媲美。 本文研究交流异步电机矢量控制调速系统的建模与仿真。利用MATLAB中的电气系统模块构建异步电机矢量控制仿真模型,并对其动、静态性能进行仿真试验。仿真试验结果验证了矢量控制方法的有效性、可行性。 二、交流异步电机的矢量控制原理 矢量控制基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交 的交流分量，转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量,分别实现对电机磁通和转矩的控制,然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机,实现了像直流电机那样独立控制磁通和转矩的目的。 由于交流异步电机在A-B-C坐标系下的数学模型比较复杂,需要通过两次坐标变换来简化交流异步电机的数学模型。一次是三相静止坐标系和两相静止坐标系
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
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 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
目录 摘要 ................................................................................................. I 1绪论 . (1) 1.1交流调速技术概况 (1) 1.2异步电动机矢量控制原理 (2) 2矢量控制理论 (4) 2.1矢量控制 (4) 2.2异步电机的动态数学模型 (5) 2.3坐标变换 (7) 3矢量控制系统硬件设计 (9) 3.1矢量控制结构框图 (9) 3.2矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 (9) 3.3各个子系统模块 (10) 3.4矢量控制的异步电动机调速系统模块 (12) 4 SIMULINK仿真 (13) 4.1MATLAB/S IMULINK概述 (13) 4.2仿真参数 (13) 4.3仿真结果 (14) 5总结 (16) 参考文献 (17)
摘要 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。本设计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。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。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：坐标变换；矢量控制；MATLAB/simulink