天津科技大学本科生
毕业设计（论文）开题报告
签名）
年月日
研究内容（包括基本思路、框架、主要研究方式、方法等）
1．直接转矩控制框图
直接转矩控制系统结构如下图所示，主要包括转矩计算、磁链计算、转矩、磁链滞环调节器及转速PI调节等，通过转矩和磁链环选择合适的电压矢量，调节电机转矩和定子磁链快速跟踪给定值，以达到通过电机定子磁链控制电磁转矩的目的。
直接转矩控制框图
2．内容步骤
（1）建立了三相异步电机的数学模型，通过所介绍的变换矩阵得到了一部电机在二相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。在分析空间电压矢量的基础上，结合一种经典的直接转矩控制系统阐述DTC的基本控制策略及如何构成开关模式表以实现对转矩和磁链的控制。
（2）对直接转矩控制进行的系统的分析，然后对定子磁链滞环和转矩滞环进行详细的分析。最后利用Matlab/Simulink仿真软件，设计出直接转矩控制模型。结合Simulink中逆变器和电机模型库中的三相鼠笼式异步电动机模块，加上对某些模块进行S函数编写，提高仿真的速度及精度。
（3）给出仿真结果，并对仿真结果做出分析，从仿真结果来看，系统的动、静态效果较好，动态响应迅速，系统稳定。
研究进程安排
3.1-3.21 毕业实习，收集、查阅有关资料，完成实习报告及开题报告。
3.22-3.28 调查研究、分析课题，完成英文资料翻译。
3.29-
4.18 分析异步电机直接转矩控制系统。
4.19-
5.2 提出异步电机直接转矩控制系统的性能指标、控制原则和控制要求，
制定控制系统的控制策略和方法。
5.3-5.30 建立系统的数学模型及仿真模型，系统运行性能仿真分析。
5.31-
6.27 组织材料，撰写论文，审阅修改，最后论文定稿。
6.28-
7.4 答辩，装订整理论文文件。
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、
异步电机直接转矩控制的ISR方法研究 直接转矩控制转矩脉动 1引言 目前，矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）已经被人们公认为是高性能的交流变频调速技术。矢量控制系统采用转子磁链定向，实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦，可以按线性理论分别设计转速与磁链调节器（一般采用PI调节器），实行连续控制，从而获得较宽的调速范围，但系统易受转子参数变化的影响。直接转矩控制系统则舍去比较复杂的旋转坐标变换，直接在定子静止坐标系上，计算电磁转矩和定子磁链，并用双位式bang-bang控制对转矩和磁链进行调解，受电机参数影响较小，转矩响应快，但由于bang-bang控制本身属于P控制，不可避免地产生转矩脉动，影响系统低速性能。本文介绍的ISR（Indirekte Selbst Regelung）控制策略能有效地减小直接转矩控制中转矩的脉动，具有良好的低速性能及动、静态特性。 2异步电动机动态模型 在定子两相静止坐标系(α，β)中的异步电动机电压方程及电磁转矩方程可表示为： uαs=Rsiαs+PΨαs(1) uβs=Rsiβs+PΨβs(2) (3) 其中:uαs，uβs，iαs，iβs，Ψαs，Ψβs分别是α，β坐标系下定子侧电压，电流，磁链的α，β轴分量：Rs为定子电阻；np为电机极对数；p为微分算子；为电机漏电感为常数；θ为定子磁链与转子磁链的夹角。 由式（1）、（2）式我们可以得到定子两相静止坐标系下定子磁链可表示为： (4) (5) 直接转矩控制的主电路图如图1所示。
图1 直接转矩控制主电路图 其中逆变器的8种开关状态对应了8组电压矢量，如表1所示[1]。 表1 电压矢量表 表2 逆变器电压矢量选择表 为了方便控制定子磁链和电磁转矩，我们把磁链空间矢量划分为6个均等的区域，划分原则是：
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
收稿日期:2005-04-281 曾国树 男 1952年生;毕业于华侨大学电气工程与自动化专业,实验室主任,现从事电机与控制专业实验教学工作1 异步电机直接转矩控制系统及其仿真 曾国树 方瑞明 华侨大学信息科学与工程学院,福建泉州(362021) 摘 要 阐述了直接转矩控制的基本数学关系,直接转矩的控制系统构成,并在M ATLA B 环境下进行了仿真。仿真结果表明该技术具有优异的静、动态性能,非常适合电力牵引,并阐述了直接转矩控制的发展前景。 关键词 电机 直接转矩 仿真 中图分类号TM 343 文献标识码A 文章编号1008-7281(2005)04-0023-03 Si m ulation of D irect -Torque Control Syste m of A synchronousM otor Zeng G uoshu and Fang Rui m ing Abstract Th is paper i n tr oduces t h e basic m athe m atic re lationsh i p of direc-t torque contro l(DTC ),t h e constructi o n o f direc-t tor que .s contr o l syste m.The si m ulati o n results by usi n g Si m u li n k o fMA tlab i n d icates that this techno logy has pre m i u m dyna m ic and stati c properties and is app licab le to e lectric tracti o n .The fut u re of d irec-t to r que contro l is de -scri b ed . K ey w ords A synchronousM otor ,d irec-t torque contro,l si m u lation . 1 引言 近年来随着交流控制技术的发展,以定子磁链为控制对象的异步电机直接转矩控制技术正受 到人们的广泛重视。直接转矩控制(DTC)的基本思想是同时控制异步电机的定子磁链和电磁转矩。与普通的矢量控制不同,在直接转矩控制闭环中没有电流环。由于直接转矩控制不象矢量控制那样需要进行旋转3/2变换,所以与矢量控制相比大大地简化了控制算法。对于一般的直接转矩控制而言,其逆变器开关状态的选择是通过查开关表得到的,因此它不需要进行脉宽调制也能保证转矩的快速响应,同时也能很简便地得到各相输出电压。而且对于直接转矩控制而言,在高速运行段,除了电机的定子电阻外不需要知道电机的其它参数,所以直接转矩控制对电机参数的依赖度要比矢量控制低。 本文讨论了异步电机直接转矩控制系统,就所遇到的几个问题提出了相应的解决方法。 2 直接转矩控制原理 2.1 异步电机转矩观测模型 在静止两相坐标系下(其直轴A 轴在定子A 相轴线上),异步电机的定、转子磁链如下 定子磁链:7s =(L m +L R s )i s +L m i r (1) 转子磁链:7r =(L m +L R r )i r +L m i s (2) 气隙磁链:7m =L m i s +L m i r (3) 式中,L m )互感;L R s )定子漏感;L R r )转子漏感;i s )定子电流;i r )转子电流。 不同于矢量控制系统,直接转矩控制方法是以定子磁链矢量为基准,并维持其幅值为恒定,其电磁转矩T e 模型可以表示为 T e =K m (7s A i s B -7s B i s A ) (4) 式中,K m )转矩系数;7s A 、7s B 、i s A 、i s B )7s 、i s 在A 、B 轴系上的分量。 根据式(4)构成的转矩观测模型框图如图1所示。 以定子磁链7s 为基准,在定子坐标系中计算定子磁链,受电机参数影响最小,只需知道定子 23 2005年第4期 第40卷(总第125期) (EXPLOSI ON -PROOF ELECTR I C MAC H I N E ) 防爆电机
异步电机控制系统PI 参数计算 对于一个控制系统，在设计PI 调节器的参数时，应该先根据系统的传递函数计算出PI 参数的数量级，然后根据系统的响应性能进一步优化PI 参数值。 下面以异步电机控制系统电流环PI 参数推导为例，讲解异步电机控制器PI 参数的设计方法。 1. 异步电机的矢量控制电流环和转速环 异步电机的矢量控制电流环和转速环如上图所示。 上述控制量的传递过程是：给定转速与反馈转速进行转速PI 调节输出sq *i ，给定电流与反馈电流经过电流控制器的PI 调节后生成给定电压信号sq *U ，此电压信号用于产生转子磁链，要计算控制器的PI 参数值，首先要计算出相关的传递函数，再利用PI 调节器对系统进行校正，根据给定的ξ和n ω计算出K P 和K i 值。 下面推导电流环sq *U 与rd ?的传递函数。 矢量控制系统已有几种方案获得成功应用，包括转子磁场定向矢量控制、气隙磁场矢量控制、定子磁场矢量控制，所谓磁场定向就是规定d 轴与磁场方向的关系，当取d 轴与转子磁场方向重合时，就是转子磁场定向当取dq 坐标系的旋转速度与定子磁场同步旋转速度相同时，此时转子磁通在q 轴的分量为零，目前应用最广泛的就是按转子磁场定向的矢量控制。 此时： r rm rd ???== 2.38 0rt rq ==?? 2.39
ωωω-=1s 2.40 磁链方程：rd m sd s i L i L +=sd ? rq m sq s i L i L +=sq ? 2.41 rd r sd m i L i L +=rd ? 0sq =+=rq r sq m i L i L ? 由以上四式解出rd i 、rq i 与sd i 、sq i 的关系： r sq m rq L i L i - = 2.42 )(1 sd m rd r rd i L L i -=? 2.43 根据文件上《异步电机dq 坐标系上的数学模型推导》得出： sq dqs sd sd s sd P i R u ?ω?-+= sd dqs sq sq s sq P i R u ?ω?-+= 0=+=rd rd r rd P i R u ? 2.44 0=+=rd dqr rq r rq i R u ?ω 在鼠笼式异步电机中rd u 、rq u 为0。 下面把转子磁链用sd i 表示。 sd r m rd i P T L 1 +=? 2.46 转差频率为： rd r sq m dqr dqs s T i L ?ωωωωω= -=-=1 2.45 式中r T 为转子时间常数，r r r R L T = 将（2.38）、（2.39）、（2.41）代入（2.44）化简后可得：
三相异步电动机习题参考 1 在额定工作情况下的三相异步电动机，已知其转速为960r/min ，试问电动机的同步转速是多少？有几对磁极对数？转差率是多大？ 解：∵ n N =960(r/min) ∴n 1=1000(r/min) p=3 04.01000 960100011=-=-=n n n s N 2 有一台六极三相绕线式异步电动机，在f=50HZ 的电源上带额定负载动运行，其 转差率为，求定子磁场的转速及频率和转子磁场的频率和转速。 解：六极电动机，p =3 定子磁场的转速即同步转速n 1=(60×50)/3=1000(r/min) 定子频率f 1=50Hz 转子频率f 2=sf 1=×50=1Hz 转子转速n =n 1(1-s )=1000=980(r/min) 3 Y180L-4型电动机的额定功率为22kw ，额定转速为1470r/min ，频率为50HZ ，最大电磁转矩为。 试求电动机的进载系数入？ 解：1431470 22955095502=?=?=N N N n P T 2.2143 6.314===N m T T λ 4 已知Y180M-4型三相异步电动机，其额定数据如下表所示。 求：(1)额定电流I N ； (2)额定转差率S N ； (3)额定转矩T N ；最大转矩T M 、启动转矩Tst 。 解：（1）额定电流I N ==N N N N U P η?cos 31=91.086.03803105.18????=(A) （2）额定转差率S N =(1500-1470)/1500=
（3）额定转矩T N =9550×1470=120 最大转矩T M =×120=264 启动转矩Tst=×120=240 5 Y225-4型三相异步电动机的技术数据如下：380v 、50HZ 、△接法、定子输入功率P 1N =、定子电流I 1N =、转差率S N =，轴上输出转矩T N =，求：(1)电动机的转速n 2，(2)轴上输出的机械功率P 2N ，(3)功率因数N ?cos （4）效率ηN 。 解：（1）从电动机型号可知电动机为4极电机，磁极对数为p =2，由 1 21n n n s -= 所以 1480)013.01(1500)1(12=-?=-=s n n (r/min) （2）∵N N m n P T 29550? = ∴45955014804.29095502=?==N m N n T P （KW ） （3） ∵N L L N Cos I U P ?3 1= ∴88.02 .8438031075.4833 1=???==L L N N I U P Cos ? （4）923.075.484512===N N N P P η 6 四极三相异步电动机的额定功率为30kw ，额定电压为380V ，三角形接法，频率为50HZ 。在额定负载下运动时，其转差率为，效率为90%，电流为，试求：(1)转子旋转磁场对转子的转速；(2)额定转矩；(3)电动机的功率因数。 解：（1）转子旋转磁场对转子的转速n 2=Sn 1=×1500=30 (r/min) （2）额定转矩T N =9550×30/1470= （3）电动机的功率因数88.09 .05.573803103033 =????==N L L N N I U P Cos η? 7 上题中电动机的T st /T N =，I st /I N =7，试求：(1)用Y-△降压启动时的启动电流和启动转矩；(2)当负载转矩为额定转矩的60%和25%时，电动机能否启动？ 解：（1）用Y-△降压启动时的启动电流I ST =7×3=134(A) 用Y-△降压启动时的启动转矩T st=×3=(Nm) （2）因为 T st=， 当负载转矩为额定转矩的60%时, 由于T st 小于负载转矩，电动机不能启动。 当负载转矩为额定转矩的25%时，由于T st 大于负载转矩，电动机可以启动。
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
异步电动机直接转矩控制系统 1 直接转矩控制简介 直接转矩控制（Direct Torque Control—DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control—DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制系统的主要特点有： （1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。 （2）直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。 （3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单明了。 （4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。 为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统前，先从直接转矩控制的基本物理概念讲起。 2 直接转矩控制的基本物理概念 2.1 直接转矩控制中磁通和转矩的测量 在几种用于控制感应电机的方法中，直接转矩控制（DTC）占有很重要的地位。DTC 将转矩和定子磁通分别控制在两个滞环内，这就意味着转矩和磁通各自被限制在最大值和最小值的范围内。
永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与 实现
电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2]。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3]，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统，外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4]。 1. PMSM 控制系统总模型 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30//ωψψωωω& && (1) 将0=d i 带入上式，有 ???? ??????-+??????????? ??? ??--=????? ?????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω& && (2) 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m )
《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。
三相异步电机的转矩特性与机械特性 1．电磁转矩（简称转矩） 异步电动机的转矩T 是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I 2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。 经理论证明，它们的关系是： 22cos T T K I ?=Φ （5-4） 其中 T 为电磁转矩 K T 为与电机结构有关的常数 Φ为旋转磁场每个极的磁通量 I 2为转子绕组电流的有效值 ?2为转子电流滞后于转子电势的相位角 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为： 22122220()T sR U T K R sX '=+ （5-5） 其中 T K '为常数 U 1为定子绕组的相电压 S 为转差率 R 2为转子每相绕组的电阻 X 20为转子静止时每相绕组的感抗 由上式可知，转矩T 还与定子每相电压U 1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T 还受转子电阻R 2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。 2．机械特性曲线 图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线 在一定的电源电压U 1和转子电阻R 2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的n n m (a) T =f (s )曲线
关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。 在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩： 1）．额定转矩T N 额定转矩T N 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。 29550N P T n = （5-6） 式中P 2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n 的单位是转/分，T N 的单位是牛·米。 当忽略电动机本身机械摩擦转矩T 0时，阻转矩近似为负载转矩T L ，电动机作等速旋转时，电磁转矩T 必与阻转矩T L 相等，即T = T L 。额定负载时，则有T N = T L 。 2）．最大转矩T m T m 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。 最大转矩的转差率为S m ，此时的S m 叫做临界转差率，见图5-5（a ） 最大转矩Tm 与额定转矩T N 之比称为电动机的过载系数λ，即 λ= Tm / T N 一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。 在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。 3）．起动转矩T st ， T st 为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s ＝１时的转矩。 为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：T st >T N ，一般的三相异步电动机有T st /T N =1~2.2。 3．电动机的负载能力自适应分析 电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T 的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。 2 L T n S I T ↑?↓?↑?↑?↑直至新的平衡。此过程中，2I ↑时，1 I ↑? 电源提供的功率自动增加。
1．课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。 二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。 尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用 - 1 -
第四章 三相异步电动机 一、 填空（每空1分） 1. 如果感应电机运行时转差率为s ，则电磁功率，机械功率和转子铜耗之间的比例是 2:P :e Cu P p Ω= 。 答 s :s)(1:1- 2. ★当三相感应电动机定子绕组接于Hz 50的电源上作电动机运行时，定子电流的频率为 ，定子绕组感应电势的频率为 ，如转差率为s ，此时转子绕组感应电势的频率 ，转子电流的频率为 。 答 50Hz ，50Hz ，50sHz ，50sHz 3. 三相感应电动机，如使起动转矩到达最大，此时m s = ,转子总电阻值约为 。 答 1， σσ21X X '+ 4. ★感应电动机起动时，转差率=s ，此时转子电流2I 的值 ， 2cos ? ,主磁通比，正常运行时要 ，因此起动转矩 。 答 1，很大，很小，小一些，不大 5. ★一台三相八极感应电动机的电网频率Hz 50，空载运行时转速为735转/分，此时转差率为 ，转子电势的频率为 。当转差率为时，转子的转速为 ，转子的电势频率为 。 答 ，1Hz ， 720r/min ，2Hz 6. 三相感应电动机空载时运行时，电机内损耗包括 ， ， ，和 ，电动机空载输入功率0P 与这些损耗相平衡。 答 定子铜耗，定子铁耗，机械损耗，附加损耗 7. 三相感应电机转速为n ，定子旋转磁场的转速为1n ，当1n n <时为 运行状态；当1n n >时为 运行状态；当n 与1n 反向时为 运行状态。
答 电动机， 发电机，电磁制动 8. 增加绕线式异步电动机起动转矩方法有 ， 。 答 转子串适当的电阻， 转子串频敏变阻器 9. ★从异步电机和同步电机的理论分析可知，同步电机的空隙应比异步电机的空气隙要 ，其原因是 。 答 大，同步电机为双边励磁 10. ★一台频率为 160Hz f =的三相感应电动机，用在频率为Hz 50的电源上（电压不变），电动机的最大转矩为原来的 ，起动转矩变为原来的 。 答 265??? ??，2 65?? ? ?? 二、 选择（每题1分） 1. 绕线式三相感应电动机，转子串电阻起动时（ ）。 A 起动转矩增大，起动电流增大； B 起动转矩增大，起动电流减小； C 起动转矩增大，起动电流不变； D 起动转矩减小，起动电流增大。 答 B 2. 一台50Hz 三相感应电动机的转速为min /720r n =，该电机的级数和同步转速为 （ ）。 Ａ ４极，min /1500r ； Ｂ ６极，min /1000r ； Ｃ ８极，min /750r ； Ｄ １０极，min /600r 。 答 C 3. ★笼型三相感应电动机的额定状态转速下降%10，该电机转子电流产生的旋转磁动势 相对于定子的转速（ ）。 A 上升 %10； B 下降%10； C 上升 %)101/(1+； D 不变。 答 D 4. 国产额定转速为min /1450r 的三相感应电动机为（ ）极电机。
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
三相异步电动机直接转 矩控制系统仿真报告 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告 摘要：利用直接转矩控制( DTC )理论，研究异步电动机直接转矩控制调速系统的基本组成 和工作原理，建立了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用MATLAB /Simulink软件对异步电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真。结果表明: DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。 关键词：异步电机；直接转矩控制； MATLAB仿真 1 引言 自从20世纪70年代矢量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓矢量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制,通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 直接转矩控制(Direct Torque Control DTC)是在矢量控制基础之上发展起来的，是继矢量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压矢量分析方法直接在静止坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出PWM逆变器的开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩"与矢量控制相比，直接转矩控制的主要优点是:在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了矢量控制中的解藕思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数(转子电阻)"由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小"此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压矢量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接!计算过程简化的优点"因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 2 三相异步电机的直接转矩控制系统组成 三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图1所示，其仿真模型如图2所示，模型由7个主要模块组成：三相不控整流器
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：