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。
异步电动机转子磁链观测方法的比较与研究 转子磁链、观测方法、比较、矢量控制、直接转矩控制 1 引言 在异步电动机变频调速控制系统中，矢量控制技术和直接转矩控制技术得以有效实现的一个重要基础是在于异步电动机磁链信息的准确获取，这就需要知道磁链的幅值和相位。根据三相异步电动机在两相任意转速旋转坐标系下的数学模型可知，定子、转子和气隙磁链的方程式为： 定子磁链：（1） 转子磁链：（2） 气隙磁链：（3） 从以上方程式不难看出定子、转子和气隙磁链三者只要有一个获得，另外两个就可推导而出。因此异步电动机就有三种与之相对应的磁场定向方法，分别是按定子磁场定向、按转子磁场定向和按气隙磁场定向。不过按定子、气隙磁场定向方法未能实现iM和iT的完全解耦，因此按转子磁场定向是目前主要采用的方法，它可以实现磁通电流分量、转矩电流分量的完全解耦。下面就对转子磁链观测的方法进行一些比较研究，从而为实际应用时选择合适的观测器提供依据。 转子磁链的观测最初是采用直接检测气隙磁链的方法，就是在电机定子内表面装贴霍尔元件或其他磁敏元件，或者在电机槽内埋设探测线圈。利用被测量的气隙磁通，由式（2）、（3）就可得到转子磁通。从理论上讲，该方法应该比较准确，但实际上埋设探测线圈和装贴磁敏元件都会遇到不少工艺和技术上的问题，在一定程度上破坏了电机的机械鲁棒性。同时由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时越严重。因此在实用的系统中，多采用间接计算的办法，即利用容易测量的电压、电流或转速等信号，借助转子磁链观测模型，实时计算磁链的模值和空间位置。 2 转子磁链的间接获取方法 根据实测信号的不同组合，可以有多种转子磁链观测模型，总的说来可以分为两大类：开环观测模型和闭环观测模型。 2.1 开环观测模型 （1）电流模型法 根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型，它可以在不同的坐标系下获得。 ● 在两相静止坐标系α-β下转子磁链的电流模型 由实测的三相定子电流经过Clarke变换很容易得到两相静止坐标系上的电流isα和isβ。在两相静止坐标系α-β下的磁链方程： 为：（4） 这里面转子电流是难以测量得到的，需要进一步替换。由式（4）可得
A C 1 异步电机的矢量控制理论 本章首先阐述异步电动机的三相坐标系下的数学模型，然后根据坐标变换理论，得到了它在两相静止坐标系下和两相同步坐标系下的数学方程，在此基础之上介绍了异步电机的矢量控制原理【14】。 1.1 异步电机的数学模型 由于异步电机矢量控制调速系统的控制方式比较复杂，要确定最佳的方式，必须对系统动静态特性进行充分的研究。异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了便于研究，一般进行如下假设: （1)三相定子绕组和转子绕组在空间均分布，即在空间互差所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦分布，并忽略空间谐波; (2)各相绕组的自感和互感都是线性的，即忽略磁路饱和的影响; (3)不考虑频率和温度变化对电阻的影响; (4)忽略铁耗的影响。 无论三相异步电动机转子绕组为绕线型还是笼型，均将它等效为绕线转子，并将转子参数换算到定子侧，换算后的每相绕组匝数都相等。这样异步电机数模型等效电路如图1.1所示。 120o
A A A s A s A B B B s B s B C C C s C s C d u i R i R p dt d u i R i R p dt d u i R i R p dt ψψψψψψ?=+=+???=+=+?? ? =+=+?? a a a r a r a b b b r b r b c c c r c r c d u i R i R p dt d u i R i R p dt d u i R i R p dt ψψψψψψ? =+=+?? ? =+=+?? ? =+=+?? /du dt 图1.1 异步电机的物理模型 图1.1中，定子三相对称绕组轴线A 、B, C 在空间上固定并且互差 ， 转子对称绕组的轴线a 、b 、 c 随转子一起旋转。我们把定子A 相绕组的轴线作 为空间参考坐标轴，转子a 轴和定子A 轴间的角度作为空间角位移变量。规定各绕组相电压、电流及磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这样，我们可以得到异步电机在三相静止坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。 1.1.1 异步电机在三相静止坐标系下的数学模型 1、三相定子绕组的电压平衡方程为 (1-1) 式中以微分算子P 代替微分符号 相应地，三相转子绕组折算到定子侧的电压方程 (1-2) 式中：为定子和转子相电压的瞬时值； 为定子和转子相电流的瞬时值； 为定子和转子相磁链的瞬时值； 为定子和转子电阻。 将定子和转子电压方程写成矩阵形式： 120o θ,,,,,A B C a b c u u u u u u ,,,,,A B C a b c i i i i i i ,,,,,A B C a b c ψψψψψψ,s r R R
异步电机几种主要控制方法的对比分析 近些年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的不断发展，交流调速获得了巨大的技术支持，交流调速系统已经取代了直流调速系统。交流异步电机调速控制系统大致可分为两大类，一类是标量控制系统，主要是变频调速系统，包括恒压频比控制（V/F 控制）和转差频率控制。另一类是矢量控制系统，包括转子磁场定向矢量控制（VC ）、转差频率矢量控制、直接转矩控制（DTC ）和无速度传感器矢量控制。 1 标量控制 1.1 恒压频比控制( V/F) 交流异步电机调速时，总是希望保持每极磁通量m Φ为额定值不变，这样铁芯才能工作在最经济状态。电源频率和电机极对数决定异步电动机的同步转速，即在改变电源频率时，可以改变电机的同步转速，这时只有控制电源电压与变化的频率的比值为恒定( V/F 恒定) ，才能确保电动机的磁通m Φ基本恒定。电动机定子的感应电动势： m N 111K 44.4Φ=N f E g （1） 式中Eg —气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值; 1f —电源频率; 1N —定子每相绕组串联匝数; 1N K —基波绕组系数; m Φ—每极气隙磁通量。 由式(1)可知，在控制电动机频率时，保持1/f E g 1恒定，就可以维持磁通恒定。有三种不同方式的电压—频率协调控制。 (1) 恒压频比=11/f U 控制,1U 为定子端电压，这种方式最容易实现，能够满足一般调速要求，其缺点是低速带载能力差，需要对定子压降进行补偿。 (2) 恒1/f E g 控制，g E 是气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势，它以对恒压频比实行电压补偿为目标，稳态调速性能优于恒压频比11/f U 控制。这种控制方式的缺点是机械特性非线性，产生转矩的能力不强。 (3) 恒1/f E r 控制，r E 是气隙磁通在转子每相绕组中感应电动势，这种控制方式可以得到和直流励电动机一样的机械特性，从而使高性能调速得以实现。但是它的控制系统比较复杂。
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。
第六、七、八章 习题解答(参考) 6-1 简述恒压频比控制方式. 解答:根据变压器公式S g 1s N m 444==s V E .f N k Φ,在忽略定子阻抗压降的前提下,电机的相电压 与定子频率和磁通的乘积成正比.控制电压与定子频率之比例恒定不变,就可保证磁通不变.基速以下,保持磁通为额定值不变,可以充分地利用电机的最大转矩.而磁通过大,会使电机磁路饱和,励磁电流过大,铁损增大,铁心过热甚至烧毁电机. 恒压频比控制包括三段:低频段:(0-5Hz)电压补偿.中频段(5-50Hz)恒压频比;基频以上(50-75)恒定电压控制. 由于恒压频比控制方式依据的是电路的稳态方程,所以动态性能不理想.即给定信号如转速即定子频率必须由给定积分器施加.也就是转差频率不能太大,否则,电机会出现停转的现象.由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频定设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。 6-2 简述异步电动机下面四种不同的电压-频率协调控制时的机械特性并进行比较: 1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性; 2 基频以下电压-频率协调控制时异步电动机的机械特性 3 基频以上恒压变频时异步电动机的机械特性 解 实际应用中,不仅要求调节转速,还要求调速系统具有优良的机械特性. 1 正弦波供电恒压恒频 2'lr ls 2122'r s ' r 12 1s p e )()(3L L s R sR R s U n T +++⎪⎪⎭ ⎫ ⎝⎛=ωωω 异步电动机的机械特性分为两段, 即在最大转差率时对应最大的转矩. S 很小时, s R s U n T ∝⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈'r 1 2 1s p e 3ωω.大于最大转差率时,电机存在负阻性,易于产生不稳定. S 接近1时, s L L R s R U n T 1])([32'lr ls 212s 'r 12 1s p e ∝++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈ωωω e T emax n n n n 0n 0n 0n
§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
《现代电机控制技术》复习题 1.试述磁共能的意义，磁能和磁共能有什么关系？ 2.试解释以磁能和磁共能表示的电磁转矩公式的物理意义。 3.试以“磁场”和“Bli”的观点，阐述电磁转矩生成的原因和实质。 4.任意波形的定子电流通入相绕组后能否产生基波磁动势？为什么？ 5.试论述三相感应电动机各磁链矢量 s、g、s、r、和 r的物理含义，指出它们之间的联系和区别，并写出相应的磁链方程。 6.为什么可以采用空间矢量理论来分析电动机的动态控制问题？矢量控制的含义是什么？ 7.为什么在转子磁场作用下，转子笼型绕组会具有换向器绕组的特性？ 8.什么是磁场定向？为什么在基于转子磁场的矢量控制中，一定要先将MT 轴系沿转子磁场方向进行磁场定向？ 9.什么是换向器变换？MT轴系沿转子磁场定向后，为什么通过换向器变换可将转子绕组最终变换为换向器绕组？ 10.试论述电动机参数变化对直接和间接磁场定向的影响。 11.试论述定子电流3种控制模式的优缺点。 12.基于气隙磁场定向和基于定子磁场定向的矢量控制与基于转子磁场定向的矢量控制比较，有什么本质的不同？ 13.PMSM的磁场定向指的是什么？为什么PMSM的转子磁场定向相对三相感应电动机的转子磁场定向要容易得多？ 14.对于面装式PMSM，是怎样将其变换为一台等效的直流电动机的？
15.试论述弱磁控制的基本原理和控制方式。16.为什么说PMSM矢量控制是一种自控式的控制方式？矢量控制会不会发生失步现象？为什么？ 17.试将PMSM与本相感应电动机的转子磁场定向的矢量控制进行比较性分析。并指出两者存在差异的根本原因是什么？ 18.试论述谐波转矩产生的原因，并分析其对低速性能的影响。 19.试论述直接转矩控制的基本原理。 20.除了定子磁链和转矩会计外，滞环比较控制是否还利用了电动机数学模型，这有什么好处？ 21.电动机转速大小对直接转矩控制有什么影响？为什么？ 22.为什么直接转矩控制是一种非线性控制？为什么通常选择滞环比较控制方式？这种控制方式有什么优点和不足？ 23.直接转矩控制能否改变三相感应电动机固有的非线性机械特性？为什么？ 24.试分析滞环比较控制中转矩脉动的原因，您能提出哪些有效的解决方法？ 25.在直接转矩控制原理上，PMSM与三相感应电动机有什么共同之处？又有什么差别？ 26.电动机转速变化对直接转矩控制有什么影响？ 27.直接转矩控制是非线性的，根本原因是什么？ 28.直接转矩控制中能够引起转矩脉脉动的因素有哪些？为什么低速时容易引起转矩脉动和产生冲击电流？如何解决？ 29.在模型参考自适应系统中，自适应律起什么作用？它的物理含义是什么？ 30.试论述由模型参考自适应系统估计转子磁链和转速的优点和不足？
三种磁场定向矢量控制技术的比较 磁场定向矢量控制技术是一种利用磁场控制机械运动的新技术，其应用范围广泛，包括磁悬浮列车、磁共振成像、磁力驱动机械装置等领域。本文将介绍三种磁场定向矢量控制技术：PID算法控制、模糊控制和神经网络控制，并对其进行比较 分析。 1. PID算法控制 PID算法控制是磁场定向矢量控制技术中最常用的一种。PID算法通过对磁场 定向矢量的大小和方向进行控制，来实现机械运动的精确控制。PID控制器由三个 部分组成：比例部分、积分部分和微分部分。比例部分控制机械的位置，积分部分控制机械位置的变化率，微分部分控制机械位置变化率的变化率。PID算法控制具 有响应速度快、控制精度高、易于实现等优点。 2. 模糊控制 模糊控制是一种以模糊逻辑为基础的控制方法，其特点是通过定义一系列模糊 规则来实现机械运动的控制。模糊控制可以适应各种不确定因素，能够有效地处理机械系统中的误差和干扰，具有很好的鲁棒性。同时，模糊控制能够处理复杂系统，并且不需要过多的数学模型，因此能够快速实现机械运动的控制。 3. 神经网络控制 神经网络控制是一种利用神经网络方法，通过对输入信号进行加权和处理，得 到输出信号，来实现机械运动的控制。神经网络控制具有非线性、自适应、强鲁棒性的特点，能够处理复杂系统和多变量系统。神经网络控制需要大量的训练数据和时间，在实际应用中需要对系统进行控制分析和建模。 4. 比较分析 三种磁场定向矢量控制技术各有优劣，具体比较如下： 1.控制精度方面：PID算法控制精度最高，模糊控制次之，神经网络控 制较差。 2.响应速度方面：PID算法控制响应速度最快，神经网络控制次之，模 糊控制最慢。 3.鲁棒性方面：模糊控制和神经网络控制具有良好的鲁棒性，PID控制 较差。 4.实现难度方面：PID算法控制易于实现，模糊控制稍显复杂，神经网 络控制非常复杂。
矢量控制VC 磁场定向控制FOC 直接转矩控制DTC 对于上述三种概念一直分不清楚，这次找了些资料区分了下。 矢量控制Vector control 具体是将异步电动机的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。 具体实现方式见 https://www.doczj.com/doc/1619333760.html,/view/4a305c4bc850ad02de804197.html 磁场定向控制Field-Oriented Control 磁场定向控制是变频驱动或变速驱动领域使用的一种方法，可通过控制电流来控制三相AC电动机的扭矩。因此，磁场定向控制往往与矢量控制组合使用。 磁场定向控制有三种类型，一是气隙磁场定向系统、二是定子磁场定向系统；三是转子磁场定向系统。 目前常采用转子磁场定向矢量控制时，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间常数的影响较大，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。因此在很多场合讲矢量控制与FOC混为一谈。 直接转矩控制Direct Torque Control 直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。 因此直接转矩控制也就是定子磁场定向控制。 矢量控制与直接转矩控制的优缺点除了上述之外，还有两篇文档的可以参考： https://www.doczj.com/doc/1619333760.html,/p-27743753109.html https://www.doczj.com/doc/1619333760.html,/p-27299679.html 初步结论是：矢量控制控制原理成熟，应用广泛；直接转矩控制还有些技术难点，特别体现在对转矩脉动的控制上。
转子磁链定向矢量控制策略 转子磁场定向的矢量控制方式目前应用较普遍。将转子磁链的方向定义为m 轴的方向，垂直于m 轴的方向定义为t 轴方向。这时，将以转子磁场进行定向时的m 轴也称为d 轴，t 轴称为q 轴。在异步电机运行过程中假如保持励磁电流恒定，则输出的转矩仅与转矩电流成正比。它的优点是解耦了磁链与转矩，使得控制上较为接近于直流电机的控制，实现了人们最初的设想。 矢量控制的磁链取得方法有间接或直接，也称间接磁场定向和直接磁场定向，它们的区别在于： ①间接磁场定向 间接磁场定向的矢量控制是根据异步电机的数学模型，及各个坐标系下的电机方程，通过计算得到其固有关系式，引入电机参数进行计算，估计磁链的幅值与相角，其缺点是受电机参数的准确性影响较大，且在电机运行过程中，电机参数发生变化需要进行相应的调整，其优点是不需要受到特殊硬件检测设备的制约，节约成本，提高应用性。 ②直接磁场定向 直接磁场定向的矢量控制是运用直接方式，获取磁链的位置、幅值，需安装磁链传感器，而在一些场合，安装磁链传感器很难做到。随着DSP 不断更新升级，使在较短时间内完成运算估算磁链已越来越可行，因此直接磁链观测器越来越多地受到人们重视。其缺点是对仪器的精度要求很高，优点是基本不受转子时间常数影响。如果观测的精度足够高，那么进行矢量控制的准确度就会极为简便。 1.三相异步电动机动态数学模型 在以转子磁场定向的同步旋转坐标系dq 轴下，异步电动机的动态数学模型为 （1） 电压方程为 sd sd s s e s m e m sq sq e s s s e m m rd rd m s m r r s rq rq s m m s r r r u i R L p L L p L u i L R L p L L p u i L p L R L p L u i L L p L R ωωωωωωωω+--????????????+??????=??????-+-???????????????? (1-1) 式中，u sd 、u sq 、u rd 、u rq 、i sd 、i sq 、i rd 、i rq 分别为定子电压、转子电压、定子电流、转子 电流、在dq 轴上的分量；ωs 为转差角速度，即ωs =ωe -ωr ；ωe 为同步角速度；ωr 为转子角速度。由于这里只考虑鼠笼型三相异步电动机，因此在式(1-1)所示的电压方程中第三、第四行内的转子电压分量u rd 、u rq 均为0。 （2） 磁链方程为 sd sd s m sq sq s m rd rd m r rq rq m r 0000000 i L L i L L i L L i L L ψψψψ???? ???????????? ??=?????????????????????? (1-2) 式中，L s 、L r 为定子和转子的自感；L m 为定转子互感。
一分钟搞明白VF控制与矢量控制的区别 1、什么是VF控制 为了保证异步电机磁通和转矩不变，电机改变频率时，需维持电压V 和频率F 的比率近似不变，这种方式称为恒压频比（ VF）控制。 2、VF控制优点 VF控制最大优点就是控制简单,通用性强,经济性好，对电机参数依赖不大，一般强调“空载电流”的大小。 3、VF控制缺点 VF控制缺点就是动态响应速度较低。 4、什么是矢量控制 矢量控制也叫磁场定向控制，其实质是在三相交流电的电压和频率控制的基础上，还加上了相位控制，这个相位反映的就是电机定子电流相对于转子的位置角。 5、VF与矢量控制区别 交流电三要素：幅值、频率、相位。VF 控制实际上控制的是三相交流电的电压幅值和频率。相比VF控制，矢量控制最本质的区别就是加入了电压相位控制，即矢量控制是控制交流电幅值、频率、相位等三要素。 6、矢量控制如何克服VF控制缺点 负载瞬态变化，例如负载突加时，电机转速受冲击会变慢，但是VF控制下，电机供电频率也就是同步速还是保持不变，这样异步电机会产生瞬时失步，从而引起转矩和转速振荡，经过一段时间后在一个更大转差下保持平衡。这个瞬时过程中没有对相位进行控制，所以恢复过程较慢，而且电机转速会随负载变化，这就是所谓VF 控制精度不高和响应较慢的原因。 矢量控制一般把电流分解成转矩电流和励磁电流，转矩电流和励磁电流的比例就是由转子位置角度（也就是定子电压相位）决定的，这时转矩电流和励磁电流共同产生的转矩是最佳。宏观上看，矢量控制和VF 控制的电压，电流，频率在电机稳定运行时相差不大，都是三相对称交流，基本上都满足压频比关系，只是在瞬态过程如突加、突减负载的情况下，矢量控制会随着速度的变化自动调整所加电压幅值、频率和相位，使这个瞬态过程更快恢复新平衡。 7、关于矢量控制其它说明 矢量控制对电机参数的依赖很大，需要准确电机参数，在通用变频行业，必须对电机作参数辨识（自学习）。 矢量控制原理是：模仿直流电动机的控制原理,根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制,在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近它励直流电机的控制性能。具体做法是将异步电动机的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。 一般情况下，矢量控制系统是一个以转矩做内环，转速做外环的双闭环控
三相异步电动机矢量控制技术分析丁苏 摘要：矢量控制技术是现代交流电机控制方式的发展方向之一，广泛应用于城市轨道交通车辆方面。矢量控制技术以经过3/2坐标变换的电机的动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，使交流电机在理论上能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态性能。 关键词：异步电动机；空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）；矢量控制；磁通观测 1、矢量控制方法的发展 目前交流电机采用的控制方法主要可以分为两类：一个是基于转子磁场定向以及内部电流环控制的矢量控制方法，另一个是基于定子磁链观测和滞环比较控制器的直接转矩控制方法。1971年德国西门子公司的F.Blaschke提出异步电动机的矢量控制技术，使交流调速控制理论获得了第一次质的飞跃。 矢量控制技术使高性能交流调速得以实现，使其获得了巨大的发展空间。但是，矢量控制需要确定转子磁链的具体位置，同时为了使电机工作在合理的工作状态下，磁链幅值也必须加以控制。而磁链一般不能直接检测，因此在矢量控制系统中用电机参数计算出磁链的位置角或利用磁链观测器观测磁链。这些方法都与电机参数有关，而在电机运行过程中，电机参数会随环境温度和励磁条件的变化，在一定范围变动。 2、矢量控制的基本概念 3、矢量变换控制的基本思想 所谓矢量控制就是将用静止坐标系所表示的电动机矢量变换到以气隙磁场或转子磁场定向的坐标轴系。这里选用转子磁场定向。三相电流、、经过由三相静止坐标系到两相静止坐标系αβ轴，再由两相静止坐标系到两相旋转坐标系dq 轴的变换，并使d轴沿着转子磁链的方向，则异步电动机就变成了由励磁电流分量和转矩电流分量分开控制的直流电动机。按照直流电动机的控制方法，求得控制量后，再经过坐标反变换，就能控制异步电动机，对异步电动机的控制转为转子磁链参照系下的直流电动机的控制。 PWM控制技术就是利用功率开关器件的通断把直流电压变换成电压脉冲列，并通过控制电压的脉冲宽度或周期以达到变频、变压的目的，该技术是地铁车辆电机驱动控制的核心技术之一。 PWM控制技术有很多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分可以把它分为四类：即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM法）、空间电压矢量PWM法（SVPWM法）和电流跟踪的PWM法。 等脉宽PWM法为了克服PAM方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压的特点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它的每一脉冲的宽度均相等，改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度可以调压，采用适当控制方法可以使电压和频率协调的变化。该方法的缺点是输出电压中除了基波成分外，还包括有较大的谐波成分。 SPWM法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展起来的。它是从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可以调频、调压的三相对称正弦波电源。具体的方法是以一个正弦波作为基准波，用一系列等幅的三角波与基准正弦波相比较，由它们的交点确定逆变器的开关模式。当基准正弦波高于三角载波时，使相应的功率开关器件导通；当基准正弦波低于三角载波时，使开关器件截止。该方法的特点是，在半个周期中总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲的面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样在输出电压中的低次谐波成分就可以大大减小。 还有许多和上述SPWM法相类似的PWM法，如梯形波与三角波相交的方法，马鞍波与
转矩控制、矢量控制
转矩控制、矢量控制和VF控制解析 1.变转矩就是负载转矩随电机转速增大而增大，是非线性变化的，如风机水泵 恒转矩就是负载转矩不随电机转速增大而增大，一般是相对于恒功率控制而言。如皮带运输机提升机等机械负载 2.VF控制就是变频器输出频率与输出电压比值为恒定值或正比。例如：50HZ时输出电压为380V,25HZ时输出电压为190V即恒磁通控制；转矩不可控，系统只是一个以转速物理量做闭环的单闭环控制系统，他只能控制电机的转速 根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效 值： E1=4.44f1N1Φm式中：E1--定子每相由气隙磁通感应的电 动势的有效值，V ；f1--定子频率，Hz；N1——定子每相绕组有效匝数；Φm-每极磁通量由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要 U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。 基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过电机额
定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。 3.矢量控制，把输出电流分励磁和转矩电流并分别控制，转矩可控，系统是一个以转矩做内环，转速做外环的双闭环控制系统。它既可以控制电机的转速，也可以控制电机的扭矩。 矢量控制时的速度控制（ASR）通过操作转矩指令，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 带PG 的V/f 控制时的速度控制通过操作输出频率，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理,根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制,在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。 具体做法是将异步电动机的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。 矢量控制分有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种,前者精度高后者精度低。矢量控制系统的无速度传感器运行方式，首先必须解决电机转速和转子磁链位置角的在线辨识问题。常用的方法
1。机电能量转换:时间内磁能的变化，由绕组A和B中变压器电动势从电源所吸收的全部电能加之运动电动势从电源所吸收电能的一半所组成；由运动电动势吸收的另外一半电能成为转换功率,成为机械功率.产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条件，产生运动电动势是通过耦合场实现机电能量转换的关键。转子在耦合场中运动产生电磁转矩，运动电动势和电磁转矩构成一对机电耦合项，是机电能量转换的核心部分。 2.磁阻转矩:。当转子凸极轴线与定子绕组轴线重合,此时气隙磁导最大，定义此时定子绕组的自感为直轴电感；当转子交轴与定子绕组轴线重合,此时气隙磁导最小，定义此时定子绕组的自感为交轴电感；因此在转子旋转过程中，定子绕组的自感将发生变化。由于转子运动使气隙磁导发生变化而产生的电磁转矩称为磁阻转矩。转子励磁产生的电磁转矩称为励磁转矩。 3.直流电机电磁转矩：主磁极基波磁场轴线定义为d（直)轴，d轴反时针旋转90定义为q(交）轴。直流电动机的电枢绕组又称为换向器绕组，其特征：电枢绕组本来是旋转的,但在电刷和换向器的作用下，电枢绕组产生的基波磁场轴线在空间却固定不动。在动态分析中，常将换向器绕组等效为一个单线圈，若电刷放在几何中性线上，单线圈的轴线就被限定在q轴,称为q轴线圈。因q轴磁场在空间是固定的，当q轴磁场变化时会在电枢绕组内感生变压器电动势;同时它又在旋转，在d轴励磁磁场作用下,还会产生运动电动势，q轴线圈为能表示出换向器绕组这种产生运动电动势的效应，它应该也是旋转的。这种实际旋转而在空间产生的磁场却静止不动的线圈具有伪静止特性，称为伪静止线圈，它完全反映了换向器绕组的特征,可以由其等效和代替实际的换向器绕组。电磁转矩，控制不变,改变即改变，线性控制良好。转子产生运动电动势，不断吸收电能，同时将电能转换为机械能，此时转子成为了能量转换的“中枢”，因此称为电枢。 4。三相异步电机电磁转矩：其运行原理是①定子三相绕组通入三相对称正弦电流，②将会在气隙中产生正弦分布的两极旋转磁场，当转子静止不动时,由电磁感应原理,定子旋转磁场将在转子绕组中感生出三相对称正弦电流，其同样会在气隙中产生两极旋转磁场,旋转速度和方向与定子旋转磁场相同，但存在相位差，③定、转子旋转磁场相互作用产生电磁转矩，若其大于负载转矩，转子将开始旋转，而转子速度总是小于定子旋转磁场速度，否则转子绕组不会感生电流，电磁转矩也将消失，所以称为异步电机。当转子速度稳定于,与定子旋转磁场的转速差为，可用转差率s表示这种速度差，即。气隙旋转磁场在转子绕组中感生的三相对称电流频率为，，称为转差频率. 5。磁动势矢量:通过控制三相电流（时间变量）能控制三相绕组的基波磁动势波（空间矢量）.运动轨迹圆形，圆的半径是每相基波磁动势最大幅值的倍。 6。三相感应电机定、转子磁链：，，,其中,，，，根据上式能够完成矢量图的绘制。是气隙磁链矢量,和是定、转子磁链矢量， 和是定、转子漏磁链矢量，和是定、转子励磁磁链矢量。 7.矢量控制：其核心是直接控制产生转矩的各空间矢量，不仅在稳态下,在动态下也能严格地控制各矢量在空间复平面内的幅值和相位，因而可以精确地控制转矩.所以矢量控制是一种以动态控制为出发点，追求动态控制品质的现代控制技术。 8。基于转子磁场的转矩控制：对于三相感应电动机，采用T—I等效电路消除了转子回路中的漏电感，将分解
三相永磁电机的矢量控制 永磁同步电机常用于各种位置控制系统，而矢量控制采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速获得了可以和直流调速相媲美的动态和静态性能。本文就是对所学的三相永磁电机矢量控制的总结。 1. 永磁同步电机的结构 1.1 永磁同步电机的定义 同步电机的定子绕组做成三相正弦分布绕组，当用永磁体替代转子，在定子绕组中通入三相对称交流电时，就能产生恒定电磁转矩，同时在定子绕组中感应出正弦反电势波。我们把这类同步电机称之为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）。如果将采用集中绕组的电励磁直流电动机的转子改变成定子，通入三相方波对称电流时，也能产生恒定电磁力矩此时定子绕组感应的反电势波形是梯形，我们称之为无刷直流电动机（The Brushless DC Motor，简称BLDC）。如图1就是永磁同步电机结构示意图。 图1. 永磁同步电机结构示意图 1.2 永磁同步电机的特点 永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波转矩以及由谐波
转矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动。 与交流异步电机相比，永磁同步电机具有下列优点：由于没有笼型转子，稀土永磁同步电机与异步电动机相比，具有较低的惯性，对于一定的电动机转矩就有较快的响应，即转矩/惯性比异步电动机的高；永磁同步电动机无转子损耗，所以效率更高；异步电动机需要定子励磁电流，而永磁同步电动机已存在于转子，对于同等容量输出，异步电动机效率低,需要更大功率的整流器、逆变器；异步电动机控制要比永磁同步电动机复杂；永磁同步电动机功率密度较高。 永磁同步电机是一个多变量、非线性、高祸合的系统，其输出转矩与定子电流不成正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，必需进行磁场解祸，这种特点恰好适于应用矢量变换控制技术。而且在永磁同步电机的矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且受转子参数的影响小，所以在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。 1.3 永磁电机转子结构分类 永磁同步电机的种类根据永磁体在转子上安装的位置不同可以分为两类面装式和内埋式，而面装式又可分为面装凸出式、面装嵌入式，如图2所示。对于稀土永磁电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近，所以面装凸出式在电磁性能上属于隐极转子结构，面装嵌入式相邻的两个永磁磁极间有磁导率很大的永磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构；面装凸出式结构的永磁电机结构简单、制造成本低、转动惯量小，在正弦波永磁电机中得到了广泛应用。内埋式转子结构是将永磁体装在转子铁心内部，特点是机械强度高、磁路气隙小；与面装式转子相比，更适用于弱磁运行。为了便于控制，永磁同步电机的定子绕组一般都采用短距分布绕组，气隙磁场设计为正弦波，以产生正弦波反电势。 图2. 永磁同步电机转子结构分类
现代电力传动系统 题目异步电动机采用电流滞环控制型 PWM控制技术的矢量控制系统 学院 专业班级 学号 姓名 指导教师
摘要 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，由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，为非线性，所以控制起来极为不便。异步电机的模型之所以复杂，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。本文研究了按转子磁链定向的矢量控制系统的电流闭环控制的设计方法，通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，然后仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与转速，将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到异步电动机所需的三相定子电流，然后利用电流滞环跟踪PWM控制技术，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制，实现对异步电动机转速控制，完成按转子磁链定向矢量控制系统的设计，并用MATLAB进行仿真。 关键字：异步电动机、直流电动机、电流滞环跟踪PWM控制、MATLAB仿真
目录 摘要 (11) 第1章绪论 (22) 1.1 课题研究背景及现状 (22) 1.2 交流调速系统发展概况 (33) 1.3课题研究的主要内容 (55) 第2章异步电动机的数学模型及矢量控制原理 (66) 2.1整体方案设计原理 (66) 2.2仿真模型各个模块介绍 (77) 2.2.1坐标变换 (77) 2.2.2两相静止-旋转正交变换（2s/2r变换） (88) 2.2.3旋转角度的计算 (99) 2.2.4磁链的计算 (99) 2.2.5 转速调节器（ASR） (1010) 2.2.6 转子磁链调节器（APR） (1111) 2.3异步电动机矢量控制原理 (1111) 第3章电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 (1313) 3.1电流滞环跟踪控制原理 (1313) 3.2 滞环宽度分析 (1414) 3.3电流滞环跟踪控制的特点 (1515) 3.4电流滞环控制型PWM变频器 (1616) 第4章仿真模型搭建与结果分析 (1717) 4.1电机参数的设定 (1717) 4.2仿真结果 (1818) 致谢 (2020) 参考文献 (2121) 第1章绪论 1.1课题研究背景及现状 自从电气化时代开始以来，电动机就成为重要的动力来源。直流电机拖动系统和交流电机拖动系统在19世纪中期先后诞生。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样可以根据调速性能的要求，按照经典控制理论的方法独立设置调节器，分别对励磁磁场和转矩进行控制，因此直流调速系统会有良好的调速性能，调速平滑且易于控制，在高性能电气传动领域一直占据主导地位。