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转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的matlab仿真一、概要:1。
矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。
交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用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，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能。
目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。
实践证明,采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。
现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器四大部分组成。
根据被控对象——交流电动机的种类不同，现代交流调速系统可分为异步电机调速系统和同步电动机调速系统，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的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。
2.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。
矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。
一般将含有矢量变换的交流电动机控制称之为矢量控制。
交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用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,使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能。
栏目编辑：高中伟 ******************新能源汽车文/广东 蔡元兵一、感应电动机1.感应电动机介绍感应电动机又称“异步电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，使转子转动的装置。
转子是可转动的导体，通常呈鼠笼状。
定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。
旋转磁场并不是用机械方法来实现，而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。
这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机之分。
2.感应电动机的工作原理当电动机三相定子绕组(空间相位相差120°)通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场(一对磁极)，当电流经过一个周期变化时，旋转磁场也沿着相同方向旋转一个周期(在空间旋转的角度为360°)。
该旋转磁场在定子和转子之间的气隙中以与电流变化同步的转速n旋转并切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组为闭合环路)，根据电磁感应定律，载流的转子导体(因感应获得的电流)在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。
这就是性能优异的三相异步电动机的工作原理。
图1所示为感应电动机定子电流与二极旋转磁场一个周期(360°)内的对应关系示意图。
当电动机轴上带有机械负载时，便向外输出机械能。
由于三相异步电动机的转子与定子旋转磁场以相同的方向，不同的转速旋转，存在转速差，因此叫做异步电动机，又称为感应电动机。
汽车中的交流异步电机的转子常采用空心式结构，这种结构简单牢固，适于高速旋转，免维护，且成本较低。
三相异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动大客车的驱动系统，技术相对成熟。
3.感应电动机的特点感应电动机的优点是价格低、体积不大，重量较轻；能较好地适应各种环境；外表坚固，结构紧凑；运行可靠，维护维修方便。
变频器的V/F控制与矢量控制U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
V/F控制与矢量都是恒转矩控制。
U/F相对转矩可能变化大一些。
而矢量是根据需要的转矩来调节的，相对不好控制一些。
对普通用途。
两者一样1、矢量控制方式——矢量控制，最简单的说，就是将交流电机调速通过一系列等效变换，等效成直流电机的调速特性，就这么简单，至于深入了解，那就得深入了解变频器的数学模型，电机学等学科。
变频器矢量控制原理知识矢量控制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异步电动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。
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。
矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。
基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。
早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。
无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。
实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。
它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。
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。
感应电动机转差型矢量控制系统的设计
1 引言
感应电动机具有结构简单、坚固耐用、转速高、容量大、运行可靠等优点。
但是，由于感应电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，磁通和转矩耦合在一起，不能像直流电动机那样，磁通和转矩可以分别控制。
所以，一直到20世纪80年代都没有获得高性能的感应电动机调速系统。
近年来，随着电力电子技术、现代控制理论等相关技术的发展，使得感应电动机在可调传动中获得了越来越广泛的应用。
矢量控制策略的提出，更是实现了磁通和转矩的解耦控制，其控制效果可媲美直流电动机。
本文在分析感应电动机矢量控制原理的基础上，基于matlab/simulink建立了感应电动机转差型矢量控制系统仿真模型，仿真结果证明了该模型的合理性。
并在此基础上进行系统的软、硬件设计，通过实验验证控制策略的正确性。
2 矢量控制的基本原理
长期以来，直流电动机具有很好的运行特性和控制特性，通过调节励磁电流和电枢电流可以很容易的实现对转矩的控制。
因为它的转矩在主磁极励磁磁通保持恒定的情况下与电枢电流成线性关系，所以通过电枢电流环作用就可以快速而准确地实现转矩控制，不仅使系统具有良好稳态性能，又具有良好的动态性能。
但是，由于换向器和电刷的原因，直流电动机有它固有的缺点，如制造复杂，成本高，需要定期维修，运行速度受到限制，难以在有防腐防暴特殊要求的场合下应用等等。
矢量控制的设计思想是模拟直流电动机的控制特点进行交流电动机控制。
基于交流电动机动态模型，通过矢量坐标变换和转子磁链定向，得到等效直流电动机的数学模型，使交流电动机的动态模型简化，并实现磁链和转矩的解耦。
然后按照直流电动机模型设计控制系统，可以实现优良的静、动态性能。
转子磁链ψr仅由定子电流励磁电流ism产生，与定子电流转矩分量ist无关，而电磁转矩te正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，这充分说明了感应电动机矢量控制系统按转子磁链定向可以实现磁通和转矩的完全解耦。
按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向。
但是，转子磁链的直接检测非常困难，而利用磁链模型间接估算磁链的
方法又受到电机参数变化的影响，造成控制的不准确。
因此，与其用磁链闭环控制而反馈不准，不如采用磁链开环控制，使得系统简单、可靠。
采用磁链开环的控制方式，无需转子磁链的幅值，但对于矢量坐标变换而言，仍然需要转子磁链的位置信号。
由此可知，转子磁链的计算仍然不可避免，如果利用给定值间接计算转子磁链的位置，可简化系统结构，这种方法称为间接定向。
间接定向的矢量控制系统借助于矢量控制方程中的转差公式，构成转差型矢量控制系统[1]。
本文设计了一个转差型矢量控制系统。
其控制思想是:在控制过程中，使电机转子磁链始终保持不变，电机的转矩就能和稳态工作时一样，主要由转差率来决定。
按照这个思路，就可以从转子磁链直接得到定子电流m轴分量的给定值，再通过对定子电流的有效控制，避免了磁通的闭环控制。
这种控制方法用转差率和测量的转速相加后积分来估算转子磁链的位置，结构比较简单，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平。
3 系统仿真
根据以上的原理分析，搭建了感应电动机转差型矢量控制系统模型，利用matlab的工具软件simulink对系统进行仿真分析。
在仿真系统中，转速调节器、转矩调节器和磁链调节器均采用输出限幅的pi调节。
4 系统硬件电路设计
由于数字信号处理器dsp具有硬件电路简单、控制算法灵活，抗干扰能力强、无漂移、兼容性好等优点，现已广泛应用于交流电动机控制系统中，因此设计采用以dsp作为控制核心的数字控制系统。
系统采用交-直-交变压变频电路，输入单相220v交流电，输出三相交流电来控制感应电动机。
控制电路以dsp芯片tms320lf2407为核心，构成功能齐全的全数字转差型矢量控制系统。
整个系统主要包括主电路和控制电路两部分。
4.1主电路主电路是功率变换的执行机构，包括整流电路、滤波电路、能耗电路和逆变电路。
本系统采用交-直-交电压型主电路，先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。
逆变电路采用型号为ir16up60a的ipm模块，该模块包含了栅
极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路。
该智能模块的应用，减小了装置的体积，提高了系统的性能与可靠性。
4.2控制电路系统的控制电路以tms320lf2407为控制核心，完成电流信号与转速信号检测、控制算法的实现以及相应的pwm信号输出。
检测电路又分为电流检测和转速检测两部分。
4.2.1电流检测电流信号检测的结果用于矢量控制的坐标变换，以实现磁链和转矩的解耦。
由于y型连接绕组中三相电流瞬时值的总和为0，即ia+ib+ic=0，因此只需检测其中两相电流，第三相可由其它两相信号相加取反获得。
本系统采用chb-25np型电流霍尔传感器(见图6)，将检测到的电流按200:1的变比在副边输出。
由于tms320lf2407片内
a/d转换器的允许输入为0-3.3v的单极型信号，故采集到的电流信号需经过电压偏移电路和限幅电路后进入dsp的a/d转换输入通道。
4.2.2转速检测
转速检测是速度闭环控制系统的关键，其精度将直接影响调速系统的控制精度和稳定性。
本系统采用增量式光电编码器，光电码盘的脉冲数为2048，它由5v电压供电，有六路输出，即为a+、a-、b+、b-、z+、z-。
其中a、b用于测速，它们相位相差90°，每转一周，输出2048个脉冲；而z轴每转一周输出一个脉冲，用于确定转子的空间位置。
将增量式光电编码器输出的信号a+、a-、b+、b-、z+、z-输入ds3486m，ds3486m具有抗干扰能力，可以提高传输的精度，使得速度信号可以远距离的传输。
输出的信号经过一组反相器对波形进行整形，然后输入到dsp中的正交编码脉冲电路(qep电路)。
通过正交编码脉冲电路便可获得感应电动机的转子位置和转速信息。
5 系统的软件设计
本系统的软件由两部分构成:主程序和pwm中断服务子程序组成。
主程序中对硬件和变量初始化，对各个控制寄存器置初值，对运算过程中使用的各种变量分配地址并设置相应的初值。
初始化模块仅在dsp上电复位后执行一次，然后进入循环等待时期。
中断服务子程序是系统的核心部分，负责a/d转换、速度计算、坐标变换、pi调节、生成pwm信号等[2]。
6 实验研究
在完成控制系统的硬件设计、软件编程调试后，对系统的运行性能进行了实验研究。
7 结束语
本文采用tms320lf2407设计了感应电动机转差型矢量控制系统，通过理论分析、仿真研究和实验结果证实:磁链开环间接型矢量控制系统具有良好的静、动态性能。
同时，为实现更为复杂的控制算法提供了基础，也为实际感应电动机矢量控制系统的设计和调试提供了思路。
