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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 11L i T T p ψωψ=-+ ()r βm s βr r αr 11L 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 st1s r rL i T ωωωψ-==mr smr 1L i T p ψ=+可以获得 ψr 和 ωs 信号，由ωs 与实测转速 ω 相加得到定子频率信号ω1，再经积分即为转子磁链的相位角ϕ ，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。
电力拖动自动控制系统复习题及答案一、基础题1、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
2、带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统，采用比例积分（PI）调节器的闭环调速系统是无静差的调速系统。
3、实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用准IP调节器。
4、对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
5、调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以动态跟随性能为主。
6、超调量的表达式为：δ＝(Cmax－C∞)/C∞×100％。
7、在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于恒转矩调速性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，属于恒功率调速。
8、当电动机由三相平衡正弦电压供电时，磁链幅值一定时，u S 的大小与电压角频率δ1 成正比，其方向则与磁链矢量正交。
9、调速系统的动态性能就是抵抗扰动的能力。
10、抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。
11、转速反馈闭环调速系统的精度信赖于给定和反馈检测精度。
12、比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
13、在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入饱和、饱和、退饱和、三种情况。
14、自动控制系统的动态性能指标包括：跟随性能指标和扰动性能指标。
15、动态降落的表达式为：(△Cmax/Cb) ×100％。
16、基频以上变频调速属于恒功率调速。
17、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。
18、两种最基本的直流调速方式为：调压调速方式和弱磁调速方式。
19、在典型II型系统性能指标和参数的关系分析中，引入了h，h 是斜率为–20dB/dec的中频段的宽度，称作中频宽。
20、Ws*＋W =W1* 是转差频率控制系统突出的特点或优点。
21、异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
按转子磁链定向的矢量把握方程及其解耦作用 - 电动机问题的提出上述只是矢量把握的基本思路，其中的矢量变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。
在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d，q 两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置，对此是有选择余地的。
按转子磁链定向现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90°，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T （Torque）轴。
这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。
当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有按转子磁链定向后的系统模型代入转矩方程式（6-113）和状态方程中并用m，t替代d，q，即得由于，状态方程中的式（6-132）蜕化为代数方程，整理后得转差公式这使状态方程降低了一阶。
由式（6-131）可得按转子磁链定向的意义式（6-136）或式（6-137）表明，转子磁链仅由定子电流励磁重量产生，与转矩重量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁重量与转矩重量是解耦的。
式（6-136）还表明，与之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流重量突变时，的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是全都的。
式（6-136）或（6-137）、（6-135）和（6-129）构成矢量把握基本方程式，依据这些关系可将异步电机的数学模型绘成图6-54中的形式，图中前述的等效直流电机模型（见图6-52）被分解成和两个子系统。
可以看出，虽然通过矢量变换，将定子电流解耦成和两个重量，但是，从和两个子系统来看，由于同时受到和的影响，两个子系统照旧是耦合着的。
电流解耦数学模型的结构图6-54 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型依据图6-53的矢量把握系统原理结构图仿照直流调速系统进行把握时，可设置磁链调整器和转速调整器ASR分别把握和，如图6-55所示。
一、单项选择题1.只能实现有级调速调速方式为（ C ）2.调速系统的静差率指标，应以（ D ）3.某直流调速系统电动机额定转速nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许的调速范围是（ C ）4.对自动调速系统来说，主要的扰动量是（B）5.如果要改变双闭环无静差V-M系统的转速，可调节（ C ）6.转速电流双闭环调速系统在稳态工作点上时，控制电压不取决于（D）7.不是跟随性能指标是（D ）8.在转速电流双闭环调速系统中，选用了典型I型系统，是因为电流环（ A ）9.两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统在一定控制角下稳定工作时出现的环流叫做（A ）10.在配合无环流可逆系统中，可采用配合控制的触发移相方法对其进行控制，但需将两组晶闸管装置的触发脉冲的初始相位都整定在（C ）11.在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，当正组的控制角小于反组的逆变角时，将会产生（B ）12.交-直-交PWM变压变频器中，逆变器起作用是（A ）13.当交流电动机由常规的六拍阶梯波逆变器供电时，磁链轨迹是一个（A ）14.不是异步电动机动态数学模型的特点为（B ）15.不是直接转矩控制的特点为（A ）16.采用旋转编码器的数字测速方法不包括（D ）17.交流电动机带恒转矩负载作调压调速时，其转差功率与转差率（ A ）18.在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式为（ D ）19.不是异步电动机动态数学模型的特点。
（D ）20.电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时（ A ）21.只能实现有级调速调速方式为（ C ）22.调速系统的静差率指标，应以（ D ）23.某直流调速系统电动机额定转速n N=1430r/min，额定速降Δn N=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许的调速范围是（ C ）24.对自动调速系统来说，主要的扰动量是（B）25.如果要改变双闭环无静差V-M系统的转速，可调节（ C ）26.转速电流双闭环调速系统在稳态工作点上时，控制电压不取决于（B ）27.不是跟随性能指标是（ D ）28.在转速电流双闭环调速系统中，选用了典型I型系统，是因为电流环（ A ）29.两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统在一定控制角下稳定工作时出现的环流叫做（A ）30.在配合无环流可逆系统中，可采用配合控制的触发移相方法对其进行控制，但需将两组晶闸管装置的触发脉冲的初始相位都整定在（ C ）31.不适合使用矢量控制方式是（ B ）32.PMW变压变频器，通过它可同时调节电压和频率，其可控的是（B ）。
运动控制系统试卷A答案（最新整理）《运动控制系统》课程试卷（A 卷）答案第1篇直流调速系统（60分）⼀、填空题（每空1分，共23分）1. 运动控制系统由电动机、功率放⼤与变换装置、控制器及相应的传感器等构成。
2. 转矩控制是运动控制的根本问题，磁链控制与转矩控制同样重要。
3. ⽣产机械常见的三种负载是恒转矩负载、恒功率负载和平⽅率负载。
4. 某直流调速系统电动机额定转速，额定速降，1430/min N n r =115/min N n r ?=当要求静差率时，允许的调速范围为5.3，若当要求静差率时，30%s ≤20%s ≤则调速范围为3.1，如果希望调速范围达到10，所能满⾜的静差率是44.6%。
5. 数字测速中，T 法测速适⽤于低速，M 法测速适⽤于⾼速。
6. ⽣产机械对调速系统转速控制的要求有调速、稳速和加减速三个⽅⾯。
7、直流电机调速的三种⽅法是：调压调速、串电阻调速和弱磁调速。
8、双闭环直流调速系统的起动过程分为电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节三个阶段。
9. 单闭环⽐例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的⾃动调节作⽤，在于它能随着负载的变化⽽相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。
⼆、选择题（每题1分，共5分）1、双闭环直流调速系统，ASR 、ACR 均采⽤PI 调节器，其中ACR 所起的作⽤为（D ）。
A 、实现转速⽆静差B 、对负载变化起抗扰作⽤C 、输出限幅值决定电动机允许的最⼤电流D 、对电⽹电压波动起及时抗扰作⽤2、典型I 型系统与典型II 型系统相⽐，（ C ）。
A 、前者跟随性能和抗扰性能均优于后者B 、前者跟随性能和抗扰性能不如后者C 、前者跟随性能好，抗扰性能差D 、前者跟随性能差，抗扰性能好3、转速单闭环调速系统对下列哪些扰动⽆克服能⼒，（ D ）。
A 、电枢电阻B 、负载转矩C 、电⽹电压D 、速度反馈电位器4、下述调节器能消除被控制量稳态误差的为（ C ）。
磁链计算模型分析详解1引言异步电机按转子磁场定向的矢量控制系统中，转子磁链的准确估计至关重要。
如果转子磁链的估计不准确，转子磁场定向控制系统应有的优点，即实现转矩和磁通的解耦控制将无法实现。
由于直接检测转子磁链的方法受到工艺和技术方面的限制，在实际的控制系统中，多采用间接计算转子磁链的方法，即利用直接测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链计算模型，实时计算磁链的幅值和相位。
转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用状态观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。
闭环方式的观测模型，因计算比较复杂，理论研究尚不十分成熟，实际使用较少，多用比较简单的计算模型。
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[1]。
采用电压模型法，由于存在电压积分问题，结果在低速运行时，模型运算困难。
采用电流模型法时，由于存在一阶滞后环节，在动态过程中难以保证控制精度。
通常的组合模型法是考虑在不同的速度范围采用不同的计算模型，主要是解决好过渡问题[2]。
该方法用到两个计算模型，计算复杂，且过渡处理造成成本增加。
而本文却是直接通过对两个模型的计算方程进行组合处理，消除了电压模型中的积分环节和电流模型法中的一阶延时环节，得到一个新的磁链计算模型，并将其结合矢量控制系统进行仿真研究，结果表明该模型具有较好的动态性能。
2 常用转子磁链计算模型2.1 两相静止坐标系下转子磁链的电压模型根据定子电流和定子电压的检测值来估算转子磁链，所得出的模型叫做电压模型。
在两相静止αβ坐标系下由定子电压方程可以得出[3][4]：(1)转子磁链方程为：(2)由上式得到转子电流αβ分量：(3)用式(3)把式(1)中的i rα和i rβ置换掉，整理后得：(4)将漏磁系数代入其中，并对等式两侧取积分，即得转子磁链的电压模型为：(5)由以上分析易知，电压模型法实际上是一个纯积分器，而纯积分器的累积误差和漂移问题都会导致系统失稳。
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 sm 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。
第二章1.脉宽调制答:利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。
2. 直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V ,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V ,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。
问蓄电池的电流Id 是多少?是放电电流还是充电电流?答:因斩波电路输出电压u0的平均值: U0=ρ×Us=30%×300=90 V < EaId=( U0- E)/ R=(90-100)/1=-10A 是充电电流,电动机工作在第Ⅱ象限的回馈制动状态, 直流蓄电池吸收能量。
3. PWM 调速系统的开关频率答: 电力晶体管的开关频率越高，开关动态损耗越大；但开关频率提高，使电枢电流的脉动越小，也容易使电流连续，提高了调速的低速运行的平稳性，使电动机附加损耗减小；从PWM 变换器传输效率最高的角度出发，开关频率应有一个最佳值；当 开关频率比调速系统的最高工作频率高出10倍左右时，对系统的动态特性的影响可以忽略不计。
4.静差率s 与空载转速n 0的关系答：静差率s 与空载转速n 0成反比，n0下降，s 上升。
所以检验静差率时应以最低速时的静差率 为准。
5. 反馈控制有静差调速成系统原理图,各部件的名称和作用。
答：①比较器： 给定值与测速发电机的负反馈电压比较,得到转速偏差电压ΔU n 。
②比例放大器A ：将转速偏差电压ΔU n 放大，产生电力电子变换器UPE 所需的控制电压Uc 。
③电力电子变换器UPE ：将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压Ud 。
④M 电机：驱动电机。
⑤TG 发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。
⑥电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值U*n 。
6．分析转速负反馈单闭环调速系统的基本性质,说明单闭环调速系统能减少稳态速降的原因，改变给定电压或者调整转速反馈系数能否改变电动机的稳态转速?为什么?答：负反馈单闭环调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。
1、 直流电动机有哪几种调速方法，各有何特点？P7调节电枢供电电压；无级平滑调速、调速范围大减弱励磁磁通；无级平滑调速、调速范围小改变电枢回路电阻：有级调速2、 试写出调速范围和静差率的定义式，并推出两者之间的关系。
P21调速范围⏹ 生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比称为调速范围，用字母D 表示，即 ⏹ n max 和n min 是电动机在额定负载时的最高和最低转速， ⏹ 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。
静差率s⏹ 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比： ⏹ 用百分数表示⏹ 对于同一个调速系统，Δn N 值是定值。
⏹ 要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围D 也越小。
⏹ 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
3、 试给出开环和转速闭环的转速降表达式，并说明为何闭环的调速范围大于开环？P30在同样的负载扰动下， 开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落⏹ 如果电动机的最高转速都是n N ，最低速静差率都是s ，可得 开环时，闭环时， ⏹ 得到K 为闭环的开环放大系数，K>0，故闭环的调速范围大于开环。
4、 转速闭环无静差调速系统中，哪些干扰可以有效抑制，哪些不能有效抑制？为什么？P31Φ-=e C IR U n min maxn n D =0n n s N ∆=%1000⨯∆=n n s N )1(s n s n D N N -∆=e d op C RI n =∆)1(K C RI n e d cl +=∆)1(s n s n D op N op -∆=)1(s n s n D cl N cl -∆=op cl D K D )1(+=被反馈环所包围的前向通道的扰动可以有效抑制，而反馈通道上的干扰不能有效抑制。
负载变化、交流电源电压的波动（使Ks 变化）、电动机励磁的变化（使Ce 变化）、放大器输出电压的漂移（使Kp 变化）、由温升引起主电路电阻R 的增大等，这些干扰都会影响到转速，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们对稳态转速的影响。
