基于转子磁链矢量控制变频调速系统的建模与仿真.

基于转子磁场定向异步电机矢量控制在 20 世纪 60 年月从前，全球电气传动系统中高性能调速传动都采纳直流电动机，而绝大多数不变速传动则使用交流电机。

使得交流电机的应用遇到很大限制。

1971 年德国学者 Blaschke F 提出了交流电动机的磁场定向控制原理，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁重量与转矩重量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，为异步电机的调速确定了基础。

磁耦合是机电能量变换的必需条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积获得感觉电动势。

无论是直流电动机，还是交流电动机均这样。

交、直流电动机结构和工作原理的不一样，使得表达式差异很大。

1 三相异步电机非线性数学模型在研究异步电机数学模型时，作以下的假设(1)忽视空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。

(2)忽视磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。

(3)忽视死心消耗。

(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

无论异步电动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相等。

异步电动机三相绕组可以是Y 连接，也可以是连接。

若三相绕组为连接，可先用—Y变换，等效为Y 连接。

而后，按Y 连接进行解析和设计。

三相异步电机的物理模型以以下图1 所示，定子三相绕组轴线 A 、 B、C 在空间是固定的，转子绕组轴线a、b、c 随转子以角转速w 旋转。

图 1 三相异步电动机的物理模型异步电动机的动向模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程构成。

此中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。

1.1 磁链方程异步电动机每个绕组的磁链是它自己的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和 ,所以，六个绕组的磁链可用下式表示：A L AA L AB L AC L Aa L Ab L Ac i A B L BA L BB L BC L Ba L Bb L Bc i BCL CAL CB L CC L CaL Cb LCc i C (1)LaALaBLaCLaaLabLaci a a bL bALbBL bCL baL bbL bci b cLcALcB LcC Lca Lcb Lcci c式中 i A ,i B ,i C ,i a ,i b , i c 是定子和转子相电流的刹时价；A ,B ,C , a,b ,c 是各相绕组的全磁链。

摘要本文对三相异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统进行了计算机仿真研究，运用Matlab/Simulink和SimPowerSystem工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模与仿真；重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置，给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果非常接近实际情况，说明了仿真模型的正确性。

关键词：异步电动机；交流调速；矢量控制目录摘要 01概述 (1)2总系统设计 (2)3子系统设计 (6)3.1 转速控制器 (6)3.2 定向控制器 (6)4三相异步电动机磁场定向矢量控制系统仿真 (8)4.1参数给定 (8)4.2系统仿真 (10)总结 (12)参考文献 (13)附录 (14)1概述交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。

对其仿真研究不能像控制系统那样可用各环节简化传递函数来表示，这样会有很多重要环节被忽略，完全体现不了交流调速系统的整体结构和各个环节点上的信号状态。

对电气传动系统的建模仿真力求达到与实际系统相一致，Matlab提供的Simulink中的电力系统工具箱（SimPowerSystems）能很好地满足这一要求。

以往对电气传动系统的仿真研究主要集中在电机的建模和仿真，最近，许多对复杂电力传动系统的建模仿真方法已提出，主要有运用仿真工具箱对电力传动系统建模仿真和将电力传动系统的功能单元模块化的仿真建模。

由于三相异步电动机是一个多变量、强耦合非线性系统，存在着高性能上难以控制的问题。

矢量控制技术有按转子磁链定向和按定子磁链定向的控制等策略。

按转子磁链定向矢量控制给出了交流电动机的基本解耦控制方法。

在设计调速系统过程中，利用Matlab按转子磁链定向矢量控制的交流调速系统仿真，正确的应用坐标变换模块是建立转子磁链模型的基础。

按照转子磁链定向旳矢量控制系统仿真1.矢量控制技术概述异步电机旳动态数学模型是一种高阶、非线性、强耦合旳多变量系统，其控制十分复杂。

矢量控制实现旳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旳励磁电流和转矩电流进行控制，从而到达控制异步电动机转矩旳目旳。

将异步电动机旳异步电动定子电流矢量分解为产生磁场旳电流分量(励磁电流) 和产生转矩旳电流分量(转矩电流) 分别加以控制，并同步控制两分量间旳幅值和相位，即控制定子电流矢量，因此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旳矢量控制系统构造图2.几种关键问题：●转子磁链函数发生器根据电机旳调速范围和给定旳转速信号，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旳增大而减小。

转子磁链函数发生器用来产生磁链大小信号。

这里采用下面旳曲线。

转子磁链旳幅值一般为1。

●转子磁链旳观测与定向转子磁链旳观测模型重要有二种：（1） 在两相静止坐标系上旳转子磁链模型电机旳定子电压和电流由传感器测得后，通过3S/2S 变换，再根据异步电机在两项静止坐标系下旳数学模型，计算转子磁链旳大小。

()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旳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 坐标系上旳电流 ism 、ist ，运用矢量控制方程式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旳相位角ϕ ，它也就是同步旋转变换旳旋转相位角。

基于转子磁链定向的异步电机调速系统摘要: 根据矢量变换控制原理,利用MATLAB/SIMULINK 软件构造了基于转子磁链定向的异步电机矢量控制系统的仿真模型。

介绍了电机模型和转子磁链模型的建立以及矢量控制原理,仿真结果证明了基于转子磁链定向的异步电机矢量方法是有效的。

关键词: 异步电机; 矢量控制; 转子磁链；仿真; MATLAB/SIMULINK 1、引言：现代交流调速系统是电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多种学科德有机结合和交叉应用。

但是同其他任何自动控制系统一样，其根本的理论基础是自动控制理论，也就是说交流调速控制系统是根据某种控制方式、控制方法建立起来的。

本文重点论述了交流调速系统与MATLAB 仿真分析。

2.1 网侧电压型PWM 整流器控制原理三相电压型PWM 整流器(VSR)的主电路由交流侧、整流器及直流侧三部分组成，如图2-1中所示。

其中交流侧包括电网三相交流电压,,a b c u u u 、电感L 和等效电阻R ；功率开关管均为全控型，每一个均并联一个续流二极管；直流侧包括直流电容C ，负载电阻d R 和负载侧电压d E 等。

在工作状态时，三相VSR 交流侧输入三相电压，功率开关管在PWM 波的控制下开通或者关断，使三相VSR 输出稳定的直流电压，电能消耗在负载电阻上。

图2-1三相桥式电压型PWM 整流器工作状态下的单位功率因数是指：当PWM 整流器运行于整流状态时，网侧输入电压、电流同相位(正阻特性，见图2-2中的b 图)；运行于逆变状态时，其网侧输入电压、电流反相位(负阻特性，见图2-2中的c 图)。

下面从电路交流侧开始，来分析PWM 整流器稳态运行状态时的电压电流矢量关系。

矢量关系如图2-2所示。

图2-2里定义：E ∙是电网电压；L V ∙是电感电压；V ∙是总电压；I ∙是总电流。

下面将电压矢量V ∙在四个象限的运动详细分析如下：图2-2 PWM 整流矢量关系V ∙运行在AB 上时，PWM 整流器从电网吸收有功功率和感性无功功率，处于整流状态。

基于MFC710变频器的控制系统设计与仿真1引言由于交流异步电机结构简单、价格低廉、维修方便，特别是矢量控制技术在现代电气传动领域中得到广泛应用后，交流变频调速系统的性能完全可以与直流调速系统相媲美。

本文中的矢量控制系统采用一片TMS320LF2407A芯片实现MFC710变频器控制算法，把三相交流电机模型等效为直流电机模型来处理，使交流电机能够获得与直流电机一样的优良控制性能。

最后在MATLAB/Simulink环境下建立该系统的仿真模型，进行仿真实验研究。

2 MFC710变频器硬件原理[1][3]MFC710变频器能够满足低转速、大扭矩场合要求，不仅能实现U/f控制（线性、平方性），还能实现有传感器和无传感器的矢量控制，在控制转速的同时能够保证转矩的需求。

MFC710变频器是交-直-交变压变频型电源变换装置。

它以TI公司的TMS320LF2407A DSP作为主控制器，设计功率模块的驱动、控制、保护等外围电路，完成对异步电机调速系统信号的采集与处理、系统保护以及电机调速等功能。

MFC710矢量变频器主电路由三相不可控整流桥、直流环节和逆变电路等环节组成。

变频器结构按照功能分为POWER板、IGBT驱动板、控制板、DSP板和控制面板。

POWER板是主电路板，控制板、DSP 板和操作面板上汇集的是控制信号，IGBT驱动板连接POWER板和控制板，采用矢量控制策略，控制算法在DSP芯片内完成，实现对电机的控制。

2.1 POWER板POWER板集成了整流、直流母线、逆变和保护及滤波环节，充分考虑了其可靠性要求。

如进线端电容滤波、相间压敏电阻吸收浪涌和过压保护、三相扼流圈抑制共模信号等，如图1所示。

MFC710变频器主电路采用绝缘栅双极晶体管IGBT，体积小、导通和关断损耗低、输入阻抗高、低饱和电压、动作快速等特性，适合小功率电源变频控制。

初次上电时，直流侧平波电容容量非常大，充电电流大，需要限流电阻来限制充电电流，充电不久后由继电器定时动作将限流电阻从主电路中切除。