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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。
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 ）。
运动控制考试复习题及答案(完整版)一、填空题1、控制系统的动态性能指标是指跟随指标和抗扰指标，而调速系统的动态指标通常以抗扰性能指标为主2、直流电机调速方法有变压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速。
异步电动机调速方式常见有6种分别是：降压调速、差离合调速、转子串电阻调速、串级调速和双馈电动机调速、变级调速、变压变频调速。
其中转差率不变型有：变级调速、变压变频调速，只有变压变频应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统。
同步电动机按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。
（变电阻调速：有级调速。
变转差率调速：无级调速。
调压调速：调节供电电压进行调速）按按转差功率可以怎么划分电动机:转差功率消耗型、转差功率不变型、转差功率馈送型3、对于异步电动机变压变频调速，在基频以下，希望维持气隙磁通不变，需按比例同时控制定子电压和定子频率，低频时还应当抬高电压以补偿阻抗压降，基频以下调速属于恒转矩调速；而基频以上，由于电压无法升高，只好仅提高定子频率而迫使磁通减弱，相当直流电动机弱磁升速情况，基频以上调速属于恒功率调速。
4、对于SPWM型逆变器，SPWM的含义为正弦波脉宽调制，以正弦波作为逆变器输出的期望波形，SPWM波调制时，调制波为频率和期望波相同的正弦波，载波为频率比期望波高得多的等腰三角波，SPWM型逆变器控制方式有同步调制、异步调制、混合调制。
SPWM型逆变器的输出的基波频率取决于正弦波。
SPWM控制技术包括单极性控制和双极性控制两种方式。
5、调速系统的稳定性能指标包括调速范围和静差率6、供变压调速使用的可控直流电源有：旋转交流机组（G-M系统）、静止式可控整流器（V-M系统）与直流斩波器（PWM-M系统）或脉宽调制变换器。
7、典型I型系统与典型II型系统相比,前者跟随性能好、超调小，但抗扰性能差。
典型I型系统和典型Ⅱ型系统在稳态误差和动态性能上有什么区别？答：稳态误差：对于典型I型系统，在阶跃输入下，稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为∞。
一、选择题1．转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是（B）A．PID B．PI C．P D．PD2．静差率和机械特性的硬度有关，当理想空载转速一定时，特性越硬，则静差率（A）A．越小B．越大C．不变D．不确定3．下列异步电动机调速方法属于转差功率消耗型的调速系统是（A）A．降电压调速B．串级调速C．变极调速D．变压变频调速4．可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速的是（B）A．比例控制B．积分控制C．微分控制D．比例微分控制5．控制系统能够正常运行的首要条件是（B）A．抗扰性B．稳定性C．快速性D．准确性6．在定性的分析闭环系统性能时，截止频率ωc越低,则系统的稳定精度（D）A．越高B．越低C．不变D．不确定7．转速电流双闭环调速系统中电流调节器的英文缩写是（A）A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR8．转速电流双闭环调速系统中转速调节器的英文缩写是（C）A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR9．双闭环直流调速系统的起动过程中不包括（D）A．转速调节阶段B．电流上升阶段C．恒流升速阶段D．电流下降阶段10．下列不属于双闭环直流调速系统启动过程特点的是（D）A．饱和非线性控制B．转速超调C．准时间最优控制D．饱和线性控制11．下列交流异步电动机的调速方法中，应用最广的是（C）A．降电压调速B．变极对数调速C．变压变频调速D．转子串电阻调速12．SPWM技术中，调制波是频率和期望波相同的（A）A．正弦波B．方波C．等腰三角波D．锯齿波13．下列不属于异步电动机动态数学模型特点的是（B）A．高阶B．低阶C．非线性D．强耦合14．正弦波脉宽调制的英文缩写是（C）A．PID B．PWM C．SPWM D．PD15．异步电动机数学模型的组成不包括（D）A．电压方程B．磁链方程C．转矩方程D．外部扰动16．比例微分的英文缩写是（B）A．PI B．PD C．VR D．PID二、填空题1．常用的可控直流电源有旋转交流机组、静止式可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器. 2．调速系统的稳态性能指标包括调速范围和静差率。
矢量控制对电机的精确定位和速度控制电机的精确定位和速度控制在现代工业中扮演着重要角色。
矢量控制技术作为一种先进的电机控制策略，为电机系统提供了更高的精确度和控制性能。
本文将介绍矢量控制对电机的精确定位和速度控制的原理和应用。
一、矢量控制的基本原理矢量控制是通过改变电机的定子电流和转子磁链方向来实现对电机的精确定位和速度控制的方法。
其基本原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 磁链定向矢量控制首先通过改变电机的定子电流，来使定子磁场的方向与转子磁场的方向相一致。
通过磁链定向，可以实现对电机磁场的精确控制。
2. 转子定向在定子磁链方向固定的基础上，矢量控制通过改变转子磁场的方向，即改变转子电流的相位和幅值，来实现对电机转子位置的控制。
转子定向是矢量控制中的关键步骤之一，通过定子和转子磁场的相互作用，可以实现电机的精确定位。
3. 相电压控制矢量控制在实际应用中，通常采用相电压控制的方式来控制电机的转矩和速度。
相电压控制通过改变电机的相电压大小和相位来控制电机的输出转矩和速度。
相电压控制可以根据实际需求实现电机的精确控制。
二、矢量控制的应用领域矢量控制技术已广泛应用于各个领域的电机控制中，包括工业生产、交通运输、家用电器等。
以下是矢量控制在几个常见应用领域的具体应用案例：1. 工业生产中的应用在工业生产中，电机的精确定位和速度控制对于提高生产效率和产品质量至关重要。
矢量控制技术可以应用于各种工业电机的控制中，例如机床、风机、泵等。
通过矢量控制，可以实现电机的精确位置控制和稳定速度调节，提高生产线的自动化水平和生产效率。
2. 交通运输中的应用交通运输领域需要对车辆的电机进行精确定位和速度控制，以提供稳定的动力输出和优化的能量利用。
矢量控制技术可以用于电动汽车、电动摩托车等交通工具的电机控制中，通过精确定位和速度控制，可以提高车辆的操控性能和节能效果。
3. 家用电器中的应用家用电器领域对电机的控制要求越来越高，要求电机能够提供稳定的转矩和精确的转速。
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。
