按转子磁链定向的矢量控制系统仿真研究

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。

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。

基于转子磁场定向异步电机矢量控制在20世纪60年代以前，全世界电气传动系统中高性能调速传动都采用直流电动机，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受到很大限制。

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分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，为异步电机的调速奠定了基础。

磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。

无论是直流电动机，还是交流电动机均如此。

交、直流电动机结构和工作原理的不同，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，作如下的假设(1)忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。

(2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。

(3)忽略铁心损耗。

(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Δ连接。

若三相绕组为Δ连接，可先用Δ—Y变换，等效为Y 连接。

然后，按Y连接进行分析和设计。

三相异步电机的物理模型如下图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态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。

其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本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和,因此，六个绕组的磁链可用下式表示：A AA AB AC Aa Ab Ac A B BA BBBC Ba Bb Bc B C CA CB CC Ca Cb Cc C a aA aB aC aa ab ac a b bA bB bC ba bb bc b c cAcBcCcacbcc c L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i ψψψψψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1) 式中,,,,,A B C a b c i i i i i i 是定子和转子相电流的瞬时值；,,,,,A B C a b c ψψψψψψ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 (I)1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。

基于转子磁链定向的无速度传感器矢量控制研究转子磁链定向技术是一种在无速度传感器矢量控制系统中广泛应用的方法。

该技术通过测量电机的转子磁链，实现对电机速度和位置的准确控制。

在传统的矢量控制系统中，通常需要使用速度传感器来获取电机的实时速度信息。

然而，速度传感器不仅增加了系统的成本，而且容易受到外部环境的干扰。

因此，研究人员开始寻找一种无需速度传感器的控制方法，以提高系统的可靠性和稳定性。

基于转子磁链定向的无速度传感器矢量控制技术正是基于这一需求而发展起来的。

该技术通过测量电机的转子磁链来推导出电机的速度和位置信息。

具体而言，通过测量电机绕组的电流和电压信号，可以计算出电机的磁链。

然后，结合电机的电气参数和控制算法，可以推导出电机的速度和位置。

与传统的速度传感器相比，基于转子磁链定向的无速度传感器矢量控制技术具有以下优点。

首先，无需额外的传感器装置，降低了系统的成本。

其次，由于不依赖传感器，系统对外界环境的干扰更小，提高了系统的稳定性。

此外，该技术还可以提供更高的控制精度，使电机的速度和位置控制更加准确和稳定。

然而，基于转子磁链定向的无速度传感器矢量控制技术也存在一些挑战和限制。

首先，由于测量的是转子磁链，需要对电机的参数进行精确测量和建模。

其次，转子磁链定向技术对电机的运行状态和负载的变化比较敏感，需要进行实时的参数补偿和控制策略调整。

此外，该技术在低速和起动时的性能表现较差，需要进一步优化。

综上所述，基于转子磁链定向的无速度传感器矢量控制技术是一种具有潜力的控制方法。

通过测量电机的转子磁链，可以实现对电机速度和位置的准确控制。

然而，该技术还需要进一步的研究和改进，以克服其存在的挑战和限制，提高系统的性能和可靠性。

摘要矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，一般将含有矢量变换的交流电动机控制都成为矢量控制，实际上只有建立在等效直流电动机模型上并按转子磁场准确定向的控制，电动机才能获得最优的动态性能。

它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。

本文介绍了矢量控制系统的原理及模型的建立，搭建了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制调速系统的Simulink模型，并用MATLAB最终得到了仿真结果。

关键词：矢量控制；磁链观测；MA TLAB仿真目录前言 1第一章矢量控制的原理 21.1坐标变换的基本思路 21.2矢量控制系统结构 3第二章转子磁链观测第三章带转矩内环的直接矢量控制系统第四章控制系统的设计与仿真4.1 矢量控制系统的设计4.2 矢量控制系统的仿真结论参考文献前言矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。

本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。

首先简单介绍了矢量控制的基本原理，给出了矢量控制系统框图，然后着重介绍了矢量控制系统中磁链调节器的设计和仿真过程。

仿真结果表明调节器具有良好的磁链控制效果。

因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合、的多变量系统，需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。

异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。

直流电机的数学模型就简单多了。

从物理模型上看，直流电机分为空间相互垂直的励磁绕组和电枢绕组，且两者各自独立，互不影响。

正是由于这种垂直关系使得绕组间的耦合十分微小，我们可以认为磁通在系统的动态过程中完全恒定。

这是直流电机的数学模型及其控制比较简单的根本原因。

如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式，仿照直流电机进行控制，那么控制起来就方便多了，这就是矢量控制的基本思想。

第1章矢量控制的基本原理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。

感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真燕山大学毕业设计（论文）任务书注：表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。

（此行文字阅后删除）摘要摘要由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。

经过最近十几年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经可以与直流调速系统相媲美。

目前广泛研究应用的异步电动机变频调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。

本文采用异步电动机的矢量控制调速技术，具有动态响应快、低速性能好和调速范围宽等优点。

矢量控制思想是将交流电动机模型等效成直流电动机模型加以控制，利用坐标变换理论，将非线性、强耦合的交流电机模型解耦，把交流电动机定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量，转矩电流分量。

通过对这两个矢量分别控制，从而实现对磁场和转矩的分别控制。

本文设计了一个带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统。

系统的动态响应能力快和抗干扰能力强，转矩内环有助于提高转速和磁链闭环控制系统的解耦性能。

运用MATLAB的工具软件SIMULINK对矢量控制系统进行仿真研究，仿真结果表明了本设计的合理性。

关键词异步电机；矢量控制；磁场定向AbstractAs a result of the limitation of direct-current speed control modulation and the superiority of alternating speed control modulation and the unceasing development of computer technology and electric power device, the frequency conversion velocity modulation technology of asynchronous motor is in the rapid development. After the application and development in the past 10 years, the frequency conversion velocity modulation performance of asynchronous motor can be comparable with the direct current velocity modulation system.At present, the asynchronous motor frequency control, vector control and direct torque check etc. are in detailed studies. This paper uses the modulation method of asynchronous motor, which has the dynamic response quickly and low-speed performance and wide velocity modulation scope.Vector control is developed based on the idea that the controlling means of induction motor can be equivalent to the DC motor，The induction motor mathematic model that is high nonlinear and complex coupling can be separated by coordinate transformation theory，Stator current can be decomposed into excitation current component and the torque current component, then the magnetic field and torque can be separately controlled by controlling the two current components．This paper designed flux regulator, torque regulator and speed regulator, constituting the inner ring with torque of speed, closed-loop flux vector control system.To improve the system dynamic response and anti-jamming capability, the torque of the inner ring helps to improve the speed and flux decoupling of the closed-loop control system performance.It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the vector control system and the simulation results show that the rationality of the design.Keywords Asynchronous Motor；Vector Control；Magnetic Field Direction目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I 目录.. (III)第1章绪论 (1)1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2国内外发展现状及发展趋势 (2)1.3交流调速系统的主要控制策略 (4)1.3.1基于稳态模型的控制策略 (5)1.3.2基于动态模型的控制策略 (5)1.4论文研究的主要内容和结构安排 (7)第2章异步电动机矢量调速原理 (8)2.1引言 (8)2.2异步电动机矢量调速的实质 (8)2.3异步电动机矢量调速控制系统 (9)2.4矢量控制系统常用方案及比较 (10)2.4.1矢量控制系统常用的方案 (10)2.4.2控制方案的比较 (11)2.5异步电动机的数学模型 (12)2.5.1三相坐标系下的数学模型 (12)2.5.2坐标变换 (15)2.5.3两相同步旋转坐标系上的异步电机模型 (19)2.6异步电动机按转子磁场定向的矢量控制 (20)2.6.1矢量控制的基本思路 (20)2.6.2矢量控制的磁场定向 (21)2.6.3异步电动机按转子磁场定向的数学模型 (21)2.6.4异步电动机按转子磁场定向的矢量控制方程 (23)2.7转子磁链的观测 (25)2.7.1转子磁链的获取方法 (25)2.7.2转子磁链观测模型 (26)2.8电流追踪型逆变器工作原理 (27)2.9本章小结 (30)第3章矢量控制调速系统的仿真分析 (31)3.1仿真系统的模型及参数 (31)3.2系统模块及仿真分析 (32)3.2.1系统模块简介 (32)3.2.2仿真波形分析 (35)3.3本章小结 (40)结论 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附录1 文献综述 (45)附录2 开题报告 (51)附录3 中期报告 (58)附录4 英文文献翻译 (70)附录5 英文文献原文 (72)章1章绪论第1章绪论直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。

6.6 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统本节提要矢量控制系统的基本思路按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用转子磁链模型转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统一、矢量控制系统的基本思路在前面已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流和。

异步电机的坐标变换结构图图6-52 异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相/两相变换; VR——同步旋转变换;——M轴与轴（A轴）的夹角既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。

由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System），控制系统的原理结构如下图所示。

图6-53 矢量控制系统原理结构图在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图6-53中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。

二、按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用问题的提出上述只是矢量控制的基本思路，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。

本科毕业论文（设计）异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究The Simulation Research on Asynchronous Motor Control System Based on Rotor Field-Oriented独创性说明作者郑重声明：本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：___________ 日期：__ __摘要三电平逆变器因为其可以实现更高的电压等级，输出较少的谐波含量等优势在高压大功率的逆变场合得到了广泛的应用，而转子磁场定向控制是应用最广泛的调速方法。

因此，本文对结合三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制的问题进行了研究。

文中在分析了三电平逆变器的拓扑结构及工作原理和三相异步电机的数学模型、坐标变换的基础上，深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的基本原理，设计了磁链和转速双闭环系统并给出了框图。

最后，利用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真。

关键词：三电平逆变器；异步电机；转子磁场定向控制；MATLAB仿真The Simulation Research on Asynchronous Motor Control SystemBased on Rotor Field-OrientedAbstractThree-level inverter because it can achieve higher voltage grade, output less harmonic content of advantages in high pressure high-power inverter occasions a wide range of applications, and rotor field-oriented control is the most widely used control method. Therefore, this article chooses three-level inverter induction motor rotor field-oriented control for research.Based on the analysis of the three-level inverter topology structure and working principle and mathematical model of three-phase asynchronous motor, on the basis of the coordinate transformation, the in-depth study of the rotor field-oriented vector control system design, the basic principle of the rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has completed the design of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation.Key words：Three-Level Inverter; Asynchronous Motor; rotor field oriented control; MATLAB simulation目录摘要 (I)Abstract (II)一、绪论 (1)（一）课题背景和意义 (1)（二）多电平逆变器的发展概况 (1)（三）异步电机转子磁场定向控制技术综述 (2)1. 交流调速的发展概况 (2)2. 转子磁场定向控制技术的发展概况 (2)（四）课题研究的主要内容 (3)二、二极管嵌位式三电平逆变器 (4)（一）逆变器介绍 (4)（二）三电平逆变器的拓扑结构及工作原理 (4)（三）二极管钳位型三电平逆变器的优缺点 (8)三、异步电机转子磁场定向控制 (9)（一）异步电机动态数学模型与坐标变换 (9)1.三相异步电动机的数学模型 (9)2.坐标变换 (13)3.异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型 (16)4.异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 (18)（二）异步电机转子磁场定向控制 (19)1.异步电机转子磁场定向控制简介 (19)2.转子磁场定向控制的基本原理 (19)3.转子磁链观测模型 (21)（三）异步电机转子磁场定向控制系统 (23)1.异步电机转速、磁链双闭环控制系统 (23)2.转速闭环控制 (24)3.磁链闭环控制 (24)（四）本章小结 (24)四、控制系统仿真分析 (25)（一）MATLAB/Simulink软件介绍 (25)（二）异步电机转子磁场定向控制系统仿真 (25)1.仿真模型 (25)2.仿真结果分析 (25)（三）本章小结 (33)五、结论与展望 (34)参考文献 (35)致谢 (36)一、绪论（一）课题背景和意义为了解决电力紧张的现状，实现节能，需要提高用电设备的效率。