基于转子磁链定向的异步电机调速系统

第七章异步电动机动态模型调速系统内容提要:异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。

矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。

两种交流电动机调速系统都能实现优良的静、动态性能，各有所长，也各有不足之处。

本章第8.1节首先导出异步电动机三相动态数学模型，并讨论其非线性、强耦合、多变量性质，然后利用坐标变换加以简化，得到两相旋转坐标系和两相静止坐标系上的数学模型。

第8.2节讨论按转子磁链定向的基本原理，定子电流励磁分量和转矩分量的解耦作用，讨论矢量控制系统的多种实现方案。

第8.3节介绍无速度传感器矢量控制系统及基于磁通观测的矢量控制系统。

第8.4节讨论定子电压矢量对转矩和定子磁链的控制作用，介绍基于定子磁链控制的直接转矩控制系统。

第8.5节对上述两类高性能的异步电动机调速系统进行比较，分析了各自的优、缺点。

第8.6节介绍直接转矩控制系统的应用实例。

8.1交流异步电动机动态数学模型和坐标变换基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等动态性能高的对象，就不能完全适用了。

要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异步电动机的动态数学模型来设计系统。

8.1.1三相异步电动机数学模型在研究异步电动机数学模型时，常作如下的假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所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。

基于Maxwell与Simplorer的三相异步电机变绕组调速系统仿真陈铎文;蔡卓剑;吴敏;赵荣祥;杨欢【摘要】In terms of the wide speed range requirement of the traction system of EV (electric vehicle),it introduced a method to expand the speed range of a three-phase asynchronous motor via changing the equivalent turns of stator ing the method caused sudden changes of motor parameters during winding change-over,thus there's been no mature method to analyze the transient,or to estimate potential consequences as current surge,torque disturbance or even breakdown of power devices.It based on the field-circuit coupling simulation mainly discusses the way to run Maxwell and Simplorer co-simulation for winding change-over transient analysis dealing with 9-lead motormodeling,endwinding parameter extracting and control loop design.The result displays accurate and proves to be an effective way for analysis.%针对电动汽车电机驱动系统的宽调速范围要求,分析一种通过改变定子绕组等效匝数来拓宽三相异步电机调速范围的方法,由于采用该调速方法在绕组切换过程中会引起电机参数突变,目前还缺乏有效的暂态过程分析手段,无法应对可能的电流冲击、转矩波动甚至功率器件损毁等情况.本文基于场路耦合仿真的解决思路,重点讨论如何使用Maxwell与Simplorer软件工具对绕组切换的暂态过程进行联合仿真,解决其中9抽头电机建模、端部参数提取以及控制环路设计等问题.研究表明联合仿真结果准确,可以作为有效分析的手段.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2017(035)002【总页数】6页(P53-57,62)【关键词】三相异步电机;变绕组;间接矢量控制;联合仿真;Maxwell软件;Simplorer软件【作者】陈铎文;蔡卓剑;吴敏;赵荣祥;杨欢【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TM343.2随着人们环保意识的增强以及化石能源的日益枯竭，电动汽车这种“零排放”的新能源交通方式日益受到关注。

iα 3/2 iβ
i 2s/2r m (VR) i t
等 效 直 流 电 动 机模型
ω
图2异步电动机坐标变换 φ—M轴与α轴的夹角
把上述等效关系用结构图的形式画出 来，示于图2中。从整体上看，输入为iA、 iB、iC三相电流，输出为转速ω，是一台交 流电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋 转变换，变成了一台以im、it为输入，ω为 输出的直流电动机。
在同步旋转d-q坐标系上控制异步电动机,所有 的交流量都变成了直流量,应该也能达到类似直 流电动机那样的性能水平。 图1(b)示出了这个构想,其中i*ds和i*qs分别是同 步旋转坐标系上定子电流的直轴分量和交轴分量 , 对于矢量控制来说,i*ds类似于直流电动机的励磁 电流If，i*qs类似于直流电动机的电枢电流Ia。相 应地,我们希望类似地写出异步电动机的转矩表 达式为 (1) Te CT r iqs
励磁分量 转矩分量 图1 （a）他励直流电动机 (b)矢量控制异步电动机
但是,能够这样写转矩表达式应该满足一 个条件,那就是d轴应该按Ψr定向,如图1(b)右 边所示。选择d轴与转子磁链Ψr同方向。这就 叫“按转子磁链定向”。
按转子磁链定向后,异步电动机在同步旋转 d-q坐标系上的数学模型和直流电动机相比,如 果说还有什么不一样的话,那就是异步电动机的 空间矢量在以同步转速旋转,直流电动机的空间 矢量静止不动,但是从相对运动的观点看,这没 有什么本质不同。
第六章
笼型异步电动机变压变频调速系 统-转差功率不变型系统
异步电动机矢量控制
1. 概论
标量控制简单、容易实现，但是异步电动机固有 的耦合效应使系统响应缓慢，数学模型的高阶效应 使系统稳定性差。对于需要高动态性能的调速系统 或伺服系统，如轧钢机、数控机床、机器人、载客 电梯等，就不能完全适应了。 70年代初发明的磁场定向矢量控制可以很好地解 决上述问题，能够把异步电动机控制得像直流电动 机一样的好。直流电动机的励磁电流和转矩电流 （电枢电流）是解耦的，因此矢量控制也称为“解 耦控制”.矢量控制既适用于异步电动机，也适用于 同步电动机。

摘要近年来，随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，再加上现代控制理论，特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用，使得交流电机调速技术日臻成熟。

以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型，从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制，交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。

因此，研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。

最后，综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。

关键词：坐标变换矢量控制异步电动机仿真ABSTRACTIn recent years, with the development of the power semiconductor device，the microelectronics component, the microcomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day.Depend on the control principle of the MC and the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrant operation have been testified, which has proved that the system has wide application field. The software of the vector control unit was designed at the end.Key words: matrix converter vector control induction motor simulation目录1.绪论 (1)1.1引言 (1)1.2 交流调速技术概况 (2)1.3 系统仿真技术概述 (3)1.4仿真软件的发展状况与应用 (4)1.5 MATLAB 概述 (4)1.6 Simulink 概述 (6)2.矢量控制理论 (7)2.1 异步电机的动态数学模型 (7)2.2 坐标变换 (10)2.2.1变换矩阵的确定原则 (10)2.2.2功率不变原则 (10)2.3矢量控制 (11)2.3.1 问题分析 (11)2.3.2直流电机的转矩控制 (12)2.3.3异步电机的转矩分析 (12)2.3.4 矢量控制原理 (12)3.总体模块设计 (15)3.1矢量控制结构框图 (15)3.2各子系统模块 (16)3.2.1求解磁链模块 (16)3.2.2 求解转子磁链角模块 (17)3.2.3 ids*求解模块 (17)3.2.4 iqs*求解模块 (17)3.2.5 ABC到DQ坐标变换模块 (18)3.2.6 DQ到ABC坐标变换模块 (18)3.3 电机参数设置 (19)3.4矢量控制环节模块 (21)3.5矢量控制的异步电动机调速系统模块 (21)4.Simulink 仿真 (23)5.结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录1 3s/2r坐标变换 (32)附录2 ω*=100和ω*=150时的比较 (34)1.绪论1.1引言工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。

院“ 服务宁德 区域经济和产业发展” 专项课题 （ ２ ０ １ ３ Ｆ ２ ５ ） 作者简介 ： 陈 国童 （ １ ９ ７ ９一） ， 男， 福建宁德人 ， 宁德师范学 院物理与 电气工程系讲师 ， 硕士 ．
第１ 期
陈 国童等 ： 基于 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ — Ｐ Ｉ 和 ＭＲ Ａ Ｓ的异步电机变频调速系统 的设计与仿真
＝
（
一 ｏｒ ｔ ｒ ￣ ＇ 惦 ） ／ （ Ｔ ｒ Ｐ＋１ ） ，
（ ８ ） （ ９ ）
＝
（ Ｌ ｍ ｉ 一 ｏ ｔ ｒ ｒ ￣ ， ） ／ （ Ｔ ｒ ｐ＋１ ） ．
式（ ８ ） 和（ ９ ） 是异 步 电机在两 相静 止坐 标 系上 的转子 磁链 电流 模型 ， 若要 得 到转子 磁链 定 向两相 旋转 坐 标 系上 的 电流模 型 ， 则 需 通过 检 测定 子 三相 电流 和转 速 ｔ ｏ来 计算 转 子磁 链 ．将 三 相定 子 电流经 ３ ｓ ／ ２ ｒ 变 换得 到定 子 电流 的励磁 分量 和转 矩分 量 ｉ 并 结合 异步 电机 的矢 量控制 方 程式 可得转 子磁 链 定 向
若 能既 不影 响转 速检 测精 度 又能省 去 检测 硬件 将是 一项 非 常有意 义 的工程 ， 因此基 于无 速度传 感 器 的异 步 电机矢 量变 频调 速系统 是现 代研 究 的热 点 ．文献 ［ １ —２ ］ 提 出基 于 电压 电流模 型磁 链 观测 器 、 基 于瞬 时
０
ｐ
无 功功率 等诸 多模 型参考 自适 应 （ ＭＲ Ａ Ｓ ） 的无速 度传感 器 的调速 方法 ， 但 这些 调速 系统 的调节 器 ， 大多 采
ｉ ＝（ 一
） ／ ｔ ．
（ ７ ）

基于SVM技术异步电动机调速系统的研究摘要：基于SVM技术异步电动机调速系统是针对异步电动机直接转矩控制系统存在转矩和磁链脉动、器件开关频率不定等缺点，本文提出了一种直接转矩空间矢量调制(SVM)控制方法。

该方法是利用在每个控制周期内选取多个电压矢量来合成目标电压矢量，从而大大降低转矩和磁链的波动，提高逆变器的开关频率，提高系统的性能。

传统的直接转矩控制在一个控制周期内仅发一个电压矢量，这样将会引起磁链与转矩的波动，对于目标电压矢量来讲，如果在一个控制周期选择多个电压矢量来逼近目标电压矢量，将会大大降低转矩和磁链的波动。

这将使系统在低速时的转矩更平稳，性能更佳。

仿真的结果表明利用这种方法在异步电动机运行在较低转速时，实现了较小的异步电机转矩和磁链脉动。

关键词：直接转矩控制；转矩脉动；空间矢量脉宽调制；异步电动机The Research of Speed Regulation System of Asynchronous Motor Based on Space Vector Modulation Technology ABSTRACT： A direct torque control (DTC) system for the asynchronous motor has the disadvantages of torque and flux ripple and variable switching frequency. In this paper, a SVM control method for direct torque control is proposed. This method is to choose several voltage vectors in a control period to compose a desired voltage vector. So it can reduce the ripple of torque and flux greatly , increase switching frequency of inverter and improve the performance of the system . Because the traditional direct torque control method only make one voltage vector in a control period , this will cause the ripple of the flux and torque . For the desired voltage vector, if several voltage vectors are selected in a control period to approach the desired voltage vector that will reduce the ripple greatly . When the system running in low speed, the torque will be more steady and the performance will be more perfect by using the algorithm of SVM .The result of the simulation show that small torque and flux ripple are achieved.Key words：DTC；Torque ripple; SVPWM；Asynchronous motor第一章绪论1.1 交流电机交流控制系统的发展20世纪70年代，一场石油危机席卷全球，工业发达国家投入大量人力、财力研究节能措施。

异步电机定子磁链定向矢量控制系统的设计与研究的开题报告一、选题背景及意义随着电力电子技术的快速发展，异步电机磁链定向矢量控制技术也日趋成熟，已成为现代工业中普遍采用的控制方式。

在电力驱动系统中，异步电机具有结构简单、制造成本低、运行可靠等优点，在机床、风力发电、轨道交通等领域的应用越来越广泛。

磁链定向矢量控制技术是通过对异步电机定子和转子电流的控制，实现电机高效、高精度的转矩控制和速度调节。

电机控制系统设计的好坏，直接决定了电机的效率、动态性能和稳定性能。

因此，对异步电机定子磁链定向矢量控制系统的设计与研究，具有重要的理论和实际意义。

二、选题内容和研究方法本课题旨在研究异步电机定子磁链定向矢量控制系统的设计与优化，主要包括以下内容：（1）基于Matlab/Simulink平台，建立异步电机磁链定向矢量控制系统的仿真模型，分析系统的动态性能和稳态性能。

（2）通过分析电机运行特性、控制要求和控制器结构，设计异步电机磁链定向矢量控制系统的控制器。

（3）基于DSP技术，实现异步电机磁链定向矢量控制系统的硬件控制器设计，完成控制算法的编写和调试。

（4）在实验室进行实验验证，测试系统的控制性能，比较实验结果与仿真模型结果，分析系统的优化空间和改进方向。

研究方法主要包括理论分析、仿真模拟和实验验证。

三、预期结果和创新性本课题的预期结果是成功设计出异步电机定子磁链定向矢量控制系统，并通过实验验证系统的性能优异，系统稳定可靠，具有一定的创新性。

同时，本课题还具有以下的创新性：（1）采用DSP技术和Matlab/Simulink平台相结合的方法，提高了研究的效率和准确性。

（2）提出了一种新的控制器结构，通过优化控制算法，控制器具有更好的控制精度和抗扰性能。

（3）探索了异步电机磁链定向矢量控制系统在工业应用中的实际情况和应用效果，为异步电机的磁链定向矢量控制系统研究提供了新的思路和方法。

四、研究目标和任务本课题的研究目标是设计一种高效、高精度、高稳定性的异步电机定子磁链定向矢量控制系统，并通过实验验证其性能优异。

之 间没 有 磁 耦 合 ， 数学模型简化许 多 ， 便 于 分 析 和 实 验 研 究 ］ 。
突加 、 突卸３ Ｎ・ ｍ负载 ， 实验 波形 如图２ 所示 ， 从上 到下依次 为
１ 通 道 观测 磁 链 反 馈 、 ３ 通道 观 测 转矩 指 令 、 ４ 通 道 观 测 转 矩
反 馈、 ２ 通道观 测转速 反馈 。对 于磁链 ， ｌ 格（ １ ｖ） 代表０ ． ５ Ｗｂ ： 对 于转 矩 ， １ 格（ １ ｖ） 代表６ ． ６ ６ Ｎ・ ｍ； 对 于转 速 ， ｌ 格 （ １ Ｖ） 代
关 键词 ： 矢量控制； 三 相 异步 电机 ； ＤＳ Ｐ
０ 引 言
电机 是 电能消 耗 的最 大户 ， 其中 工业 电机用 电量 占据 工 业用 电的比例 很高 。 三相 交流笼型异步 电机 因其成本低 、 可靠 性高、 维护 简 单 等优 点 ， 成 为 在工 业控 制 领域 运用 最 多 的 电
Ｌ 忆
（ １ ）
同步 旋 转 坐 标 系 幽 上 的 电 压 方 程 ：
ｒ ｝ ｑ ， ￣ － ２ｌ ０ 县 ｑ
Ｍ， 。 。 Ｄ Ｊ ９ ｄ
…
ｕ ， ｄ ＝ Ｒ， ｉ ， ＃ｐ ｄ ／ ， ￣ －（ ｔ ｏ Ｉ 一 ） ｍ ｕ 尺 （ ２￣ ０ － ２） ０ ｔ ｄ
…
电磁 转 矩 方 程 ：
ｎ （ ｉ ， ｑ ｉ Ｔ ｄ — ｉ ｇ ） （ ３ ）
图２ 突加 、 突卸负载 时系统性能
从 图中可 以看 出， 无论 是突加还 是突 卸负载转矩 ， 电机在
经 过短 时间调 整后 总能将 速度 保持为 原来 的状 态， 速 度 波 动 不 大， 系统具有较 强的抗负载冲击能 力。 （ 下 转 第４ ７ 页）

异步电机矢量控制变频调速系统的研究与设计一、本文概述随着现代工业技术的快速发展，电机作为工业领域中广泛应用的驱动设备，其性能优化和效率提升成为了重要的研究课题。

异步电机作为一种常见的电机类型，在各类工业设备中发挥着重要作用。

传统的异步电机控制方式往往存在着调速范围有限、动态响应慢、能源利用效率不高等问题。

研究与设计异步电机矢量控制变频调速系统具有重要的理论价值和实际应用意义。

本文旨在深入研究异步电机矢量控制变频调速系统的基本原理、控制策略及其优化设计方法。

将对异步电机的工作原理进行简要介绍，为后续研究奠定基础。

将详细阐述矢量控制的基本原理和实现方法，包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术和转子磁场定向控制（FOC）策略等。

在此基础上，本文将重点探讨变频调速系统的设计与实现，包括变频器的选择、控制算法的优化以及系统性能的仿真与实验验证等方面。

通过本文的研究，旨在提高异步电机调速系统的性能，实现更宽范围的调速、更快的动态响应以及更高的能源利用效率。

同时，本文还将为相关领域的科研人员和工程师提供有益的参考和借鉴，推动异步电机控制技术的进一步发展。

二、异步电机矢量控制理论异步电机矢量控制理论是现代电机控制技术的核心之一，它的主要目标是通过控制电机的磁通和转矩，实现电机的高效、稳定和精确控制。

矢量控制，又称为场向量控制，其基本思想是将异步电机的定子电流分解为相互垂直的磁场分量和转矩分量，从而实现对电机磁通和转矩的独立控制。

在异步电机矢量控制理论中，最为关键的是坐标变换。

通过坐标变换，可以将电机的三相电流和电压转换为两相正交坐标系（如dq 坐标系）下的直流分量，从而简化电机的数学模型和控制算法。

最为常用的是Clarke变换和Park变换。

Clarke变换将三相电流转换为两相正交坐标系下的电流，而Park变换则进一步将两相正交坐标系下的电流转换为同步旋转坐标系下的直流电流。

在矢量控制系统中，通常采用矢量控制器来实现对电机磁通和转矩的控制。

口应用 实例 口
０ １０ ４ ５ １ ～／ ， ． ８ ）．６× ０ ｈ 其可靠度 函数 为 Ｒ （） ｈ 。 ２ ｔ ：ｅ 表 ２为译码单元 、 动单元 的故障率表 。 驱
表２
仪器 仪表 用户
析 ， 出 了相 应 的数 据 ， 系 统 的 可靠 性 工 作 提 供 理 沦上 的 支 给 对 持， 但也存在不足之处 ： 没有对单 元模块 的 内部 电路做 出详 并
仿 真 结 果 表 明 ： 系统 不 仪具 有 矢量 控 制 调 速 系 统 的 优越 性能 ， 该 同时 具
压基波最大幅值为 直流 侧 电压 ， 比正弦脉 宽调 制 逆变 器输 这 出电 压 高 出 １ ¨ 。 ５％
１ 矢量控 制 系统 的电机 方程
当选取转子磁通矢量 作 为同步速旋转两 相坐标 系的 轴空间定 向坐标时 ，即 Ｍ 轴系 已沿转子磁场定 向， 时异步 此 电机 的基 本 方 程 式 如 下 ： ¨
版社 ，９ ５ １９ ．
６ 结束语
文章主要对 信号 调 理 电路 的功 能单 元 做 出 了叮靠 性 分
作者简介 ： 李银龙（ ９ １一） 男 ， １８ ， 桂林 电子科 技大学 电子工 程学 院， 主 要研 究方 向 ： 自动 控 制 和 测试 计 量 技 术及 仪 器 。
收 稿 日期 ： ０ ８— ３— ８ ８ ７ ） ２０ ０ ２ （０ ７
［］ １ 张毅刚 ， 彭喜元 ， 姜守 达． 自动测试 系统 ． 尔滨１业 犬学 出 哈
版社 ，０ １ ２０ ．
［ ］陆廷孝， ２ 郑鹏洲 ， 可靠性设计与分析． 北京 ： 国防工业出版社 ，
ｌ ９５ ９ ．
［ ］杨为民 ， ３ 可靠性 － 维修性 － 障性总论．北京 ： 保 国防工业 出

T, — npLm (?itT+ — —mMt'T 电—pL和犿—\t/Lo 配3 2
电机来实行控制。常用的矢量控制策略有按转子 磁场、定子磁场和气隙磁场定向，在采用转子磁链
在公式初）〜（初中—1为同步旋转坐标系的 定向方式时由于对磁链的观测比后两种方式要简
收稿日期：2绝9-03-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51667015） 作者简介：李瑾（1972—），女，男北武汉人，南昌工程学&机械与1气工程学&副教授，杨士。 —72 —
01吨——1 - 6M — —rn一 2年
侧，下标2绝应转子侧，设、C分别表示M轴和/
(/处=—1 -6 T~\~—m一 + m
— —m—M ———
、烆T ——犿处——一—
蛋1)电磁转矩方程2
/配2 、 2
轴的分量。S是转差角速度2
2按转子磁场定向的异步电机模型
矢量控制的基本思想是把异步电机当成直流
基于SVPWM的矢量控制变频调速系统的研究
单得多，不需解耦器就能将励磁电流分量和转矩 么有:
电流分量完全解耦2。因此本文采用转子磁场定
(如个=申2 — ——— + L2 -2M
矢量控制，即使旋转坐标系的M轴定向于 •
'申—犜=0 = —— — + —2 -2犜
(4)
磁链W—方向上记U必的R轴分量等于0,——只
。 由定子电流的M轴分量即励磁分量I—产生 那
式X)代入公式X),可得:
—所
犚。+L— —0)1—0
丄—丄p
31 —— 21所
—V
31—1 R1 +2 —1 ——
AP —-
0

图 12 电流比较脉冲产生器输出的６相脉冲用来控制全桥逆变器。 （４）全控桥逆变电路 异步电机通常都采用三相交流电源供电，经过整流、逆变后变成可控ＰＷＭ电源。在本 仿真系统中，如果完全采用该供电体制，势必增加整个仿真系统的复杂程度，延长仿真运行 时间。因此，为了简化仿真模型，我们采用了对直流电源直接进行 IGBT 全控桥逆变的供电 策略。从仿真效果看，采取这样的措施并不影响系统的实际运行。 （５）异步电动机与反馈回路
能指标（稳定性、快速性和准确性），并尽可能使仿真模型简化，而采用电流和转速负反馈
控制方式。整个系统主要分成６部分：速度控制器、矢量控制器、电流比较脉冲产生器、全
桥逆变电路、异步电动机和反馈回路。其中，
（１）通过给定磁链（在矢量控制环节内给出）作为磁链电流值指令值。
（２）在矢量控制环节内的磁链计算器根据定子电流的监测值计算磁链的大小和方向。
图 14
图 15
由仿真曲线可知电机的转速ω 是随着运行时间的增加逐渐由０增加到最大值然后回落
到稳定转速。而转矩则在瞬时内达到峰值，并在转速增加的时间内一直在峰值附近震荡，直
到转速快达到峰值才随着运行时间推移逐渐回落到负载转矩附近震荡，这些特性都与电机的 实际情况相同，由此可见用 SIMULINK 建造的模型可以正确的反映实际的模型。
图3 各模块的功能及实现： （1）速度控制器 从单纯的系统响应时间角度考虑，采用比例控制是一个不错的选择，但对于实际系统而 言比例控制往往容易造成比较大的误差，而且往往随着比例系数的增加，系统的稳定性会越 来越差。因此，综合考虑系统响应时间、误差以及动态稳定性等方面的因素，我们在这里采
用ＰＩ控制器。该环节输入为参考转速与反馈转速之差（ω ∗ − ω ），则输出参考转矩

＝
，
术 已由标量 控制 转 向 了矢 量控 制。在矢 量控 制 系统 中， 转速的闭环控制环节 一般是 必不可 少的。为 了实 现转速闭环控 制和磁 场定 向， 通常采用 速度传 感器来 进行转速检测 。而速 度传感器 在安装 、 维护等 方面 易 受环境 影响 ， 从而严重影响异步电动机 的简便性 、 廉价 性和可靠性 。因此 ， 无速度 传感器 的矢 量控制 系统成 为交流调速 的主要研究 内容 。 目前 ， 人们提出了各种 速度辨识 的方 法来取代 速
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（） ａ给定速度为 １ ０ ｒ ｉ ０／ ｎ时异步电机起动时的转速 波形 ５ ｍ
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作者简介 ： 常伟（９０ ）男， １８一 ， 工程师 ， 电力大学在职研究生 ， 华北 首钢动力厂供 电技术 员。
１ 述 概
异步电机是—个高阶、 非线陛、 强藕合的多变量系统 ， 数学模型 比 较 复杂。 本文利用 Ｍ Ｔ Ａ Ｓ ｌ ｋ Ａ Ｌ Ｂ／ｉ ｉ 软件对异步电动机转子磁场定向控 ｍｕ ｎ 制系统动态过程建立仿真模型 寸 控制方案进行仿真研究。 按转子磁 场定向的矢量控制系统是已经获得实际应用的商陛能调速系统 ， 控制思 想是在转子磁场定向的基础上经 过一系列的坐标变换， 实现将三相异步 电机像直流电机一样对磁场和转矩的解耦控制， 注重转矩与转子磁链的 解耦， 实行连续控制， 可获得较宽的调速范围， 使异步电机的动静态陛能 有很大提高， 所以， 异步电机矢量控制技术 已被广泛应用于商陛能异步 电机调速系统中。 ２异步电机的数学模型 对于笼型异步电机， 转子侧 电压为零， 根据文献［可以建立异步电 １ 】 机在 —Ｂ静止坐标系下的数学模型以同步角速度旋转的两相直流旋 转坐标 ｄｑ之间的变换， ， 可以推导出异步电机在 ｄｑ ， 坐标系上的数学模
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８ ８・
科 技 论 坛
基于Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ的异步电 机转子磁场定向矢量控制系统仿真
常 伟
（ 华北 电力大学电气学院， 北京 １０ ４ ） ０ ０ ３

基于直接转矩控制的三相异步电机的变频调速系统设计1．前言近年来,随着电力电子技术、现代高精度控制理论以及高速数字信号处理器的不断发展,涌现出了很多针对三相异步感应电机的变频调速控制算法。

直接转矩控制算法就是其中最新的一种控制算法,它以控制结构简单、算法易于实现以及磁链和电磁转矩响应快速精确等特点,受到了业界的极大重视,被公认为交流调速领域未来发展的主流。

总体而言，研究基于直接转矩控制的三相异步电机的变频调速系统设计的目的和意义在于提高电机的性能、降低能耗、改善稳定性，进而推动电机应用领域的发展和电机控制技术的进步。

随着工业自动化的不断发展，对电机调速系统的需求日益增加。

而三相异步电机作为工业中常见的驱动装置，其变频调速系统设计对提高生产效率和降低能耗具有重要意义。

直接转矩控制作为一种高效的控制方法，引起了研究者的广泛关注。

目前，国内外在基于直接转矩控制的三相异步电动机变频调速系统设计领域有广泛研究。

国内研究主要集中在提高系统性能、降低成本和增强鲁棒性方面。

在国外，一些先进的控制算法和技术被引入，以优化系统性能和响应速度。

文献中涵盖了多个方面的研究，包括直接转矩控制的原理、仿真实验、硬件设计以及与其他控制方法的比较。

研究者们通过仿真实验验证了直接转矩控制在提高电机动态性能和稳态性能方面的优越性。

同时，一些文献也关注了系统的实际应用，如在电动汽车领域的应用。

焦点集中在如何优化基于直接转矩控制的三相异步电机变频调速系统。

文献中提到的一些关键问题包括转矩脉动、控制方法的复杂性以及系统硬件和软件成本。

研究者们通过引入新的技术、优化控制算法、改进硬件设计等方面来解决这些问题，以提高系统的性能、降低成本，并适应未来的发展趋势，如电动汽车的普及和对能效的更高要求。

总体来说，焦点在于推动基于直接转矩控制的电机调速系统朝着更高效、智能、经济和可持续的方向发展。

2．主 体直接转矩技术由德国学者首先提出。

德国鲁尔大学Depenbrock 教授最先指出了的该技术中的里程碑式的一个概念"六边形到圆形磁链轨"18%。

(2)变频技术实现高级智能变频技术的控制。其中变频技术包括基于电动机和其他机械传动模型的矢量变频控制和直接转矩的变频控制;基于符合现代计算机控制系统理论的自动滑模和可变结构的技术,模型可以参考自适应的变频技术,非线性解耦的变频控制和一定指标的最优控制;高级智能变频控制策略,例如模糊控制的技术,神经网络,专家系统还有一些其他各种自诊断和自优化的技术。
电能是人们日常生产生活不或缺的能源，并且在生活被浪费最多的能源也是电能，因此，充分有效利用电能并节省电力尤为重要，隐藏着非常巨大的技术发展空间。立足于节省控制能量这一方面，节省电动机控制能量扮演了一个非常重要的角色。各种类型的电动机是电能主要的使用者和生产者，我国电动机的年耗电量占了工业用电总量的80％以上。在电动机的运行维护过程中，功率电动机控制的效率很低，并且在其使用的过程中严重地浪费了大量的功率。近年来，我国在电机节能控制方面的投资增加，就是因为有巨大的潜力存在于电机调速的市场。
关于评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是：(1)工作效率不能低；(2)调速平滑即无级调速；(3)调速范围要大；(4)调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；(5)成本不能太高。[10]
在对交流旋转速度的调整控制系统中，变频系统的调速技术是最佳且最稳定的交流旋转速度调整控制系统性能。对变频系统调速控制技术的开发与研究应用是目前在电机控制领域最有发展希望且实用的技术研究工作。用于控制交流频率的转换器完全可以是一整个的变频控制系统，频率变换行业的整个市场的发展潜力非常大。这里所说的"频率变换行业"不仅局限于交流频率变换器本身，还广泛地涵盖了与交流频率变换器系统控制技术密切相关的所有领域和行业。如交流速度的调整控制系统及系统控制、电力电子重要部件的控制系统驱动与安全保护、相关集成电路的批量生产与工业技术应用等。