按照转子磁链定向的矢量控制系统仿真
运动控制系统课程设计异步电机矢量控制Matlab仿真实验
目录1 异步电动机矢量控制原理 (2)2 坐标变换 (3)2.1 坐标变换基本思路 (3)2.2 三相——两相坐标系变换（3/2变换） (4)2.3 旋转变换 (5)3 转子磁链计算 (6)4 矢量控制系统设计 (7)4.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 (7)4.2 MATLAB系统仿真系统设计 (8)4.3 PI调节器设计 (9)5 仿真结果 (10)5.1 电机定子侧的电流仿真结果 (10)5.2 电机输出转矩仿真结果 (11)心得体会 (13)参考文献 (14)异步电机矢量控制Matlab 仿真实验1 异步电动机矢量控制原理矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。
所谓矢量控制，就是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，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。
其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流i A 、i B 、i C ，通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流i sα和i sβ，再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流i sm 和i st 。
图1-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型在三相坐标系上的定子交流电流,,A B C i i i ,通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流s i α和s i β再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流sm i 和st i 。
m 绕组相当于直流电动机的励磁绕组，sm i 相当于励磁电流，t 绕组相当于电枢绕组，st i 相当于与转矩成正比的电枢电流。
三相永磁同步电机(PMSM)矢量控制建模与仿真
目录1 引言 (1)1.1 课题的背景与意义 (1)1.1.1 课题背景 (1)1.1.2 课题意义 (1)1.2 永磁电机发展概况 (1)2 机电能量转换和拉格朗日方程 (2)2.1 机电能量转换 (2)2.2 三相同步电机电磁转矩 (7)2.3 拉格朗日方程 (9)3 三相永磁同步电机的数学模型 (11)3.1 三相PMSM的基本数学模型 (11)3.2 三相PMSM的坐标变换 (13)3.2.1 Clark变换 (13)3.2.2 Park变换 (14)3.3 同步旋转坐标系下PMSM的数学模型 (14)4 三相永磁同步电机的矢量控制 (16)4.1 转速环PI调节器的参数整定 (16)4.2 电流环PI调节器的参数整定 (17)4.3 三相PMSM矢量控制系统的仿真 (19)4.3.1 仿真建模 (19)4.3.2 仿真结果分析 (22)总结 (23)参考文献 (23)三相永磁同步电机矢量控制建模与仿真摘要：永磁同步电机具有体积小、效率和功率因数高等优点，因此越来越多的应用在各种功率等级的场合。
永磁同步电机的控制是永磁同步电机应用的关键技术，永磁同步电机的结构特点使得采用矢量控制系统有很大的优势。
本文首先分析了永磁同步电机矢量控制的发展概况，然后从机电能量转换的角度出发，解释三相永磁同步电机的机电能量转换原理，推导拉格朗日运动方程。
此外，列写出永磁同步电机在三相静止坐标系和dq坐标系下的数学模型。
基于Simulink建立了转速电流双闭环矢量控制系统的仿真模型，通过对仿真结果分析，验证了永磁同步电机矢量控制系统性能的优越性。
关键词：永磁同步电机，矢量控制，Simulink1 引言1.1 课题的背景与意义1.1.1 课题背景交流电机的控制性能在磁场定向矢量控制技术提出后才有了质的飞跃。
磁场定向矢量控制技术采用的是励磁电流和转矩电流的解稱控制，兼顾磁场和转矩的控制，克服了交流电机自身耦合的缺点。
基于PSIM的异步电机矢量控制系统仿真研究
运 行 中磁 链信 号容 易 受到 电机 参 数 变 化 的影 响 ， 造 成 系统 控 制 的 准确 性 降 低 。 因此 可 采 用 磁 链 给 定 的方 式 ，并 利 用 矢 量 控 制 方 程 中 的转 差 公 式 ，
甸 似
法 两 部 分 构 成 。其 中 ， 主 电 路 由 电 压 型 逆 变 器 （ ＶＳ Ｉ ） 、 异 步 电 机 、 负 载 等 模 块 构 成 。控 制 部分 主要实现 矢量控 制算法 ，产生Ｐ ＷＭ 控 制 信 号 ，并 通 过 开 关 控 制 器 （ Ｏｎ — Ｏｆ ｆ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ）决 定 逆 变 器 各 开 关 器 件 的状 态 。电 机 采 用 Ｓ ｑ ｕ ｉ ｒ ｒ ｅ ｌ — ｃ ａ ｇ ｅ Ｉ ｎ ｄ ． Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ 仿 真 模 型 ，其 参 数 如 下 ：定
Ｄ ｏ ｉ ：１ Ｏ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ （ 上） ． ２ ６
０ 引言
异 步 电机 具 有 体 积 小 、重 量 轻 、坚 固耐 用 、
每
０ ＝ 』 （ ｏ ： ＋ ｚ Ｘ ｍ ） ｄ ｔ
ｒ ｅ Ｌ －ｅ ｉ － ｒ
ｒ
构 成 转 差型 异 步 电机 矢 量 控 制 系统 。Ｐ Ｓ Ｉ Ｍ 是专 为
电力 电子 和 电机 驱 动 设 计 的仿 真 软 件 ，具 有 仿 真
ｑ
（ ５ ）
由 于 按 转 子 磁 链 定 向 ， 并 保 持 不 变 ， 即
＝
速 度 快 、用 户 界 面 友 好 、波 形 处 理 功 能 丰 富 且 简
基于Matlab按转子磁链定向矢量控制系统的仿真_陈中
在按转子磁链定向矢量控制系统中 , 主要是
为了转速和转子磁链解耦[ 3] 。提高转速和磁链闭
环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转 矩控制环 , 如图 1 所示 。
转矩内环之所以有助于解耦 , 是因为磁链对
控制对象的影响相当于一种扰动作用 , 转矩内环 可以抑制这个扰动 , 从而改造了转速子系统 。
第 32 卷 第 9 期 2009 年 9 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
JO U RN A L O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECHN O LOG Y
Vol .32 No .9 Sept .2009
基于 M at lab 按转子磁链定向矢量控制系统的仿真
C3s/ 2r =
2 3
×
co sθ cos(θ-1200) co s(θ+1200)
sinθ -si n(θ-1200) -sin(θ+1200)
1
1
1
2
2
2
(8) 但 M at lab 模块中三相坐标到两相坐标变换 模块 abc-dq0 T ransfo rmatio n 的数学模型为 :
sin ωt cos ωt
C3s/ 2r
=2 3
×
sin(ωt -1200 ) sin(ωt +1200 )
cos(ωt -1200 ) cos(ωt +1200)
1
1
1
2
2
2
(9)
从(8),(9)式中可以看出两者是有差别的 , 因 此不能直接应用 M atlab 中坐标变换模块 。 但如 果把模块 abc-dq0 T ransf o rm ation 的旋转角度加
按照转子磁链定向的矢量控制系统仿真
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控制系统仿真研究
图 1 带转矩内环磁链闭环的矢量控制结构图 转子磁链反馈信号包含了转子磁链的大小
和位置，转子磁链的观测模型主要有二种[3]： （1）在两相静止坐标系的模型。定子电压和
电流由传感器测得后，经过 3s/2s 变换，根据异
图 3 调节器的内部结构 Transformation dq0_to_abc 模 块 将 上 一 级
按Ã转ÁÅÂÄ子磁链定向ÂÁ的Ã矢量Á控制系统仿真研究 科 技 论 坛
郭 瑞 王庆贤 （兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）
摘 要：详细分析矢量控制系统对异步电机电磁转矩实时控制的原理，构建带转矩内环磁链闭环按照转子磁链定向矢量控制结构，对系统的各 部分进行了详细的阐述。利用仿真工具建立了仿真模型，结果表明该方法实现电磁转矩控制，达到良好的调速性能。
图 10 调速过程中的电流波形
20%，减速过程的快速性良好。在 3s 时刻加速 过程平滑，基本无冲击。
10%，转速也能良好的跟随给定值。整个调速过
5 结论
程中的电磁转矩指令值如图 6、图 7 为其响应，
矢量控制是一种优良的控制策略，带转矩
可以看出，系统对电磁转矩的控制是有效的。 内环磁链闭环矢量结构，得益于直接对转矩和
2.3.2 采集节点对总线命令的响应 控制管理计算机作为数据采集系统的主节 点，可向各节点发送总线命令。总线命令包括总 线检测或总线切换等。采集节点作为从节点，两 路总线的 eCAN 模块均设置有特定 ID 的邮箱 接受总线命令，这些邮箱始终使能，在收到数据 后可立即产生邮箱中断。不论命令从哪条总线 上传来，采集节点均能够进行响应。 若为总线切换命令，则调用相应函数，复位 当前总线，切换到另一总线。另外，为了便于恢 复通信，主节点在正常通信时，需将当前的邮箱 通信状况记录下来，包括正在发送和待发送的 信息。读该表即可获取系统原来进行的任务，实 现原来通信任务的可靠切换。其他从节点则只 需在复位后等待主节点重新请求数据即可。 总线检测则是主节点随机的向总线上的从 节点发送远程帧，从节点收到后，将自己的节点
三相异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统仿真
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。
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。
1971年，由F．Blaschke 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。
该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。
控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。
矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。
控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。
1 永磁同步电机的数学模型1.1 永磁同步电机系统的结构永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。
定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。
转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。
1.2 坐标变换坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。
线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。
电动机中用到的坐标变换都是线性变换。
在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对我们是静止的，即：α,β 坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组 A 相的产生磁势的方向，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为 d,q 坐标，其中 d 轴跟单磁极的 N 极方向相同，即和磁力线的方向相同，q 轴超前 d 轴 90 度下图所示。
基于DSP异步电机转子磁场定向控制系统的仿真
器。
ｌ ＭＰ ３ ｔ ｎ 拈 Ｃ Ｒ ｃ 口
ｔ ｜ Ｚ ｔ ｎ ｃ 口 ∞ Ｄ ｂ ０
ｔｎ 口 。
由式 １ 可知
Ｒ５ Ｌ Ｐ ＋ 国 ｓ Ｌ
出
一 ｓ Ｌ
Ｌ ｐ
Ｔ
Ｒ４＋Ｌ Ｐ ｍ ． ｓ Ｉ Ｌ｜ ｄ ０ Ｒ ＋三 Ｐ ０ △∞ Ｒ，
Ｏ ０
Ａ￣Ｌｍ ０ Ｏ ｅ
１２ 矩方程 ． 转
。 ＝ 一 等
㈩
上式表 明 ，当 恒定 时 ，无论是稳态 还是动态过 ，
Ｔｎ（ － ａｖｉ ＝．ｉ Ｌ， ￣， ｒ ｕ
Ｌ 一 ｃ Ｊ 苦 ｒ２ 羔 一 ％＝ （） 昔
程 ，转差角频率 △ ∞都是异步 电动机的转矩电流分量
９ 信息系统工程 １ ０１ ０ ０ ０ １． ． ２ １２
Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ 技术应用 Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ 成正 比。
统的构成及 基本算法 。仿真和实验结果表明 ，系统有较
由上 式可知 ，转子磁链 ， 唯一 由定 子电流矢量 的 励 磁电流分量 产生 ，与定 子电流矢量的转矩 电流分 量 ｉ 无关 ，这充分说 明了异步电动机矢量控制系统按 转子全磁链 定向可 以实现磁通和转矩 电流的完全解耦 ； 还表明了 ，、 和 之间的传递 函数是一个一阶 陨性环 ｝ ，
电流 ） 分别加 以控制 ，即磁通 电流分量和转矩 电流分量 二者 完全解耦 ，从而获得类似 于直流调速系统 的动态性 能 。因此 ，比较伊 布电动机 三种磁场 定 向方 法可 以看
二 、矢量控 制 系统 的控 制方 程式
实验五 矢量控制系统仿真
矢量控制系统仿真
按矢量控制系统结构建立仿真模型，见图1。
其中，异步电动机仿真模型见异步电动机仿真，SVPWM用惯性环节等效代替，若采用实际的SVPWM方法仿真，会产生电流脉动。
转速、转子磁链和两个电流调节器均采用带有积分和输出限幅的PI调节器，两相磁链
rα
ψ和rβ
ψ由电动机模型直接得到，通过直角坐标到极坐标变换（K/P变换）得到转子磁链的幅值和角度，
r
r
jarctg
j
r r r r
j e
β
α
ψ
ψϕ
αβ
ψψψ
=+==
ψ
图2为空载起动和t=3s突加额定负载的定子电流励磁分量
sm
i（上）和转矩分量
st
i（下）仿真结果，图3a是对应的转速ω（上）与转子磁链r
ψ（下）仿真结果，图3b为转速ω
（上）
图1 矢量控制系统仿真模型
与转子磁链r （下）局部放大图。
图2 空载起动和加载的定子电流励磁分量sm i （上）和转矩分量st i （下）仿真结果
ψ（下）仿真结果图3a 空载起动和加载过程ω（上）和r
图3b ω（上）和ψ（下）局部放大。
按转子磁链定向的矢量控制系统仿真研究
科技 论坛 ｊ
郭 璃 壬庆 贤
按转子磁链 定 向的矢量控制系统仿真研究
（ 兰州交通 大学 自动化与电气工程 学院， 甘肃 兰州 ７ ｏ ７ ） ３ ｏｏ
摘 要： 详细分析矢量 控幸 系统对异步电机 电磁转矩 实时控幸的原理， Ｉ ｌ 构建蒂转矩 内环磁链闭环按 熙转子磁 链定向 矢量控制结构 ， 系统的各 对 部分进行 了详细的阐述。科 用仿真工具建立 了 仿真模 型。 结果表明谈方法实现 电磁转矩控幸 ， Ｉ达捌 良 的调速性侥。 好
、
一
角。
ｔｓ
图 ５ 转 速 波 形 矩 指 令 Ｒ
图 ｌ 带 转矩 内环磁 链 闭环 的 矢量 控 制 结 构 图 转子磁链反馈信号包含 了转子磁链的大小
和位置 ， 转子磁链的观测模型主要有二种目： （） １在两相静止坐标 系的模型。 定子电压和 电流由传感 器测得后 ， 经过 ３／ｓ变换 ， ｓ ２ 根据 异
得 到的 、 以及零轴 电流 ｉ＝ ｏ变换到定子三 相坐标系上 ， 得到定子电流给定信号 、 。 、 Ｃ ｒ ｎ ｅ ａ０ 模块利用 自定义封装 ， ｕｒ ｔＲ １ ｅ ｒ 实 现滞环调节 ， 内部结构如 图 ４ 使用 时只需 指 其 ， 定滞环环宽 ，滞 环宽度 的大小影响开关 器件 的 开关频率 ， 环宽越小 ， 开关频率 越高 ， 电流控 且 制精度越高 ， 反之亦然 。 、 ４仿真结果 与分析 仿真采用固定步长的 ｏｅ 仿 真算法 ， ｄ３ 为保 证精度 ， 限制最 大步长取 ｌ －。 ｅ ５ ． 电机 空载启 动，启动过程充 分利用 电机 的 过载能力 ，以最大加速度加速 ， 启动时 间只需 ０ ｓ快速性好 ， 图 ５ 其 中虚线为转 速给定 ， ．， １ 如 ， 实线为实际转速 。 启动进入稳态后 ， １ ｓ 在 ． 时刻 加 ７ ％额定 ５ ５ 图 ３ 调 节 器 的 内部 结 构 负载 ， 转速稍微有 降落 ， 但是能跟随 给定值 ， 系 Ｔ ａ ｓｏ ｍａ ｉ ｎ ｑ ｔ ａｃ模 块 将 上 一级 统呈现良好 的抗扰性。在 ２ 时刻进行减速 ｒ ｎ ｆ ｒ ｔｏ ｄ ０ ｏ ｂ ＿ ｓ
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt,按转子磁链定向的矢量控制系统
的影响，两个子系统仍旧是耦合着的。
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
8
带除法环节的解耦矢量控制系统 （采用电流控制变频器）
r AR
ASR
Lr n p Lm
ism
i
A
iA
r
异步电机
i
CB 2r /3s
电流 控制
iB
矢量
÷
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
4
按转子磁链定向后的系统模型
代入转矩方程式和状态方程式，并 用m，t替代d，q，即得
Te
n p Lm Lr
ist r
d r
dt
1 Tr
r
Lm Tr
ism
0
(1
) r
Lm Tr
ist
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
5
矢量控制方程
1
i1
im1
等效直流
3/2 iβ1 VR
电机模型
异步电动机 it1
反馈信号
这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、 动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。
电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
3
6.7.2按转子磁链定向
（Field Orientation）
rd rm r rq rt 0
14
• 在两相静止坐标系上的转子磁链模型
is
Lm
+
1
r
-
Tr p+1
Tr
isβ
Lm
+
1
基于转子磁链矢量控制变频调速系统的建模与仿真
文 献标识 码 ： Ｂ Ｍ ｏ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ Ｓｉ ｕｌｔｏ ｓ ｄ ｏ ａ ｉｂｌ ｄ ｌｎ ｎ ｍ ａ ｉ ｎ Ｂａ ｅ ｎ Ｖ ｒａ ｅ
Ｆｒ ｑ ｅ ｃ ｇ ａ ｉ ｎ Ｓ ｅ ｓ ｅ ｏ ｏ ｏ ｎｋａ ｅ Ｖｅ ｔ ｒＣｏ ｔ ｏ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｒｅ ｕｌｔｏ ｐｅ ｄ Ｓｙ ｔ ｍ ｆＲ ｔ ｒＬｉ ｇ ｃｏ ｎ ｒ ｌ
２Ｓ ３ ／Ｓ
在 该 系统 中 ， 链 给 定 。 固定 值 ， 磁 为 经 （Ｍ 计 。 ） 算 电路 得到定 子 电流励 磁 分量 给定 值 。 ）定 子 （ Ｍ ， 电 流转 矩 分 量 给定 值 ｉ 。 来 自转 速调 节器 械 和 。 ｔ （ ） ｉ ｉ ） 算 电路的 输 出 。ｉ ｌ 和 ｉ （Ｔ 经 同 。 ｎ 计 （ ｄ Ｍ （ ） ｌ ） 步 旋 转 一９坐标 系 到静 止 ａ —ｃ坐 标 系 的坐 标变 —ｂ 换 ， 到 物理 上存 在 的定 子 三 相 电流 的 给定 值 供 给交 得
ｍ ｏ ｅ Ｓｃ ｒｅ ｔａ ｄ ｗｏ ｋ ｂｅ ｄ ｌｉ ｏ ｒ ｃ ｎ ｒ ａ ｌ．
Ｋｅ ｒ ｓ：ｏ ｏ ｉｋ ｇ ；ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓｍｏ ｏ ；ｉ ｌｔｏ ｙ ｗｏ ｄ ｒ ｔ ｒｌ ａ ｅ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ 制是 为 了改 善 转 矩控 制性 能 ， 终 实旋 对 最 定子 电流 的控 制 ， 而转 子 磁 链 仅受 控 于定 子 电流 的励 磁分量 ， 电磁转矩仅 受控 于转 矩分 量 ， 过分 别控 制励 通 磁 电流 分 量与 转 矩 电流 分量 ， 实现 电磁转 矩 与 磁链 的 解耦 控 制 。转 子磁 场定 向控 制就是 将公 共坐 标 系统 建 立在 转子定 向磁场上 的 矢量控 制方法 。在 Ｍ—Ｔ坐 标
电机矢量控制按转子磁链定向的参数辨识方法
０ 引言
向角 都是 参加 运算 的数值 量 ， 但是 在实 际 中这两个 量都 是
【（ （ ）０２ ＿９） ＿－ １ 寺‘
（ ４ ）
很难 测量 的 ，所 以存矢 量控 制系 统 中采用 检测 交流 电机 的定 子 电压 、 电流 及转速 等容 易得 到 的物理 量 ，利用 转子 状态 观测 器 来计 算转 子磁 链模 和空 间位 置 。但是 状态 观测 器估 计 的方法 需 要得 到 己知 电机 的多项 参数 ，估 计需假 设状 态 的初 始条 件 ，估
，＿‘ ｊ
电机 矢 量 控 制按 转 子 磁 链 定 向的参 数 辨 识 方 法
王 帅 ，韩 兵
摘
～ 一
建 立 了新 的 电机 旋 转 变 换 参 数模 型 。由 于这 个 模 型 包含 了磁 链 定 向的 参 数 信 息 ， 用 该模 型 进行 参 数辨 识 过计 算可 以得 到 固 定 的磁 利 通
Ｍ ｉｒ ｃ ｍ ｐｕｔｒＡｐ ｉ ａ ｉ ｓ ｏ．８ Ｎ ．，０２ ｃｏ ｏ ｅ ｐｌｃ ｔ ｎ Ｖ １ ， ｏ ２ １ ｏ ２ ２
—
—
技术 交流
微 型 电脑 应 用
２１ 年第 ２ ０２ ８卷 第 ２ 期
一
文 章 编 号 ： １ ０ ．５ Ｘ（０２２０ ６ —３ ０ ７７ ７ ２ １ ）．０ ２０
计误 差较 大存 在 确 定 性 。为 了得到 矢量控 制 系统 按转 子磁链 定 向的方法 ，可 以考 虑 采用 参数 辨识 ，并根 据 同步 旋转变 换 实
现 磁链 定 向 。
Ｌ Ｊ 圭： ｄｏｉ ｔ－ ｌ Ｌ ｌ Ｊ Ｌ ｌ
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基于MATLAB的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真
（） 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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法是 正确 的。
出版 社
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
・
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
按转子磁链定向的矢量控制Matlab仿真实验(运控课设)
摘要
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。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单 模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。
2
(2-3) (2-4)
2.3 旋转变换
两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换 (简称 2s/2r 变换 )，两相静止绕组， 通以 两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成 磁动势的旋转角速度 , 则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。从两相静止坐标
系到两相旋转坐标系的变换 , 称为两相旋转－两相静止变换，简称 2s/2r 变换。其变换关
C2s 2r
C2r1 2s
cos sin sin cos
(2-7)
电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同。
3 转子磁链计算
按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是 r 的准确定向， 也就是说需要获得转子磁 链矢量的空间位置。根据转子磁链的实际值进行控制的方法，称作直接定向。
转子磁链的直接检测比较困难，现在实用的系统中多采用按模型计算的方法，即利
4
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与
空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用专题观测器或 状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为
iA
A
B
iB
i
C
C
i
基于Matlab按转子磁链定向矢量控制系统的仿真
基于Matlab按转子磁链定向矢量控制系统的仿真
陈中;顾春雷
【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(032)009
【摘要】文章对按转子磁链定向的矢量调速系统进行了计算机仿真研究,运用Matlab的Simulink和Power System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,仿真结果非常接近实际情况,说明了仿真模型的正确性.
【总页数】4页(P1331-1334)
【作者】陈中;顾春雷
【作者单位】盐城工学院电气学院,江苏,盐城,224051;盐城工学院电气学院,江苏,盐城,224051
【正文语种】中文
【中图分类】TM341
【相关文献】
1.转子磁链定向矢量控制系统仿真研究 [J], 吴涛;徐超
2.基于SVPWM的转子磁场定向磁链闭环矢量控制系统研究 [J], 谢辉
3.基于MATLAB的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真 [J], 常伟
4.按转子磁链定向的矢量控制系统仿真研究 [J], 郭瑞;王庆贤
5.按转子磁链定向的异步电机转差型矢量控制系统仿真研究 [J], 张燕燕;张宝栋;王爱华;高楠楠;刘朝阳;李培;杨巍巍
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按转子磁链定向矢量的智能控制_沈翠凤-北京科技大学报
零分为正零 (P0) 和负零 (N0), 其余六个与上面相 同. 隶属函数采用预先设定方法得到, 而对于规则 dTe 库的确定, 规则选用 “if ∆Te and − then u” 的方 dt 法获得.
2.2
转速调节器和磁链调节器参数设置的原则 转速调节器和磁链调节器采用智能控制方法,
图2
Fig.2 control system
交流感应电动机以其结构简单、 维修便捷等优 点得到了广泛应用. 由于交流电动机是一个多变 量、强耦合和非线性系统, 在控制上比直流电机复 杂. 一些学者按转子磁链定向的矢量控制技术给出 了交流电动机控制的新方法, 但许多文献在按转子 磁链定向控制调速系统中只给了常规 PI 调节器, 并 没有充分利用微机控制的特点和优良性 [1−5] . 本文 是在按转子磁链定向矢量控制的基础上, 根据不同 的控制规律, 采用智能控制和模糊控制相结合的方 法, 对按转子磁链定向的矢量控制进行了研究, 充分 利用智能控制和模糊控制的特点来进行调节器的设 计. 仿真和实验结果表明, 该控制方案有较高的动、 静态性能.
结构如图 2 所示, 现以转子磁链调节器为例说明调 节过程. ∆Ψ 为转子磁链偏差, ∆Ψ dt 为磁链偏差 dΨ 的积分, − 为实际磁链变化率的负值, 按照专家 dt dΨ 系统的方法, 根据 ∆Ψ 、 ∆Ψ dt 和 − 确定调整 dt 规则和调整强度, 使智能型 PI 调节器参数随着偏 差的变化而有选择性的变化. 当偏差比较大时, 停 止积分, 增大比例系数, 使得系统以最大能力消除 偏差； 当偏差较小时, 投入积分, 调整比例系数和积 分系数, 使系统以最佳过程达到稳态. 其调整规则 确定如下：
(4)
以抑制磁链的影响, 它的实际作用是改造了被控对 象, 提高了系统快速响应性. 故设计采用模糊控制, 首选确定数据库的设计, 转矩调节器的输入变量为 dTe ∆Te 和磁链变化率 − , 它们的标准论域均为 [−6, dt +6]. 转换系数 ke 由允许偏差决定, 因此取 ke = 0.1, dTe kc 由允许的 − 决定, 这里取 92, ku 决定了被控 dt 过程静态放大倍数, 初步确定 ke = ku . 模糊变量的确定, 由于标准论域值 n=6, 所以
20 按转子磁链定向的矢量控制2
用除法环节消去对象中固有的乘法环节，实
现了转矩与转子磁链的动态解耦。
18
转矩闭环控制
图6-28 带除法环节的矢量控制系统原理框图
19
带转矩内环的矢量控制仿真
带转矩内环的矢量控制结构
20
Simulink实现
21
转矩控制器
22
磁链观察-电流模型
23
坐标变换
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电流跟随
25
定子电流
(6-44)
Hale Waihona Puke 9计算转子磁链的电压模型
图6-31 计算转子磁链的电压模型
10
计算转子磁链的电压模型
电压模型包含纯积分项，积分的初始值和
累积误差都影响计算结果，在低速时，定子 电阻压降变化的影响也较大。
电压模型更适合于中、高速范围，而电流
模型能适应低速。有时为了提高准确度，把 两种模型结合起来。
3. 省略电流调节器，电流与电压的关系通 过下式计算 usm =Rsism 1 Lsist dist ust 1Lsism Rsist Ls dt
34
简化后的系统原理图
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仿真模型
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定、转子电流
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转速、转矩
基于定子电流模型的MRAS系统仿真研究
基于定子电流模型的MRAS系统仿真研究应凯;蒋林;李洪波;杨洁【摘要】The traditional model reference adaptive system (MRAS) take voltage model as a reference model, the performance of the IM drive system at low speeds became worst by influencing initial value and drift problems of the pure integrator in the voltage model and the variation of motor parameters. In order to improve the low-speed performance and robustness of the system, this paper describes a stator current model-based model reference adaptive method to identify the motor speed and rotor flux, and thus constitutes a vector control system. A lot of the system simulations are completed based on Matlab/Simulink simulation platform. The simulation results show that the robustness against changes of the stator and rotor method has good performance at low speeds, and better parameters.%传统的模型参考自适应系统（MRAS）以电压模型作为参考模型,由于电压模型中纯积分环节存在初值和漂逸问题并受电机参数的影响,导致系统的低速性能变差。
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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 1
1
L i T T p ψωψ=
-+ ()r βm s βr r αr 1
1
L 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 st
1s r r
L i T ωωωψ-==
m
r sm
r 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。
电磁转矩的观测
根据异步电机在不同坐标系下的模型，可以得到多种电磁转矩的表达形式，由这些表达形式可以得到转矩观测器的表达：
p m e st r r
n L T i L ψ=
3. 建模与仿真
利用Simulink/Powersystem 工具箱，搭建按照转子磁链定向的矢量控制调速系统的模型如图：
A
B
C
图2 带转矩内环节磁链闭环的矢量控制系统仿真模型
系统结构采用带转矩内环磁链闭环的控制结构，外环是转速环，内环包括转矩环和磁链环，控制部分生成触发脉冲加至逆变器六个开关器件。
电机中模型，从Machines Measurement Demux 端口引出转子磁链MT 分量、定子三相电流a i 、b i 、c i
，电磁转矩
e
T 作为反馈信号。
设有三个PI 调节器：
图3 三个调节器的内部结构
转速调节器ASR ：通过转速反馈信号与speed_ref 给定的转速相比较的偏差经过PI 调节器，输出转矩指令信号T*。
转矩调节器A TR ：转速调节器的输出转矩指令信号与电磁转矩相比较的偏差通过PI 调节器，运算出励磁电流分量Iq*
磁链调节器APISR ：前一级pis genenrater 是一个函数发生器，由speed_ref 给定的转速计算出转子磁链给定信号pis*，再用通过磁链调节器APISR 运算出转矩电流分量Id*。
Transformation dq0_to_abc 模块将上一级得到的励磁电流分量Iq*、转矩电流分量Id*变换到定子三相坐标系上，得到定子电流给定信号Iabc*。
Regulator Current 模块是自定义封装模块，实现滞环调节，其内部结构如图4，使用时只需指定滞环环宽。
滞环宽度的大小影响逆变器的开关频率。
图4 Regulator Current 的内部封装结构
4. 仿真结果分析
根据采用固定步长的ode3仿真算法，最大步长取1e-5。
电机空载启动，启动过程充分利用电机的过载能力，以最大加速度加速，启动时间只需0.1s,快速性很好。
t s
n r /m i n
图5 转速波形
t s
T e N .m
图6 电磁转矩响应曲线
t s
T e * N .m
图7 ASR 输出的电磁转矩指令Te*
启动后在1.5s 加75%额定负载，转速稍微有降落，但是能遵循给定值。
在2s 进行减速，由电磁转矩的图6可以看出，减速过程的快速性也很优良。
在3s 进行加速，加速过程良好。
t s
I d A
图8 励磁电流分量Id
t s
I q A
图9 转矩电流分量Iq
图8和图9还给出了电机在调速过程中的励磁电流分量Id*和转矩电流分量Iq*的，由图8可见，励磁电流分量Iq 在整个调速过程中没有发生改变，保证了电机内部磁场在稳态、暂态发挥了最大的效率，而转矩电流分量Id 在加载、加速、减速过程中都随着指令信号改变而改变，动态的控制电机电磁转矩。
t s
I a b c A
图10 调速过程中的电流波形
t s
I a b c A
图11 加载时三相电流波形
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I a b c A
图12 减速时三相电流波形
5. 结论
利用MATLAB/SIMULINK/POWERSYS 提供的电机、电力电子器件、电源、控制模型，很容易的建立了矢量控制的仿真模型，全面地展示了矢量控制技术的特点，其强大的数据、图形分析功能可以很直观的观测各个变量的动态响应。
矢量控制是一种优良的调速手段。