异步电动机矢量控制系统的仿真
异步电动机矢量控制系统的设计与仿真.doc
异步电动机矢量控制系统的设计与仿真.异步电动机矢量控制系统的设计与仿真在矢量控制技术出现之前，现代交流调速系统采用了恒压频比控制策略。
这种控制策略的缺点是，当电机低速旋转或在加减速、负载加减等动态条件下，系统性能显著降低，导致交流调速系统在低速、启动时转矩的动态响应和整个系统的稳定性方面不如DC调速系统，无法满足人们对高精度的要求。
后来，交流异步电动机控制开始从标量控制向矢量控制迈进。
以下是矢量控制理论的简要介绍。
矢量控制发展的基础和核心理论支撑是电机的一些概念，如坐标转换原理、机电能量转换理论等。
这种控制的基本思想和方法是将异步电机模拟成DC电机来控制。
只要建立等效于三相交流绕组组的两相绕组，就可以建立等效于异步电机的DC电机模型，并增加相应的比例积分调节环节，从而可以按照DC 电机的控制策略来控制异步电机。
因此，矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，从而优化和提高调速性能。
根据这一思想，我在本项目中成功地进行了MATLAB仿真。
关键词:交流电机；矢量控制调速系统；矢量控制系统的设计与仿真交流调速系统的仿真采用常V/f比控制方法，通常称为标量控制。
采用这种方法的系统在电机低速运行时或在加速、减速、增加负载、减少负载等情况下会出现重大缺陷。
采用矢量控制的交流电机可以达到与恒流电机相同的控制性能，从此交流异步电机控制从标量控制向矢量控制迈进了一大步。
以下是矢量控制理论的简要介绍。
矢量控制发展的基础和核心理论支撑是电机的一些概念，如坐标转换原理、机电能量转换理论等。
这种控制的基本思想和方法是将异步电机模拟成DC电机来控制。
只要建立等效于三相交流绕组组的两相绕组，就可以建立等效于异步电机的DC电机模型，并增加相应的比例积分调节环节，从而可以按照DC电机的控制策略来控制异步电机。
因此，矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，从而优化和提高调速性能。
根据这一思想，我在本项目中成功地进行了MATLAB仿真。
异步电动机矢量控制系统仿真研究
摘要 ：以异步电机矢量控制原理为基础 ，通过坐标变换和转子磁链位置计算 ，利用 Ｍ ｔ ｂ ｉ ｕ ｎ 构建一种异 步电动机矢量 控 ａａ／ｍ ｌｋ ｌ Ｓ ｉ 制系统的模型。通过 仿真不仅验证 了模型的正确性 ，而且 还为实际调速 系统控制算法实现提供可靠的分析 依据 。 关键词 ： 矢量 控制 ；异步 电动机 ；Ｍ ｔ ｂ ｉ ｕ ｎ ａ ａ 矩
分别独立控制 ，从而使交 流电动
收稿 日期 ：２ １ 一ｌ ～０ ０１ １ ２
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图 １ 异步电动机矢量控制 系统结构 图
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Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｂａ ｉ ｒｎ ｉ ｌｓ ｏ ｎ ｕ ｔ ｎ ｍｏｏ ｅ ｔｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ａ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ ｆ ｓ ｅ ｄ ｏ ｈ ｎｎ ｒ ｔ ｒ ｕｅ ｎ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｓｃ ｐ ｉ ｃ ｐ ｅ ｆ ｉ ｄ ｃ ｉ ｔ ｒ ｖ ｅ ｏ ｏ ｔｏ ， ｉ ｌ ｔ ｄ ｌ ｏ ｐ ｅ ｆｔ ｅ ｉ ｅ ｏ ｑ ａ ｄ ｏ ｏ
１ 言 引
直 流 电动 机调 速 系 统具 有 优 良的静 、动态 调
机具 有 了直 流 电动机 的全 部点 。 由于 直轴 和 转 子 磁场 重合 ，因此 也称 转子 磁场定 向控 制 。
速 特性 ，其 根本 原 因在 于作为控 制对象 的他励
直 流 电动 机 电磁 转 矩 能 够 容 易 而 灵 活 地 进 行 控 制 ” 。。在 １７ 年 德 国学 者提 出 的矢量变 换控 制方 ９１ 法 中 ，正 交 旋 转 坐标 系 的直 轴 励 磁 轴 （ 与 转 子 磁 场 重 合 ，交 Ｍ） 轴为转矩轴 （） Ｔ ，转 子磁 场 的交 轴 分 量 为 零 ， 电磁转 矩 的方 程 得
异步电动机矢量控制系统仿真研究
异步电动机矢量控制系统仿真研究摘要：本文以异步电机矢量控制原理为基础，通过坐标变换和转子磁链位置计算，利用Matlab/Simulink 构建一种异步电动机矢量控制系统的模型。
通过仿真不仅验证了模型的正确性，而且还为实际调速系统控制算法实现提供可靠的分析依据。
关键词：矢量控制；异步电动机；Matlab/Simulink1 引言直流电动机调速系统具有优良的静、动态调速特性，其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易而灵活地进行控制[1-2]。
在1971 年德国学者提出的矢量变换控制方法中，正交旋转坐标系的直轴励磁轴（M）与转子磁场重合，交轴为转矩轴（T），转子磁场的交轴分量为零，电磁转矩的方程得到简化，即在磁场恒定的情况下，电磁转矩与交轴电流分量成正比，因此，感应电机的机械特性与他励直流电机的机械特性完全一样，实现了磁场和转矩的解耦控制。
像直流调速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩分别独立控制，从而使交流电动机具有了直流电动机的全部点。
由于直轴和转子磁场重合，因此也称转子磁场定向控制[3-5]。
2 转子磁场定向（FOC）控制框图矢量控制系统的结构图如图1所示。
系统的给定量有参考转速和参考磁链，其总的控制思路是：给定磁链除以1/Lm输出励磁电流给定值，给定转速与电机反馈转速相比较后，通过速度调节器，输出转矩信号的给定值，电机三相实际输出电流经过坐标变换，解耦为实际励 磁电流分量和转矩电流分量。
励磁给定值与实际励磁电流，转矩信号给定值与实际转矩电流分量分别经过pi调节器后，经过旋转逆变换，换算成两相静止坐标下矢量调制信号αU 、βU ，再由SVPWM算法得到PWM脉宽调制信号，去驱动控制逆变器的功率开关器件IGBT，最终实现了异步电机转矩的有效控制[4-5]。
PI图1 异步电动机矢量控制系统结构图3 系统仿真模型的建立 系统的仿真模型如图2所示：图2 异步电动机矢量控制系统仿真图3.1 主要仿真模块介绍3.1.1 速度、转矩、磁链调节器模块三个调节器的参数值如表1；三个调节器的内部接线结构如图3所示。
异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究
异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究THE DISIGN OF THE ASYNCHRONOUS MOTOR VECTOR CONTROL SYSTEM AND IT`S SIMULATION STUDY专业：电气工程及其自动化姓名：高智指导教师：申请学位级别：学士论文提交日期：学位授予单位：天津科技大学摘要本文的研究内容是“异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究”。
在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f比值恒定控制方法，又常称为标量控制。
采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。
随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。
矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的。
它的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，建立三相交流绕组、两项交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电机进行控制。
因此他可以实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。
本文针对异步电动机磁链闭环矢量控制进行研究和探索。
通过空间矢量的坐标变换，对系统进行建模，其中包括直流电源、逆变器、电动机、转子磁链电流模型、ASR、ATR、AΨR等模块。
并对控制系统进行了MATLAB/Simulink仿真分析。
关键词：异步电动机；矢量控制；MATLAB仿真ABSTRACT：The content of this study is the design of the Asynchronous motor vector control system and it's simulation study. Before the advent of vector control technology, most of alternating current speed control system are constant V/f ratio control method which is also often referred as the scalar control. This approach in low-speed and dynamic (such as acceleration and deceleration), such as addition and subtraction load, the system showed obvious defects, so the stability of AC variable speed system, start torque at low speed dynamic response is not such as a DC tune speed system. With the development of power electronics technology, the AC induction motor control technology fully from the scalar control to vector control, vector control of AC motor can be comparable and DC motor control effects, even more than the DC speed control system.Vector control is developed on the basis of the motor unified theory of electrical and mechanical energy conversion and coordinate transformation theory. Its ideology is the asynchronous motor simulation into a DC motor to control, coordinate transformation, decomposition of the stator current vector for the rotor field oriented two DC components were controlled, in order to achieve the decoupling of flux and torque control, three-phase AC winding, two exchanges winding and rotation of the DC winding equivalence between the three, in order to find the equivalent asynchronous motor winding DC motor model, in order to control the DC motor control method for asynchronous motor . So that he can achieve dynamic control of the electromagnetic torque, optimize the performance of the speed control system. In this paper, the closed-loop vector control of asynchronous motor flux research and exploration. By the coordinates of the space vector transformation of the system modeling, including a DC power supply, inverter, motor, the rotor flux current model, the ASR, ATR AΨR and other modules. And control system for the MATLAB / SIMULINK simulation analysis.Key Words：Asynchronous Motor；Vector Control；MATLAB Simulation目录第一章绪论 (1)第一节交直流调速系统的相关概念及比较 (1)第二节交流调速系统的历史和现状 (2)第三节异步电机矢量调速系统的发展 (5)第二章异步电动机的数学建模分析 (7)第一节三相电机的模型分析 (7)第二节同步旋转坐标系上的数学模型及状态方程 (11)第三节异步电动机的数学模型 (12)第四节坐标变换和变换矩阵 (13)第五节异步电动机在不同坐标系下的数学模型 (20)第三章异步电动机矢量控制的基本原理 (23)第一节异步电机的电磁转矩 (23)第二节矢量控制思路的演变过程 (23)第三节矢量控制的磁场定向 (26)第四节转子磁链观测器 (28)第五节异步电机矢量控制系统 (30)第四章异步电动机矢量控制系统的仿真分析 (33)第一节SIMULINK软件基本介绍 (33)第二节异步电机矢量控制系统仿真模型的建立 (33)第三节各模块参数设置 (36)第四节仿真结果 (37)第五章全文总结 (40)参考文献 (41)致谢 (42)第一章绪论第一节交直流调速系统的相关概念及比较电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。
基于Matlab异步电动机矢量控制系统的仿真
基于Matlab转差频率控制的矢量控制系统的仿真概述：常用的电机变频调速控制方法有电压频率协调控制(即v／F比为常数)、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制等。
其中，矢量控制是目前交流电动机较先进的一种控制方式。
它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。
其中基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行U ／f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对输出频率f进行控制的。
采用这种控制方法可以使调速系统消除动态过程中转矩电流的波动，从而在一定程度上改善了系统的静态和动态性能，同时它又具有比其它矢量控制方法简便、结构简单、控制精度高等特点。
Simulink仿真系统是Matlab最重要的组件之一，系统提供了标准的模型库，能够帮助用户在此基础上创建新的模型库，描述、模拟、评价和细化系统，从而达到系统分析的目的。
在此利用Matlab／Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型，并对此仿真模型进行了实验分析。
矢量控制是目前交流电动机的先进控制方式，一般将含有矢量交换的交流电动机控制都称为矢量控制，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地控制，电动机才能获得最优的动态性能。
转差频率矢量控制系统结构简单且易于实现，控制精度高，具有良好的控制性能、因此，早起的矢量控制通用变频器上采用基于转差频率控制的矢量控制方式。
基于此，本文在Mtalab/Simulink环境下对转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。
1转差频率矢量控制系统由于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。
转差频率矢量控制是按转子磁链定向的间接矢量控制系统，不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标变换，只要在保证转子磁链大小不变的前提下，通过检测定子电流和旋转磁场角速度，通过两相同步旋转坐标系(M-T坐标系)上的数学模型运算就可以实现间接的磁场定向控制。
异步电机矢量控制Matlab仿真实验
目录1. 矢量控制基本原理: (1)2.电机模型推导: (2)3。
仿真模型框图 (5)3。
1 坐标系下异步电机的仿真模型 (5)3。
2各元件的参数图 (6)3.3三相异步电机的仿真模型 (8)3。
4各模块的原理图 (9)3.5仿真的初始数据 (10)4 矢量控制系统设计 (11)4.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 (11)4。
2 MATLAB系统仿真系统设计 (11)4.3 PI调节器设计 (13)5.仿真结果 (15)6.个人总结 (17)7。
参考文献 (18)异步电机矢量控制Matlab仿真实验1. 矢量控制基本原理: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,,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。
其中矢量控制系统原理结构图如图1—2所示。
图1—1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型图1—2矢量控制系统原理结构图通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量sm i 和转矩分量st i ，转子磁链r ψ仅由定子电流分量sm i 产生，而电磁转矩e T 正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。
异步电机矢量控制系统的设计及仿真研究
－
G^（
s）
R（ ］
s）
+
1 － C（ s） G^（ s）
1 + C（ s） ［G（ s）
－
G^（
s）
D（ ］
s）
（ 7）
由式（ 7） 可知，当模型与对象匹配，即 G^（ s） = G（ s） 时，若
选择 C（ s） = G^ － 1 （ s） 且此时系统可实现，则式（ 7） 变为 Y（ s）
= R（ s） ，即系统的输出始终等于输入，不受任何干扰。此外，
+ +
1 1
·2λλss
++11·s
（ 11）
由式（ 5） 可得基于内模控制的速度调节器为：
F（ s）
=
（
Tc s
+ 1） （ 2λs Kλ2 s
+ 1）
（ 12）
显然这也是一种 PID 调节器，但是它只有一个可调参数 λ。
图 5 矢量控制变频调速系统近似动态结构图
5 仿真试验结果
为验证本方案的有效性，搭建矢量控制系统如图 7 所 示，速度调节器采用内模控制方法。
收稿日期： 2011 － 03 － 13
前已经有许多较为成熟的方法，如定子磁场定向矢量控制、 气隙磁场定向矢量控制、转子磁场定向矢量控制、电压定向 矢量控制等，而且应用于工业领域中，获得了很好的控制效 果［1］。在矢量控制系统中，异步电机的速度调节器一般都采 用常规的比例积分即 PI 调节器。这种调节器具有结构简 单，可靠性较高，抗扰性强，稳态精度高等优点。由于采用了 饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须 要使转速调节器退出饱和状态。按照 PI 调节器的特性，只 有使转速超调，才能使 ASR 退出饱和，这就是说采用 PI 调节 器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调［2］。为解 决这一问题，文献［3］提出采用 I － P 控制器取代 PI 调节器
异步电机矢量控制系统的仿真建模与实现
Ｚ Ｕ Ｙ ａ ＷＡ Ｇ Ｌ Ｉ ｈｎ—ａ ， Ｉ ｉ— ｎ ＨＯ ｕ ｎ ， Ｎ ｉ，ＱＵ Ｚ ｏｇｃｉ Ｌ ｎｌ ｇ Ｊ ｏ
（ ． ｈ ｔｅｅｔｉ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＩｓｉ ｔ ， ｏ ｔｗ ｓ Ｊａ ｔｎ ｎｖｒｉ ， ｈ ｎ ｄ １０ １ Ｃ ｉａ １ Ｐ ｏｏｌ ｒｃ ｎｉｅｒ ｎｔｕｅ Ｓ ｕｈ ｅｔ ｉｏｏ ｇＵ ｉｅｓ ｙ Ｃ ｅ ｇ ｕ６０ ３ ， ｈｎ ； ｃ ｎ ｔ ｔ ２ Ｅ ｉ ａ ｕ ， ｏ ｔｗｅｔ ｉｏｏ ｇＵｎｖｒｉ ， ｍｅ ６４ ０ ， ｈｎ ） ． ｍｅ Ｃ ｍｐ ｓ Ｓ ｕ ｈ ｓ ａｔｎ ｉ ｅｓｔ Ｅ ｉ １２ ０ Ｃ ｉａ Ｊ ｙ
控制 （ 矢量控 制 ） 的方 法 ；建 立 了一 种在 转 子 坐 标 系下 异 步 电机 的 矢量 控 制 系统仿 真模 型 ； 即 仿真 结果 表 明 ，基 于矢量控 制 的方 法 能 够 实现 对 异 步 电机 的 解耦 ，即通 过 控 制励 磁 电流 分 量和 转矩 电流 分 量的 大小直接 控 制异 步 电机 磁 场 和 转 矩 ，使 交流 异 步 电机 获 得 和 直 流 电机 相媲 关的
２１ ０ ２年第６ 期
文 章 编 号 ：０ ９— ５ ２ ２ １ ） ６ １５— ６ １０ ２ ５ （０ ２ ０ —０ ９ ０ 中 图 分 类 号 ：Ｐ ９ Ｔ ３１ 文 献 标 识码 ： Ａ
异 步 电机 矢 量 控 制 系统 的仿 真 建模 与 实现
周 源 ，王 黎 ，邱 忠才 ，李 金 龙
（ ．西南交 通大 学光 电工程研究所 ，成都 ６ ０ ３ ；２ １ １０ １ ．西南 交通 大学 峨嵋校区 ，峨 嵋 ６４ ０ ） １２０
摘
要 ：异 步 电机 矢量控 制是在 交流 电机 的 双 轴理 论 、机 电能 量转 换 和 坐标 变换 理论 的基 础 上
异步电机SVPWM矢量控制仿真分析
第12卷 第2期2008年3月电 机 与 控 制 学 报ELE CTR IC M ACH I NE S AND CONTRO LVo l 12N o 2M ar .2008异步电机S VP WM 矢量控制仿真分析张春喜, 廖文建, 王佳子(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨150040)摘 要:为了给实际电机控制系统提供必要的设计参数,依据异步电机矢量控制理论及空间电压矢量脉宽调制原理,在M atlab /Si m u li n k 下建立了基于空间电压矢量脉宽调制的异步矢量控制仿真模型,并针对仿真中的关键问题及系统的仿真结果进行了分析。
仿真结果表明,采用该控制系统电流、转矩波动小,转速响应迅速,系统的各项指标都满足电机实际运行特性要求。
关键词:空间电压矢量脉宽调制;矢量控制;仿真;异步电机中图分类号:TM 464文献标识码:A文章编号:1007-449X (2008)02-0160-04Si m ul ation analysis i n SVP WM vector control foras ynchronous motorZ HANG Chun -x,i LIAO W en -jian , WANG Jia -zi(Co ll ege of E l ectrical and E lectron ic Eng i neer i ng ,H a rbin U n i versity of Sc i ence and T echno logy ,H arb i n 150040)Abst ract :To prov ide the necessary design para m e ters for t h e actua lm otor contro l syste m ,the si m ulation m o led of vecto r contr o l syste m based on space vector pu lse w idth m odu lation (SVP WM )fo rA sychronousM otor is estab lished inMATLAB /Si m u li n k ,acco r d i n g to t h e princ i p le o fSVP WM and the theory of vector contro l syste m.The key prob le m s and resu lts of the si m ulation w ere analyzed i n detai.l The resu lts sho w that t h is syste m has s m a ller fluct u ations of current and torque ,qu icker response speed ,and all of the in -d icato rs accord w it h the perfor m ance of t h e actualm otor .K ey w ords :space vector pulse w i d th m odu lation ;vector con tro;l si m u lation ;asynchronous m oto r收稿日期:2007-09-12作者简介:张春喜(1964-),男,博士,教授,主要研究方向电机驱动控制、开关电源;廖文建(1983-),男,硕士研究生,主要研究方向交流调速;王佳子(1983-),女,硕士研究生,主要研究方向交流调速。
基于simulink异步电动机矢量控制系统的仿真
基于simulink异步电动机矢量控制系统的仿真由于交流异步电动机属于一个高阶、非线性、多变量、强耦合系统。
数学模型比较复杂，将其简化成单变量线性系统进行控制，达不到理想性能。
为了实现高动态性能，提出了矢量控制的方法。
所谓矢量控制就是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电动机进行控制。
因此，它可以实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。
Matlab是一种面向工程计算的高级语言，其Simulink环境是一种优秀的系统仿真工具软件，使用它可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。
本文在此基础上构造了一个矢量控制的交流电机矢量控制调速系统，包含了给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节，并给出了仿真结果。
1．异步电动机的动态数学模型异步电动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。
在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，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周围按正弦规律分布。
2）忽略励磁饱和，认为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的影响。
无论电动机转子是绕线形还是笼形，都将它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都相等。
这样，电机绕组就等效成图1所示的三相异步电动机的物理模型。
图中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴；转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度 为空间角位移变量。
规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。
这时，异步电动机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
基于Matlab的异步电动机矢量控制系统的仿真研究
基于Matlab的异步电动机矢量控制系统的仿真研究交流调速系统、仿真建模、矢量控制1 引言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（Powerlib）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[4][5]，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[7]和将电力传动系统的功能单元模块化的仿真建模[3]。
这些方法都是在Matlab/Simulink环境下，结合电力系统工具箱对复杂电力传动系统建模仿真，但是没有分析Powerlib运行原理。
状态空间分析方法对于电力传动系统的建模仿真是一种方便有效的方法，它被成功地应用到Powerlib中，能够完成复杂电力传动系统的建模仿真，并且能够方便的进行波形分析和控制参数的调节。
本文基于文献[6][8]，用状态空间方法分析Powerlib中各主要元件的建模原理，给出了Powerlib 模块的仿真原理和使用方法，并且基于异步电动机矢量控制系统实例描述了复杂电力传动系统建模仿真的过程，分析了仿真中的实际问题，通过改进仿真方法，提高了仿真效率。
2 电力传动系统的建模和状态空间描述电力传动系统的建模包括以下几个主要部分：电力逆变器、电力半导体开关、电动机以及控制系统。
对于一个含有非线性元素的电路（例如电力电子电路）不能直接用状态空间描述，然而可以把电力电子电路分成非线性和线性两部分，线性部分用状态空间描述，非线性部分用非线性模型描述。
异步电机矢量控制系统的建模与仿真
安
徽
冶
金
13
异步电机矢量控制系统的建模与仿真
江 辉
1
陈
飞
2
( 1 马鞍山钢铁股份有限公司
摘 要
2 安徽工业大学)
介绍了异步电机空间矢量坐标交换 及其对 应的数 学模型 , 应用 SIM U L IN K 构建了 异步电 机的矢 量 异步电机 矢量控制 SIM L IN K 仿真
2011 年第 1 期
的运行, 均是通过矢量坐标变换来实现的, 因此将这 种控制系统称为矢量变换控制系统。
2. 4 按转子磁链定向的异步电机矢量控制系统的 方程式 L md L rd
2 矢量控制系统的描述及数学模型
2. 1
UA UB UC Ua Ub Uc =
异步电机的在三相静止坐标系下的数学模型 电压方程为 :
M T 坐标系( 同步旋转坐标系 ) 。 i MT = A 2 i = A 2 A 1 iabc 直流电机的模型可以用 MT 坐标系来等效, T 绕组上的电流等效电枢绕组电流分量 , M 绕组上的 电流等励磁电流分量。这样将直流标量作为电朵的 控 制量 , 然后又将其变换成交流量去控制交流电机
1 矢量控制的描述
0 前言
随着电力电子技术和自动化技术的不断发展 , 促进了交流异步电机取代直流电机成为工业传动的 主体 , 而矢量控制理论是实现这一转变的关键技术 之一 , 由于交流异步电机是一高阶的、 非线性、 强耦 合的多变量系统。在矢量控制的理论下通过坐标变 换, 可以消除瞬变过程中的周期性时变系统和降低 方程阶数, 从而简化数学模型。可以通过对磁链的 控制改善电机静态和动态性能 , 目前矢量控制已成 为国际上变频领域应用最广泛的控制技术之一。 笔者采用异步电机基于两相静止坐标系下的数 学模型, 结合坐标变换, 利用 M AT L AB 软件中的动 态仿真工具 SIM UL INK, 建立了异步电机带转矩内 环的转速、 磁链闭环的矢量控制系统的仿真模型, 并 给出了仿真结果。
异步电动机矢量控制系统的仿真研究
利用一个磁滞比较环， 进行大于 的三相信号相比较， 0 及小于 0 的判断， 延时后输出逻辑脉冲触发信号，
2012 年第 1 期
煤
矿
机
电
· 11·
分别去触发逆变器的上桥臂和下桥臂， 最后由逆变 。 器输出异步电动机所需要的三相电流 2． 4 矢量控制系统 按转子磁场定向矢量控制系统的仿真模型如图 3 所示， 主要包括坐标变换模块， 逆变器模块， 磁链
［5 ］
图1
矢量控制原理框图
。 1 0 1 2 槡 － 1 2 1 2 3 － 槡 2 1 2 槡 －
C3s / 2s =
槡
2 × 3
3 槡 2 1 2 槡 － sin θ cos θ
（ 5）
C2s / 2r = 磁链观测器
θ [ cos sin θ
]
（ 6）
异步电动机的磁链， 主要包括定子磁链， 转子磁 链， 气隙磁链等类型。 矢量控制调速系统一般是按 转子磁链进行磁场定向。为了实现磁场定向和磁链 闭环控制， 需要知道磁链的大小和位置， 其转子磁链 观测器的 Simulink 实现如图 2 所示。
图2
磁链观测器模型
2． 3
脉冲发生器 iB 、 i C 与经过变换得到 将定子三相电流信号 i A 、
根据异步电动机理论， 经坐标变换后， 笼型异步 T 轴系 ） 上按转子磁 电动机在同步旋转坐标系 （ M、
［3 ］ 场定向的电压矩阵方程 ： u sM u sT = 0 0
Rs + Ls p ω L 1 s Lm p ωs Lm
－ ω1 L s Rs + Ls p 0 0
图7 定子三相电流仿真
基于Matlab交流异步电机矢量控制系统的仿真建模
内容摘要
希望本次演示的内容能为广大读者提供有益的参考和启示，也期待着未来研 究的新成果和新方向。
谢谢观看
未来研究方向
未来研究方向
交流异步电机矢量控制技术已经在许多领域得到了广泛应用，但仍然存在许 多有待研究和改进的地方。例如，如何进一步提高控制系统的响应速度和稳态精 度，如何解决矢量控制中的参数摄动和非线性问题，以及如何实现更为复杂的多 电机协调控制等问题，都是今后需要深入研究的方向。随着、物联网等新技术的 不断发展，也为交流异步电机矢量控制系统的研究与应用提供了新的机遇与挑战。
参考内容
交流电机矢量控制系统建模与仿 真
交流电机矢量控制系统建模与仿真
随着电力电子技术和控制理论的不断发展，交流电机矢量控制系统在工业应 用中越来越受到。本次演示将介绍基于MatlabSimulink的交流电机矢量控制系统 建模与仿真的方法和步骤。
一、交流电机矢量控制系统建模
一、交流电机矢量控制系统建模
基于Matlab交流异步电机矢量 控制系统的仿真建模
01 引言
03 仿真建模
目录
02 原理分析 04 实验验证
05 结论
07 参考内容
目录
06 未来研究断发展，交流异步电机矢量控制技术在许 多领域得到了广泛应用。这种控制技术通过将交流电机的定子电流分解为直轴和 交轴两个分量，分别进行控制，从而实现类似直流电机的控制效果。Matlab作为 一种强大的仿真和计算工具，为交流异步电机矢量控制系统的研究和设计提供了 便捷的平台。本次演示将介绍如何使用Matlab对交流异步电机矢量控制系统进行 仿真建模，并通过实验验证其有效性。
三、结论与展望
三、结论与展望
本次演示介绍了基于MatlabSimulink的交流电机矢量控制系统建模与仿真的 方法和步骤。首先，了解了交流电机的基本结构和工作原理；其次，建立了电压、 电流、转矩和位置等变量的模型，并借助MatlabSimulink搭建了系统模型；最后， 进行了系统仿真和数据分析。通过对比实测数据和仿真结果，验证了模型的准确 性，并得出了系统性能的结论。
异步电动机矢量控制系统的仿真研究
１ １ 数学 模 型 ． 根 据异 步 电动 机理论 ， 坐标 变换 后 ， 型异步 经 笼
２１ ０ ２年第 １ 期
煤
矿
机
电
・ ９・
异 步 电动 机矢 量 控制 系统 的仿 真 研 究
徐奔 聂赫。 ，
（． １河南理工 大学 电气工程与 自动化学 院， 南 焦作 ４ ４ ０ ； ． 河 ５ ０ ０ ２ 天津市 电力公 司 城西供 电分公司 ，天津 ３０ ０ ） ０ ００
摘 要 ： 在 矢 量控 制理论 的基 础 上 ， 异步 电动机 的数 学模 型 出发 ， 绍 了一 种交 流 异 步 电动机 从 介
ｏ Ｌ ｔ１ Ｌｍ ｐ ｏ Ｌ ｔ
一
控 制 ， 而 优 化 了调速 系统 的性 能 ¨ 。 目前 ， 步 从 异 电动 机矢 量控 制技 术 已被 广 泛应 用 于煤 矿 ， 金 等 冶 行业 ， 具有 非 常广 阔的前 景 。
ＸＵ ｎ Ｂｅ ，ＮＩ Ｈｅ Ｅ
（ ． ｃｏｌ ｆ ｌ ｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇａｄＡ ｔ ｔ ｎ Ｈｅａ ｏ ｔｃｎｃＵ ｉ ｒ ｔ， ｉ ｚｏ ５０ ０ ｈｎ ； １ Ｓｈｏ ｏ Ｅｅ ｒ ａ Ｅ ｇ ｅ ｎ ｎ ｕ ｍａｏ ， ｎｎＰ ｌ ｅｈ ｉ ｎｖ ｓｙ Ｊ ｏｕ ４ ０ ，Ｃ ｉａ ｃｉ ｎ ｉ ｏ ｉ ｙ ｅｉ ａ ４ ２ Ｃ ｅ ｇｉ ｏ ｅ ｕ ｐｙＢａ ｃ ， ｉｎｉ ＥｅｔｃｙＣ ｍ ａｙ Ｔａｊ ０ ００ ｈｎ ） ． ｈｎｘ Ｐ ｗ ｒ ｐｌ ｒｎｈ Ｔａｊ ｌ ｒ ｉ ｏ ｐｎ ， ｉ ｉ ３０ ０ ，Ｃ ｉａ Ｓ ｎ ｃ ｔ ｉ ｎｎ
交流异步电动机矢量控制系统的建模与仿真
交流异步电动机矢量控制系统的建模与仿真林海翔（江苏联合职业技术学院扬州分院，江苏扬州225003）摘要：交流异步电动机作为重要的调速传动设备，具有结构简单、造价低、可靠性高、便于维护等诸多优点，但相对于直流电动机，其调速性能还有待提高。
现介绍了交流异步电动机矢量控制的数学模型，阐述了系统仿真模型的建立过程，最后运用SIMULINK软对型矢量控制调速系统了仿真，根据仿真结可知，交流异步电动机釆用矢量控制系统后，其动态和静态性能均有了较大提高。
关键词：交流异步电动机;矢量控制系统;SIMULINK仿真1交流调速技术自20世70年，电力电子技术、控制电机学的交流调速系统调速性、能性等了较大后现了具有性的高性能调速技术，如矢量控制技术、直控制技术等。
1.1矢量控制技术德国西门子公司的Felix Blaschke博士首先提出了磁场定矢量控制矢量控制（VC模直流电动机的控制，用后交流电动机三相电流的量量量,然后对调，交流电动机直流电动机较的性速性电动机矢量控制要有矢量控制矢量控制过模直流电动机的控制控制交流电动机大大提高了调速系统的动性1.2直接转矩控制技术20世纪80年学用直控制（DTC）技术了提出了用矢量：构建电动机的模型模型控制电动机现对电动机的直控制可过子电因参数化带的影其结果精确可靠，所异步电动机直控制技术计算容易、结构简单、动态性能较但该调速系统低速运还存些问题需要决死区效应、脉动等。
矢量控制直控制技术都现了高性能的电动机调速控制，这调速都能较的、动性,普遍适用于各高性能调速领域。
但因为这控制不同 的特点也不同用领域各有侧重用砰-砰控制的直控制技术的快，参数鲁棒性还可较高的瞬景非常相比之下，矢量控制技术连续控制、低速控制、调速范围等优势明显些对系统动性能要求不高而更加看重器、容量用的用合，例水泵的能传动、风机的能传动等一般的工业机械传动合，矢量控制技术了广泛用。
因此，作为重要的交流调速技术，矢量控制技术值步做深入研究。
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异步电动机矢量控制系统仿真
1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真
1.1 异步电动机矢量控制原理
异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得应用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。
本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。
图1矢量变换控制系统仿真原理图
如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率；
是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。
图4所示控制系统中给定转速与实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。
、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，与ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。
和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，与定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。
1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模
在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。
图2 电流控制变频模型图
整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、
磁场定向模块、滞环电流调节器、IGBT逆变器元件、异步电动机元件以及测量和显示模块。
这些元件都有设置对话框，用户可以方便的选择元件类型和设置参数。
在整个控制系统的仿真模型中，交流异步电机的模型是最重要的元件，在Powerlib中给出了各种电机模型，这大大减少了交流调速系统的建模难度。
控制系统采用转速电流双闭环控制，其中的磁场定向模块提供矢量控制坐标变换需要的磁链位置角，电机模型如图3所示。
图3 矢量控制电机模型仿真框图
1.3异步电机转差型矢量控制系统仿真
由于系统中包含非线性Powerlib模块(电机、逆变器),因此仿真采用变步长算法,这样异步电机非线性部分和逆变器的过零点才能精确的计算出来,但是这样会增加仿真步数减少仿真速度。
由于在仿真初始化过程中,Power2sys函数将逐个检查模型中的各个模块是否为Powerlib模块,这样对一个复杂系统在一定程度上会降低仿真速度。
为此我们可以人为迫使Power2sys不去检查那些常规模块,方法是在常规模块以及包含常规模块的子系统的模块名字前加一个“$”符号,这样可以提高仿真速度。
仿真过程中由于初始值选择不当或者系统中存在分式,会出现奇异点使仿真过程停止,可以在分母中加上一个很小地值或选择适当的初值避免奇异点的出现。
图2中的电压测量单元和电机输出测量单元是Simulink模块与Powerlib 模块间的接口模块，分别把电机定子电压信号和电机输出信号反馈回Simulink 模块。
电压控制信号作为Simulink模块的信号送入到Powerlib模块—异步电机
时，是通过可控电流源（IGBT逆变器）作为中间环节。
仿真时要注意二者之间的联系，防止仿真出错停止，转子磁链观测模型如图4.
图4 转子磁链观测模型
4.4 仿真结果
在MATLAB/SIMULINK6.5环境下对所建立的交流异步电机转差型矢量控制系统采用变步长方法进行仿真，其中交流异步电机参数如下：ＲS=1.898Ω，
LS=0.196H，Rr=1.45Ω，Lr=0.196H，Lm=0.187H，PN=3kW，UN=380V，J=0.0067kg·m2，f=50Hz，pn=2。
为了验证所设计的交流异步电机矢量控制系统模型的静、动态性能，系统空载启动，待进入稳态后，在t=0.2s时转速突加为180r/min,t=0.4s时又突减为120r/min。
待系统稳定后，t=0.6s时突加负载5Nm，t=0.8s时突减负载，重新回到空载状态。
在经过一系列转速突变和负载扰动仿真后，得到电机各个量响应输出波形如图7～12。
图4 电磁转矩波形
图5 电机转速波形
图6 定子三相电流波形
图7 dq坐标系下转子两相电流波形
图8 dq坐标系下转子磁链波形
图9 dq坐标系下定子磁链波形
由仿真波形可以看出，在的参考转速下，系统空载启动，转速很快达到给定值，电流和转矩波形较为理想。
t=0.2s时转速突加到180r/min，电流和电磁转矩相应增加，随即又到达稳定状态。
t=0.4s时转速突然下降，电流和转矩也立即跟随变化。
t=0.6s时突加负载扰动，转矩马上突变，电流也相应增加，而转速几乎没有变化。
t=0.8s时突减负载，转矩和电流同时变化，转速仍然稳定在给定的120r/min上。
定转子磁链响应也随着变化过程增大和减小。
可见，整个过程中转速给定和负载扰动频繁突变，而转速能很好的跟随给定值，且响应时间短，过渡过程快，有很好的跟随和抑制扰动的性能。
整个变化过程中电磁转矩也能够瞬间响应，并很快达到稳定。
在稳态时的转矩有很小的脉动，这主要是由于电流换向和滞环控制器频繁切换造成的，脉动大小跟滞环宽度有关。
参考文献：
[1] 李家荣，邓智全. 三相异步电动机矢量控制调速系统的建模与仿真[J].淮南工
学院学报.2001(6)
[2] 陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.。