按转子磁链定向的矢量控制系统
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。
感应电动机转差型矢量控制系统的设计
感应电动机转差型矢量控制系统的设计1 引言感应电动机具有结构简单、坚固耐用、转速高、容量大、运行可靠等优点。
但是，由于感应电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，磁通和转矩耦合在一起，不能像直流电动机那样，磁通和转矩可以分别控制。
所以，一直到20世纪80年代都没有获得高性能的感应电动机调速系统。
近年来，随着电力电子技术、现代控制理论等相关技术的发展，使得感应电动机在可调传动中获得了越来越广泛的应用。
矢量控制策略的提出，更是实现了磁通和转矩的解耦控制，其控制效果可媲美直流电动机。
本文在分析感应电动机矢量控制原理的基础上，基于matlab/simulink建立了感应电动机转差型矢量控制系统仿真模型，仿真结果证明了该模型的合理性。
并在此基础上进行系统的软、硬件设计，通过实验验证控制策略的正确性。
2 矢量控制的基本原理长期以来，直流电动机具有很好的运行特性和控制特性，通过调节励磁电流和电枢电流可以很容易的实现对转矩的控制。
因为它的转矩在主磁极励磁磁通保持恒定的情况下与电枢电流成线性关系，所以通过电枢电流环作用就可以快速而准确地实现转矩控制，不仅使系统具有良好稳态性能，又具有良好的动态性能。
但是，由于换向器和电刷的原因，直流电动机有它固有的缺点，如制造复杂，成本高，需要定期维修，运行速度受到限制，难以在有防腐防暴特殊要求的场合下应用等等。
矢量控制的设计思想是模拟直流电动机的控制特点进行交流电动机控制。
基于交流电动机动态模型，通过矢量坐标变换和转子磁链定向，得到等效直流电动机的数学模型，使交流电动机的动态模型简化，并实现磁链和转矩的解耦。
然后按照直流电动机模型设计控制系统，可以实现优良的静、动态性能。
转子磁链ψr仅由定子电流励磁电流ism产生，与定子电流转矩分量ist无关，而电磁转矩te正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，这充分说明了感应电动机矢量控制系统按转子磁链定向可以实现磁通和转矩的完全解耦。
异步电机矢量控制可以转子磁链定向
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。
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
24
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
35
仿真模型
36
定、转子电流
37
转速、转矩
转子磁场定向矢量控制与气隙磁场定向矢量控制的区别
1. 气隙磁场定向控制方案。
气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的M轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的T轴分量为零。
如果保持气隙磁通M轴分量恒定，转矩直接和T轴电流成正比。
因此，通过控制T轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。
2. 定子磁场定向控制方案。
定子磁场定向的控制方法，是将旋转坐标的M轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的T轴分量为零。
如果保持定子磁通恒定，转矩直接和T轴电流成正比，从而控制电机。
定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。
然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。
因此，需要设计一个解耦器，对电流进行解耦。
3. 转子磁场定向控制方案。
转子磁场定向的控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，将M,T坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的M坐标轴。
若忽略由反电动势引起的交叉祸合，只需检测出定子电流的M轴分量，就可以观测转子磁通幅值。
当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的T轴分量成正比，通过控制定子电流的T轴分量就可以控制电磁转矩。
因此称定子电流的M轴分量为励磁分量，定子电流的T轴分量为转矩分量。
可由电压方程M轴分量控制转子磁通，T轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩的解耦控制。
下面对它们进行简要的总结和比较：气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在耦合，需要增加解耦器这使得它比转子磁通的控制方式要复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。
同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。
定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单，然而在低速时，由定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。
三相异步电机按转子磁链定向的矢量控制系统实验研究
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）
转子磁链定向间接矢量控制系统解析与展望转子磁链定向间接矢量控制系统解析与展望
ｏ ｓｒｅ ｂ ｅ ｒ；Ｖｅ ｔｒ ｃ ｎｒ ｌ ｖ ｃ ｏ ｏ ｔｏ
０ 引 言
矢 量控 制 技 术 实 现 了对 交 流 电机 的磁 通 和 转
矩分别独立控 制 ，从而使交 流电动机变频调速 系 统具有 了直流电动机类似 的控 制性能。本文 主要 介绍了间接矢量控制技术 ，在 ｄｑ ． 旋转坐标系下化 简电动机数学模 型，建立磁通 状态观测 器，推导 出算法公式 ，并对矢量控制的发展方 向作 了展望。
ＡＢＳＴＲＡＣＴ： Ｔ ｔ ｅ ｔｃ ｍｏ ｅ ｆ ｔ ｒ ｅ ｈ ｓ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｍｏｏ ｓ ｒｃ ｅ ｈｅ ｍａ ｈ ｍａｉ ｓ ｄ ｌ ｏ ｈ ｅ ｐ ａ ｅ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｔｒ ｉ ｅ ｅ ｔｄ， ｓｍｐ ｉｉｄ ａ ｄ ｉ ｌ ｅ ｎ ｆ
ｓ ｌ ｔｄ Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒｔ ｅ ｒ ｔｒ ｉ ｄ ｒ ｃ ｅｄ ｏｉ ｎ ａｉｎ ｓ ｓ ｍ ｓ ｒ ｓ ｌ ｔｄ ａ ｄ ｓ ｔ ｕ ｈ ｄ ｌｏ ｉ ａ ｅ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ｏｏ ｎ ｉ ｔ ｌ ｒ ｔｔ ｙ ｔ ｉ ｅ ｏｕ ｅ ｎ ｅ ｐ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｆ ｍｕ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｏ ｅ ｌ － ａｃ ｌｔｒ ｂ ａ ｆｔ ｔ ｅ ｏ ｓ ｒ ｅ ｍｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ｅ ｒ ｆ ｘ ｃ ｌ ｕａ ｏ ｙ ｔ ｅ ｗ ｙ ｏ ｅ ｓ ｔ ｂ ｅ ｖ ｒ ｉ ｄ ｍ ｏ ｔ ｌ ｈ ｏ ， ｉ ｇｖ ｓｔ ｅ ｅ ｕ ｔ ｎ ｆａ ｉ － ｕ ｓ ｈ ｈ ａ ｎ ｏ ｔ ｙ ｔ ｉｅ ｑ ａｉ ｓｏ ｒｔ ｈ ｏ ｈ ｍｅｉ ． Ｔ ｉ ｓ ｄ ｏ ｔ ｂ ｔ ｓｔ ｎ ｒ ｓ ｌｉ ｇ ｐ ａ ｔ ａ ｒ ｂ ｅ ｂ ｄ ｍ ｏ ｔ ｌｔ ｅ ｒ ， ａ ｄ ｐ ｖ ｄｎ ｔ ｃ ｈ ｓ ｔ ｙ ｃ ｎ ｒ ｕ ｅ ｏ ａ ｅ ｏｖｎ ｒ ｃｉ ｌ ｐ ｏ ｌｍ ｙ ｍｏ ｅ ｃ ｎｒ ｏ ｕ ｉ ｃ ｏ ｈ ｙ ｎ ｒ ｉ ｉｇ ｏ ａ ｎ ｏａ ｉｎ ｔ ｈ ｏ ｔｏ ｏ ｒ ｅ ｐ ａ ｅ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒ ｉ ｈ ｏ ． Ｉ ｇｖ ｓ ａ ｎ ｅ ｓ ｎ ｉ ｇ ｉ ｎ ａ ｎ ｔｔ ｏ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｆ ｔ ｅ ｈ ｓ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｍｏｏ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｈ ｙ ｔ ｉ ｅ ｎ ｕ ｄ ｒ ｔ ｄ ｎ ｎ ａ
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
转子磁链定向间接矢量控制系统的解析与展望
l 囊缀转子磁链定向间接矢量控制系统的解析与展望田建文李国芳(兰州交通大学甘肃兰州730070)应用摹毒拳[摘要]建立三相异步电机的数学模型并化简。
应用现代控制理论中的状态观测器的构建方法对转子磁链定向问解矢量控制进行解析。
应用现代控制理论解决实际问题，并从理论的角度为三相异步电机的矢量控制作了一下诠释。
为理解异步电机矢量控制理论提供了有益的启示并对矢量控制进行展望。
[关键词】三相异步电动机数学模型现代控制理论状态观铡器矢量控制中图分类号：T Pl 3文献标识码：^文章编号：1671—7597(2D 08)0720099一02本文主要介绍了间接矢量控制技术，在旋转坐标dq 轴系下化简电动机数学模型，建立磁通状态观测器，推导出算法公式；并对矢量控制的发展方向作了展望。
一、异步电动机的教掌模噩由电机学知识，我们建立异步电动机的坐标模型：A B c 轴为三相交流静止坐标，dq 轴是以同步角速度_“旋转的二相直流旋转坐标。
图1异步电动机的坐标模趔：、在d q 轴下化简电机的数掌模受由交流电机坐标变换理论，我们可以得到在同步旋转的d q 轴下的电机模型。
在dq 轴下的磁链方程：￡JOO厶kOOkkOO k￡．0L(1)其中k=主k 。
为dq 坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互感；1t3厶，+号k-为dq 坐标系等效二相定子绕组的自感：L ，=厶：+兰k 。
为dq 坐标系等效二相转子绕组的自感。
在dq 轴下电压方程：c ，m％U ．2U t 2焉oooT i 。
o 焉ooKIo o 如oI ‘ooo 露：上k唯一y ．1P 只妒-l ，岛一y 。
2p 吼虬2pB(2)其中PB 为dq 旋转坐标系相对于定子的角速度。
P 幺为dq 坐标系相对于转子的角速度M 。
在dq 轴下的转矩方程为：t=～驯“：一t 岛)去(3)由此可得异步动机在dq 轴上的数学模型的基本方程式(1)、(2)、(3)．兰、应用状夺空同分析d q 轴下的数学模型选取状态量x=k 。
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
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
，
㈤
．
ｌ 笋 一 怯 。ｍ ］ ｒ ｕ １ 得 丸． 荽 ０ 斟‘
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
Ｅ＝ 一：＋ 一 岛 【 足＋ ＋（‘ 、 Ｒ 。 ≥ 厶 ， ＝ ｃ 、 ｃ ）
＝
南 … ≯
、． ｘ １ 一 ｌ ｉ
一等 ：
ｌ
Ｔ
一
型．
，
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
矢量控制与直接转矩控制的理论基础和应用特色
矢量控制与直接转矩控制的理论基础和应用特色1、前言采用一般的通用变频器给异步电动机供电时，可以实现无级平滑调速，但调速范围不很宽，也不能像直流调速系统那样提供很高的动态性能。
要实现高动态性能，必须充分研究电机的物理模型和动态数学模型。
从物理模型出发的研究成果首先体现在1971年德国西门子公司F.Blaschke 等发表的论文《感应电机磁场定向的控制原理》和美国P.C.Custman 与A.A.Clark 申请的专利《感应电机定子电压的坐标变换控制》上，以后经过各国学者和工程师的研究、实践和不断的完善，已形成现在普遍应用的高性能交流调速系统——矢量控制系统。
矢量控制系统的特点是：通过坐标变换（三相—两相变换、同步旋转变换），把交流异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转坐标系上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。
电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起制动时要求有很快的瞬态转矩响应，特别是在弱磁调速范围，为此，德国鲁尔大学M,Depenbrock 教授研制了直接转矩控制（直接自控制）系统，并于1985年发表了论文， 随后日本学者I.Takahashi 也提出了类似的控制方案。
与矢量控制不同，直接转矩控制方起了旋转坐标变换，而是在静止两相坐标系上控制转矩和定子磁链，并采用砰－砰控制以获得快速的转矩响应。
现在矢量控制系统和直接转矩控制系统都已经在高性能交流调速市场中取得了显著的地位，但是，对于它们的优缺点和特色还存在着一定程度的困惑。
本文拟就这两类系统的基本概念和应用特色做出分析，以供讨论。
2、异步电动机的动态数学模型2．1在两相同步旋转坐标系上的电压、磁链、转矩和运动方程两相同步旋转坐标系的坐标轴用d ，q 表示，坐标轴的旋转速度dqs ω等于定子频率的同步角转速1ω，设转子转速为ω，则dq 轴相对于转子的角速度dqs ω＝1ω－ω＝s ω，即转差频率。
矢量控制
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。
交流调速系统第2章
rR sL 2 rL sL R 2 rrL 2 m is t 1 ism u L sst
a
（8-7） 16
由于，状态方程中的式（8-5）蜕化为代 数方程，整理后得转差公式
1
s
Lmist
Trr
这使状态方程降低了一阶。
（8-8）
a
17
由式（8-4）可得
Trprr Lm ism
r TrLpm1ism ism TrLpm1r
a
12
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。
C三相电压，输出为转速 ，是一台异步
电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转
变换，变成一台由 im 和 it 输入，由 输出
的直流电机。
a
5
• 异步电机的坐标变换结构图
A B C
iA iB iC
i 3/2 i
it VR im
等效直流 电动机模型
异步电动机
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;
a
19
式（8-9）或（8-10）、（8-8）和（8-2）构成 矢量控制基本方程式，按照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 r
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 ism 和 ist 两个分量，但是，从 和 r 两个子系统来看，由于Te同时受到 ist 和 r
直接转矩控制和矢量控制
• 等效旳概念
由此可见，以产生一样旳旋转磁动势为准则， 图5-2a旳三相交流绕组、图b旳两相交流绕组 和图c中整体旋转旳直流绕组彼此等效。或者 说，在三相坐标系下旳 iA、iB 、iC，在两相坐 标系下旳 i、i 和在旋转两相坐标系下旳直流 id、iq 是等效旳，它们能产生相同旳旋转磁动 势。
有意思旳是：就图5-2c 旳 d、q 两个绕 组而言，当观察者站在地面看上去，它们 是与三相交流绕组等效旳旋转直流绕组； 假如跳到旋转着旳铁心上看，它们就旳确 实确是一种直流电机模型了。这么，经过 坐标系旳变换，能够找到与交流三相绕组 等效旳直流电机模型。
把这个旋转磁动势旳大小和转速也控制成与图 a 和图 b 中旳磁动势一样，那么这套旋转旳直流 绕组也就和前面两套固定旳交流绕组都等效了。 当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他 看来，d 和 q 是两个通以直流而相互垂直旳静止 绕组。
假如控制磁通旳位置在 d 轴上，就和直流电 机物理模型没有本质上旳区别了。这时，绕组d 相当于励磁绕组，q 相当于伪静止旳电枢绕组。
知 id、iq ，求 is
s
is (Fs)
和 s ，就是直角
坐标/极坐标变换，
iq
s
id
d
简称K/P变换（图
5-5）。
图5-5 K/P变换空间矢量
显然，其变换式应为
is id2 iq2
s
arctan
iq id
（5-12） （5-13）
当 s 在 0°~ 90°之间变化时，tans 旳变
化范围是 0 ~ ∞，这个变化幅度太大，极难
把 F 旳轴线称作直轴或 d 轴（direct axis），主磁通旳方向就是沿着 d 轴旳； A和C旳轴线则称为交轴或q 轴（quadrature axis）。
《电力拖动与自动控制系统》考试卷
扬州大学试题纸( 2021－2022学年 第 二 学期 )电能 学院 电气19 年级 课程 电力拖动与自动控制系统 (A)卷一、选择题（1分×10，合计10分）（ ）1．系统的静态速降N n ∆一定时，静差率S 越小，则 。
A ．调速范围D 越小B ．额定转速N n 越大C ．调速范围D 越大 D ．额定转速N n 越大（ ）2．速度单闭环系统中，不能抑制 的扰动。
A ．调节器放大倍数B ．电网电压波动C ．负载D ．测速机励磁电流（ ）3.采用PI 调节的调速系统中，如果积分限幅的限幅值选得偏大，则 。
A ．会出现稳态误差B ．系统会出现不稳定C ．抗扰动性能变差D ．阶跃响应的超调量会增加（ ）4.三相异步电动机的转向改变可通过下面 方法获得。
A ．降低电压B ．定子串电阻C ．转子串级D ．改变相序（ ）5.在设计转速外环时，电流内环的传递函数可以看作 。
A. I 型系统B.II 型系统C.惯性环节D.积分环节（ ）6．在转子磁链定向的异步电机矢量控制系统中，0rq d dtψ=是因为 。
A ．0rq ψ=B ．人为设定为0C ．rd r ψψ=要求恒定D ．dq 变换的必然要求（ ）7．关于三相SPWM 注入三次谐波后，下列说法正确的是 。
A.线电压中含有三次谐波B. 相电压中含有三次谐波C.线电压含有三次谐波，相电压中没有三次谐波D. 线电压、相电压中都没有三次谐波（ ）8．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 。
A ．5.1B ．5.2C ．5.3D ．5.4（ ）9．SPWM 技术中，载波是频率比期望波高得多的A ．正弦波B ．方波C ．等腰三角波D ．锯齿波（ ）10. 下式为异步电机在二相静止坐标系下电压平衡方程式，假设电机已经稳定运行，则式中r i β稳定后的角频率 。
矢量控制系统
摘要：交流电机矢量控制理论是德国学者K Hass和FBlaschke建立起来的，作为交流异步电机控制的一种方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。
交流电机的矢量控制技术是基于交流电机的动态模型，通过建立交流电机的空间矢量图，采用磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，并分别对磁通和力矩进行控制，而使异步电机可以像他励直流电机一样控制。
随着计算机技术飞速发展，功能强大的数字信号处理器（DSP）的广泛应用使得矢量控制逐渐走向了实用化。
本文先对矢量控制系统的原理进行简要说明,然后给出了一种矢量控制系统基于DSP芯片的实现方案，最后例举了一些目前应用较广泛的矢量型变频器。
关键词：矢量控制，DSP，变频器。
目录1.矢量控制 (3)1.1概述 (3)1.2基本原理 (4)1.3坐标变换 (6)2.转差频率矢量控制 (7)3.基于DSP芯片TMS320F2812的矢量控制系统 (11)4.西门子MicroMaster440变频器 (13)参考文献 (15)1.矢量控制1.1概述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。
上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。
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。
具体是将异步电动机的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。
简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。
矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
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按转子磁链定向的矢量控制系统Prepared on 24 November 2020中华人民共和国教育部东北林业大学毕业设计设计题目：按转子磁链定向的矢量控制系统设计学生：黄建龙指导教师：李克新讲师学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化2007级3班2011年6月按转子磁链定向的矢量控制系统设计摘要本文在对交流异步电动机坐标变换原理的概念，异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式介绍的基础上，指出了异步电动机模型多变量、强耦合非线性的特点，介绍了SVPWM空间矢量变频调速技术，并对基于高速数字信号处理器（DSP）的交流电动机按转子磁链定向的矢量控制调速系统进行了研究。
本设计完成了基于TMS320F2812DSP的交流电机按转子磁链定向的矢量控制系统设计。
在系统总体设计方面，系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。
功率电路包括整流电路、直流中间电路、逆变电路以及驱动电路等组成；控制电路由F2812芯片及其外围电路组成，用来完成矢量控制核心算法、SVPWM产生、相关电压电流的检测量处理等功能；辅助电路由开关电源、串行通信电路等组成，以实现给系统提供多路直流电源以及上位机的监控等功能。
系统硬件电路主要是由主电路、驱动电路、微控制电路、检测电路、信号采集与故障综合电路等组成；软件程序主要由主程序、中断程序以及键盘程序等组成。
关键字：SVPWM；矢量控制；磁链定向；DSPThe Design of Orientated by the Rotor Flux VectorControl SystemAbstractIn this paper, we introduces the ac induction motor concept, the principle of coordinate transformation of asynchronous motor in different reference frames mathematical model and mathematical model of the express equations, and pointed out the characteristics asynchronous motor model multivariable and strong coupling nonlinear characteristics, and introduced the SVPWM space vector, and the technology of frequency conversion based on high speed digital signal processor (DSP) according to the ac motor rotor flux vector control speed control system is studied.This design completed the design of ac motor according to rotor flux vector control system based on TMS320F2812DSP.In the design of the whole system, this system consists of power circuit, auxiliary circuit and control system. The Power circuit includes rectifier circuit, dc intermediate circuit, inverter circuits and drive circuit etc; Control circuit is composed of F2812 chip and its peripheral circuit, to complete vector control core algorithm, SVPWM production, related voltage current detection quantity processing function; Auxiliary circuit by switching power supply, Serial communication circuit etc, so as to realize the system to provide multi-channel to dc power supply and PC monitoring, and other functions.The hardware circuit is mainly composed of main circuit, drive circuit, micro control circuit, detection circuit, signal acquisition and fault integrated circuit etc; Software program mainly by the main program, interruption program and keyboard program etc.Key word: SVPWM;Vector control; Flux; DSP目录摘要Abstract按转子磁链定向的矢量控制系统设计1.绪论随着电力电子技术和数字控制技术的不断发展，交流异步电动机在电力传动领域应用越来越广泛，其取代直流电机已成为不可逆转的趋势。
异步电机具有结构简单、工作可靠、维护方便且效率较高的优点。
普通的变频调速装置采用恒定磁通控制，即V/F恒定控制，电机即使在轻载运行时，其磁场的大小并不改变，电机的铁损耗并不会因为电机的轻载运行而减小，特别是当电机负载变化时将会造成电能的浪费，这种变频调速系统虽然具有异步交流电机调速的部分优点，但是它的动态性能差。
现在，各种通用的和高性能的交流电机控制策略相继诞生，市面上有各种变频器，而在高性能异步电机调速系统中通常采用具有良好动静态性能的矢量控制技术，其控制性能可和直流调速相媲美。
矢量控制技术的发展现状交流电动机调速技术的发展现状在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。
到了60-70年代，随着电力电子技术的发展和应用，出现了采用电力电子变换器的交流调速系统。
再后来随着微型计算机技术的发展及现代控制理论的深入应用，交流调速控制策略取得不断突破：先后出现调速性能比较好的恒V/F控制、转差频率控制，这些控制方式的静态性能比较好，实现了交流电机在一定范围内调速要求，但由于其控制思想基于交流电机的稳态控制规律，在动态特性、低速转矩特性方面，还不能与直流调速相媲美，从而使其应用范围受到了很大限制。
但直流电机本身具有许多难以克服的缺点，例如：电刷和换向器必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等（极限容量与转速之积约min)[1]。
而相比之下，交流电机具有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高的优点，应用很广泛。
所以发展高性能交流调速系统成为现代工业生产的迫切要求且意义重大。
自1958年晶闸管（SCR）在美国GE公司诞生以来，电气传动技术就进入了电力电子发展时代，电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。
在电气传动控制系统中，电力电子技术的作用主要是构成功率变换器，它作为弱电控制强电的枢纽，起着至关重要的作用。
传统的电力电子器件是以晶闸管（SCR）为代表的，用它构成的可控硅整流装置使直流传动占据传动领域统治地位达数十年之久。
然而晶闸管属于半控型器件且频率低，除在某些超大容量的场合中还在使用外，中小容量场合已被逐渐取代了[2]。
在20世纪70年代以后，GTR、GTO、Power MOSFET、IGBT、MCT等全控型器件先后问世。
由于IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。
电力电子器件正向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。
目前己经应用于交流调速的智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，是功率器件的重要发展方向。
随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展。
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
一般认为，1964年西德的A．Schonung和H．stemmler首先在《BBC评论》上发表文章，提出把通信系统的调制技术应用于交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变压变频的思想，从而为交流传动的推广应用开辟了新的局面[3]。
所谓PWM技术即脉冲宽度调制技术，就是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术[4]。
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说到现在，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。
在世界能源紧张、节能已成为工业生产主要课题的今天，PWM调速技术更显示出其优越性[3]。
目前已有多种PWM控制方案，其中，空间电压矢量PWM(SVPWM)逆变器以控制磁通正弦为目标的磁链跟踪控制技术，以不同的开关方式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆，来确定逆变器的开关状态，形成PWM波形。
由于其控制简单、数字化实现方便，且直流母线电压利用率高，已呈现出取代传统SPWM的趋势。
另外还经常采用电流的闭环控制，即电流正弦PWM技术，使电机具有良好的动态特性，且在低速时也能平稳运转。
在变频技术飞速发展的同时，交流异步电机控制技术也取得了突破性进展。
对任何电气传动系统而言，从动态转矩到转速均为一积分环节，动态转矩为电磁转矩和负载转矩的差值，因而电磁转矩是电系统和机械系统相联系的重要纽带，传动系统性能的好坏，归根结底取决于系统对电磁转矩的控制能力。
交流电机是一多变量、非线性、强耦合的受控对象，其电磁转矩的产生和定转子磁场及其夹角有关，因此，如欲控制转矩，必先控制磁通。