交流异步电动机矢量控制调速系统设计
矢量控制
异步电动机的工作原理中，最重要的是旋转磁场的产生。因此， 要实现变换必须确保空间产生同样大小、同样转速和同样转向的旋 转磁场条件下，通过绕组等效变换来实现。
从异步电动机的工作原理可知，对于空间上对称的三相定子绕
组U、V、W，可以抽象为静止的a－b－c坐标系，通过时间上对称 变化的三相正弦交流电流ia1、ib1、ic1后，产生一个以电源频率速度 在空间旋转的磁场，如图8－2中(a)、(d)所示。
空间上互差90°的两相定子绕组α、β，可以把它抽象为静止 的α—β坐标系，通以时间上互差90° 的两相正弦交流电电流iα和iβ， 也可以在空间产生一个旋转磁场，如上图中(b)、(e)所示。当该两 套绕组所产生的旋转磁场 大小相等，转速、转向相同时，这两套
绕组是相互等效的。
图8－2中(c)、(f)表示了两个相互垂直的绕组M和T分别通以
3 1 6Fra bibliotek0 1
i i
2
β
T i
F1(I1)
ω1
iT
iT cos
Φ
iM
M
1
iT sin
iM sin
α
i M cos
图8－6 旋转变换矢量图
矢量的旋转控制，即二相—二相的旋转变换（2s/2r
从二相静止坐标系到二相旋转坐标系的变换，简称 2s/2r，其中s表示静止，r表示旋转。把两个坐标系画在一 起，即得图8—6。图8—6中F1是由对称的三相定子电流ia、 ib、ic所建立的异步电动机旋转磁动势的空间矢量。由于磁动 势F1在数值上与定子电流有效值成正比，因此常用定子电流 综合矢量I1来代替F1，此时I1是与F1等效的空间矢量，而不 再是时间矢量。磁通Φ是作为旋转坐标系M轴轴线的旋转磁 通矢量，常取转子全磁通作为这一基准磁通。为了使交流的 旋转矢量变换成直流标量，M—T坐标系与I1以同样的转速 ω1在空间旋转。将定子电流综合矢量I1分解成与M轴即磁通 矢和量转方矩向电相流重分合量和，正在交同的步两旋个转分的量M—iM和T坐iT标，系即中励，磁它电们流显分然量 具有直流的特性，这样就可以如直流电动机一样，分别控制 iM和iT，实现了瞬时控制异步时机电磁转矩的性能。
异步电动机矢量控制
6
1、三相交流电产生旋转磁场
i
iA
0
iB
iC
C ωt
y
A · z x · B C
y
A z · B x· C ·
y
A
z · B x ·
60 0 900
wt=0
w t = 60
w t = 90
由此可见，交流电动机三相对称的静止绕组ABC，通以三相平衡的正 弦电流iA、iB、iC时，能够产生合成磁通势，这个合成磁通势以同步转 速沿A—B—C相序旋转。 2、两相交流电产生旋转磁场 这样的旋转磁通势也可以由两相空间上相差900的静止绕组 、 ，通 以时间上互差900的交流电来产生。
* i* * * i * 2/3相变换 iA iα B iC β
A1
-1
变频器
iT iM
反馈通道
旋转变换 A2
iα iβ 3/2相变换
A1
iA i B i C
M
以下任务是，从交流电机三相绕组中分离产生磁通势的直流分量和产生 电磁转矩的直流分量，以实现电磁解耦。解耦的有效方法是坐标变换。
13
8.2 坐标变换
异步电动机，也是两个磁场相互作用产生电磁转矩。不同的是，定 子磁势、转子磁势以及二者合成的气隙磁势都是以同步角速度在空 间旋转的矢量，且存在强耦合关系。——关系复杂，难以控制。
然而，交、直流电动机产生电磁转矩的规律有着共同的基础，电磁转矩 控制在本质上是一种矢量控制（直流电动机是特例），也就是对矢量的 幅值和空间位置的控制。
4
从电机学理论讲，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电动 机内部两个磁场相互作用的结果。
直流电动机，主极磁场在空间固定不变，与电枢的磁势方向总是互 相垂直（正交）、各自独立、互不影响（标量）。 例如他励电动机，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对励磁电流 和电枢电流分别控制和调节，就能达到控制转矩的目的，实现转速 的调节。——控制灵活，容易实现。
【精品】第七章异步电动机动态数学模型的调速系统
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。
异步电动机的矢量控制系统
isT 轴模型
cosφ sinφ
cosφ sinφ
注意：如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为控制器中反 旋转变换器与电机内部的旋转变换环节相抵消，2/3变换器 与电机内部的3/2变换环节相抵消，则虚框内的部分可以删 去，剩下的就是直流调速系统。
第28页/共68页
28
控制Βιβλιοθήκη i*sM M Ti*sT
(7 21)
小结：矢量控制基本方程☆
r
Lm 1 Tr
p
isM
或 : isM
1
Tr Lm
p
r
(7 12)
Te
np
Lm Lr
isT r
(7 15)
sl
Lm
Tr r
isT
(7 -17)
24
第25页/共68页
25
二、矢量控制方法
既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那 么，模仿直流电动机的控制方法，给出直流电动机的控制量， 再经过相应的反变换就能控制异步电动机。
第29页/共68页
cosφ sinφ
根据单位矢量获取方法的不同，矢量控制方法可分为两种： ✓直接矢量控制(由Blaschke发明) ✓间接矢量控制(由Hasse发明) 。
当矢量控制所用单位矢量和磁链是直接检测到的或由检 测到的电机的端子量及转速计算得到时，被称为直接矢量 控制，也可称为磁通反馈矢量控制（Feedback Vector Control）。
MT坐标系： 规定d轴沿转子磁链Ψr方向，并称之为M (Magnetization)轴， q轴则逆时针转90º，即垂直于转子磁链Ψr，称之为T (Torque)轴。这样的两相同步旋转坐标系就规定为MT坐标系， 或称按转子磁场定向(Field Orientation)的坐标系。
基于交流电动机的动态模型的间接矢量控制仿真与设计
电力拖动自动控制系统课程设计学院：信息与电气工程学院班级：电气三班学号:姓名：基于交流电动机的动态模型的间接矢量控制仿真与设计一设计目的：应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础二设计参数：额定输出功率17KW；定子绕组额定线电压380V；定子绕组额定相电流25A;定子绕组每相电阻0.1欧姆；定子绕组接线形式Y；转子额定转速1430rpm;转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:1欧姆；转子折算后额定电流50A；额定功率因数：0.75；电机机电时间常数1S;电枢允许过载系数1.5；环境条件:电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%;环境温度:-40~+40摄氏度; 环境相对湿度:10~90%.控制系统性能指标:转差率：3%；调速范围：D＝20；电流超调量小于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.三动态模型：（1） 电压方程：ϕP Ri u += （2） 磁链方程：Li =ϕ，i d dLd d L Ri u tiωθ++= （3） 运动方程：tp Ld d n J ω+T=T（4） 转矩方程：i L i n T p θ∂∂=T 21四坐标变换为简化和求解三相异步电机的数学方程，须按图1对电机坐标系的基本方程进行坐标变换，实现电机模型的解耦。
1坐标变换模块图：2W1生成模块：3PI模块变换：4Um,UM 生成模块：图1 永磁容错电机常用坐标系根据坐标变换理论，可得三相静止到两相静止坐标系变换矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2323021211322/3ss C （3-1） 两相静止到两相旋转坐标系变换矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=θθθθcos sin sin cos C 2/s 2r （3-2） 转子初始磁链在各坐标系分量为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡023f q d ψψψ （3-3） 可得电机在两相旋转坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程如下：⎪⎩⎪⎨⎧++=-+=d s q q q qs d d d p Ri U p Ri U ψωψψωψ （3-4） ⎪⎩⎪⎨⎧=+=q q qfd d d iL i L ψψψ23 （3-5） )(d q q d p e i i n T ψψ-= （3-6）五按转子磁链定向实现异步电机矢量控制按转子磁链定向的坐标系称为MT 坐标系，M 轴与转子磁链方向一致。
基于交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的仿真与设计
基于交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的仿真与设计姓名：班级：电气三班学号：专业：电气工程及其自动化1.引言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，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。
需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。
经过人们的多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是矢量控制系统。
直接矢量控制就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。
本文研究了交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的设计方法。
并用MATLAB 最终得到出仿真结果。
2. 矢量控制系统结构异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。
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称为矢量控制系统(VectorControlSystem)，简称VC 系统。
VC 系统的原理结构如图1所示。
图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号*m i 和电枢电流的给定信号*t i ，经过反旋转变换1-VR 一得到*αi 和*βi ，再经过2／3变换得到*A i 、*B i 和*C i 。
把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号1ω加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。
图1 矢量控制系统原理结构图在设计VC 系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器1-VR 与电机内部的旋转变换环节VR 相抵消，2／3变换器与电机内部的3／2变换环节相抵消，则图1中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。
可以想象，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。
异步电动机矢量控制
19
3、定子绕组轴系的变换 (A B C )
下图表示三相异步电动机定子三相绕组A、C、C和与之等效的二相
异步电动机定子绕组 、 中各相磁势矢量的空间位置。三相的A轴
与二相的 轴重合。
B
假设当二者的磁势波形按正弦分 布，当二者的旋三相绕组和二相绕
12
矢量变换控制的基本思想和控制过程可用框图来表示：
旋转坐标系
静止坐标系
控制通道
ω* ψ*
控制器
iT* iM*
旋转变换 A-21
iα*
iβ*
2/3相变换
iA*
i
*
B
iC*
A
-1 1
变频器
iT iM 旋转变换
iα iβ 3/2相变换 iA iB i C
M
A2
A1
反馈通道
以下任务是，从交流电机三相绕组中分离产生磁通势的直流分量和产生 电磁转矩的直流分量，以实现电磁解耦。解耦的有效方法是坐标变换。
组的瞬时磁势沿 、 轴的投影
β
N3iB
N2iα N2iβ
α N3iA A
应该相等。（N2、N3为匝数）
C N3iC
3/2变换
N 2ia
N3iA
N3iB
cos
2
3
N 3iC
cos
4
3
2
4
N 2i 0 N3iB sin 3 N3iC sin 3
20
经计算整理，得：
i
N3 N2
i
A
1 2
iB
1 2
第八章 异步电动机矢量控制
主要内容：
矢量控制的基本思想 坐标变换 异步电动机在不同坐标系下的数学模型 异步电动机矢量控制系统举例
交流电动机变频调速控制方案
交流电动机变频调速控制方案（１）开环控制（2）无速度传感器的矢量控制（3）带速度传感器矢量控制（ 4）永磁同步电动机开环控制6-12、试分析三相SPWM的控制原理。
在PWM型逆变电路中，使用最多的是图6-43a的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。
U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相调制信号U ru , U rv 和, U rw的相位依次相差1200。
U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U 相为例来说明。
当Uru > uc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’= Ud/2。
当Uru < uc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则UUN’=Ud／2。
V1和V4的驱动信号始终是互补的。
当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况相同。
V相和W相的控制方式和U相相同。
UUN’、 UVN’和Uwn’的波形如图6-43b 所示。
可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。
像这种逆变电路相电压（uUN’、uVN’和uWN’）只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。
图中线电压UUV的波形可由UUN’― UVN’得出。
可以看出，当臂1和6导通时，UUV = Ud，当臂3和4导通时，UUV =―Ud，当臂1和3或4和6导通时，Uuv=0，因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电平构成。
负载相电压UUN可由下式求得（6-18）从图中可以看出，它由（±2/3）Ud，（±1/3）Ud和0共5种电平组成。
(a) (b)图6-43三相SPWM逆变电路及波形在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。
异步电动机矢量控制系统设计及仿真英文文献及翻译
异步电动机矢量控制调速系统英语文献翻译The Design of the Vector Control System of AsynchronousmotorAbstract: Among various modes of the asynchronous motor speed control has the advantages of fast response ,stability ,transmission of high-performance and wide speed range ,For the need of the asynchronous motor speed control ,the design uses 89C196 as the controller , and introduces the designs of hardware and software in details .The design is completed effectively with good performance simple structure and good prospects of development.Key words :Asynchronous motor ,89C196 ,Vector control1.IntroductionAC asynchronous motor is a higher order ,multi-variable ,non-linear ,and strong coupling object ,using the concept of parameters reconstruction and state reconstruction of modern control theory to achieve decoupling between the excitation component of AC motor current and torque component ,and the control process of AC motor is equivalent to the control process of DC motor .the dynamic performance of AC speed regulation system obtainingnotable improvement ,thus makes DC speed replacing AC speed possible finally . The current governor of the higher production process has been more use of Frequency Control devices with vector-control.2.Vector ControlWith the criterion of producing consistent rotating magnetomotive force ,the stator AC current A i,B i,C i by 3S/2S conversion in the three-phase coordinate system ,can beequivalent to AC current i sd ,i sq.in two-phase static coordinatesystem .through vector rotation transformation of the re-orientation of the rotor magnetic field ,Equivalent to a synchronous rotation coordination of the DC current i e d,i e q.When observers at core coordinates with the rotation together ,AC machine becomes DC machine .Of these ,the AC induction motor rotor total flux r，it has become the equivalent of the DC motor motor flux ,windingsed equivalent to the excitation winding of DC motor , i e d equivalent to the excitation current ,windings q e equivalent to false static windings , i e q equivalent to the armature current proportional to torque .After the transformation above ,AC asynchronous motor has been equivalent to DC motor .As aresult of coordinate transformation of the current (on behalf of magnetic momentum)space vector ,thus ,this control system achieved through coordinate transformation called the vector control system ,referred to VC system .According to this idea ,could constitude the vector control system that can control ψand i e q directly , as show in Figure 1.In the figure a given rand feedback signal through the controller similar to the controller that DC speed control system has used ,producing given signal i e qs*of the excitation current and given signal i e ds*of the armature current ,after the anti-rotation transform VR1-obtaining i e qs*and i e ds*,obtains i A*,i B*,i C*by 3S/2S conversion .Adding the three signals controlled by current and frequency signal ω1obtained by controller to the inverter controlled by current and frequency conversion current that asynchronous motor needs for speed.3.The Content and Thought of the DesignThis system uses 80C196 as controller ,consists of detection unit of stator three-phase current unit of keyboard input ,LCD display modules , given unit of simulation speed detection unit of stator three-phase voltage ,feedback unit of speed and output of control signals .System block diagram show in Figure 2, the system applies 16 bits MCU 80C196 as control core ,with somehardware analog circuits composing the vector control system of asynchronous motor . On the one hand ,80C196 through the A/D module of 80C196 ,speed gun and the given speed feedback signals has been obtained ,obtaining given torque of saturated limiting through speed regulator ,to obtain the given torque current ;Use a given function generator to obtain given rotor flux ,through observation obtaining real flux ,through flux regulation obtaining given excitation current of given stator current ,then the excitation current and the torque current synthesis through the K/P transformation ,obtaining amplitude and phase stator current ,after amplitude of stator current compared to the testing current ,control the size of stator current through current regulator ;on the other hand ,the stator current frequency is calculated by the simultaneous conversation rate for the time constant of the control inverter ,regularly with timer ,through PI ,submitting trigger word to complete the trigger of the inverter.4.The Design of Hardware and SoftwareThe hardware circuits of system mainly consists of AC-DC-AC current inverter circuit ,SCR trigger inverter circuit ,rectifier SCR trigger circuit ,the speed given with the gun feedback circuit ,current central regulation circuit ,protection circuit andother typical circuits .The design of software includes ;speed regulator control and flux detection and regulation4.1AC-DC-AC Current Converter CircuitThe main circuit uses AC-DC-AC Current Converter in the system as shown in Figure 3,and main features can be known as follows:1)Main circuit with simple structure and fewer components .Forthe four-quadrant operation ,when the brake of power happens ,the current direction of the main circuit keeps the same ,just changing the polarity of the voltage ,rectifier working in the state of inverter ,inverter working in the state of rectifier .The inverter can be easily entered ,regenerative braking ,fast dynamic response .The voltage inverter has to connect to a group of inverters in order to regerative braking ,bringing the electric energy back to power grids. 2)Since the middle using a reactor ,current limit ,is constantcurrent source .Coupled with current Loop conditioning ,current limit ,so it can tolerate instantaneous load short-circuit ,automatic protection ,thereby enhancing the protection of over current and operational reliability .3)The current inverter can converter with force and the outputcurrent instantaneous value is controlled by currentinverter ,meeting the vector control requirements of AC motors .Converter capacitor charging and discharging currents from the DC circuit filter by the suppression reactor ,unlike a greater inrush current in voltage inverter ,the capacitor’s utilization is of high level .4)Current inverter and the load motor form a whole ,and theenergy storage of the motor windings is also involved in the converter ,and less dependent on the voltage inverter ,so it has a certain load capacity .4.2Inverter SCR trigger drive circuitThe Inverter SCR trigger drive circuit as shown in Figure 4 .Inverter trigger signal is controlled by PI of 80C196 ,slip signal outputting through PI via PWM regulation in the SCM through the photoelectric isolation to enlarge ,to control the trigger of the inverter .The system uses P1.6 as control and uses P1.0-P1.5 to control six SCR inverters separately ,so the trigger circuits is composed by six circuits above.The principles of drive circuit of SCR trigger inverter are as follows :when the PWM from PI is high signal after and gate ,photoelectric isolation is not on ,composite pipe in a state of on-saturated ,the left side of the transformer forming circuit ,and that the power of the signal amplifies (currentenlarges);when the PWM from PI is low signal after and gate ,photoelectric isolation is on ,composite pipe in a state of cut-off ,and the left side of the transformer can not form circuit ;thus ,composite pipe equivalent to a switch ,and its frequency of the PWM ,so the left side of the transformer form AC signals ,to trigger SCR inverter after transformer decompression ,half-wave rectifier and filter .4.3Current Loop conditioning circuitsAfter the vector calculation ,outputting given current through D/A module ,testing feedback current by the current testing circuit ,sending them to the simulator of the PI regulator to regulate ,can eliminate static difference and improve the speed of regulation .The output of the analog devices can be regarded as the phase-shifting control signals of the rectifier trigger .Current Loop conditioning circuits as shown in Figure 5.4.4The control of speed regulatorSpeed regulator uses dual-mode control .Setting a value TN of speed error ,when the system is more than the deviation (more than 10 percent of the rated frequency),as rough location of the start ,using on-off control ,at this time ,speed regulator is in the state of amplitude limit ,equivalent to speed loop being open-loop ,so the current loop is in the state of the most constantcurrent regulation .Thus ,it can play the overload ability of small deviation ,the system uses PI linear control instead of on-off control .As a result ,absorbing the benefits of non-linear ,the system meets stability and accuracy . The speed regulator flowchart is as show in Figure 6 .4.5 Flux RegulationSlip frequency vector control system can be affected by the motor parameters ,so that the actual flux and the given flux appear a deviation .This system is of observation and feedback in the amplitude of the magnetic flux ,regulating flux of the rotor ,actual flux with the changes of given flux .Flux regulator is also the same as the speed regulator ,using PI regulator .The discrete formula is :t e T e k i i ni S i m m m n n n n )}()({)1()(+∆+-= (1) Plus a reminder to forecast for correction :)1()(2--=n n i i I m m m (2)In the formula , k m is proportional coefficient , t n is integralcoefficient , T S is sampling period , I m is the actual out putvalue)1()(--=∆n e n e e n (3))()(2*2n n e n ΦΦ-= (4) When it is in the state of low frequency (f<5HZ), r 1 can not beignored ,the phase difference between V 1 and E 1 enlarges , and the formula V 1V '1≈ no longer sets up .Through theApproximate rotor flux observerand the formula L I r I V L I m T m m 1101112-)(ω-==Φto observe the fluxamplitude ,only open-loop control of flux ,that is ,to calculate from a given flux ,and that is L I mm Φ=*2 .In addition ,in order to avoid disorders ,or too weak and too strong magnetic ,limiting the output i m in preparation for the software ,making it in theranges from 75% to 115% rated value.5. Design SummaryThis text researches the vector control variable speed control system of the asynchronous motor design .The SCM 80C196 and the external hardware complete the asynchronous motor speed vector control system design efficiently ,and meet the timing control requirements .The vector control system design thinks clearly ,has a good speed performance and simple structure .It has a wide range of use and a good prospect of development from the analysis and design of the speed asynchronous motor vector control systems .The innovations ;(1) Complete the data acquisition of the speed andvoltage ,output the control signal and save the deviceseffectively with the help of the 80C196 microcontroller owned A/D ,D/A.(2)Because the Current Source Inverter uses forcedconverter ,the maximum operating frequency is free from the power grid frequency .And it is with speed range.(3)This system uses constant flux to keep the constant fluxstably .Use stator physical voltage amplitude to approximate the observed flux amplitude value .The magnetic flux overcomes the impact of the parameter changes .This way is simple and effective .Figure 1 .Vector Control System PrincipleFigure 2. Scheme of SystemFigure 3. AC-DC-AC Current inverter Circuit Figure 4. Inverter SCR trigger drive circuitFigure 5. Current Loop conditioning circuitsFigure 6. Flux regulation flowchart ReferencesHisao Kubota and Kouki Matsuse.(1994). Speed SensorlessField-Oriented Control of Induction Motor withRotor Resistance Adaptation .IEEE Trans .Ind. A ppl. V ol.30,No.5,pp.1219-1224.Li,Da, Yang ,Qingdong ,and Liu, Quan.(2007).The DSP permanent magnet synchronous linear motor vector control system Micro-computer information,09-2;195-196Liu,Wei. (2007).The application design about vector control of current loop control .Micro-computer information ,07-1;68-70Zhao ,Tao ,Jiang ,WeiDong ,Chen, Quan,and Ren,Tao .(2006).The research about the permanent magnet motor drive system bases on the dual-mode control .Power electronics technology,40(5):32-34异步电动机矢量控制调速系统设计摘要：异步电动机的各种调速方式中，矢量控制的调速方式响应快、稳定性好、传动性能高、调速范围宽。
交流电机矢量控制-转差频率控制系统和各种矢量控制方法
' M
2iT
1
T
3 2
p
Lm L'22
' M
2iT
1
(2 112)
(2 105) (2 109)
➢ 转速表达 • 从T轴转子电压方程[式（2-106）第四行]
得
0 (1 )(LmiM1 L'22iM' 2 ) R2' ir' 2
(1
)
' M
2
R2' iT'
2
(2 108)
或(1
)
R2' iT' 2
第四章 交流电机矢量控制-
转差频率控制系统和 各种矢量控制方法
王军 教授 西华大学 电气信息学院
三、转差频率控制系统
1. 工作原理: 异步电机稳态运行时电磁转矩为
2. 转差频率控制系统构成
转差频率控制系统构成
在转差频率控制中，采用转子转速闭环控制， 电机给定角速度ω*信号与来自电机转速传感器 的反馈信号ω进行比较，其误差信号经过PI调节 器并限幅以后得到给定转差角频率。限幅的主 要目的在于限制转差角频率，使电机可以用逆 变器容许电流下的最大转矩进行加减速运转， 所以不需要设定加减速时间，就能以最短的时 间内实现加减速。系统的其他部分与V/F控制方 式相同。
转差频率控制系统
转差频率控制系统
转差频率控制系统
转差频率控制系统的特点:
优点: 采用转速闭环; 在动态过程中,转速调节器饱和,系 统快速性好. 缺点:
1. 控制规律是从电机稳态电路和稳态转矩公式出发. 2. 不能保持磁通恒定.
四、转子磁场定向异步电机矢量控制
取转子全磁通 （'2 对应转子全磁链
三相异步电动机(7.5KW电机)变频调速带PG闭环失量控制系统参数的设置与 应用(616G5)
三相异步电动机(7.5KW电机）变频调速带PG闭环失量控制系统参数的设置与应用（616G5）学校：华北电力大学院系：专业：电气工程及其自动化指导教师:姓名：学号:引言由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。
近年来，变频器的售价不断下降，而其使用功能却不断提升和扩大变频器的大量推广使用，在节能、省力化、自动化及提高生产率、提高质量、减少维修和提高舒适性等多方面都取得了令世人瞩目的应用效果。
1目录一、交流调速系统概述 (3)二、变频调速系统 (4)三、变频器的原理 (6)四、电机选择及参数 (9)五、旋转编码器选择及参数 (11)六、安川变频器(616g5)结构形式 (12)七、安川变频器(616g5)参数设定 (13)八、结束语 (20)参考文献： (21)一、交流调速系统概述调速系统的发展三相交流电机自十九世纪发明以来走过了100多年历史,电力拖动控制技术也随之日渐成熟,已从最初直接起动发展成目前的变频调速。
电机在恒压下直接起动时电流约为其额定值的4-7倍,电机转速要在很短时间内从零升至额定值将产生很大冲击,且在起动瞬间大电流作用下,会引起电网压降,甚至严重影响电网内其它设备正常运行。
为此,改善电机起动状态,使之处于低或无冲击及平滑柔和环境,各种限流起动的方法便应运而生。
变频调速技术是随交流电机无级调速的需要而诞生的。
20世纪60年代后半期开始,电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MCT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管),器件更新促使电力变换技术的不断发展。
从20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视,到20世纪80年代作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。
三相异步电机交流变频调速系统设计实验
三相异步电机交流变频调速系统设计实验指导书仇国庆编写重庆邮电大学自动化学院测控技术实验中心2010/11/2三相异步电机交流变频调速系统设计实验指导书一、实验目的：1. 了解三相异步电机调速的方法；2. 熟悉交流变频器的使用；3. 掌握三相异步电机交流变频调速系统设计。
4. 交流异步电动机机械特性及变频调速特性测试二、控制系统设计要求系统设计要求能够实现三相异步电动机的如下状态的控制：正转；反转；停止；点动；加速；减速。
图1 控制系统硬件结构图三、基本知识：1.异步电动机调速系统种类很多，常见的有：(1)降电压调速；(2)电磁转差离合器调速(3)绕线转子异步电机转子串电阻调速(4)绕线转子异步电机串级调速(5)变极对数调速(6)变频调速等等。
2.三相交流异步电动机2.1 异步电动机旋转原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。
n转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流⑴磁场以⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力⑶ 电磁力使转子绕组以转速n 旋转，方向与磁场旋转方向相同2.2 旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。
这三个交变磁场应满足：⑴ 空间位置上互差rad 3/2π电度角。
由定子三相绕组的布置来保证⑵ 在时间上互差rad 3/2π相位角（或1/3周期）。
由通入的三相交变电流来保证。
2.3 电动机转速产生转子电流的必要条件：是转子绕组切割定子磁场的磁力线。
因此，转子的转速n 必须低于定子磁场的转速0n 。
两者之差称为转差：n n n -=∆0转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：0/n n s ∆=同步转速0n 由下式决定：p f n /600=上式中，f 为输入电流的频率，p 为旋转磁场的极对数。
由此可得转子的转速：p s f n /)1(60-=3.异步电动机调速由转速p s f n /)1(60-=可知异步电动机调速有以下几方法：(1) 改变磁极对数p （变极调速）定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。
交流异步电动机矢量控制调速系统设计
目次摘要I1绪论1交换调速技巧概况1异步电念头矢量掌握道理22矢量掌握理论4矢量掌握4异步电机的动态数学模子5坐标变换73矢量掌握体系硬件设计9矢量掌握构造框图9矢量掌握体系的电流闭环掌握方法思惟9各个子体系模块10矢量掌握的异步电念头调速体系模块12 4 SIMULINK仿真134.1MATLAB/S IMULINK概述13仿真参数13仿真成果135总结16参考文献17摘要异步电机的物理模子之所以庞杂,症结在于各个磁通间的耦合.本设计把异步电念头模子解耦成有磁链和转速分离掌握的简略模子,就可以模仿直流电念头的掌握模子来掌握交换电念头.分解矩阵变换的掌握计谋及异步电念头转子磁场定向理论,采取盘算机仿真办法分离建立了矩阵变换仿真模子以及基于矩阵变换的异步电念头矢量掌握体系仿真模子,对矩阵变换的掌握道理.输入.输出机能以及矢量掌握体系的优质的抗扰才能及四象限运行特征进行剖析验证,展示了该新型交换调速体系的辽阔成长远景,并针对基于矩阵变换的异步电念头矢量掌握体系的特色,侧重对矢量掌握单元进行了软件设计.直接矢量掌握就是一种优胜的交换电机掌握方法,它模仿直流电机的掌握方法使得交换电机也能取得与直流电机相媲美的掌握后果.本文研讨了矢量掌握体系中磁链调节器的设计办法.并用MATLAB最终得到了仿真成果.症结词：坐标变换;矢量掌握;MATLAB/simulink1绪论1.1交换调速技巧概况工农业临盆.交通运输.国防军事以及日常生涯中普遍应用着电机传动,个中很多机械有调速请求,如车辆.电梯.机床及造纸机械等,而风机.水泵等为了削减损耗,勤俭电能也须要调速.曩昔因为直流调速体系调速办法简略.转矩易于掌握,比较轻易得到优胜的动态特征,是以高机能的传动体系都采取直流电机,直流调速体系在变速传动范畴中占统治地位.但是直流电机的机械接触式换向器构造庞杂.制作成本高.运行中轻易产生火花.须要经常的保护检修,使得直传播动体系的运营成本很高,特殊是因为换向问题的消失,直流电机无法做成高速大容量的机组,如今朝3000转/分阁下的高速直流电机最大容量只有400千瓦阁下,低速的也只能做到几千千瓦,远远不克不及顺应现代临盆向高速大容量化成长的请求.交换电机高效调速办法的典范是变频调速,它既实用于异步电机,也实用于同步电机.交换电机采取变频调速不单能实现无极调速,并且依据负载的特征不合,经由过程恰当调节电压和频率之间的关系,可使电机始终运行在高效区,并包管优胜的动态特征.交换变频调速体系在调速时和直流电机变压调速体系类似,机械特征根本上平行高低移动,而转差功率不变.同时交换电机采取变频起动更能明显改良交换电机的起动机能,大幅度下降电机的起动电流,增长起动转矩,所以变频调速是一种幻想的交换电机调速办法.据统计,电机类的耗电量占企业总用电量的70%以上,是以电机节能对国度经济具有重要的意义,电气传动及其主动化技巧是电气技巧的重要构成,电力传动的技巧成长程度也是表现国度科技程度的重要方面.应用变频调速技巧对电机进行节能技巧改革,可以有效地节电量,取得很好的经济效益.20世纪60年月以前的调速体系以直流机组及晶闸管构成的直流V-M体系为主.跟着80年月IGBT等新型电力电子器件及微机掌握技巧的成长,及以矢量掌握为代表的各类交换调速理论的成长,也陪同着人们为解决能源危机的伟大科研投入,交换调速技巧得到敏捷成长.交换传动体系在机能上也已取得了长足成长,具备了宽调速规模.高稳态精度.快速动态响应及四象限运行等优胜技巧机能,其动.静态特征可以和直传播动体系相媲美.交换调速体系其构造简略.功率大.牢固耐用.惯量小.矢量掌握等高机能掌握动态响应好.效力高.性价比高.高精度等特色,是今朝应用最普遍且最有成长前程的调速方法,在传动体系范畴占领了主导地位,在工业应用中远远超出了直流电机调速体系的应用,并有逐渐代替直流调速的趋向.1.2异步电念头矢量掌握道理矢量掌握的根本思绪是以产生雷同的扭转磁动势为准则,将异步电念头在静止三相坐标系上的定子交换电流畅过坐标变换等效成同步扭转坐标系上的直流电流,并分离加以掌握,从而实现磁通和转矩的解耦掌握,以达到直流电机的掌握后果.所谓矢量掌握,就是经由过程矢量变换和按转子磁链定向,得到等效直流电机模子,在按转子磁磁链定向从标系中,用直流电念头的办法掌握电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的掌握量经变换得到三相坐标系的对应量,以实行掌握.个中等效直流电念头模子如图1.1所示,在三相坐标系上的定子交换电流i A.i B.i C,经由过程3/2变换可以等效成两相静上正交坐标系上的交换i sα和i sβ,再经由过程与转子磁链同步的扭改变换,可以等效成同步扭转正交坐标系上的直流电流i sm和i st.矢量掌握实现的基起源基本理是经由过程测量和掌握异步电念头定子电流矢量,依据磁场定向道理分离对异步电念头的励磁电流和转矩电流进行掌握,从而达到掌握异步电念头转矩的目标.具体是将异步电念头的定子电流矢量分化为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分离加以掌握,并同时掌握两分量间的幅值和相位,即掌握定子电流矢量,所以称这种掌握方法为矢量掌握方法.iii图1.1 异步电念头矢量变换及等效直流电念头模子在三相坐标系上的定子交换电流i A.i B.i C,经由过程3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交换i sα和i sβ再经由过程与转子磁链同步的扭改变换,可以等效成同步扭转正交坐标系上的直流电流i sm和i st.m绕组相当于直流电念头励磁绕组,i sm相当于励磁电流,t相当于电枢绕组,i st相当于与转矩成正比的电枢电流.个中矢量掌握体系道理构造如图1.2所示.图矢量掌握体系道理构造图经由过程转子磁链定向,将定子电流分量分化为励磁分量i sm和转矩分量i st,转子磁链ψr仅由定子电流分量i sm产生,而电磁转矩T e正比于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解耦.简化后的等效直流调速体系如图1.3所示.图简化后的等效直流调速体系2矢量掌握理论矢量掌握1.问题剖析无论采纳何种方法对异步电机进行调速掌握,其本质都是直接或间接掌握电机的转矩.所谓异步电机的矢量掌握,现实上就是借鉴直流电机的转矩关系,经由过程坐标变换的办法,得到与直流电机转矩情势类似的异步电机解耦转矩表达式,进而对其进行便利调节的掌握方法.2.直流电机的转矩掌握已知直流电机的转矩,即T e =KΦI a =K’ I a I f (假设Φ∝I f ),式中,K . K’为比例系数;I a 为直流电机转子电枢电流,单位为A;I f 为定子励磁电流,单位为A;Φ可以为是由定子励磁电流单独产生的气隙主磁通,单位为Wb(疏忽转子电枢电流的电枢反响).3.异步电机的转矩剖析在定子三相绕组通以三相对称的交换电时,产生一个以速度ω1扭转的空间磁场,该磁场在转子绕组中感应出转子电流,最终转子电流与空间磁场互相感化产生电磁转矩,异步电机电磁转矩的表达式,即T e =KΦm I 2 cosФ24.矢量掌握道理参考直流电机中的解耦掌握,假如可以或许把异步电机的定子电流也分化为互相正交的磁场分量i d 和转矩分量i q ,(这里的磁场分量和转矩分量分离对应于直流电机的励磁电流I f 及电枢电流I a ),就可以得到异步电机另一种电磁转矩表达式,即T C =Ki d i q 显然.假如以定子电流作为掌握对象,想办法得到互相解耦的i d 和i q ,则对定子电流的掌握就可转化为对i d 和i q 的掌握,而i d 和i q 又是解耦的,对i d 和i q 分离掌握就可以像直流电机一样便利地掌握电磁转矩,这就是矢量掌握,下面剖析全部解耦进程.三相静止坐标系到同步扭转坐标系下的转换矩阵VR ,即⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+----+-=212121)32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 32πθπθθπθπθθVR其反变换矩阵为：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+----=-1)32sin()32cos(1)32sin()32cos(1sin cos 1πθπθπθπθθθVR经由过程上述变换,可将静止坐标系下的三相电流i a .i b .i c 等效地变换为扭转坐标下(与磁场同步扭转)的两相正交的电流i d 和i q ( i 0在三相对称情形下为0),而i d 和i q 是互相解耦的,最终可以实现类似于直流电机的解耦掌握.并且d s -q s 和d r -q r 在空间的地位始终是重合的.可以将两相扭转坐标系下感应电机的磁链表达式.电压方程式及电机输出转矩和活动方程写为:磁链方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd φφφφ=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛r mrm m smsL L L L L L L L ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛rq rd sq sd i i i i电压方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-+--+=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd r s r dqr m m dqr r dqr r r m dqr m m mdqs s s s dqs m dqs m sdqs s s rq rd sq sd i i i i p L R L p L L L p L R L p L p L L p L R L L p L L p L R u u u u ωωωωωωωω转矩方程: T e =n p L m (i sq i rd –i sd i rq )以上关系解释,选择转子磁链的空间矢量偏向为M 轴偏向进行定向,并掌握Ψm2的幅值不变,可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间的解耦.如许掌握转子转矩电流,就能达到掌握T 的目标.以磁场进行定向的M 轴与定子绕组a 轴间的夹角Ф可看做是从定子正面不雅测到的转子磁通地位,它是一个空间变量,须要经由过程磁通监测器或磁通运算回路监测出来.2.2异步电机的动态数学模子异步电机的动态数学模子是一高阶.非线性.强耦合的多变量体系.在研讨异步电机的多变量非线性数学模子时,常做如下的假设：疏忽空间谐波,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四周按正弦纪律散布;疏忽磁路饱和,以为各绕组的自感和互感都是恒定的;疏忽铁心损耗;斟酌频率变更和温度变更对绕组电阻的影响.划定各绕组电压.电流.磁链的正偏向相符电念头通例和右手螺旋定章.这时,异步电念头的数学模子由下述电压方程.磁链方程.转矩方程和活动方程构成.1.电压方程.式中u A . u B . u C . u a .u b .u c ---定子.转子的各相电压瞬时价;i A . i B .i C .i a .i b . i c ---定子.转子的各相电流瞬时价;ψA . ψB . ψC . ψa . ψb . ψc ---各相绕组的全磁链;R s . R r --- 定子和转子绕组电阻;p ---微分算子.2.磁链方程.每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和,六个绕组的磁链可表达为:或写成：Ψ=Li式中,L 是6×6电感矩阵,个中对角线元素L AA .L BB .L CC .L aa .L bb .L cc 分离为定转子三相绕组的自耦自感,其余为定子互相间.转子互相间.定转子互相间的互感.3.转矩方程由机电能量转换道理,电磁转矩T e 等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c b a C B A c b a C B A r rrsss c b a C B A p i i i i i i R R R R R R u u u u u u ψψψψψψ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c b a C B A cc cbcacCcBcAbc bb ba bC bB bA ac ab aa aC aB aA Cc Cb Ca CC CB CA Bc Bb Ba BC BB BA Ac Ab Aa AC AB AA c b a C B A i i i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ψψψψψψ式中：ω电角速度;θ电角度暗示的空间角位移;W m 磁场储能;n p 电机的极对数; θm 机械角位移.由上式可以推导得:T e =n p L ms [(i A i a +i B i b +i C i c )sinθ+(i A i a +i B i b +i C i c )sin(θ+120°)+(i A i a +i B i b +i C i c )sin(θ-120°)]4.活动方程一般情形下,电机的转矩均衡方程式为：T L ——负载;J ——电机转轴或传动装配的迁移转变惯量;D ——与转速成正比的阻转矩阻尼系数;K ——扭转弹性转矩系数.对于恒定负载转矩,可以为,D=0,K=0,则：2.3 坐标变换感应电机的掌握可以经由过程矢量的坐标变换来把感应电机的转矩掌握等效为直流电念头的转矩掌握.三相均衡的正弦电流i A ,i B ,i c 通到交换电机三相对称的静止绕组A.B.C 会产生扭转磁动势F ,在空间呈正弦散布,并以同步转速ω1绕A---B---C---A 相序扭转.它的物理模子如图2.1a )所示.然而随意率性相均衡电流畅入响应相的对称绕组均可以产生扭转磁动势,个中以两相绕组最为简略,两相静止绕组α和β,它们在空间相差90°,通以时光上相差90°的两相均衡电流也产生扭转磁动势F,当图2.1a)和图2.1 b)产生的磁动势相等时,以为图2.1a)中的三相绕组和图2.1b)的两相绕组等效.图2.1 c)中的两个匝数雷同的绕组d 和q 互dtdwn J T T p L e +=θωωpp p L e n K n D dt d n J T T +++=⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=====m m e pmT T m d dW T n Lii i W dt d θθθθω21φ21相垂直.它们分离被通以直流电流i d和i q,产生合成磁动势F,令全部铁心以同步转速ω1扭转,则磁动势F成为扭转磁动势,假如将其大小和转速也掌握成与图2.1 a)和图2.1 b)的扭转磁动势雷同,则这套扭转的直流绕组就和前面两套交换绕组等效.当不雅察者也站在铁心上和绕组一路扭转时,在他看来,绕组d和q是两个通以直流电而互相垂直的静止绕组,假如掌握磁通Ф的地位在d轴上,这就和直流电机模子没有什么差别了.a) b) c)图等效的交换电念头绕组和直流电念头绕组物理模子a)三订交换绕组 b)两订交换绕组 c)扭转的直流绕组3矢量掌握体系硬件设计矢量掌握构造框图按照上述数学模子建立的矢量掌握构造框图如实例图所示.图矢量掌握构造框图为了实现对电机的矢量掌握,使电机知足必定的机能指标(稳固性.快速性和精确性),并尽可能使仿真模子简化,而采取电流和转速负反馈掌握方法.矢量掌握体系的电流闭环掌握方法思惟图3.2为电流闭环掌握后的体系构造图,转子磁链环节为稳固的惯性环节,对转子磁链可以采取闭环掌握,也可以采取开环掌握方法;而转速通道消失积分环节,为不稳固构造,必须加转速外环使之稳固.经常应用的电流闭环掌握有两种办法：一个是将定子电流两个分量的给定置*sm i 和*st i 施行2/3变换,得到三相电流给定值.采取电流滞环掌握型PWM 变频器,在三相定子坐标系中完成电流闭环掌握.另一个是将检测到得三相电流施行3/2变换和扭改变换,达到m t 坐标系中的电流sm i 和st i .采取PI 调节器软件构成电流闭环掌握,电流调节器的输出为定子电压给定值*sm u 和*st u ,经由反扭改变换得到静止两相坐标系的定子电压*u α和*u β,再经由SVPWM 掌握逆变器输出三相电压,其体系构造图如图所示.本次MATLAB 仿真体系设计也是采取的这种掌握办法.⨯Jn p sti 电流闭环控制rm pL L n ⊗eT LT ωrψ*smi *sti ism1+T L rm -图3.2电流闭环掌握后的体系构造图转子磁链计算i sαis β3/2变换旋转变换2s/2ri αiβ*ψ*ω⊗RA ψ*smi ⊗⊗ASR⊗反旋转变换2R/2S ACMRACTRSVP WM 控制M ~us *αus *βust*u sm*FBSi smistϕψrωiAiBist*图定子电流励磁分量和转矩分量闭环掌握的矢量掌握体系构造图3.3各个子体系模块1.定子电流励磁分量调节器（ACMR ）定子电流励磁分量调节器调节器ACMR .分离为1.12,10.输出限幅值为-300~300.如图3.4所示图3.4ACMR 模块2.定子电流转矩分量调节器(ACTR)如图3.5所示.图3.5ACTR模块3.转速调节器(ASR)如图3.6所示.图3.6ASR模块4.直角坐标到极坐标的变换模块（K/P模块）如图3.7所示.图3.7 K/P模块5.2s/2r变换在此设计中采取了2s/2r变换,如图3.8所示.图3.82s/2r变换3.4矢量掌握的异步电念头调速体系模块如图3.9所示.图3.9矢量掌握的异步电念头调速仿真模子交换异步电念头矢量掌握体系如上图所示.个中,SVPWM用惯性环节等效代替,若采取现实的SVPWM办法仿真,将大大增长仿真时光,对盘算机的运行速度和内存容量请求较高.转速.转子磁链和两个电流调节器均采取带有积分和输出限幅的PI调节器,两磁链psir a和psirb由电念头模子直接得到,经由过程直角坐标变换（K/P变换）得到转子磁链的幅值和角度.4 Simulink仿真MATLAB/Simulink概述MATLAB是国际上仿真范畴最威望.最实用的盘算机对象.它是MathWork公司于1982年推出的一套高机能的数值盘算和可视化数学软件,被誉为“伟人肩上的对象”.MATLAB是一种应用于盘算技巧的高机能说话.它将盘算.可视化和编程联合在一个易于应用的情形中,此而将问题解决计划暗示成我们所熟习的数学符号,其典范的应用包含:数学盘算.则的推导.型仿真和还原.据剖析,收集及可视化.技和工程制图.发软件,包含图形用户界面的建立.MATLAB的名字象征着矩阵库.它最初被开辟出来是为了便利拜访由LINPACK和EISPAK开辟的矩阵软件,其代表着艺术级的矩阵盘算软件.Simulink是用于仿真建模及剖析动态体系的一组程序包,它支撑线形和非线性体系,能在持续时光.离散时光或两者的复合情形下建模.体系也能采取复合速度,也就是不合的部分用不合的速度来采样和更新.Simulink供给一个图形化用户界面用于建模,用鼠标拖沓块状图表即可完成建模.在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模子.相对于以前的仿真须要用说话和程序来标明不合的方程式而言有了极大的提高.可以在高层上统不雅体系,然后双击模块来不雅看下一层的模子细节.这种门路可以深刻懂得模子的组织和模块之间的互相感化.在界说了一个模子后,就可以进行仿真了,用分解办法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB敕令窗口的敕令键入.菜单的奇特征便于交互式工作,当然敕令行对于运行仿真的分支是很有效的.应用scopes或其他显示模块就可在模仿运行时看到模仿成果.4.2仿真参数经由不竭调试所得的各个参数如下.; ; ; ; ; ; np=2; UN=380; fN=50; Tr=Lr/Rr; B=Lm^2;C=B/Ls/Lr; Rou=1-C; ; Ki=100; Pisr=333; w=1004.3仿真成果以上数据为基本的前提下,在Simulink中进行仿真成果如下图所示.图空载启动和加载定子电流励磁分量i sm(上)和转矩分量i st(下)仿真成果图转速w与转子磁链psir(下)仿真成果图电磁转矩Te的仿真成果仿真成果标明,转子磁链pisr建立后,根本保持恒定,不随转矩的变更而变更,实现了转子磁链pisr和电磁转矩Te的解耦掌握.5总结近年来,因为电力电子器件.微处理器的成长和掌握技巧的提高,对交换调速体系向全数字化成长产生了伟大的推进感化.本文从现实应用动身,研讨了异步电念头矢量掌握体系的掌握计谋,对矢量掌握体系的转速估量.磁链不雅测进行了具体的理论剖析.仿真以及试验研讨.重要讨了异步电机的调速情形,以及矢量掌握的研讨近况,对于基于矢量掌握的异步电念头调速体系有了一个总体的懂得;在磁场定向掌握下,建立了异步电念头的数学模子和仿真模子;经由过程矢量掌握,设计并建立了用于仿真的空间矢量脉宽调制模块,并经由过程试验验证了输出成果和理论推导的一致性.经由过程此次设计,我明显感到到“书到用时方恨少”.在今后的生涯中我会不竭地进修充实本身.在此要再次感激我的指点先生,感激先生给我如许的机遇锤炼.在全部设计进程中我理解了很多器械,也造就了我自力工作的才能,建立了对本身工作才能的信念,信任会对往后的进修工作生涯有异常重要的影响.参考文献[1]胡虔生.胡敏强 .电机学. 2005.北京：中国电力出版社.[2]李发海.朱东起.电机学.2007 .第四版. 北京：科学出版社.[3].2007.第二版.北京：科学出版社 .[4]陈伯时 .电力拖动主动掌握体系：活动掌握体系.第四版.北京：机械工业出版社.[10]张德丰. MATLAB/Simulink建模与仿真. 2009北京：电子工业出版社 .。
异步电动机的动态数学模型及矢量控制ppt
2021年12月24日9时18分
13
一、磁链方程式
极距
1轴 2轴
12 0
线圈2中产生的基波磁 势幅值为F2=N2i2
N1
N2
i2
图7-2 两线圈的磁链
2021年12月24日9时18分
14
运行中的转子与定子之间的夹角是 不断变化的.
两线圈轴线夹角为任意值：12
第一节 A、B、C 坐标系统异步电动机的动态 数学模型 第二节 空间矢量的概念 第三节 异步电动机的空间矢量方程式 第四节 空间矢量分解为x, y分量 第五节 坐标变换及坐标变换电路 第六节 异步电动机的矢量控制 第七节 异步电动机矢量控制系统举例
2021年12月24日9时18分
5
特权福利
VIP专享文档下载特权自VIP生效起每月发放一次， 每次发放的特权有效期为1个月，发放数量由您购买 的VIP类型决定。
每月专享9次VIP专享文档下载特权， 自VIP生效起每月发放一次，持续有 效不清零。自动续费，前往我的账号 -我的设置随时取消。
服务特 权
共享文档下载特权
VIP用户有效期内可使用共享文档下载特权下载任意下载券标价的文档（不含付费文档和VIP专享文档），每下载一篇共享文
磁链 aA, aB, aC;
a al aa ab ac
aA aB aC
2021年12月24日9时18分
18
一、磁链方程式
根据图7-1及式（7-6）得
A N11 N1iA N1mN1iA cos 0 N1mN1iB cos120 N1mN1iC cos 240
线圈都适用，取 12为该两线圈轴线的夹角即
可。
交流异步电动机的矢量控制系统仿真研究
交流异步电动机的矢量控制系统仿真研究作者：彭燕来源：《现代电子技术》2013年第17期摘要：利用电机矢量控制系统原理，设计了异步电机矢量控制系统及其控制策略总体方案，采用Simulink工具构建了矢量变频调速系统数学模型，详细介绍了各个子模块的构建方法和功能。
通过仿真可得系统的动态及稳态性能，表明系统具有较高的响应能力和鲁棒性，为矢量控制技术提供了一种前期检验方法和研究手段。
关键字：交流异步电机；矢量控制系统；变频调速系统； Simulink仿真；控制策略中图分类号： TN911.7⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）17⁃0128⁃030 引言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，矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法，由于其交流调速时的优越性被广泛应用到异步电机调速系统中。
基于Simulink的交流异步电机仿真可以验证系统设计方案的有效性，在实验室应用过程中可能遇到系统设计难题。
本文以双闭环矢量控制系统为研究对象，在Simulink中进行仿真来验证控制系统的有效性。
通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性。
1 矢量控制原理矢量控制系统，简称VC系统，坐标变换是核心思想。
矢量控制的基本思想是以产生同样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等效成两相静止坐标系上的交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流，等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果，得到直流电动机的控制量。
便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得与直流调速系统接近的动、静态性能。
2 基于Simulink的异步电机矢量控制系统仿真模型2.1 系统总体模型根据矢量控制系统原理，利用Matlab/Simlink软件中的电气系统工具箱SimPowerSystems 对系统进行仿真[3]。
整体系统的仿真模型如图2所示。
基于MATLAB的异步电动机调速系统设计与仿真 (修改稿)
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。
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。
交流异步电动机矢量控制调速系统设计
目录之马矢奏春创作摘要I1绪论1交流调速技术概况1异步电念头矢量控制原理22矢量控制理论4矢量控制4异步机电的静态数学模型5坐标变换73矢量控制系统硬件设计9矢量控制结构框图9矢量控制系统的电流闭环控制方式思想9各个子系统模块10矢量控制的异步电念头调速系统模块124 SIMULINK仿真134.1MATLAB/S IMULINK概述13仿真参数13仿真结果145总结16参考文献17摘要异步机电的物理模型之所以复杂, 关键在于各个磁通间的耦合.本设计把异步电念头模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型, 就可以模拟直流电念头的控制模型来控制交流电念头.综合矩阵变换的控制战略及异步电念头转子磁场定向理论, 采纳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念头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念头矢量控制系统的特点, 着重对矢量控制单位进行了软件设计.直接矢量控制就是一种优越的交流机电控制方式, 它模拟直流机电的控制方式使得交流机电也能取得与直流机电相媲美的控制效果.本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法.并用MATLAB最终获得了仿真结果.关键词：坐标变换；矢量控制；MATLAB/simulink1绪论1.1交流调速技术概况工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着机电传动, 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.过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制, 比力容易获得良好的静态特性, 因此高性能的传动系统都采纳直流机电, 直流调速系统在变速传动领域中占统治位置.可是直流机电的机械接触式换向器结构复杂、制造本钱高、运行中容易发生火花、需要经常的维护检修, 使得直流传动系统的运营本钱很高, 特别是由于换向问题的存在, 直流机电无法做成高速年夜容量的机组, 如目前3000转/分左右的高速直流机电最年夜容量只有400千瓦左右, 低速的也只能做到几千千瓦, 远远不能适应现代生产向高速年夜容量化发展的要求.交流机电高效调速方法的典范是变频调速, 它既适用于异步机电, 也适用于同步机电.交流机电采纳变频调速不单能实现无极调速, 而且根据负载的特性分歧, 通过适当调节电压和频率之间的关系, 可使机电始终运行在高效区, 并保证良好的静态特性.交流变频调速系统在调速时和直流机电变压调速系统相似, 机械特性基本上平行上下移动, 而转差功率不变.同时交流机电采纳变频起动更能显著改善交流机电的起动性能, 年夜幅度降低机电的起动电流, 增加起动转矩, 所以变频调速是一种理想的交流机电调速方法.据统计, 机电类的耗电量占企业总用电量的70%以上, 因此机电节能对国家经济具有重要的意义, 电气传动及其自动化技术是电气技术的重要组成, 电力传动的技术发展水平也是体现国家科技水平的重要方面.应用变频调速技术对机电进行节能技术改造, 可以有效地节电量, 取得很好的经济效益.20世纪60年代以前的调速系统以直流机组及晶闸管构成的直流V-M系统为主.随着80年代IGBT等新型电力电子器件及微机控制技术的发展, 及以矢量控制为代表的各种交流调速理论的发展, 也陪伴着人们为解决能源危机的巨年夜科研投入, 交流调速技术获得迅速发展.交流传动系统在性能上也已取得了长足发展, 具备了宽调速范围、高稳态精度、快速静态响应及四象限运行等良好技术性能, 其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美.交流调速系统其结构简单、功率年夜、坚固耐用、惯量小、矢量控制等高性能控制静态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点, 是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式, 在传动系统领域占据了主导位置, 在工业应用中远远超越了直流机电调速系统的应用, 并有逐渐取代直流调速的趋势.1.2异步电念头矢量控制原理矢量控制的基本思路是以发生相同的旋转磁动势为准则, 将异步电念头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, 以到达直流机电的控制效果.所谓矢量控制, 就是通过矢量变换和按转子磁链定向, 获得等效直流机电模型, 在按转子磁磁链定向从标系中, 用直流电念头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获得三相坐标系的对应量, 以实施控制.其中等效直流电念头模型如图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上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.矢量控制实现的基来源根基理是通过丈量和控制异步电念头定子电流矢量, 根据磁场定向原理分别对异步电念头的励磁电流和转矩电流进行控制, 从而到达控制异步电念头转矩的目的.具体是将异步电念头的定子电流矢量分解为发生磁场的电流分量和发生转矩的电流分量分别加以控制, 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为矢量控制方式.iii图1.1 异步电念头矢量变换及等效直流电念头模型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.m绕组相当于直流电念头励磁绕组, i sm相当于励磁电流, t相当于电枢绕组, i st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如图1.2所示.图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i sm和转矩分量i st, 转子磁链ψr仅由定子电流分量i sm发生, 而电磁转矩T e正比于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解耦.简化后的等效直流调速系统如图1.3所示.图简化后的等效直流调速系统2矢量控制理论矢量控制1.问题分析无论采用何种方式对异步机电进行调速控制, 其实质都是直接或间接控制机电的转矩.所谓异步机电的矢量控制, 实际上就是借鉴直流机电的转矩关系, 通过坐标变换的方法, 获得与直流机电转矩形式相似的异步机电解耦转矩表达式, 进而对其进行方便调节的控制方式.2.直流机电的转矩控制已知直流机电的转矩, 即T e =KΦI a =K’ I a I f (假设Φ∝I f ), 式中, K 、K’为比例系数；I a 为直流机电转子电枢电流, 单位为A ；I f 为定子励磁电流,单位为A ；Φ可认为是由定子励磁电流独自发生的气隙主磁通, 单位为Wb(忽略转子电枢电流的电枢反应).3.异步机电的转矩分析在定子三相绕组通以三相对称的交流电时, 发生一个以速度ω1旋转的空间磁场, 该磁场在转子绕组中感应出转子电流, 最终转子电流与空间磁场相互作用发生电磁转矩, 异步机电电磁转矩的表达式, 即T e =KΦm I 2 cosФ24.矢量控制原理参考直流机电中的解耦控制, 如果能够把异步机电的定子电流也分解为互相正交的磁场分量i d 和转矩分量i q , (这里的磁场分量和转矩分量分别对应于直流机电的励磁电流I f 及电枢电流I a ), 就可以获得异步机电另一种电磁转矩表达式, 即T C =Ki d i q 显然.如果以定子电流作为控制对象, 想法子获得相互解耦的i d 和i q , 则对定子电流的控制就可转化为对i d 和i q 的控制, 而i d 和i q 又是解耦的, 对i d 和i q 分别控制就可以像直流机电一样方便地控制电磁转矩, 这就是矢量控制, 下面分析整个解耦过程.三相静止坐标系到同步旋转坐标系下的转换矩阵VR , 即⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+----+-=212121)32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 32πθπθθπθπθθVR其反变换矩阵为：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+----=-1)32sin()32cos(1)32sin()32cos(1sin cos 1πθπθπθπθθθVR通过上述变换, 可将静止坐标系下的三相电流i a 、i b 、i c 等效地变换为旋转坐标下(与磁场同步旋转)的两相正交的电流i d 和i q ( i 0在三相对称情况下为0), 而i d 和i q 是互相解耦的, 最终可以实现类似于直流机电的解耦控制.而且d s -q s 和d r -q r 在空间的位置始终是重合的.可以将两相旋转坐标系下感应机电的磁链表达式、电压方程式及机电输出转矩和运动方程写为:磁链方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd φφφφ=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛r mrm m smsL L L L L L L L ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛rq rd sq sd i i i i电压方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-+--+=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd r s r dqr m m dqr r dqr r r m dqr m m mdqs s s s dqs m dqs m sdqs s s rq rd sq sd i i i i p L R L p L L L p L R L p L p L L p L R L L p L L p L R u u u u ωωωωωωωω转矩方程: T e =n p L m (i sq i rd –i sd i rq )以上关系说明, 选择转子磁链的空间矢量方向为M 轴方向进行定向, 并控制Ψm2的幅值不变, 可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间的解耦.这样控制转子转矩电流, 就能到达控制T 的目的.以磁场进行定向的M 轴与定子绕组a 轴间的夹角Ф可看做是从定子正面观测到的转子磁通位置, 它是一个空间变量, 需要通过磁通监测器或磁通运算回路监测出来.2.2异步机电的静态数学模型异步机电的静态数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统.在研究异步机电的多变量非线性数学模型时, 常做如下的假设：忽略空间谐波, 设三相绕组对称, 在空间中互差120°电角度, 所发生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；忽略磁路饱和, 认为各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略铁心损耗；考虑频率变动和温度变动对绕组电阻的影响.规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电念头惯例和右手螺旋定章.这时, 异步电念头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.1.电压方程.式中u A 、 u B 、 u C 、 u a 、u b 、u c ---定子、转子的各相电压瞬时值；i A 、 i B 、 i C 、i a 、i b 、 i c ---定子、转子的各相电流瞬时值；ψA 、 ψB 、 ψC 、 ψa 、 ψb 、 ψc ---各相绕组的全磁链；R s 、 R r --- 定子和转子绕组电阻；p ---微分算子.2.磁链方程.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, 六个绕组的磁链可表达为:或写成：Ψ=Li式中, L 是6×6电感矩阵, 其中对角线元素L AA 、L BB 、L CC 、L aa 、L bb 、L cc 分别为定转子三相绕组的自耦自感, 其余为定子相互间、转子相互间、定转子相互间的互感.3.转矩方程由机电能量转换原理, 电磁转矩T e 即是电流不变时磁场储能对机械角位移⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c b a C B A c b a C B A r rrsss c b a C B A p i i i i i i R R R R R R u u u u u u ψψψψψψ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c b a C B A cc cbcacCcBcAbc bb ba bC bB bA ac ab aa aC aB aA Cc Cb Ca CC CB CA Bc Bb Ba BC BB BA Ac Ab Aa AC AB AA c b a C B A i i i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ψψψψψψ的偏导数：式中：ω电角速度；θ电角度暗示的空间角位移；W m 磁场储能；n p 机电的极对数； θm 机械角位移.由上式可以推导得:T e =n p L ms [(i A i a +i B i b +i C i c )sinθ+(i A i a +i B i b +i C i c )sin(θ+120°)+(i A i a +i B i b +i C i c )sin(θ-120°)]4.运动方程一般情况下, 机电的转矩平衡方程式为：T L ——负载；J ——机电转轴或传动装置的转动惯量；D ——与转速成正比的阻转矩阻尼系数；K ——扭转弹性转矩系数.对恒定负载转矩, 可认为, D=0, K=0, 则：2.3 坐标变换感应机电的控制可以通过矢量的坐标变换来把感应机电的转矩控制等效为直流电念头的转矩控制.三相平衡的正弦电流i A , i B , i c 通到交流机电三相对称的静止绕组A 、B 、C 会发生旋转磁动势F , 在空间呈正弦分布, 并以同步转速ω1绕A---B---C---A 相序旋转.它的物理模型如图2.1a )所示.然而任意相平衡电流通入相应相的对称绕组均可以发生旋转磁动势, 其中以两相绕组最为简单, 两相静止绕组α和β, 它们在空间相差90°, 通以时间上相差90°的两相平衡电流也发生旋转磁动势F, 当图2.1a)和图2.1 b)发生的磁动势相等时, 认为图2.1a)中dtdwn J T T p L e +=θωωpp p L e n K n D dt d n J T T +++=⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=====m m e pmT T m d dW T n Lii i W dt d θθθθω21φ21的三相绕组和图2.1b)的两相绕组等效.图2.1 c)中的两个匝数相同的绕组d和q互相垂直.它们分别被通以直流电流i d和i q, 发生合成磁动势F, 令整个铁心以同步转速ω1旋转, 则磁动势F成为旋转磁动势, 如果将其年夜小和转速也控制成与图2.1 a)和图2.1 b)的旋转磁动势相同, 则这套旋转的直流绕组就和前面两套交流绕组等效.当观察者也站在铁心上和绕组一起旋转时, 在他看来, 绕组d和q 是两个通以直流电而相互垂直的静止绕组, 如果控制磁通Ф的位置在d轴上, 这就和直流机电模型没有什么区别了.a) b) c)图等效的交流电念头绕组和直流电念头绕组物理模型a)三相交流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组3矢量控制系统硬件设计矢量控制结构框图依照上述数学模型建立的矢量控制结构框图如实例图所示.图矢量控制结构框图为了实现对机电的矢量控制, 使机电满足一定的性能指标(稳定性、快速性和准确性), 并尽可能使仿真模型简化, 而采纳电流和转速负反馈控制方式.矢量控制系统的电流闭环控制方式思想图3.2为电流闭环控制后的系统结构图, 转子磁链环节为稳定的惯性环节, 对转子磁链可以采纳闭环控制, 也可以采纳开环控制方式；而转速通道存在积分环节, 为不稳定结构, 必需加转速外环使之稳定.经常使用的电流闭环控制有两种方法：一个是将定子电流两个分量的给定置*sm i 和*st i 施行2/3变换, 获得三相电流给定值.采纳电流滞环控制型PWM 变频器, 在三相定子坐标系中完成电流闭环控制.另一个是将检测到得三相电流施行3/2变换和旋转变换, 到达m t 坐标系中的电流sm i 和st i .采纳PI 调节器软件构成电流闭环控制, 电流调节器的输出为定子电压给定值*sm u 和*st u , 经过反旋转变换获得静止两相坐标系的定子电压*u α和*u β, 再经过SVPWM 控制逆变器输出三相电压, 其系统结构图如图所示.本次MATLAB仿真系统设计也是采纳的这种控制方法.⨯Jn p sti 电流闭环控制rm pL L n ⊗eT LT ωrψ*smi *sti ism1+T L rm -图3.2电流闭环控制后的系统结构图转子磁链计算i sαis β3/2变换旋转变换2s/2ri αiβ*ψ*ω⊗RA ψ*smi ⊗⊗ASR⊗反旋转变换2R/2S ACMRACTRSVP WM 控制M ~us *αus *βust*u sm*FBSi smistϕψrωiAiBist*图定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图3.3各个子系统模块1.定子电流励磁分量调节器（ACMR ）定子电流励磁分量调节器调节器ACMR .分别为1.12,10.输出限幅值为-300~300.如图3.4所示图3.4ACMR 模块2.定子电流转矩分量调节器(ACTR)如图3.5所示.图3.5ACTR模块3.转速调节器(ASR)如图3.6所示.图3.6ASR模块4.直角坐标到极坐标的变换模块（K/P模块）如图3.7所示.图3.7 K/P模块5.2s/2r变换在此设计中采纳了2s/2r变换, 如图3.8所示.图3.82s/2r变换3.4矢量控制的异步电念头调速系统模块如图3.9所示.图3.9矢量控制的异步电念头调速仿真模型交流异步电念头矢量控制系统如上图所示.其中, SVPWM用惯性环节等效取代, 若采纳实际的SVPWM方法仿真, 将年夜年夜增加仿真时间, 对计算机的运行速度和内存容量要求较高.转速、转子磁链和两个电流调节器均采纳带有积分和输出限幅的PI调节器, 两磁链psir a和psirb由电念头模型直接获得, 通过直角坐标变换（K/P变换）获得转子磁链的幅值和角度.4 Simulink仿真MATLAB/Simulink概述MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具.它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件, 被誉为“巨人肩上的工具”.MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言.它将计算、可视化和编程结合在一个易于使用的环境中, 此而将问题解决方案暗示成我们所熟悉的数学符号, 其典范的使用包括:数学计算、则的推导、型仿真和还原、据分析, 收集及可视化、技和工程制图、发软件, 包括图形用户界面的建立.MATLAB的名字象征着矩阵库.它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件, 其代表着艺术级的矩阵计算软件.Simulink是用于仿真建模及分析静态系统的一组法式包, 它支持线形和非线性系统, 能在连续时间、离散时间或两者的复合情况下建模.系统也能采纳复合速率, 也就是分歧的部份用分歧的速率来采样和更新.Simulink提供一个图形化用户界面用于建模, 用鼠标拖拉块状图表即可完成建模.在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型.相对以前的仿真需要用语言和法式来标明分歧的方程式而言有了极年夜的进步.可以在高层上统观系统, 然后双击模块来观看下一层的模型细节.这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用.在界说了一个模型后, 就可以进行仿真了, 用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入.菜单的共同性便于交互式工作, 固然命令行对运行仿真的分支是很有用的.使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果.4.2仿真参数经过不竭调试所得的各个参数如下.；；；；；； np=2； UN=380； fN=50； Tr=Lr/Rr；B=Lm^2； C=B/Ls/Lr； Rou=1-C；； Ki=100； Pisr=333；w=1004.3仿真结果以上数据为基础的前提下, 在Simulink中进行仿真结果如下图所示.图空载启动和加载定子电流励磁分量i sm(上)和转矩分量i st(下)仿真结果图转速w与转子磁链psir(下)仿真结果图电磁转矩Te的仿真结果仿真结果标明, 转子磁链pisr建立后, 基本坚持恒定, 不随转矩的变动而变动, 实现了转子磁链pisr和电磁转矩Te的解耦控制.5总结近年来, 由于电力电子器件、微处置器的发展和控制技术的进步, 对交流调速系统向全数字化发展发生了巨年夜的推举措用.本文从实际应用动身, 研究了异步电念头矢量控制系统的控制战略, 对矢量控制系统的转速估计、磁链观测进行了详细的理论分析、仿真以及实验研究.主要讨了异步机电的调速情况, 以及矢量控制的研究现状, 对基于矢量控制的异步电念头调速系统有了一个总体的了解；在磁场定向控制下, 建立了异步电念头的数学模型和仿真模型；通过矢量控制, 设计并建立了用于仿真的空间矢量脉宽调制模块, 并通过实验验证了输出结果和理论推导的一致性.通过这次设计, 我明显感觉到“书到用时方恨少”.在以后的生活中我会不竭地学习充分自己.在此要再次感谢我的指导老师, 感谢老师给我这样的机会熬炼.在整个设计过程中我理解了许多工具, 也培养了我自力工作的能力, 树立了对自己工作能力的信心, 相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响.参考文献[1]胡虔生、胡敏强 .机电学. 2005.北京：中国电力出书社.[2]李发海、朱东起.机电学.2007 .第四版. 北京：科学出书社.[3].2007.第二版.北京：科学出书社 .[4]陈伯时 .电力拖动自动控制系统：运动控制系统.第四版.北京：机械工业出书社.[10]张德丰. MATLAB/Simulink建模与仿真. 2009北京：电子工业出书社 .。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录摘要 (I)1绪论 (1)1.1交流调速技术概况 (1)1.2异步电动机矢量控制原理 (2)2矢量控制理论 (4)2.1矢量控制 (4)2.2异步电机的动态数学模型 (5)2.3坐标变换 (7)3矢量控制系统硬件设计 (9)3.1矢量控制结构框图 (9)3.2矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 (9)3.3各个子系统模块 (10)3.4矢量控制的异步电动机调速系统模块 (12)4 SIMULINK仿真 (13)4.1MATLAB/S IMULINK概述 (13)4.2仿真参数 (13)4.3仿真结果 (14)5总结 (16)参考文献 (17)摘要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。
本设计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。
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。
直接矢量控制就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。
并用MATLAB最终得到了仿真结果。
关键词：坐标变换；矢量控制；MATLAB/simulink1绪论1.1交流调速技术概况工农业生产、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。
过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。
但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前3000转/分左右的高速直流电机最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。
交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。
交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。
交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。
同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。
据统计，电机类的耗电量占企业总用电量的70%以上，因此电机节能对国家经济具有重要的意义，电气传动及其自动化技术是电气技术的重要组成，电力传动的技术发展水平也是体现国家科技水平的重要方面。
应用变频调速技术对电机进行节能技术改造，可以有效地节电量，取得很好的经济效益。
20世纪60年代以前的调速系统以直流机组及晶闸管构成的直流V-M系统为主。
随着80年代IGBT等新型电力电子器件及微机控制技术的发展，及以矢量控制为代表的各种交流调速理论的发展，也伴随着人们为解决能源危机的巨大科研投入，交流调速技术得到迅速发展。
交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美。
交流调速系统其结构简单、功率大、坚固耐用、惯量小、矢量控制等高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式，在传动系统领域占据了主导地位，在工业应用中远远超过了直流电机调速系统的应用，并有逐渐取代直流调速的趋势。
1.2异步电动机矢量控制原理矢量控制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，得到等效直流电机模型，在按转子磁磁链定向从标系中，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上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。
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和产生转矩的电流分量分别加以控制，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为矢量控制方式。
iii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。
m绕组相当于直流电动机励磁绕组，i sm相当于励磁电流，t相当于电枢绕组，i st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如图1.2所示。
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i sm和转矩分量i st，转子磁链ψr仅由定子电流分量i sm产生，而电磁转矩T e正比于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解耦。
简化后的等效直流调速系统如图1.3所示。
图1.3简化后的等效直流调速系统2矢量控制理论2.1矢量控制1.问题分析无论采取何种方式对异步电机进行调速控制，其实质都是直接或间接控制电机的转矩。
所谓异步电机的矢量控制，实际上就是借鉴直流电机的转矩关系，通过坐标变换的方法，得到与直流电机转矩形式相似的异步电机解耦转矩表达式，进而对其进行方便调节的控制方式。
2.直流电机的转矩控制已知直流电机的转矩，即T e =KΦI a =K’ I a I f (假设Φ∝I f )，式中，K 、 K’为比例系数；I a 为直流电机转子电枢电流，单位为A ；I f 为定子励磁电流，单位为A ；Φ可认为是由定子励磁电流单独产生的气隙主磁通，单位为Wb(忽略转子电枢电流的电枢反应)。
3.异步电机的转矩分析在定子三相绕组通以三相对称的交流电时，产生一个以速度ω1旋转的空间磁场，该磁场在转子绕组中感应出转子电流，最终转子电流与空间磁场相互作用产生电磁转矩，异步电机电磁转矩的表达式，即T e =KΦm I 2 cosФ24.矢量控制原理参考直流电机中的解耦控制，如果能够把异步电机的定子电流也分解为互相正交的磁场分量i d 和转矩分量i q ，(这里的磁场分量和转矩分量分别对应于直流电机的励磁电流I f 及电枢电流I a )，就可以得到异步电机另一种电磁转矩表达式，即T C =Ki d i q 显然。
如果以定子电流作为控制对象，想办法得到相互解耦的i d 和i q ，则对定子电流的控制就可转化为对i d 和i q 的控制，而i d 和i q 又是解耦的，对i d 和i q 分别控制就可以像直流电机一样方便地控制电磁转矩，这就是矢量控制，下面分析整个解耦过程。
三相静止坐标系到同步旋转坐标系下的转换矩阵VR ，即⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+----+-=212121)32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 32πθπθθπθπθθVR其反变换矩阵为：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+----=-1)32sin()32cos(1)32sin()32cos(1sin cos 1πθπθπθπθθθVR通过上述变换，可将静止坐标系下的三相电流i a 、i b 、i c 等效地变换为旋转坐标下(与磁场同步旋转)的两相正交的电流i d 和i q ( i 0在三相对称情况下为0)，而i d 和i q 是互相解耦的，最终可以实现类似于直流电机的解耦控制。
而且d s -q s 和d r -q r 在空间的位置始终是重合的。
可以将两相旋转坐标系下感应电机的磁链表达式、电压方程式及电机输出转矩和运动方程写为:磁链方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd φφφφ=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛r mrm m smsL L L L L L L L ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd i i i i电压方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-+--+=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛rq rd sq sd r s r dqr m m dqr rdqr r r m dqr m m mdqs s s s dqs m dqs m sdqs s s rq rd sq sd i i i i p L R L p L L L p L R L p L p L L p L R L L p L L p L R u u u u ωωωωωωωω转矩方程: T e =n p L m (i sq i rd –i sd i rq )以上关系说明，选择转子磁链的空间矢量方向为M 轴方向进行定向，并控制Ψm2的幅值不变，可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间的解耦。
这样控制转子转矩电流，就能达到控制T 的目的。
以磁场进行定向的M 轴与定子绕组a 轴间的夹角Ф可看做是从定子侧面观测到的转子磁通位置，它是一个空间变量，需要通过磁通监测器或磁通运算回路监测出来。
2.2异步电机的动态数学模型异步电机的动态数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
在研究异步电机的多变量非线性数学模型时，常做如下的假设：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；忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略铁心损耗；考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
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。