磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统
异步电机矢量控制可以转子磁链定向
在M-T坐标系上，磁链方程为
Ψms=Lsims+Lmimr Ψts=Lsits+Lmitr Ψmr=Lmims+Lrimr=Ψr Ψtr=Lmits+Lritr=0
（3） （4）
对于笼型转子异步电动机，其转子短路，端
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
Te CT r iqs
(1)
Te CT' idsiqs
(2)
式中 Ψr:正弦分布转子磁链空间矢量的峰值。
Ia
解耦
If
Ψa
Ia
Te CT f a CT' I f Ia If
正比关系,如果Ψr保持不变的话。
2.2 转子磁链模型
为了实现转子磁链定向矢量控制，关键是获
得实际转子磁链Ψr的幅值和相位角，坐标变换 需要磁链相位角（φ），转矩计算、转差计算等
需要磁链的幅值。但是转子磁链是电机内部的物 理量，直接测量在技术上困难很多。
在磁链计算模型中，根据所用实测信号的不 同，可以分为电压模型和电流模型两种。
2) 计算转子磁链的电流模型 根据磁链与电流的关系，由电流推算磁链，
称其为电流模型。
电流模型需要实测的电流与转速信号，优 点是：无论转速高低都能适用；但缺点是 都受电动机参数变化的影响。除了转子电 阻受温度和频率的影响有较大的变化外，
磁路的饱和程度也将影响电感Lm、Lr和Ls，
这些影响最终将导致计算出的转子磁链的 幅值和相位角偏离正确值，使磁场定向不 准，使磁链闭环控制性能降低。
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。
【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。
矢量控制学习心得体会
矢量控制学习心得体会这学期跟着严老师学习了运动控制这门课程，加深了对电机拖动在实例中的运用，而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。
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，虽然通过坐标变换可以使之降阶并简化，但并没有改变其非线性、多变量的本质。
因此，需要异步电动机调速系统具有高动态性能时，必须面向这样一个动态模型。
按转子磁链定向的矢量控制系统便是其中一种。
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，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的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统，简称VC系统。
在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图6-53中虚线框内的部分可以完全删去，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。
矢量变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。
在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置，对此是有选择余地的。
按照图6-53的矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时，可设置磁链调节器AψR 和转速调节器ASR分别控制ψr和ω，如图6-55所示。
电力拖动自动控制系统考纲及试题
电力拖动自动控制系统考纲及试题直流调速系统一判断题5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。
（Ⅹ）6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。
（Ⅹ）7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。
（√）9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。
（Ⅹ）13转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。
（Ⅹ）计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。
9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。
（Ⅹ）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。
（√）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。
（Ⅹ）16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。
二选择题2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）A0S1，输出功率低于输入功率BS0，输出功率高于输入功率C0S1，输出功率高于输入功率DS0，输出功率低于输入功率4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）Ａnn1，输出功率低于输入功率Bnn1，输出功率高于输入功率Cnn1，输出功率高于输入功率Dnn1，输出功率低于输入功率5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）A调速范围宽B控制性能受转子参数影响大C计算复杂D控制结构简单7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是A补偿定子电阻压降B补偿定子电阻和漏抗压降C补偿转子电阻压降D补偿转子电阻和漏抗压降8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，A开关频率高，B电流波形失真小C电流谐波分量高D电流跟踪精度高4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（）。
(完整word版)《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。
答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。
其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。
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
磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统
它继承了基于稳态模型转差频率控制系 统的优点，同时用基于动态模型的矢量控 制规律克服了它的大部分不足之处。下图 绘出了转差型矢量控制系统的原理图，其 中主电路采用了交-直-交电流源型变频器， 适用于数千kW的大容量装置，在中、小容 量装置中多采用带电流控制的电压源型 PWM变压变频器。
• 转差型矢量控制的交－直－交电流源变频调速系统
（2）定子电流励磁分量给定信号 i*sm 和转子磁
（3） i*sm和i*st 经直角坐标/极坐标变换器 K/P合成后，产生定子电流幅值给定信号 i*s 和相角给定信号 *s 。前者经电流调节器 ACR控制定子电流的大小，后者则控制逆 变器换相的时刻，从而决定定子电流的相位。 定子电流相位能否得到及时的控制对于动态 转矩的发生极为重要。极端来看，如果电流 幅值很大，但相位落后90°，所产生的转矩 仍只能是零。
（4）转差频率给定信号 *s 按矢量控制方程 Lmist 式 1 s 算出，实现转差频率控制 Tr r 功能。 由以上特点可以看出，磁链开环转差型矢 量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信 号确定，靠矢量控制方程保证，并没有实际 计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量 控制。
TA 矢量控制器 i*st Tr p+1 Lm i*sm i*s + K/P is ACR
s
* +
Lr * Te np Lm
ASR
UR
*r
*
Ld
CSI
Lm Tr
*s
1
+ +
1 + p + &#链开环转差型矢量控制系统原理图
• 系统的主要特点 （1）转速调节器ASR的输出正比于转矩给 定信号，实际上是 Lr * Te np Lm
第七讲异步电动机的矢量控制系统-吴学智
转子磁链定向矢量控制
i*sM i*sT
控制
i*sα MT
b
i*sβ
b
abc
i*a i*b i*c
变频器 ia
电流控制 ib 型变频器 ic
电机
a bc isα
b isβ
b isM
M T isT
电机 M-T轴 模型
cos φ sin φ
M2 2 LmiM1 LriM2 T2 LmiT1 LriT2 0
✓如果异步电机按转子磁场定向，即将MT同步旋转 坐标系中的M轴定在转子磁链方向，则定子电流is 可以沿M轴和T轴分解为励磁电流iM和转矩电流iT， iM产生转子磁链，iT产生电磁转矩。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓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）。
✓ 当矢量控制所用单位矢量和磁链是从电流指令值 和转速来计算得到时，被称为间接矢量控制，也 可称为磁通前馈矢量控制（Feedworward Vector Control），又称为转差频率矢量控制。
✓ 该控制器需要两个反变换，以 便控制电流i*sM和i*sT分别与 电机电流isM、isT相一致。
✓ 转子磁场定向是由坐标变换所 用单位矢量cosφ和sinφ来保证 的，正确的单位矢量是保证矢 量控制原理实现的关键。
cos φ sin φ
转子磁链定向矢量控制
➢从单位矢量获取方式上，矢量控制可以分为直接矢量 控制和间接矢量控制两大类。
cos φ sin φ
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
自动控制系统控制系统复习要点
运动控制系统复习要点一期末考试的题型与交流拖动控制系统比较，直流拖动控制系统是重点；考试内容各占50%左右。
而直流电机控制的要求则是掌握，是以计算，分析，证明题方式出现；交流的要求是了解和一般掌握，交流电机则以选择、判断、填空、简述的方式出现。
10级考试题型及分数分配1 判断题（15-20分，10~20小题）范围广，2 选择题（15-20分，10~20小题）范围广3 填空题（10分，10~20小题）内容深，细节区分3 设计题（10分，1小题）4 简述题（10-15分，3小题）5 设计题（10-15分，2小题）6 分析与计算题（15-20分，4小题）7 证明题(10-15分，2小题)二考试内容主要依据教材中的作业和例题和复习题。
三课程内容复习纲要直流拖动系统（掌握）控制系统课程贯穿着一个基本方法：理论联系实际来分析问题解决问题。
具体来说就是系统思想和模型化、工程化方法。
本书的基本结构是以学科历史发展过程或者说实际问题为逻辑起点，而一般的理论课程如物理、数学实际上是与科研实际过程相反的，以学习者的知识结构为逻辑起点，从定义、概念、定律再到定理。
这是因为理论的发展意味着概念的创新。
控制系统是一门技术理论课程，它是从技术角度来总结的。
正因为是技术角度出发的，具有综合性和实践性的特点。
所以对学习者来说，必须具备一定的实践基础和专业理论基础。
对初学者来说，表现出有一定的难度是不奇怪的，而且，每一部分内容都仅是打下基础，深入的细节方面的知识，需要更进一步地查阅其它书籍和资料，从另一方面来看，这也给大家留下了自学和实践的空间。
从电压平衡方程式，导出调速方法，从反馈控制原理和静态参数的要求导出闭环控制系统；从静态与动态性能的矛盾分析了P调节器和I调节器，发展到PI调节器；从单闭环的调速系统无法控制起、制动动态电流，导出了带饱和非线性的PI调节器构成双闭环的系统结构，而双闭环的结构可以说交直流电动机控制的基本结构；从单向开关的晶闸管不能实现反转和回馈制动导出了可逆系统结构，又从可逆系统引起的环流问题导出有环流和无环流控制策略；再从调压调速的限制和宽调速范围的要求引出带弱磁控制的非独立弱磁控制系统。
无速度传感器三电平异步电机矢量控制研究
（０ １ ．１ ２ １ Ｎｏ１）
无速度传感器三 电乎异步电机矢量控翩研究 矢量控制研 究
王峰 ，马 亮，王斌 ，何 广明
（ 中国矿业大学 信 息与电气Ｘ程 学院，江 苏 徐 州 ２ １ ０） － ． ２ ８ ０
摘 要： 为解决在 中高压领域无速 度传 感器矢量控 制速度辨识 差的缺 点，基 于三 电平 电压源 型逆
ｓｍ ｐ ｉ ｉ ｄ ＳＶＰ Ｍ ｌ ｏ ｉ ｍ ，ｔ ｅ ｓ ｎ ｏｒｅ ｓ ｖ ｃ ｏ ｏ ｔ ｏ ｉ ｌ ｔｏ ｎ ｕ ｔｏ ｉ ｌｆｅ Ｗ ａｇ ｒｔ ｈ ｈ ｅ ｓ ｌ ｓ ｅ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｏｆｉ ｄ ｃ ｉ ｎ ｍｏｔ ｒ ｆ ｄ ｂ ｈ ｅ — ｅ ｅ ｎ ｒ ｅ ｓ ｒ ａ ｉ ｅ ｏ ｙ ｔ ｒ ｅ ｌ ｖ ｌｉ ｖｅ ｔ ｒ ｗａ ｅ ｌｚ ｄ ｅ ｉ ａ ｌ ｂ Ｓｉ ｕ ｉ ｋ ｎ Ｍ ｔａ ／ ｍ ｌｎ ．Ｔｈ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｈａ ｏ ｔ ｔｃ ａ ｎ ｍ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｈ ａ ｉ ｔ ｈ ｅ ｓｍ ｌ ｔｏ ｅ ｕｌ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｙ ｔ ｍ ｓｇｏ ｄ ｓａ ｉ ｎｄ ｄｙ ａ ｃ ｐ ｒ ｏ ｍａ ｃ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｖ ｌ ｙ ｏｆｔ ｅ ｓ ｄｉ ｐ ｏ ｏ ｅ ｃ ｅ ｓａ ｓ ｏ ｅ ． ｒ ｐ ｓ ｄ ｓ ｈ ｍｅ ｉ ｌ ｏ ｐｒ ｖ ｄ Ｋ ｅ ｒ ：ｉ ｄ ｔｏ ｔ ｒ ｓ ｅ ｄ ｓ ｎ ｏ ｌ ｓ ；ｖ ｃ ｏ ｏ ｔｏｌ ｔ ｒ ｅ ｌ ｖ ｌｉ ｖ ｒｅ ；ｓｍｐｌ ｅ ＶＰＷ Ｍ ｌ ｏ ｉｈ ｙ ｗｏ ｄｓ ｎ ｕｃ ｉ ｎ ｍｏ ｏ ； ｐ ｅ ｅ ｓ ｒｅ ｓ ｅ ｔ ｒｃ ｎ ｒ ； ｈ ｅ —ｅ ｅ ｎ ｅ ｔ ｒ ｉ ｉ ｄＳ ｉ ｆ ａ ｇ ｒｔ ｍ
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
（1）α=β配合控制双闭环可逆直流调速系统制动过程，正组VF由整流状态进入本组逆变阶段时，反组 VR的工作状态变化为（）。
AA 待逆变状态变为待整流B 待逆变状态变为整流C 待逆变状态变为逆变（2）在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。
在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在（）。
: BA 有功功率的交换B 无功功率的交换C 视在功率的交换（3）异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是（）。
: BA 补偿定子电阻压降B 补偿定子电阻和漏抗压降C 补偿转子电阻压降D 补偿转子电阻和漏抗压降（4）下列异步电动机调速方法属于转差功率消耗型的调速系统是 DA 降电压调速B 串级调速C 变极调速D 变压变频调速（5）异步电动机的磁场( )供电产生。
AA 仅靠定子B 仅靠转子C 由定子与转子（6）下面哪项不是V-M系统的可逆线路（）。
AA 电枢正接可逆线路B 电枢反接可逆线路C 励磁反接可逆线路（7）下面选项中（）不是双闭环直流调速系统的起动过程的特点( )。
DA 饱和非线性控制B 转速超调C 准时间最优控制D 饱和线性控制（8）调速系统的静差率指标应以何时所能达到的数值为准 CA 平均速度B 最高速C 最低速D 任意速度（9）以下哪个不属于电力电子变压变频器（）CA 交一直一交变压变频器B 交一交变压变频器C 直-交-直变压变频器（10）电源动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。
同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。
当cosΦ=1.0 时( )。
BA 电枢铜损最大B 电枢铜损最小C 电枢铁耗最大（11）串级调速系统没有制动停车功能。
只能靠（）逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。
BA 增大β角B 减小β角C 增大铜耗（12）一下哪些是转速单闭环调速系统的基本特点( )。
BA 只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是无静差的。
电力拖动自动控制系统按转子磁链定向的矢量控制系统
29
它继承了第6.5.2节基于稳态模型转差频率控 制系统的优点，同时用基于动态模型的矢量 控制规律克服了它的大部分不足之处。图6-60 绘出了转差型矢量控制系统的原理图，其中 主电路采用了交-直-交电流源型变频器，适用 于数千kW的大容量装置，在中、小容量装置 中多采用带电流控制的电压源型PWM变压变 频器。
iA iB iC 3/2
i s
VR
ist
Tr Lm
s
+
1
+
1 p
i s
ism
Lm Tr p+1
r
图6-57 在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型
电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
18
和第一种模型相比，这种模型更适合于微 机实时计算，容易收敛，也比较准确。 上述两种转子磁链模型的应用都比较普遍， 但也都受电机参数变化的影响，例如电机温 升和频率变化都会影响转子电阻 Rr，从而改 变时间常数 Tr ，磁饱和程度将影响电感Lm 和 Lr，从而 Tr 也改变。这些影响都将导致磁 链幅值与相位信号失真，而反馈信号的失真 必然使磁链闭环控制系统的性能降低。
28
6.7.5 磁链开环转差型矢量控制系统—— 间接矢量控制系统
在磁链闭环控制的矢量控制系统中，转 子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，其幅 值和相位都受到电机参数 Tr 和 Lm 变化的影 响，造成控制的不准确性。 有鉴于此，很多人认为，与其采用磁链闭 环控制而反馈不准，不如采用磁链开环控制， 系统反而会简单一些。在这种情况下，常利 用矢量控制方程中的转差公式（6-135），构 成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控 制系统。
交流传动控制系统_6.
5
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把上述等效关系用结构图的形式画出来，便
得到下图。从整体上看，输入为A，B，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。
np Jp
Te
图3-54 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型
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按照图3-53的矢量控制系统原理结构图模仿 直流调速系统进行控制时，可设置磁链调节器 AR和转速调节器ASR分别控制r 和 ，如图 3-55所示。
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d r 1 Lm r ism dt Tr Tr Lm 0 (1 ) r ist Tr
2 dism Rs L2 R L usm Lm r r m r ism 1ist 2 dt Ls LrTr Ls Lr Ls
13
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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。
8
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第七章磁场定向矢量控制系统
第七章磁场定向矢量控制系统判断题1.不同电机模型彼此等效的的原则是在不同的坐标系下所产生的磁动势完全一致。
√2.矢量控制系统可以分为电压型和电流型，现代牵引传动系统中，电流型矢量控制系统应用最为普遍。
⨯3.低速情况下，采用电压模型法观测转子磁链性能比采用电流模型法好。
⨯4.转子磁链准确的检测与计算是进行矢量变换控制的前提。
√5.直接矢量控制系统是转速和磁链闭环控制的矢量控制系统。
√6.CRH2型动车组在低速时采用异步调制，高速时采用分段同步调制，弱磁控制采用单脉冲控制。
√7.间接矢量控制系统是转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统。
√8.转子磁链观测模型中电流模型比较适用于微机数字控制。
⨯9.在电传动系统中，电机是实现机电能量转换的主体。
√10.转子系统与静止系统之间的变换是一种旋转变换，而不是静止的三相/两相变换。
√11.矢量控制是以定子磁链的矢量来定向的。
⨯12.电机转子时间常数会随着转子绕组温度而变化。
√13.德国的BR152电力机车采用的是间接矢量控制方式。
⨯14.一般情况下，我们希望电动机工作在额定满磁场的状态。
√15.直接转矩控制方式比矢量控制方式具有更优良的动、静态性能。
√选择题1.我国CRH2型动车组采用的控制策略是______（B）A. 恒压频比控制策略B. 转子磁场定向间接矢量控制策略C. 转子磁场定向直接矢量控制策略D. 直接转矩控制策略2.下面几种异步电机控制方式中，属于智能控制的是______（C）A. 恒压频比控制B. 直接转矩控制C. 人工神经网络控制D. 矢量控制3.下面几种转子磁链观测的方法中，哪一种是在两相旋转坐标系上实现的（D）A. 电压模型法B. 电流模型法C. 电压—电流模型法D. 根据指令电流和转速检测值计算磁链法4.在电压—电流转子磁链观测模型中，没有用到的信号是______（B）A. 定子电流信号B. 转子电流信号C. 定子电压信号D. 转速信号5.下列车型中，采用间接矢量控制的是______ （A）A. CRH2型动车组B. 德国BR152电力机车C. 奥地利1012电力机车D. CRH3型动车组6.在电力牵引交流传动电力机车和高速动车组上，异步牵引电动机控制方法经历了几个发展过程。
矢量控制ppt课件
cos
C 2r/3S 2 3 c co os s(( 1 12 20 0o o))
sin
sin(120o)
sin(120o)
四、转子磁链定向的坐标系
实践证明：当将d轴轴线控制在电动机的转子磁链矢 量的方向上，得到的异步电动机的数学模型相对简单。异 步电动机矢量控制基于的数学模型就是采用这种按转子磁 场定向、同步旋转的Ｍ、Ｔ坐标系所导出的模型。
六、异步电机两种矢量控制方法
矢量变换控制的数学依据是坐标变换，坐标变换需
要转子磁链方向角(定向相位角) 。如何获得转子磁链方
向角，即单位矢量是问题关键。 目前存在两种矢量控制方法，一种是Blaschke 发明
的直接法或反馈法，另一种是Hasse 发明的间接法或前 馈法。二者的本质区别在于单位矢量是如何产生的。
矢量控制
一、矢量控制的由来
直流电动机的磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，所以
它的的数学模型简单，具有良好的转矩控制特性；而异步电动机的数学
模型由于多变量、非线性、强耦合的原因，控制要复杂得多，其转矩控
制特性很差。u
i
(R+Lp)-
L
1
er
1(
1 )
2( )
TL Te
np
Jp
图1 异步电机的多变量、强耦合模型结构
ist
s 1
++
1 p
iB iC
3/2
VR
is
ism
Lm
Tr Lm
r
Tr p+1
图8 在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型
（b) 基于电压模型的转子磁链观测
根据电压方程中感应电动势等于磁链变换率的关系，取电动势的 积分就可以得到磁链，这样的模型叫做电压模型。 优点：受电动机参数变化的影响较小，而且算法简单，便于应用。 缺点：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。
异步电机间接矢量控制系统的仿真
ｔ
Ｌｍ ｐ
∞ｓ ＲｒＬｒ Ｌｒ ＋ ｐ
ｌｔ ｒ
磁链方程 ：
ｓｍ
Ｚ ｍ ｓ
●
ｔ
ｒ ｍ
１ｔ ｓ
●
Ｚｍ ｒ
●
（） ３
电机转 子短路可知 ， ｒ＝ ， ｒ ０ 代入三相异 Ｕ ０ Ｕ ， ： 步 电机在 同步旋 转坐标系的数学模型再 结合式
（ ） 以得 到 ： ６可
当转 子磁链定向时，
程式 ［： ］
ｅ 门 一 ｔｒ ｐ ／￣ ＝ ‘ ｓ Ｌ ｉ ｍｓ ｔ
＝
＝， Ｏ 将其代
式中：Ｕｍ Ｈｔ ＿ 、 定子电压的励磁分量和转矩分 ｓ —
量；
入 式 （ ） 式 （） 可 以得 到异 步 电机 矢 量控 制 方 ２～ ４ ，
盯 漏 磁 系数 （ １ ＬＬ） 一 ＝ 一 ／ 。 Ｌ
间 接 矢 量 控制 系 统 结 构 简单 ， 路清 晰 ， 思 所 节 器 参 数 ： 分增 益 为０１ 、 积 ．５ 比例 增 益 为４ ０ ０ 。电 能 获 得 的 动 态 性 能 基 本 可 以达 到 直 流 双 闭环 的 水平。间接 矢 量控 制 系统 Ｍ 、 坐 标 的定 向是 由给 Ｔ
提高调速系统动态性能 主要 依靠控制转速
变 化 率 ｄｏｄ。根 据 基 本运 动 方 程 式 ， 制 电磁 ｃ ／ｔ 控
统， 但在磁链 闭环 的矢量控制系统 中， 转子磁链
．
转矩 就能控制ｄ￣ ｔ 因此 ， ｏ ｄ。 ／ 归根结底 ， 调速 系
３ ０．２ １ 第 ３期 《 机 技 术 》 ０ ２年 电
换器， 此模块取代了传统 间接矢量控制 系统电流
控 制 转 向 电压 控 制 的Ｐ调 节器 。 用 电流 电压 变 Ｉ 采
一种改进的转差型矢量控制系统
1引言
传统的基于转子磁链闭环控制的矢量控制系统中，转子磁链幅值和位置信号均由磁链模型计算获得，都受到电机参数 和 变化的影响，造成控制不准确。对负载的响应是通过转速闭环来调节电流转矩分量来调节，这种控制作用相对比较滞后，对负载扰动反映较慢。采用传统的磁链开环控制方式，磁链和电流转矩分量给定值与实际值存在差异,影响系统性能，同样也存在对负载扰动的响应滞后的现象。针对以上控制方式的不足，设计了一种改进型的转矩闭环磁链开环转差型矢量控制系统。
2．mt坐标系中的状态方程和控制系统的设计
(2-1)
(2-2)
(2-3)
(2-4)
由式（1）得 (2-5)
由
得到mt坐标系的旋转角速度
转差角频率为:
(2-6)
mt坐标系中的电磁转矩表达式为：
(2-7)
把式(6)代入式(7)得
(2-8)
由运动方程 得电磁转矩与角速度的变化率成线性关系，可以设置速度PI调节器ASR。输入是转速误差 ，输出是转矩，将其作为下个环节的给定 。由式 ,其中 是机电时间常数，在稳定状态时定子磁链保持恒定，其它与电机相关的参数都为常数，因此动态转矩的变化取决于转差角频率,在稳态时呈线性关系如式(2-8)。因此可以设计PI转矩调节器，它的输入是转矩误差 ，输出是转差频率，用做下个环节的给定 .由式(2-7)可以设计转矩调节器ATR，输入是转矩误差 ，输出是 ,作为电流转矩分量的给定。由式(2-3)和式(2-4)，设计电流励磁分量调节器ACMR和电流的转矩分量体调节器ACTR。改进后的转矩闭环磁链开环转差型矢量控制系统如下:
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（2）定子电流励磁分量给定信号 i*sm 和转子磁
（3） i*sm和i*st 经直角坐标/极坐标变换器 K/P合成后，产生定子电流幅值给定信号 i*s 和相角给定信号 *s 。前者经电流调节器 ACR控制定子电流的大小，后者则控制逆 变器换相的时刻，从而决定定子电流的相位。 定子电流相位能否得到及时的控制对于动态 转矩的发生极为重要。极端来看，如果电流 幅值很大，但相位落后90°，所产生的转矩 仍只能是零。
TA 矢量控制器 i*st Tr p+1 Lm i*sm i*s + K/P is ACR
s
* +
Lr * Te np Lm
ASR
UR
பைடு நூலகம்
*r
*
Ld
CSI
Lm Tr
*s
1
+ +
1 + p + +s
FBS
M 3~
磁链开环转差型矢量控制系统原理图
• 系统的主要特点 （1）转速调节器ASR的输出正比于转矩给 定信号，实际上是 Lr * Te np Lm
它继承了基于稳态模型转差频率控制系 统的优点，同时用基于动态模型的矢量控 制规律克服了它的大部分不足之处。下图 绘出了转差型矢量控制系统的原理图，其 中主电路采用了交-直-交电流源型变频器， 适用于数千kW的大容量装置，在中、小容 量装置中多采用带电流控制的电压源型 PWM变压变频器。
• 转差型矢量控制的交－直－交电流源变频调速系统
（4）转差频率给定信号 *s 按矢量控制方程 Lmist 式 1 s 算出，实现转差频率控制 Tr r 功能。 由以上特点可以看出，磁链开环转差型矢 量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信 号确定，靠矢量控制方程保证，并没有实际 计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量 控制。
由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量 给定信号 i*st 和转差频率给定信号*s，其关 系为
Lr i Te* np Lm r
* st
Lm * ist Tr r
* s
二式中都应除以转子磁链 r ，因此两个 通道中各设置一个除法环节。
链给定信号*r 之间的关系是靠式 ism Tr p 1 r Lm 建立的，其中的比例微分环节 Tr p + 1 使 ism 在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际 磁通的滞后。
磁链开环转差型矢量控制系统—— 间接矢量控制系统
在磁链闭环控制的矢量控制系统中， 转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的， 其幅值和相位都受到电机参数 Tr 和 Lm 变 化的影响，造成控制的不准确性。 有鉴于此，很多人认为，与其采用磁链 闭环控制而反馈不准，不如采用磁链开环 控制，系统反而会简单一些。在这种情况 下，常利用矢量控制方程中的转差公式， 构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢 量控制系统。