异步电机电流内模解耦控制系统分析与仿真_蒋卫宏
异步电机反馈线性化解耦控制
ｗａ ｅ ｌ ｅ ， ｅｓ ｓｅ ｓ ｏ ｏ ｄｄ ｎ ｍｉ ｎ ｔｔ ｅｆ ｒ ａ ｃ ｓ ｓ ａｉ ｄ ｔ ｙ ｔｍ ｈ ｗｓ ｏ ｙ ａ ｃａ ｄｓａｉ ｐ ｒｏｍ ｎ ｅ ． ｒ ｚ ｈ ｇ ｃ
Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｙ ｃ ｏ ｏ ｓ ｏ ｏ ； ｅ ｄ ａ ｋ ｌ ｅ ｒｚ ｔ ｎ ｄ ｃ ｕ ｌ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌ ｐ ｌ ｓ ｉ ｎ ｅ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ： ｓ ｈ ｎ ｕ ｔ ｒ ｆ ｅ ｂ ｃ ｎ ａ ｉａ ｉ ； ｅ ｏ ｐ ｉ ｏ ｔ ， ｏ ｅ ａ ｓｇ ｎ ｒ ｍ ｉ ｏ ｎ ｏ ｍ ｎ
１ 引言
实现 异步 电机高 性能 控 制 的关 键 是对 其 时变参 数 的准 确识 别 和获得 转 速 、磁 链 两个 子 系统 间 的完 全解
性 能 ，满 足预 先所 期望 的要 求 。仿 真 研究 表 明 ，这种
处理方案达到了期望效果 ，证卖了该方案在理论上的
正 确 性 ，并具 有 可行性 。
ｌ ｅ ｒｚ ． ｗｏ ｓ ｐ ａｅ ２ ｏ ｄ ｒｒ ｔ ｒｆ ｘ ａ ｄ ｒ ｔ ｒｓ ｅ ｄ ｓ ｂ ｙ ｔ ｍｓａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｆ ｒ ｈ ｒ ｒ ， ｉ ａ ｉ ｅｉ Ｔ ｅ ａ ｔ ． ｒ ｅ ｏ ｏ ｕ ｎ ｏ ｏ ｐ ｅ ｕ ｓ ｓｅ ｒ ｓ ｎ ｅ ｕ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｎ ｔ ｒ ｌ ｒ ｔ ｅ ｉ ｐ ｔｏ ｔ ｕ ｆｔ ｅ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒ ｓ ｓｅ ｗａ ｉ ｅ ｒ ｅ ． ｈ ｎ ａ ｉｅ ｙ ｔ ｍ ｓＣ ｅ ｈ ｎ ｕ — ｕ ｐ ｔｏ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｍｏ ｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｌ ａ ｉ ｄ Ｔ ｅ ｌ ｅ ｒｚ ｄ ｓ ｓ ｈ ｎ ｚ ｉ ｅ ａ ｂ ｎ ｓ ｌ ｅ ｔ ｅｌ ｅ ｔｍ ｔ ｔ ａ ｉｂ ｅｆ ｅ ｂ ｃ ｏ ｅ ａ ｓｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ． ｎ ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｔ ｅ ｏ ｖ ｄ ｗｉ ｔ ｎ ａ ｓ ｅ ｓａ ｅｖ ｒａ ｌ ｅ ｄ ａ ｋ ｐ ｌ ｓ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｉ ｉ ｌ ｔ ， ｈ ｈ ｈ ｉ ｒ ｙｓ ｔ ｙ ｈ ｏ ｓ ｅ ｄ ｋ ｅ ｓ ｃ ｎ ｔ ｎ ｉ ｌ ｈ ｏ ｏ ｕ ｈ ｎ ｅ ． ｈ ｙ ａ ｃｄ ｃ ｕ ｌ ｇ ｏ ｅ ｔ ｏ ｓ ｂ ｙ ｔｍ ｓ ｐ ｅ ｅ ｐ ｏ ｓａ ｔＷｈ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒｆ ｘ ｃ ａ ｇ ｓ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｅ ｏ ｐ ｉ ｆｍ ｌ ｎ ｗ ｕ ｓ ｓｅ
实际交流伺服运动控制系统数学模型及仿真分析
实际交流伺服运动控制系统数学模型及仿真分析1.引言实际交流伺服运动控制系统广泛应用于工业自动化领域，具有快速响应、高控制精度等优点。
为了设计和优化控制系统，需要建立准确的数学模型，通过仿真分析来评估系统性能。
本文将介绍实际交流伺服运动控制系统的数学模型建立方法，并进行仿真分析。
2.实际交流伺服运动控制系统数学模型建立2.1电机模型电机模型是实际交流伺服运动控制系统的核心部分。
常用的电机模型有电压方程模型和电流方程模型。
2.1.1电压方程模型根据电机的电压方程可以得到如下控制方程：\[u(t) = Ri(t) + L\frac{{di(t)}}{{dt}} + e(t)\]其中，\(u(t)\)为电机输入电压，\(R\)为电机电阻，\(L\)为电机电感，\(i(t)\)为电机电流，\(e(t)\)为电动势。
2.1.2电流方程模型根据电机的电流方程可以得到如下控制方程：\[L\frac{{di(t)}}{{dt}} = u(t) - Ri(t) - e(t)\]2.2传动系统模型传动系统模型描述了电机输出转矩和负载转矩之间的关系。
常见的传动系统模型有惯性模型和摩擦模型。
2.2.1惯性模型惯性模型用转动惯量和角加速度来描述传动系统的动态特性。
通常可以使用如下方程来建立惯性模型：\[J\frac{{d\omega(t)}}{{dt}} = T_{in}(t) - T_{out}(t)\]其中，\(J\)为传动系统的转动惯量，\(\omega(t)\)为转速，\(T_{in}(t)\)为电机输出转矩，\(T_{out}(t)\)为负载转矩。
2.2.2摩擦模型摩擦模型描述了传动系统中的摩擦现象，常常包括静摩擦和动摩擦。
常用的摩擦模型有线性摩擦模型和非线性摩擦模型。
2.3控制器模型控制器模型是实际交流伺服运动控制系统的闭环控制模型。
常用的控制器模型有比例积分微分（PID）控制器和模糊控制器。
3.仿真分析建立完实际交流伺服运动控制系统的数学模型后，可以使用仿真软件（如MATLAB/Simulink）进行仿真分析。
基于电流解耦的异步电机V_F控制补偿方法_罗慧
第35卷第10期2007年 10月华中科技大学学报(自然科学版J.H uazhong U niv.o f Sci.&T ech.(N ature Science Editio nV ol.35N o.10 O ct. 2007收稿日期:2006-07-20.基于电流解耦的异步电机V/F 控制补偿方法罗慧王庆义尹泉万淑芸(华中科技大学控制科学与工程系,湖北武汉430074摘要:针对异步电机恒压频比(V/F控制低速性能不理想的问题,提出了一种新颖的定子电阻压降的补偿方法.该方法在对定子电流进行解耦的基础上,根据异步电机低频运行时简化的等值电路和矢量图,采用一种基于力矩电流的标量补偿方法对定子电阻压降进行补偿,并结合转差频率补偿,以实现电机低频时的自动转矩提升.该方法有效改善了异步电机V/F 控制时的低速性能,保证低频运行时依然能获得额定磁通和相应的转矩.基于Saber 软件的仿真结果表明:采用补偿方法后,电机能够带额定负载稳定运行在2H z 工况下,电机的带负载能力有明显的提高,补偿后的机械特性略有上扬.关键词:异步电机;恒压频比控制;转差频率补偿;定子电阻压降补偿;定子电流解耦中图分类号:T M 301.2 文献标识码:A 文章编号:1671-4512(200710-0060-04A study on compensation of the V/F controlled induction motordrives based on decoupled stator currentL uo H ui Wang Qiny i Yin Quan Wan S huy un(Department of Co ntr ol Science and Engineering ,H uazhong U niversity o fScience and T echno lo gy ,Wuhan 430074,ChinaAbstract :A novel compensation metho d for the current -resistant stator voltage drop is presented in the paper to improve the perform ance o f the V/F controlled induction motor drives.Accor ding to the simplified per phase equivalent cir cuit and vector diag ram of inductio n mo to r in low frequency ,the slip frequency and current -resistant stator voltage dr op are estimated and compensated based on flux and to rque co mpo nent of the stator current in the rotor -flux oriented reference frame to bo ost the torque and keep the stato r flux constant.T he compensation m ethod can im pro ve the per for mance of the V/F controlled inductio n m otor drives in low frequency reg ion.The sim ulation result show s that,by using the proposed method,the speed can be contro lled dow n to 2H z w ith full load torques.Key words :induction mo to r;V/F (voltage/frequency control;slip com pensation;stato r resistancecompensation;stator curr ent decouple与矢量控制[1~3]相比,恒压频比(V/F控制具有简单、可靠、低成本等优点,在交流调速领域得到广泛的应用.但是传统的V/F 控制在低频运行时,由于受到定子电阻压降、转差频率和死区等因素的影响,会导致气隙磁通幅值变小、电机带负载能力差、稳态精度低等问题.本文提出了一种新颖的基于定子电流解耦的补偿方法,可有效地改善异步电机V/F 控制时的低速性能.基于Saber平台的半物理仿真结果证明,采用该补偿策略可以获得良好的低速带负载能力.1 整体控制方案本文提出的整体方案如图1所示.系统在传统V/F 控制的基础上加入了3种补偿:转差频率补偿、定子电阻压降补偿和死区补偿[4].图1系统整体结构框图图1中,X*r是给定转子转速;^X sl是估算的转差频率;X e是同步角频率;T^e是估算转矩;i s d和i s q分别是励磁电流和力矩电流;E*s是定子反电动势的给定值;U b 是补偿电压;H e是同步角;U s 和I s分别是定子电压矢量和定子电流矢量;U*s A 和U*s B分别是给定电压的静止坐标系轴分量.2转差频率补偿异步电机运行时,为了产生足够的转矩以驱动负载,必须产生转差频率X sl.额定工况时,转差频率约为额定频率的1%到5%.V/F控制时,电机若运行在中高频率段,与同步频率X e相比,则转差频率X sl很小,可以忽略不计;电机若运行在低频率段,转差频率X sl与同步频率X e相比,则转差频率X sl不能被忽略,必须进行补偿,否则电机带载启动时会堵转.本文在分析电机动态模型的基础上,提出了一种基于估算转矩T^e和励磁电流i s d的转差频率补偿策略.在转子磁场定向的同步旋转d-q坐标系内,转差频率X sl和电磁转矩T e之间的关系可表示为T e=(n p/R rL2m i2s d X sl,式中:n p为极对数;R r为转子电阻;L m为互感.由此,转差频率估算值^X sl可以表示为^X sl=T e R r/(n p L2m i2s d.为估算转差频率^X sl,还需要估算电磁转矩T e和励磁电流i s d.电磁转矩估算值T^e=(3n p/ 2(W s A i s B-W s B i s A,式中i s A,i s B和W s A,W s B分别为定子电流和定子磁链在静止A-B坐标系中的投影量,W s A=Q(u s A-R s i s Ad t,W s B=Q(u s B-R s i s Bd t,其中:R s为定子电阻;u s A,u s B为定子端电压在静止A-B坐标系中的投影量.为了克服纯积分的直流漂移问题,采用文献[5]提出的基于坐标变换的双限幅积分器.要将定子电流解耦为励磁电流i s d和力矩电流i s q,必须将同步旋转d-q坐标的d轴定向在转子磁链矢量W r上.为了估算转子磁链角H Wr的正、余弦值,先要估算转子磁链W r A=(L r/L m[W s A-R L s i s A];W r B=(L r/L m[W s B-R L s i s B],式中:L s和L r分别为定子电感和转子电感;漏感系数R=1-L2m/(L s L r.然后就可估算转子磁链角H Wr的正、余弦值:co s H Wr=W r A/(W2r A+W2r B1/2;sin H Wr=W r B/(W2r A+W2r B1/2.定子电流i s A,i s B经过Park变换,就可求出励磁电流i s d和力矩电流i s q,即i s d=i s A co s H Wr+i s B sin H Wr;i s q=-i s A sin H Wr+i s B cos H Wr.求出T^e和i s d后,就可以估算出^X sl.由于V/ F控制属于开环控制,对快速性要求不高,因此对所有的直流量,如T^e,i s d,i s q和^X sl都引入了低通滤波器,以消除高频抖动.3定子电阻压降补偿通常有两种补偿定子电阻压降的方法:矢量补偿和标量补偿.矢量补偿是按照物理量之间的三角关系来计算定子电压给定值的[6],从幅值和相角两方面来修正定子电压.矢量补偿虽然准确,但是定子电流矢量和定子电压矢量之间的夹角不易获得,且计算复杂,难以实现.标量补偿只修正定子电压矢量的幅值,即U s=E*s+U b,式中:E*s 是定子反电动势的给定值,由频率给定值和压频比相乘产生;U b是电压幅值的补偿量,通常令U b=I s R s.但工程实践表明这种补偿方法容易导致磁通饱和,电流增大,而电机的带负载能力没有明显提高,尤其当负载突降时,定子磁通饱和现象更明显,所以这种标量补偿策略容易导致过补偿.本文提出了另外一种新颖的标量补偿策略,即U s=E*s+U b=E*s+R s i s q,式中i s q是定子电流解耦后的转矩电流.由于当磁#61#第10期罗慧等:基于电流解耦的异步电机V/F控制补偿方法链恒定时,转矩电流与负载转矩成正比,即T e =n p (L m /L r W r i s q ,因此这种基于转矩电流的补偿方法是一种前馈补偿.图2(a是异步电机的单相等值电路,图2(b图2 异步电机等值电路和矢量图是同步旋转坐标系内对应的矢量图[7,8],d 轴位于转子磁链矢量W r 上.当电机运行在极低的频率时,转子漏感对应的反电动势E r l 很小,可忽略不计,所以图2可以简化为图3.图3(a为异步电机低频运行时单相等值电路图,图3(b为简化后的电路和矢量图.由图3(b可见,气隙反电动势图3 异步电机低频运行时简化后的等值电路和矢量图E m 与转矩电流i sq 同向,所以采用本文所提出的定子电阻压降补偿策略,可以直接补偿气隙反电动势E m ,从而保证气隙磁链恒定.4 仿真结果利用Saber 软件对上述方案进行了半物理系统仿真.仿真所用的电机参数为:额定功率2.2kW,4极,50H z,线电压380V,定子电阻2.8048,转子电阻2.1788,定子自感330mH ,转子自感330m H ,定转子互感319.7m H ,转动惯量0.03kg #m 2.首先,对传统的V/F 控制策略进行了仿真.图4是给定频率为2H z 、电机带额定负载15N #m 启动的仿真结果.由图4可知,转子角速度稳定在0.019rad/s,接近于零,分析原因如下:电机的额定磁通约为1Wb,而低频时磁通降低到约0.5Wb,如图4所示,仅为额定磁通的50%.因为,电机的输出转矩为磁通矢量与电流矢量的叉乘,所以仅采用传统的V/F 控制策略,无法获得理想的低速带负载能力.图4 传统V/F 控制时,电机带额定负载运行(给定频率2H z仿真波形但经过一个周期的调节,磁通幅值很快又回复到额定值,转子转速稳定在7.8r ad/s(即2.48H z.仿真结果表明:采用本文提出的补偿方法后,即使目标频率为2H z,电机也能够带额定负载稳定运行,电机的带负载能力有明显的提高,补偿后#62# 华中科技大学学报(自然科学版第35卷图5采用本文提出补偿方法的V/F控制时,电机带额定负载运行仿真波形的机械特性略有上扬.总而言之,该方法具有调速范围广,输出转矩大、实现简单等优点.参考文献[1]Blaschke F.T he principle of field or ientatio n as a p-plied to the new tr ansv ecto r clo sed loo p contro l sys-tem fo r r otating-field machines[J].Siemens Review, 1972,34(5:217-220.[2]闵松,罗慧,万淑芸.基于有监督单神经元的交流调速控制算法研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,2002,30(10:72-74.[3]赵金,万淑芸,何顶新.基于模糊逻辑的感应电动机直接矢量控制系统[J].华中科技大学学报:自然科学版,2004,32(6:49-51.[4]L eg g ate D,K erkman R J.P ulse based dead t imeco mpensator for PW M voltage inver ters[J].IEEE T r ans Ind Electronics,1997,44(2:191-197.[5]H u J,Wu B.New integr atio n algo rithms fo r estima-t ion mot or flux over a w ide speed range[J].IEEE T r ans Po wer Electron,1997,13(5:969-977. [6]A lfr edo M G,Lipo T A,No vot ny D W.A new in-duct ion mo tor V/F contro l method capable of hig h-per for mance regulation at low speeds[J].IEEE T r ans Ind A pplicat,1998:34(4:813-821.[7]Bo se B K.M odern pow er electr onics and A C drives[M].Beijing:China M achine P ress,2002.[8]陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M].北京:国防工业出版社,1991.#63#第10期罗慧等:基于电流解耦的异步电机V/F控制补偿方法。
三相异步电动机仿真设计
摘要对异步电动机的数学模型进行综合分析，分析异步电动机按两相静止和转子磁场定向分解的数学模型，然后用Matlab/Simulink 仿真软件包括建立异步电动机仿真模型，并给出仿真结果。
关键词：Matlab/Simulink 异步电动机状态方程目录前言 (1)1 异步电动机动态数学模型 (2)1.1电压方程 (2)1.2磁链方程 (3)1.3转矩方程 (5)1.4运动方程 (6)2 坐标变化和变换矩阵 (7)2.1三相--两相变换（3/2变换） (7)3 异步电动机仿真 (8)3.1异步电机仿真框图及参数 (8)3.2异步电动机的仿真模型 (10)4 仿真结果 (14)5 结论 (15)参考文献 (16)前言随着电力电子技术与交流电动机的调速和控制理论的迅速发展,使得异步电动机越来越广泛地应用于各个领域的工业生产。
异步电动机的仿真运行状况和用计算机来解决异步电动机控制直接转矩和电机故障分析具有重要意义。
它能显示理论上的变化,当异步电动机正在运行时,提供了直接理论基础的电机直接转矩控制(DTC),并且准确的分析了电气故障。
在过去,通过研究的异步电动机的电机模型建立了三相静止不动的框架。
研究了电压、转矩方程在该模型的功能,同相轴之间的定子、转子的线圈的角度。
θ是时间函数、电压、转矩方程是时变方程这些变量都在这个运动模型中。
这使得很难建立在αβ两相异步电动机的固定框架相关的数学模型。
但是通过坐标变换,建立在αβ两相感应电动机模型框架可以使得固定电压、转矩方程,使数学模型变得简单。
在本篇论文中,我们建立的异步电机仿真模型在固定框架αβ两相同步旋转坐标系下,并给出了仿真结果,表明该模型更加准确地反映了运行中的电动机的实际情况。
1 异步电动机动态数学模型在研究三相异步电动机数学模型时，通常做如下假设 1) 三相绕组对称，磁势沿气隙圆周正弦分布；2) 忽略磁路饱和影响，各绕组的自感和互感都是线性的； 3) 忽略铁芯损耗4) 不考虑温度和频率对电阻的影响异步电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。
交流异步电动机矢量控制调速系统设计
目录摘要I1绪论11.1交流调速技术概况11。
2异步电动机矢量控制原理22矢量控制理论42.1矢量控制42.2异步电机的动态数学模型52.3坐标变换73矢量控制系统硬件设计93。
1矢量控制结构框图93.2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103.4矢量控制的异步电动机调速系统模块124 SIMULINK仿真134.1MATLAB/S IMULINK概述134。
2仿真参数134。
3仿真结果145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。
三相异步电动机解耦控制仿真
三相异步电动机解耦控制仿真摘要： 关键字：引言异步电动机具有结构简单、制造容易、功率容量大、维护工作量小等优点，但要获得良好的动态性能却比直流电动机困难得多，随着科学技术的发展，交流传动取代直流传动已经成为不争的事实。
本文论述了电力传动系统的根本控制规律，推导了异步电动机按转子磁链和按定子磁链定向的动态数学模型，根据模型的特点，分析了矢量控制与直接转矩控制两种高动态性能交流调速系统的控制方法。
2 三相异步电动机的耦合3 三相异步电机解耦控制传递函数状态数学模型（1）三相静止坐标系到同步旋转坐标系下的转换矩阵VR ，即⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++=21 21 21)32sin(- ) 32-sin(- sin -) 32cos( )32-cos( cos θπθθπθπθθVR 其反变换矩阵VR -1为⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++-=- 132sin 32cos 132sin 32cos 1sin cos 1ππ) (θ - ππ) (θ π) (θ-π) (θ θ θ VR)(000000002121111122112211q d d q m n d d d d m m m m q d q d i i i i L P T i i i i L L L L L L L L -=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙∙∙∙φφφφ)()())()( )()(1221112 2 21 1 1 221 12 1 12 2 21 221 2 2 221 212212211+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛∙⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----------=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙∙∙∙∙∙∙∙-∙-∙-∙-∙∙-∙-∙-∙-q d q d m m m mm m m m mm m m m q d q d i i i i L R L L L L R L L L L L L R L L L R L R L L L R L L L L R L R L L L L R L L L i i i i ϕλϕλϕλϕλλϕλϕλϕλϕ)(200 00 21211122q d d q q d m m i i L Lm PnT u u L L L L φφ-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫⎝⎛∙⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--为：相应的电机转矩表达式)()()(0)()(0)()( )()()(1221122 221 221 22 21 221 22 221 22 212222221 221 22221 222 212212211+⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∙⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙∙∙∙∙∙∙∙-∙--∙---∙--∙--∙∙q d q d m m m m m m m m m m m m m m m q d q d i i L L L L L L L L R L L L L L L L L L L L L L R L L L L L R L L -L L L R L R L L L L R L L L L L L L R -L R L L L i i φφλλλϕϕλϕϕφφ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫⎝⎛∙⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛11220 00 0 00 q d u u L L 转子磁链坐标系（M-T ）下的电机状态方程及转矩表达式：)()()(0)()(0)()( )()()(1022 221 221 22 2m 21 221 22 221 22 2212222221 221 22221 222 21221211∙⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-∙--∙---∙--∙--∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙L L L L L L L L R L L L L L L L L L L L L L R L L L L L R L L -L L L R L R L L L L R L L L L L L L R -L R L L L i i m m m mm m m m m m m m m m m m m t m λλλϕϕλϕϕφ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛∙∙0211m t m i i φ+∙⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0 00 0 00 22L L ⎪⎪⎭⎫⎝⎛11t m u u 式中221222221221-m m nt m m m it L L P T i L LmRm L R i L L φθϕλλλφφ===-=∙∙∙∙∙∙：。
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
异步电机定子电流内模自适应控制及实现
令 中附加一个 去 耦 项 来抵 消转 矩 励磁 电 流 的耦 合
作 用 ｊ 或用状 态 反馈 和预 测控制 来提 高 电流或 转 ，
则 可得 到异步 电机 的 电流 、 电压 之 间的传 递 函数 矩
阵模 型为
Ｙ （ ）一 Ｇ （ ）Ｕ （ ） Ｓ ｓ ５ （ ４）
矩 控 制 性 能 但 实 现 较 复 杂 ］ Ｔｈ ｍａ ． ｏ ｓ等 提 出 了
Ｇ （ ）一 Ｉ ‘ ５ Ｌ
ｒ ＋ ａ Ｒ１ Ｌ１ 一 １ １］ Ｓ 一
‘
‘ ‘１
１ 基于 Ｉ ＭＣ的异 步 电机 定 子 电流 调 节 器 设 计 及 分 析
异 步 电机 在转 子 磁 通 同步 旋转 坐 标 下 的定 子
＊
１
１
Ｒ１＋ １ Ｓ
用 内模控 制 （ＭＣ） 设 计感 应 电机 的 电 流 调节 器 Ｉ 来
并应用 到了永磁 同步 电机 的电流控 制ｌ ． ６ 通过 设计 ］
异步 电机 定子 电 流调节 器 ， 内模 控制 器参数 进行 对
在线 辨识 ， 析 自适 应 Ｉ 分 ＭＣ 电流调节 器 的实现 ．
ｙ ｉ ］ ｓ ［ ］ ㈤ ｍ ， ｌ 一
维普资讯
第２卷 ６
第 ４ 期
西 安 工 业 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩＡＮ ＴＥ ’ ＣＨＮ０Ｉ０Ｇｌ ＣＡＬ ＵＮｌ ＶＥＲＳＴＹ Ｉ
Ｖ ｏ ６ Ｎｏ． Ｌ２ ４
Ａｕ ｇ． ２ ６ ００
（ ２）
流分 量 分 别 经过 两 个 独立 的 Ｐ 调节 后 得 到． 无 Ｉ 但
论是 在 同步旋 转 坐标 系还是 在定 子静 止坐标 系 中 ， 定子 电压方程 中存 在 着 励 磁 电流 和转 矩 电流 分 量
基于转子磁场定向的无轴承异步电机逆系统解耦控制
控制与应用技术 Ｅ 嘣
迫扎 再控制 应闭２ １ ３ ２ ００ ７（） ，
基 于转 子磁 场定 向的 无轴 承异 步 电机逆 系统 解耦 控 制 米
李 青 ， 刘 贤兴
（ 苏大 学 电气信 息 工程 学 院 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
摘 要： 无轴承异步电机是一个多变量 、 强耦合 、 非线性 的系统 ， 无轴承异步 电机的运行机 理 ， 根据 推导
了旋转力和径向悬浮力方程 ， 建立 了基于转子磁场定 向的电机的状态方程 ， 根据状态方程分析系统的可逆性 ，
应用 ｑ阶逆系统 的方法实现了径 向悬浮力与旋转力之间、 径向悬 浮力之问 的动态解耦 ； 并采用线性综合方法
设计 了系统的闭环控制器 。仿真结果表 明， 系统具有 良好的动 、 静态性能。
０ 引 言
无轴承异步电机是一种多变量 、 强耦合 、 非线
性 的被控 系统 。其 旋 转力 和 径 向悬 浮 力之 间 、 径
象 ， 易掌握 ； 系统方法 是一种 直接反 馈线性化 不 逆 的方法 ， 有物理 概念清 晰直观 ， 具 数学 分析简单 明
关键词 ： 无轴承异步电机 ； 转子磁场定 向； 系统 ； 逆 解耦控制 中图分类号： Ｍ３ １２ Ｔ ４ 文献标识码 ： 文章编号 ： ７ －５０ ２ １ ）２００ － Ｔ ０ ．： Ｍ３ ３ Ａ １ ３６ ４ （０ ０ ０ － ８０ ６ ０ ５
异步电机电流内模解耦控制系统分析与仿真
第 １ 卷第 ５ ９ 期
２０ ０ ７年 １ Ｏ月
电 力 系 统 及 其 自 ห้องสมุดไป่ตู้ 化 学 报
Ｐｒ ｅ ｄｉ ｈｅ ＣＳＵ ～ ｏｃ ｅ ｎｇｓｏｆｔ ＥＰＳＡ
Ｖ ｏ ．１ １ ９ Ｎｏ．５
ＯＣ ． ｔ
２０ ０７
异 步 电机 电流 内模 解 耦 控 制 系统分 析 与仿 真
ｍ ｏ ｏ ｎ ｄ— ｅ ｅ ｅ ｅ ｆａ ｅ． ｎ ｈｅ ｄ ｓｇｎ ｏｆｓ ａ ｏｒｃ ｒ ｎｔｃ ｔ ｒ ｉ ｇ ｒ ｆ ｒ ｎｃ ｒ ｍ Ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｔ ｔ ｕｒ ｅ ｏｎｔｏｌｅ ｓ ｐ ｏ ｓ ｄ ｉ ｔ ｉ ｂ ｅ ｎ ｒ ｏｒ ｒ ｌ ｒｉ ｒ ｐｏ ｅ ｎ ｄｅ ａｌ ａｓ ｄ ｏ ｏｔ
ｆｕ ｒｅ ｔ ｄ ｖ ｃ ｏ ｏ ｔ ｏ ． ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ａ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｏ ｌ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｃ ｕ ｔｗｈ ｃ ｓ ｃ ｕ ｅ ｙ ｌａ ｌ ｘ ｏ ｉｎ ｅ ｅ ｔ ｒ ｃ ｎ ｒ １ Ｉ ｒ ｅ Ｏ ｔ ｋ ａ ａ ｔ ｒ ｎ ｎ ｉ ｒ ｒ ｙ ｉ ｔ ｃ ｏ ｎ ｉｈ ｉ ａ ｓ ｄ ｂ ｏ ｄ ｎ ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｎ ｅ ｎ ｌ ｍｏ ｅ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｓ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｍｏ ｅ ｏ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｅ ｉ ｔ ｒ ａ ｄ ｌ ｃ ｎ ｒ ｌ ｍｅ ｈ ｄ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｙ ａ ｃ ｄ ｌ ｆａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ
Ｊ ＡＮＧ ｅ— ｏ ｇ Ｉ Ｗ ｉｈ ｎ
（ ｐ ｒ ｍｅ ｔｏｆＥｌｃ ｒ ｍｅ ｈａ ｉ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｅ ｔ ｏ ｃ ｎ ｃ，Ｌｉｎｙｕ ａ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｃ ｌＣｏｌｅ ａ ｎｇ ｎ ｃ ｉａ ｌｇｅ， Ｌｉ ｎ ｎｇ ｎｇ ２ ０ ６，Ｃｈｉ ａ） ａ ｙｕ ａ ２２ ０ ｎ
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。
异步电机数学模型
异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统[1]。
在研究异步电机的多变量数学模型时，常作如下假设：(1)三相绕组在空间对称互差 120，磁势在空间按正弦分布； (2)忽略铁芯损耗；(3)不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的； (4)不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。
异步电机在两相静止坐标系上的数学模型：仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过程和规律。
在实际过程中，系统可能太复杂，无法求得其解析解，可以通过仿真求得其数值解。
计算机仿真是利用计算机对所研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者——人的思维过程和行为，进行动态性的比较和模仿，利用建立的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来。
系统仿真软件MATLAB 不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面有着其他类似软件难以匹敌的优势。
界面友好，编程效率高，扩展性强。
MATLAB 提供的SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
SIMULINK 的目的是让用户能够把更多的精力投入到模型设计本身。
它提供了一些基本的模块，这些模块放在浏览器里面，用户可以随时调用。
当模型构造之后，用户可以进行仿真，等待结果，或者改变参数，再进行仿真。
异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，其动态和静态特性都相当复杂。
以下将介绍用SIMULINK 如何来建立三相异步电机的计算机仿真模型，为以后的系统仿真做好准备。
经过三相静止/两相静止坐标变换及两相旋转/两相静止坐标变换，可得异步电机在两相静止坐标系上的数学模型。
电压方程：⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+--+++=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡βαβαβαβαωωωωr r s s r r r m m r r r r m r m m S m S r r s s i i i i P L R L P L L L P L R L P L P L P L R P L P L R u u u u 22110000磁链方程：⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡βαβαβαβαψψψψr r s s r mr m m sm s r r s s i i i i L L L L L L L L 0000000转矩方程：[])(0110βααββαβαr s r s m p r r s s m p e i i i i L n i i i i L n T -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⋅= 转速方程：L e rp T T dt d n J -=ω式中： m m L L 123=—οβα、、静止坐标系上定子与转子绕组间的互感，m s s L L L 123+=σ—οβα、、静止坐标系上两相定子绕组的自感，m r r L L L 123+=σ—οβα、、静止坐标系上两相转子绕组的自感，1R 、2R —定、转子电阻，L T 为负载阻转矩，J 为机组的转动惯量，p n 极对数，r ω为电机转子的旋转角速度。
异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究本科毕业论文设计
本科毕业论文（设计）异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究The Simulation Research on Asynchronous Motor Control System Based on Rotor Field-Oriented独创性说明作者郑重声明：本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：___________ 日期：__ __摘要三电平逆变器因为其可以实现更高的电压等级，输出较少的谐波含量等优势在高压大功率的逆变场合得到了广泛的应用，而转子磁场定向控制是应用最广泛的调速方法。
因此，本文对结合三电平逆变器的异步电机转子磁场定向控制的问题进行了研究。
文中在分析了三电平逆变器的拓扑结构及工作原理和三相异步电机的数学模型、坐标变换的基础上，深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的基本原理，设计了磁链和转速双闭环系统并给出了框图。
最后，利用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真。
关键词：三电平逆变器；异步电机；转子磁场定向控制；MATLAB仿真The Simulation Research on Asynchronous Motor Control SystemBased on Rotor Field-OrientedAbstractThree-level inverter because it can achieve higher voltage grade, output less harmonic content of advantages in high pressure high-power inverter occasions a wide range of applications, and rotor field-oriented control is the most widely used control method. Therefore, this article chooses three-level inverter induction motor rotor field-oriented control for research.Based on the analysis of the three-level inverter topology structure and working principle and mathematical model of three-phase asynchronous motor, on the basis of the coordinate transformation, the in-depth study of the rotor field-oriented vector control system design, the basic principle of the rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has completed the design of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation.Key words：Three-Level Inverter; Asynchronous Motor; rotor field oriented control; MATLAB simulation目录摘要 (I)Abstract (II)一、绪论 (1)（一）课题背景和意义 (1)（二）多电平逆变器的发展概况 (1)（三）异步电机转子磁场定向控制技术综述 (2)1. 交流调速的发展概况 (2)2. 转子磁场定向控制技术的发展概况 (2)（四）课题研究的主要内容 (3)二、二极管嵌位式三电平逆变器 (4)（一）逆变器介绍 (4)（二）三电平逆变器的拓扑结构及工作原理 (4)（三）二极管钳位型三电平逆变器的优缺点 (8)三、异步电机转子磁场定向控制 (9)（一）异步电机动态数学模型与坐标变换 (9)1.三相异步电动机的数学模型 (9)2.坐标变换 (13)3.异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型 (16)4.异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 (18)（二）异步电机转子磁场定向控制 (19)1.异步电机转子磁场定向控制简介 (19)2.转子磁场定向控制的基本原理 (19)3.转子磁链观测模型 (21)（三）异步电机转子磁场定向控制系统 (23)1.异步电机转速、磁链双闭环控制系统 (23)2.转速闭环控制 (24)3.磁链闭环控制 (24)（四）本章小结 (24)四、控制系统仿真分析 (25)（一）MATLAB/Simulink软件介绍 (25)（二）异步电机转子磁场定向控制系统仿真 (25)1.仿真模型 (25)2.仿真结果分析 (25)（三）本章小结 (33)五、结论与展望 (34)参考文献 (35)致谢 (36)一、绪论（一）课题背景和意义为了解决电力紧张的现状，实现节能，需要提高用电设备的效率。
异步电动机SIMULINK建模与仿真
流调速系统已取代了直流调速 系统在工业中 的应 用. 异步电机是交流调 速系统的主要 驱动部件 . 然 而, 异步电机是一个复杂的多变量、 强耦合的非线性 系统. 利用计算机仿真的办法构造一个实验系统进 行异步电动机的分析 , 是一种很好的研究手段 . 本文将结 合 MATLAB/ SIMULINK 的特点 , 介 绍 一种异步电机的数学建模与仿真方法. 建模与仿真 完成后 , 可以利用 SIMULINK 将模型封装起来, 使用 时只需在已建立的 M 文件中输入电机参数 , 并调用 模型即可完成仿真.
L2 m ( L# = L s - L ) r 2. 2 坐标变换 由A、 B、 C 坐标系到 M T 坐标系需经过如下的 数学变换: U U 2 3 Um Ut 1 0 1 2 1 2 UA UB Uc U U ( 13) ( 12)
d !r np = (T e - TL) dt J 对式 ( 11) 进行积分可求得 !r . 由式( 6) 、 ( 8) 可获得转子磁链
图3
U/ l 变换环节
然后将图 1 封装成一个模块 , 即图 4 所示的电机仿真 模型 . 至此异步电机的仿真模型就已完成. 从图 4 看 出整个仿真模型被封装成一个由四个输入量、 三个 输出量的环节 . 在使用该模型时, 只需输入 R 1 , R 2 , L r , L s, L m 等参数 , 就可以进行仿真.
2 m2 2
=
Lm i T 2 p + 1 m1
( 6) ( 7)
Lm i L r t1 将式( 7) 代入式( 1) 矩阵的第四行联立解得: 将式( 4) 变换得: it 2 = !s = L m it 1 R 2 L m i t1 = Lr 2 T2 2 npL m 2 i t1 Lr
基于MATLAB的异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真
s ( t ) = us ( t ) dt
( 1)
式 ( 1)表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢 量之间为积分关系 (见图 2)。
图 2中, S1 ~ S6 为正六边形的 6条边。当磁 链空间矢量 s ( t)在如图 2所示的位置时, 如果 逆变器加到定子上的电压空间矢量为 u1, 根据式 ( 1), 定子磁链空间矢量的顶点将沿 S1 边朝 u1 所 作用的方向运动; 当 s ( t) 沿边 S1 运动至 S1 与 S2的交点时, 如果给出电压空 间矢量 u2 , 则定子
- 1W b时, 比较器输出 1, 否则比较器输出不变。 Relay4为转矩滞环比较器, 其输入为由速度调节
器输出的转矩给定值 T g 和从电机模型输出的转 矩观测值 T e, 输出为转矩的开关信号。当 T e - T g
T 时, R elay4模块输出 1, 表示应减小转矩; 当 T e - T g - T 时, 输出为 0, 表示应增加转矩; 当
块通过建立磁链开关信号与逆变器开关信号的对
应关系得到相应的电压空间矢量, 实现六边形磁
链轨迹 (见图 2)。磁链 在 u1 的 作用下 沿 S1 移 动, 当 c达到 - 1W b 时, R e lay3输出 0, 选择 u2 使磁链沿 S2 移动。依次类推, 实现了六边形磁链 轨迹。
逆变器模块: 采用 S 函数编写由输入的开关
(T
e
-
TL
)
( 4)
图 4中各模块分述如下。
磁链模型: 采用参数较少、计算简单的 u-i 模
型, 用 S 函数编写。
图 5 异步电机的仿真模型
Is
- RsLr
rL2m
R rLm
rLmL r
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中小容量笼形异步电机变频器设计
中小容量笼形异步电机变频器设计刘刚;蒋洪卫【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2014(000)001【摘要】阐述了三相笼型异步电机变频调速原理，分析了基频以下恒转矩、基频以上弱磁控制特性。
介绍了一款三相变频调速智能控制芯片的工作原理，并将之应用于中小容量笼型异步电机变频调速系统，最后给出了一个变频器设计实例和实际的风机驱动电压波形。
%T his paper expounds the principle of frequency conversion and speed adjustment for 3-phase cage asynchronousmotor ,analyzes the characteristics of constant torque below basicfrequen-cy and weak magnetism control above basic frequency ,introduces the operating principle of a 3-phase frequency conversion and speed adjustment intelligence control chip ,applies it to medium/small sized frequency conversion and speed adjustment system of cage asynchronous motor ,finally gives a practical example of frequency converter design and practical wind machine drive voltage w av e .【总页数】5页(P96-99,103)【作者】刘刚;蒋洪卫【作者单位】船舶重工集团公司723所，扬州225001;船舶重工集团公司723所，扬州225001【正文语种】中文【中图分类】TN773【相关文献】1.三相交流三角形接法笼型异步电机节能的方法—Y／Δ自动切换装置 [J], 崔荣庭2.中小型笼型异步电机杂散损耗的降低措施 [J], 李海成;王庆东;尹志华3.变频器驱动的笼型异步电机转子断条故障诊断新方法 [J], 谭勇;刘振兴4.H桥级联变频器在笼型异步电机上的应用 [J], 吴伟亮;侯凯;杨合民;程谦;胡静5.三相交流三角形接法笼型异步电机节能的方法—Y/△自动切换装置 [J], 崔荣庭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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异步电机电流内模解耦控制系统分析与仿真蒋卫宏(连云港职业技术学院机电工程学院,连云港222006)摘要:在同步速d-q坐标系下异步感应电机动态模型和解耦控制原理的基础上引入了内模控制方法,详细设计了基于转子磁链定向和内模控制的定子电流调节器。
为了计及实际系统中异步感应电机磁场会随着电机负载(转矩)变化而呈不同程度的饱和以致电机参数的非线性,分析了电流内模控制器对这种非线性参数的鲁棒性,建立了整个异步感应电机矢量控制仿真系统,并分别对忽略磁路饱和和考虑磁路饱和两种情况下的系统进行了仿真分析。
结果表明电流内模控制调节器在模型匹配和失配下均能提供良好的转矩动和静态解耦效果。
关键词:矢量变换;解耦控制;磁场定向;电流内模控制中图分类号:T M341 文献标识码:A 文章编号:1003-8930(2007)05-0079-05Analysis and Simulation of Decoupled Control System ofAsynchronous Motor Using Internal Model Current ControlJIANG Wei-hong(Department of Electro mechanic,Liany ungang Technical Co llege,Liany ungang222006,China)Abstract:T he internal model contr ol method is intro duced based on t he dy namic mo del of asynchr o no us mo tor in d-q refer ence fr ame.And the desig n of stat or cur rent co ntr o ller is pr oposed in deta il based on r oto r flux or iented v ector co ntro l.In or der t o take pa rameter nonliner ar ity into account which is caused by lo ad v ariatio n in real system,ro bustness of t he cur rent int ernal model co ntro ller to such nonlinea rit y is ana ly zed, and the vecto r cno nt ro l simulation system is established.Simula tio n result s under flux saturat ion co nsider ed and not co nsider ed show that the cur rent inter nal model co nt ro ller can pr ov ide go od per for mance w ith matched model and unmat ched model.Key words:vecto r t ransfor mation;decoupled co ntro l;field-or ientation;internal model cur rent contr ol1 前言 交流异步电机是一个多变量、强耦合、非线性、时变系统,其瞬时转矩控制困难,难以获得如同直流电机一样的高动态调速性能。
矢量变换控制技术[1,2],无论是转子磁场定向[2]、气隙磁场定向[3]还是定子磁链定向[4]、定子电压定向[5],其基本思想均是通过旋转坐标变换将定子电流分解为相互垂直的直流量励磁(无功)电流i d和转矩(有功)电流i q,且分别对两者进行独立的闭环调节以实现对交流异步电机的解耦控制。
现有的电流控制方法有电流滞环控制、定子坐标系下的PI调节和同步速坐标系下的PI调节控制。
其中,同步速坐标系下的电流PI调节控制尤能取得良好的稳态性能,然而该方法由于坐标变换引入的d、q之间的耦合将直接解耦的动态效果,此外d、q轴PI控制器的参数调节传统上通过试验的方法调试得到。
对此,文献[6,7]将工业过程控制中的内模控制(internal model contro l,IM C)引入到交流电机的电流控制中,并仅以永磁同步电机为例给出了电流环控制参数设计过程和相应的仿真和实验结果。
但是对电流内模控制方法在电机由于负载变化引起的参数非线性条件下其解耦效果和鲁棒性能研究在现有的文献中鲜见分析。
第19卷第5期2007年10月 电力系统及其自动化学报Pr oceedings o f the CSU-EPSAVo l.19N o.5O ct. 2007收稿日期:2006-11-16;修回日期:2007-03-09鉴于此,本文以交流感应电机为例,在同步速旋转坐标系下交流感应电机数学模型的基础上将内模控制引入到电流控制中,并对调节器的参数进行了设计。
考虑实际过程中由于负载变化引起的电机磁路不同程度的饱和以至于产生电机参数的非线性变化,笔者理论分析了电流内模控制方法对参数非线性的动态解耦效果和鲁棒性。
在此基础上,在M AT LAB/SIM ULINK中编写了考虑磁路饱和效应的交流异步电机动态模型,并建立了基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式交流感应电机矢量控制系统及对其在考虑磁路饱和和不考虑磁路饱和两种情况下进行了仿真研究,结果表明了基于内模控制方法电流调控制器的正确性和有效性,以及对电机参数非线性变化的鲁棒性和良好的动态解耦效果。
2 内模控制2.1 同步速旋转d-q坐标系下异步电机模型同步速坐标系下异步感应电机数学模型以空间向量表示[6,7]为dd ts(t)=-R s i s(t)-j 1 s(t)+v(t)d d t r(t)=-R r i r(t)-j 2 r(t)(1)s(t)=L s i s(t)+L m i r(t)r(t)=L r i r(t)+L m i s(t)(2)式(1),(2)中,i s, s和i r, r分别是定、转子电流和磁链向量,v为定子电压向量;R s,R r和L s,L r分别是定、转子电阻和自感;L m为互感; 1和 2分别为定子频率和滑差频率, 2= 1- r。
由式(1)和式(2)可得L d i s(t)d t+[R s+(L mL r)2R r]i s(t)+ j 1L i s(t)=v(t)+L mL r(R rL r-j r) r(t)(3)其中,L =L s[1-L2m/(L s L r)]。
于是,转子磁场定向下 r d= r, r q=0,异步感应电机模型可表示为d-q分量的形式,即v d(t)=v′d(t)-L mL2rR r r dv q(t)=v′q(t)+ r L mL rr q(4)v′d(t)=R′s i s d(t)+Ld i s d(t)t- 1L i s q(t)v′q(t)=R′s i s q(t)+Ld i s q(t)t+ 1Li s d(t)(5)式中,R′s=R s+(L mL r)2R r。
将式(5)进行Laplace变换可得U(s)=G-1(s)Y(s)(6)其中,U(s)=V′d(s)V′q(s), Y(s)=I sd(s)I sq(s),G(s)=sL +R′s- 1L- 1L sL +R′s-1。
2.2 电流内模控制器设计将工业过程工程控制中的内模控制引入到电流环控制器参数设计中,内模控制及其等效结构图如图1和2所示[6]。
图中G^(s)为内部模型,u和y分别为矢量控制系统的电压和电流向量,w为参考电流向量。
图1 内模控制原理图Fig.1 IMC structure图2 内模等效结构图Fig.2 Equivalent structure of IMC 由图2可得F IM C(s)=[I-C IM C(s)G^(s)]-1C IM C(s)(7)由式(6)可知G^(s)为最小相位系统,则可得[6]C IM C(s)=G^-1(s)f(s)(8)・80・电力系统及其自动化学报 2007年10月 f(s)=s+I(9)式中, 为电流环的带宽,且 = 2.2/t r,t r为电流的上升时间。
由式(7)～式(9)可得电流控制器为F IMC(s)=[I-s+I]-1G^-1(s)s+=s G^-1(s)= L^ (R^′ssL^+1)-1L^s1L^sL^ (R^′ssL^+1)(10)式中,R^′s和L^ 分别为R′s和L 的估计值。
可见,只要知道电流环的控制带宽及电机参数即可唯一确定电流环控制器的设计参数。
一般来说,电机模型G^(s)由于参数的估计误差,会与实际对象G(s)失配,但由于C IM C(0)=G^-1(0)f(0)=R^′s- 1L^1L^ R^′sI=G^-1(0)(11)及d td t[C IMC(s)G^(s)] s=0= dd t[G^-1(s)f(s)G^(s)]= dd t [s+] s=0=-1 ≠0(12)可见,基于内模控制的感应电机电流控制系统,当模型参数和实际模型失配时,对阶跃输入和常值干扰不存在稳态偏差。
3 系统建模根据以上分析,笔者运用MAT LAB中的S函数编写了由于不同负载引起的不同磁路饱和效应的交流异步电机动态模型,并建立了基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式交流感应电机矢量控制仿真系统。
3.1 矢量控制系统模型构建整个矢量控制系统框图如图3。
整个系统由速度环(外环)和电流环(内环)构成,速度环的输出作为电流环的输入,电流环主要实现基于电流内模控制的转子磁场定向转矩解耦控制。
图中的“ac-motor model”是笔者运用M AT LA B中的S函数编写的考虑不同负载下引起磁路饱和效应的交流异步电机动态模型。
3.2 电流内模控制器设计由式(12)可得交流感应电机电流内模解耦控制实现结构框图,见图4。
具体设计参数参见附录。
图3 异步电机矢量控制系统Fig.3 Vector-controlled system of AC motor图4 电流内模控制器Fig.4 Current internal-model controller4 仿真结果分别在忽略和考虑不同负载下引起磁路饱和效应两种情况下,对基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式异步电机矢量控制在参数如附录所示的电机上进行了仿真研究。
图5和图6分别是忽略和考虑不同负载所引起磁路饱和效应的仿真结果。
其中图5的仿真结果很好地验证了在忽略磁路饱和效应情况下基于转子磁链定向和电流内模控制的矢量控制的转矩动、静态解耦性能。