基于MATLAB的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真
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型的 电压 与 ：Ｅ ＝ ‘ ＋ ｑ 程 ｌ ｐＪ 一 Ｕ ＝ ＋ ｜ 壬 一
图 １矢量 控 制 系 统 的原 理 图
０ Ｒ０＋ Ｗ ＝ ｐ
０ Ｒ ＋ ｑ。 ＝ ｐ Ｊ ，
式 中Ｕ ， Ｕ 为定子电压在同步坐标系上分量 ， Ｒ， 为定子电阻和 Ｒ
・
ຫໍສະໝຸດ Baidu８ 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
摘 要 ： 步电动机 的模 型特点是一多变量 、 异 强耦合的非线性 系统。本 文根据异 步电机理论 ， 建立 了异步电动机 的数 学模 型， 出了 给 异步电动机转子磁 场矢量控制 系统基本 结构和 矢量控 制 系统仿真模型 ， 仿真结果证 明了所建 电机模型 的正确性。 关键词 ： 步电机 ； 异 矢量控制 ； 磁场定向 ； 磁链
，
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。
（） 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．
图 ２转 子磁 场 定 向矢 量控 制 系统 仿 真 图
式中，Ｌ， 分别为定子 电感 ，转子 电感和互感 ｉｌ『为定 Ｌ 。－ 子电流在同步坐标系上的分量 Ｉ １ ｒ Ｗ为转子 电流在 同步坐标系上 ｄ， 的分量。 ， 转矩方程 ： Ｐ二 ｆⅢ， ｄ 表示为电机的电磁＝ 矩， 为电初极对数 。 车 Ｐ 专 根据上面公式 ， 可以得到下列关系式
（） ｂ给定为 １ ０ ｒ ｉ ， ０ ０ ０／ ｎ 在 ． ｍ ５秒是突加为 １ ０ ｆ ｉ 时的转速波形 ５Ｏ／ ｎ ａ ｒ
Ｉ 为矢量控制系统的原理 。 ｆ 划１ ｌ 转速调节器 Ａ Ｒ的输出是转 Ｓ 矩调节器的给定转矩。 磁链调节器 Ａ Ｒ用于控制电机转子磁链， 并设置 了电流变换和磁链观测环节， 转矩调节器 Ａ Ｒ和磁链调节器 Ａ 的输 Ｔ 皿
图 ３ 电机转速 曲线
４ 论 结
出 别 子电 的 矩分 励 量ｉ 。 ， 流 环 分 是定 流 转 量１和 磁分 ２ １ ’ ｓ 。 ｔ ｓ ｔ 和 电 滞
控制 Ｐ ＷＭ逆变器控制电机定子三相电流。 图 ２ 是在 Ｍａ ａ／ｉ ｕｉｋ ｔｂＳｍ ｌ ｌ ｎ 本文采用 Ｍａａ／ ｉｕｉｋ ｔｂ Ｓｍ ｌ 系统仿真工具， ｌ ｎ 对异步电机转子磁场定 环境下建立的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真模型日 。 向的矢量控制系统进行了建模仿真。按转子磁链定向， 实现了定子电流 ３仿真结果 使系统具有 良好的调速 陛能。仿真试验证 根据建立的异步电机矢量控制模型做仿真分析， 实验参数为： 极对 明该矢量控制系统可以大范围地调速， 具有很好的跟随Ｉ 动态性能 生能， 数 ｐ ２定子电阻 ｒ ０ ７ ２， ＝， ， ． ５（ 定子绕组漏 电感厶 ＝ ． ｍＨ， ＝０ ０ ２ 转子电阻 良好。因此＇ ７ 该系统在工业应用领域中具有很好的应用前景。 ｒ＝ ． １ 转子绕组漏电感 ２＝ ． ｍＨ， ２ ０ ３ Ｑ， ２ ０ ２ 互感 Ｌ ６ 恒负载转矩 ７ ￣３ｍＨ， 参考文献 ： 为 Ｔ ＝ ０ ｍ， ３ Ｎ 结果如下： ｆ陈伯时． １ １ 电力拖动 自 动控制系统 北京 工业 ｆ Ｚ ０ ３ ＆￣２ ０ ． 从图 ３ 可以看出转速上升的速度比较决， 且超调量比较小 ， 输出转 『尔桂花． ２ ］ 运动控制系统嗍 ． 清华大学出版社， ０ 北京： ２ ４ ０ 速出与转速给定指令基本相 同， 电机的跟随性好 ， 说明建立矢量控制方 『洪乃刚． ３ ］ 电力电子和电力拖动 系统的 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ仿真 ． 机械工业 北京：
转子电阻， ，川 为定子磁链在同步坐标系上的分量， ， 为转子
磁链在同步坐标系上的分量 ＿ 分别为同步角速度和转差角速度， “ Ｉ ， Ｐ 为微分算子。
磁 链方程 ： 、 ＝Ｌ ｆ 十￡ ‘ ，、坷： 婶 Ｌ ｆ ， 时 ｆ ＋ ， 壬ｄ ， ｄ 壬 ｔｆ＋ ， ， ： ￡ ０：￡ ｆ 暂＋￡ ｗ ， ｆ
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
图 １矢量 控 制 系 统 的原 理 图
０ Ｒ０＋ Ｗ ＝ ｐ
０ Ｒ ＋ ｑ。 ＝ ｐ Ｊ ，
式 中Ｕ ， Ｕ 为定子电压在同步坐标系上分量 ， Ｒ， 为定子电阻和 Ｒ
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ຫໍສະໝຸດ Baidu８ 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
摘 要 ： 步电动机 的模 型特点是一多变量 、 异 强耦合的非线性 系统。本 文根据异 步电机理论 ， 建立 了异步电动机 的数 学模 型， 出了 给 异步电动机转子磁 场矢量控制 系统基本 结构和 矢量控 制 系统仿真模型 ， 仿真结果证 明了所建 电机模型 的正确性。 关键词 ： 步电机 ； 异 矢量控制 ； 磁场定向 ； 磁链
，
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。
（） 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 ）
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、． ｘ １ 一 ｌ ｉ
一等 ：
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型．
图 ２转 子磁 场 定 向矢 量控 制 系统 仿 真 图
式中，Ｌ， 分别为定子 电感 ，转子 电感和互感 ｉｌ『为定 Ｌ 。－ 子电流在同步坐标系上的分量 Ｉ １ ｒ Ｗ为转子 电流在 同步坐标系上 ｄ， 的分量。 ， 转矩方程 ： Ｐ二 ｆⅢ， ｄ 表示为电机的电磁＝ 矩， 为电初极对数 。 车 Ｐ 专 根据上面公式 ， 可以得到下列关系式
（） ｂ给定为 １ ０ ｒ ｉ ， ０ ０ ０／ ｎ 在 ． ｍ ５秒是突加为 １ ０ ｆ ｉ 时的转速波形 ５Ｏ／ ｎ ａ ｒ
Ｉ 为矢量控制系统的原理 。 ｆ 划１ ｌ 转速调节器 Ａ Ｒ的输出是转 Ｓ 矩调节器的给定转矩。 磁链调节器 Ａ Ｒ用于控制电机转子磁链， 并设置 了电流变换和磁链观测环节， 转矩调节器 Ａ Ｒ和磁链调节器 Ａ 的输 Ｔ 皿
图 ３ 电机转速 曲线
４ 论 结
出 别 子电 的 矩分 励 量ｉ 。 ， 流 环 分 是定 流 转 量１和 磁分 ２ １ ’ ｓ 。 ｔ ｓ ｔ 和 电 滞
控制 Ｐ ＷＭ逆变器控制电机定子三相电流。 图 ２ 是在 Ｍａ ａ／ｉ ｕｉｋ ｔｂＳｍ ｌ ｌ ｎ 本文采用 Ｍａａ／ ｉｕｉｋ ｔｂ Ｓｍ ｌ 系统仿真工具， ｌ ｎ 对异步电机转子磁场定 环境下建立的异步电机转子磁场定向矢量控制系统仿真模型日 。 向的矢量控制系统进行了建模仿真。按转子磁链定向， 实现了定子电流 ３仿真结果 使系统具有 良好的调速 陛能。仿真试验证 根据建立的异步电机矢量控制模型做仿真分析， 实验参数为： 极对 明该矢量控制系统可以大范围地调速， 具有很好的跟随Ｉ 动态性能 生能， 数 ｐ ２定子电阻 ｒ ０ ７ ２， ＝， ， ． ５（ 定子绕组漏 电感厶 ＝ ． ｍＨ， ＝０ ０ ２ 转子电阻 良好。因此＇ ７ 该系统在工业应用领域中具有很好的应用前景。 ｒ＝ ． １ 转子绕组漏电感 ２＝ ． ｍＨ， ２ ０ ３ Ｑ， ２ ０ ２ 互感 Ｌ ６ 恒负载转矩 ７ ￣３ｍＨ， 参考文献 ： 为 Ｔ ＝ ０ ｍ， ３ Ｎ 结果如下： ｆ陈伯时． １ １ 电力拖动 自 动控制系统 北京 工业 ｆ Ｚ ０ ３ ＆￣２ ０ ． 从图 ３ 可以看出转速上升的速度比较决， 且超调量比较小 ， 输出转 『尔桂花． ２ ］ 运动控制系统嗍 ． 清华大学出版社， ０ 北京： ２ ４ ０ 速出与转速给定指令基本相 同， 电机的跟随性好 ， 说明建立矢量控制方 『洪乃刚． ３ ］ 电力电子和电力拖动 系统的 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ仿真 ． 机械工业 北京：
转子电阻， ，川 为定子磁链在同步坐标系上的分量， ， 为转子
磁链在同步坐标系上的分量 ＿ 分别为同步角速度和转差角速度， “ Ｉ ， Ｐ 为微分算子。
磁 链方程 ： 、 ＝Ｌ ｆ 十￡ ‘ ，、坷： 婶 Ｌ ｆ ， 时 ｆ ＋ ， 壬ｄ ， ｄ 壬 ｔｆ＋ ， ， ： ￡ ０：￡ ｆ 暂＋￡ ｗ ， ｆ
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