转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真

学校：西北民族大学学院：电气工程学院班级：

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二零一一年十二月

摘要

矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，一般将含有矢量变换的交流电动机控制都成为矢量控制，实际上只有建立在等效直流电动机模型上并按转子磁场准确定向的控制，电动机才能获得最优的动态性能。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。本文介绍了矢量控制系统的原理及模型的建立，搭建了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制调速系统的Simulink模型，并用MATLAB最终得到了仿真结果。

关键词：矢量控制；磁链观测；MATLAB仿真

目录

前言 1 第一章矢量控制的原理 2

1.1坐标变换的基本思路 2

1.2矢量控制系统结构 3

第二章转子磁链观测

第三章带转矩内环的直接矢量控制系统

第四章控制系统的设计与仿真

4.1 矢量控制系统的设计

4.2 矢量控制系统的仿真

结论

参考文献

前言

矢量控制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。首先简单介绍了矢量控制的基本原理，给出了矢量控制系统框图，然后着重介绍了矢量控制系统中磁链调节器的设计和仿真过程。仿真结果表明调节器具有良好的磁链控制效果。

因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合、的多变量系统，需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。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。直流电机的数学模型就简单多了。从物理模型上看，直流电机分为空间相互垂直的励磁绕组和电枢绕组，且两者各自独立，互不影响。正是由于这种垂直关系使得绕组间的耦合十分微小，我们可以认为磁通在系统的动态过程中完全恒定。这是直流电机的数学模型及其控制比较简单的根本原因。

如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式，仿照直流电机进行控制，那么控制起来就方便多了，这就是矢量控制的基本思想。

第1章矢量控制的基本原理

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)分别加以腔制，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。

1.1 坐标变换的基本思路

矢量变换控制是基于坐标变换，其原则有三条：

1. 在不同坐标下产生的磁动势相同（即模型等效原则）

2. 变换前后功率不变

3. 电流变换矩阵与电压变换矩阵统一

模型等效原则：

众所周知，交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速 w1（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。这样的物理模型如图1-1a

所示。然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相、……等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。

图1-1b中绘出了两相静止绕组 a 和 b ，它们在空间互差 90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势 F 。当图1-1a 和1-1b 的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图 1-1b 的两相绕组与图1-1a 的三相绕组等效。

再看图1-1c中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M 和T，其中分别通以直流电流i 和i ，产生合成磁动势F ，其位置相对于绕组来说是固定的。如果让M T包含两个绕组在内

的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。

把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 1-1a 和图 1-1b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图 1-1a 的三相交流绕组、图1-1b 的两相交流绕组和图 1-1c 中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的 i 、i 、i ，在两相坐标系下的 i 、i 和在旋转两相坐标系下A B C a b 的直流 i 、i 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。 M T 有意思的是：就图 1-1c 的 M 、T 两个绕组而言，当观察者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。

在的问题是，如何求出i 、i 、i 与 i 、i 和 i 、i 之间准确的A B C a b M T 等效关系，这就是坐标变换的任务。

通以时间以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流A i 、

B i 、

C i

，通过三相—两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流α

i 和

β

i ，再通过同步旋转变

换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流

d

i 和

q

i 。

把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图2。从整体上看，输人为A ，B ，C 三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过3／2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由

m

i 和t i

输入，由ω输出的直流电动机。

图2 异步电动机的坐标变换结构图

1.2 矢量控制系统结构

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，简称VC 系统。VC 系统的原理结构如图3所示。图中的给定和反馈信