异步电动机矢量控制系统
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异步电动机矢量控制系统
•二、交流电机变频调速的方法
1、V/F控制——转速开环恒压频比控制 优：结构简单、成本低、可以满足一般的平滑
调速要求 缺：静、动态性能有限 应用：风机、水泵
2、转差频率控制 优：过电流的抑制、速度精度、使用的速度范
围等诸特性比V/F控制高 缺：不能保证最优的动态性能
3、矢量控制（vector control ），又称磁场定向控 制（field-oriented control ）
系统硬件实物图
ຫໍສະໝຸດ Baidu
二、异步电机矢量控制系统软件实现
矢量控制系统的程序设计包括：主程序、中 断服务子程序。
主程序：包括系统初始化、变量初始化、 ADC模块初始化、事件管理器初始化、定时器下 溢中断初始化、通用I/O口初始化和主循环计算程 序。
中断服务子程序：实现SVPWM的产生和控制
•系统主程序流程图
•三相磁场、两相磁场、旋转直流磁场系统之间是可以互 相进行等效转换。
•图(C) 旋转的直流绕组
•图(a) 三相交流绕组
•图(b) 两相交流绕组
•图(C) 旋转的直流绕组
•Clark变换过程
•Park 变换过程
•矢量坐标变换原则： • 1.变换前后总磁动势不变。2.变换前后总功率相 等
• Clark变换
•二、异步电动机的矢量控制过程
•矢量变换控制的基本思路：是以产生同样的旋转磁场为准则 ，建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标 上的正交绕组直流电流之间的等效关系。 1、它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括
定子磁链，气隙磁链，转子磁链．
2、把三相静止坐标系下的定子交流电流 ，通过3/2变换， 等效成两相静止坐标系下的交流电流 。然后，再把两相 静止电流 ，通过转子磁场定向的旋转变换VR，等效成两 相旋转坐标系下的电流即类似于直流机的转矩电流分量和 磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响 应速度．
• 在两相静止坐标 下中通入时间上互 差90°的两相电流 ，也能产生旋转磁 势。两个旋转磁势 大小和转速都相等 时，即可认为两相 绕组与三相绕组等 效。
• 如果将两个匝数 相等且互相垂直的 绕组M和T中分别通 以直流电流im和it， 且包含绕组在内的
整个铁芯以同步速 旋转，则磁势F也随 之旋转起来，形成 旋转磁势。
•矢量控制系统结构
• 将给定信号分解成两个互相垂直且独立的直流信号 、 ， 、 通 过“Park逆变换”被变换成两相交流信号 、 ，又经“Clarke逆变换” ，得到三相交流的控制信号 、 、 去控制逆变电路，进而控制电机 。 • 电流信号经过传感器采样和“Clarke变换”以及“Park变换”，传送 到控制端，从而使系统成为一个闭环控制系统，模拟出类似于直流电 动机的工作状况。
背景：1968年，德国Darmstader大学的 Hasse博士首先提出矢量控制理论 ，1971年，西门 子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统 的理论
优：①控制特性比其它控制方式格外优越；
②能胜任要求高速响应、宽广调速范围、频 繁急加减速运转和连续等用途；
③可以进行转矩控制 。
缺：系统参数敏感性较强
• 两相静止坐标系下的状态方程：
•两相旋转坐标系下的数学模型 •电压方程：
•转矩方程： •运动方程：
•将以上电压方程、转矩方程、运动方程归纳整理起来，就构成了三相 异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型
• 两相旋转坐标系下的状态方程：
异步电机模型的建立
•在Matlab/Simulink中，建立三相异步电机仿真模型 。该模型包含了 Clarke变换和Park变换以及它们的逆变换等模块，其中ACMOTORMT 模块为三相异步电机经过坐标变换之后在M-T坐标系下的模型。
一、异步电机矢量控制系统的硬件实现
• 交流异步电机无速度传感器矢量控制系统硬件总体结构：
• 整个系统主要包括一个三相全桥整流器和一个智能功率模块IPM以及用于 给最小系统提供直流电的开关电源电路、三相异步电机、TMS320F2812最 小系统控制板、TDS510USB仿真器、PC机CCS集成开发环境等。
•一、矢量控制实现的基本原理
原理：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。
实现形式：根据控制结构中是否含有转子磁链 调节器可以分为直接磁场定向和间接磁场定向
具体过程：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。
• 1.变换前后总磁动势不 变。
• 2.变换前后总功率相等
• Clark逆变换
• Park 变换
• 1.变换前后总磁动势不 变。
• 2.变换前后总功率相等
• Park 逆变换
•两相静止坐标系下的数学模型 •电压方程：
•转矩方程： •运动方程：
•将以上电压方程、转矩方程、运动方程归纳整理起来，就构成了三相 异步电机在两相静止坐标系下的数学模型
展望
• 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际 应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机 参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢 量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分 析的结果。
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3、最后再经过２/３变换，产生三相交流电去控制电机，这 样就获得了良好的性能．
异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型
• 电磁转矩方程
•电压方 程
•运动方程
• 交流电机三相 静止绕组A、B、 C，通入三相平衡 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 步转速旋转。
•二、交流电机变频调速的方法
1、V/F控制——转速开环恒压频比控制 优：结构简单、成本低、可以满足一般的平滑
调速要求 缺：静、动态性能有限 应用：风机、水泵
2、转差频率控制 优：过电流的抑制、速度精度、使用的速度范
围等诸特性比V/F控制高 缺：不能保证最优的动态性能
3、矢量控制（vector control ），又称磁场定向控 制（field-oriented control ）
系统硬件实物图
ຫໍສະໝຸດ Baidu
二、异步电机矢量控制系统软件实现
矢量控制系统的程序设计包括：主程序、中 断服务子程序。
主程序：包括系统初始化、变量初始化、 ADC模块初始化、事件管理器初始化、定时器下 溢中断初始化、通用I/O口初始化和主循环计算程 序。
中断服务子程序：实现SVPWM的产生和控制
•系统主程序流程图
•三相磁场、两相磁场、旋转直流磁场系统之间是可以互 相进行等效转换。
•图(C) 旋转的直流绕组
•图(a) 三相交流绕组
•图(b) 两相交流绕组
•图(C) 旋转的直流绕组
•Clark变换过程
•Park 变换过程
•矢量坐标变换原则： • 1.变换前后总磁动势不变。2.变换前后总功率相 等
• Clark变换
•二、异步电动机的矢量控制过程
•矢量变换控制的基本思路：是以产生同样的旋转磁场为准则 ，建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标 上的正交绕组直流电流之间的等效关系。 1、它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括
定子磁链，气隙磁链，转子磁链．
2、把三相静止坐标系下的定子交流电流 ，通过3/2变换， 等效成两相静止坐标系下的交流电流 。然后，再把两相 静止电流 ，通过转子磁场定向的旋转变换VR，等效成两 相旋转坐标系下的电流即类似于直流机的转矩电流分量和 磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响 应速度．
• 在两相静止坐标 下中通入时间上互 差90°的两相电流 ，也能产生旋转磁 势。两个旋转磁势 大小和转速都相等 时，即可认为两相 绕组与三相绕组等 效。
• 如果将两个匝数 相等且互相垂直的 绕组M和T中分别通 以直流电流im和it， 且包含绕组在内的
整个铁芯以同步速 旋转，则磁势F也随 之旋转起来，形成 旋转磁势。
•矢量控制系统结构
• 将给定信号分解成两个互相垂直且独立的直流信号 、 ， 、 通 过“Park逆变换”被变换成两相交流信号 、 ，又经“Clarke逆变换” ，得到三相交流的控制信号 、 、 去控制逆变电路，进而控制电机 。 • 电流信号经过传感器采样和“Clarke变换”以及“Park变换”，传送 到控制端，从而使系统成为一个闭环控制系统，模拟出类似于直流电 动机的工作状况。
背景：1968年，德国Darmstader大学的 Hasse博士首先提出矢量控制理论 ，1971年，西门 子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统 的理论
优：①控制特性比其它控制方式格外优越；
②能胜任要求高速响应、宽广调速范围、频 繁急加减速运转和连续等用途；
③可以进行转矩控制 。
缺：系统参数敏感性较强
• 两相静止坐标系下的状态方程：
•两相旋转坐标系下的数学模型 •电压方程：
•转矩方程： •运动方程：
•将以上电压方程、转矩方程、运动方程归纳整理起来，就构成了三相 异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型
• 两相旋转坐标系下的状态方程：
异步电机模型的建立
•在Matlab/Simulink中，建立三相异步电机仿真模型 。该模型包含了 Clarke变换和Park变换以及它们的逆变换等模块，其中ACMOTORMT 模块为三相异步电机经过坐标变换之后在M-T坐标系下的模型。
一、异步电机矢量控制系统的硬件实现
• 交流异步电机无速度传感器矢量控制系统硬件总体结构：
• 整个系统主要包括一个三相全桥整流器和一个智能功率模块IPM以及用于 给最小系统提供直流电的开关电源电路、三相异步电机、TMS320F2812最 小系统控制板、TDS510USB仿真器、PC机CCS集成开发环境等。
•一、矢量控制实现的基本原理
原理：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。
实现形式：根据控制结构中是否含有转子磁链 调节器可以分为直接磁场定向和间接磁场定向
具体过程：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。
• 1.变换前后总磁动势不 变。
• 2.变换前后总功率相等
• Clark逆变换
• Park 变换
• 1.变换前后总磁动势不 变。
• 2.变换前后总功率相等
• Park 逆变换
•两相静止坐标系下的数学模型 •电压方程：
•转矩方程： •运动方程：
•将以上电压方程、转矩方程、运动方程归纳整理起来，就构成了三相 异步电机在两相静止坐标系下的数学模型
展望
• 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际 应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机 参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢 量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分 析的结果。
•精品课件
！
•精品课件
！
3、最后再经过２/３变换，产生三相交流电去控制电机，这 样就获得了良好的性能．
异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型
• 电磁转矩方程
•电压方 程
•运动方程
• 交流电机三相 静止绕组A、B、 C，通入三相平衡 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 步转速旋转。