矢量控制FOC基本原理
矢量控制(FOC)基本原理
2014.05.15
duquqiubai1234@https://www.360docs.net/doc/6516970609.html,
一、基本概念
1.1模型等效原则
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ω1（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，单相除外，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
图1-1b 中绘出了两相静止绕组α 和 β ，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F 。再看图1-1c 中的两个互相垂直的绕组M 和 T ，通以直流电流
M i 和T i ，产生合成磁动势
F ，如果让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 一样，那么这三套绕组就等效了。
三相--两相变换（3S/2S 变换）
在三相静止绕组A 、B 、C 和两相静止绕组α、β之间的变换，简称3S/2S 变换。其电流关系为
1112
21022A B C i
i i i i αβ????-
-
??????
?=
???????
??-?????
（） 两相—两相旋转变换（2S/2R 变换）
同步旋转坐标系中（M 、T 坐标系中）轴向电流分量与α、β坐标系中轴向电流分量的转换关系为
cos sin 2sin cos M T i i i i αβ??????
????=??????-????
?? （）
1.2矢量控制简介
矢量控制是指“定子三相电流矢量控制”。
矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。将交流矢量变换为两相直流标量的过程见图2。
图2
图2的上图为静止坐标系下的定子三相交流矢量 图2的中图为静止坐标系下的等效两相交流矢量 图2的下图为旋转坐标系下的等效两相直流标量，
T i 是转矩电流，M i 是励磁电流。
经图2的变换后，定子三相交流矢量变为了旋转的两相直流标量。进而可以把异步电机看作直流电机，分别控制励磁电流
M i 和转矩电流T i 。
变换公式即式（1）和式（2）。
1.3关于坐标系
图2的上图的坐标系是静止的三相互差120°的坐标系，这是一个非正交坐标系。 图2的中图的坐标系是静止的两相互差90°的坐标系，这是一个正交坐标系。 图2的下图的坐标系是旋转的两相互差90°的坐标系，这是一个正交坐标系。此坐标系跟随转子旋转。
1.4 为什么要进行坐标变换？
因为A 、B 、C 三相电流矢量的物理意义不明确，将其转换为励磁电流
M i 和转矩电流T i ，
物理意义明确，便于分别控制两个量，使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。
其中α 、β坐标系是过渡坐标系。如果读者可以从三相静止坐标系直接变换到两相旋转坐标系，则α 、β坐标系可省去。
1.5几个概念的关系
下面介绍一下矢量控制、FOC （磁场定向控制）、SPWM 、SVPWM 的关系。
矢量控制是对三相电流矢量的控制方法。将三相电流矢量变换为旋转的两相直流标量，分别控制励磁电流
M i 和转矩电流T i ，从而使异步电机达到和直流电机相仿的调速性能。
矢量控制也称为FOC （磁场定向控制），矢量控制等同于FOC ，两者是一回事。
SPWM —— 直译为“正弦形PWM ”，更明确地说是“正弦形电压PWM ”。 SVPWM ——直译为“空间矢量PWM ”，更明确地说是“电压空间矢量PWM ”。 SPWM 和SVPWM 都是对电压源的PWM 调制方法。
再对比一遍，
◆ 矢量控制（也称为FOC ）是对三相电流矢量的
控制方法。
◆ SPWM 和SVPWM 都是对电压源的PWM 调制方法。
1.6 SPWM 基本原理
1.6.1 SPWM 简介
SPWM 是正弦形PWM ，它通过开关控制将直流电压模拟为（调制为）正弦形电压。
如图3，上图中曲线是半个正弦波，下图是对应的SPWM 波形（半个正弦波）。
通过开关控制将直流电压模拟为正弦形电压，可以方便地调制出不同幅值和频率的波形。
1.6.2 为什么要使用SPWM方法？
三相交流电网的幅值和频率是固定不变的，例如380V/50Hz，660V/50Hz等。
而在很多场合需要使用不同幅值和频率的正弦波形电源，这时就需要使用SPWM技术。
三相异步电机适合VVVF控制（变压变频控制）。我们可以使用SPWM方法对电源进行变压变频。
通过SPWM方法调制出三相正弦形电压供给异步电机。三相正弦形电压，使得电压空间矢量按圆形轨迹旋转，并且使得电机实际磁通为理想圆形磁通，从而使得电机几乎无转矩脉动。
1.6.3 有了SPWM方法，为什么又要使用SVPWM方法？
为使三相异步电机不产生转矩脉动，除了将三相电压调制为正弦形外，还可以调制为其他形状，例如马鞍形。
将三相电压调制为图4所示的马鞍形，同样能够使得电压空间矢量按圆形轨迹旋转，并且使得实际磁通为理想圆形磁通，从而使得电机几乎无转矩脉动。
调制为马鞍形，需要使用SVPWM技术。该技术和SPWM技术相比更有优势。
接下来将介绍SVPWM技术。
图4
1.7 SVPWM 基本原理
图5绘出了三相PWM 逆变器供电给异步电机的原理图，为使电机对称工作，必须三相同时供电。a ，b ，c 分别代表3个桥臂的开关状态，规定：上桥臂器件导通用“1”表示，下桥臂器件导通用“0”表示。
图5
可以推导出，三相逆变器输出的相电压矢量[Uu 、Uv 、Uw] T 与开关状态矢量[a 、b 、c] T 的关系为：
举例：上式中a 、b 、c 分别取1、0、0时，可以得出一个相电压矢量。
a 、
b 、
c 分别取1、0、0，是指u 相接直流母线正端，v 、w 都接直流母线负端。因此u
相端电压是DC U 。v 、w 相端电压是0，见图6。可知中性点N 电压为3DC U
。
所以
u 相电压u U （对中性点N ）为3DC DC U U
，也就是23
DC U
。
v 相电压v U （对中性点N ）为03DC U -
，也就是3
DC U
-。 w 相电压w U （对中性点N ）为03DC U -
，也就是3
DC U
-。 可见，通过式（3）可以得出式（4）。通过图6分析，同样可以得到式（4）。
图 6
将（3）式代入电压空间矢量公式：
得到相应逆变器工作模式与输出电压的关系，如表1:
图7
使用SVPWM 方法得到的三相调制波波形见图4，三相电压均为马鞍形。但三组线电压
均为正弦形，见图8。
使用SPWM 方法得到的三相调制波均为正弦形，三组线电压也均为正弦形。但是，在直
流母线电压相同的情况下，SVPWM 方法得到的三组线电压比SPWM 方法得到的三组线电压幅值大15% 。也就是说SVPWM 方法的电压利用率比SPWM 方法大15% 。
图8
二、矢量控制技术
2.1 电流控制的电压调制实现
矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。
1.1节中已经讲述三相交流矢量变换为两相直流标量的过程。在实际应用中，它的逆过程更为重要。
例如，欲使电机工作于某一状态，所需的转矩电流为T i ，励磁电流为M i 。通过图1所示
变换的逆变换，可以求出三相电流矢量。
通过对三相电流矢量的控制，使得转矩电流为T i ，励磁电流为M i ，这就是矢量控制技术。
矢量控制需要SVPWM技术来实现。矢量控制是对电流的控制，SVPWM技术是对电压的调制；对电流的控制最终要通过对电压的调制来实现。
下面举简单的例子说明电流控制和电压调制的关系。
在图9中，
◆R为1Ω电阻
◆L是电感，电感量极大
◆D是理想二极管，正向压降为0
◆K是开关，可进行PWM调制
◆电源为10VDC
控制目标：使电感中流过平均为2A的电流。
根据以上已知量和控制目标，我们可以采用如下方法控制：
K采用20%占空比的PWM进行调制。
在本例中，对电感中的电流控制即类似于矢量控制。对开关K的PWM调制即类似于SVPWM调制。
可以看出，对电流的控制最终要通过对电压的调制来实现。
图9
2.2 三相永磁同步电机的矢量控制
矢量控制理论提出后，很快被用于三相永磁同步电机的控制。
三相永磁同步电机由于采用永磁体励磁，所以不需要励磁电流。
i（励磁电流）为0，即变为永磁同步电机的矢量控制。
令1.1节和1.2节中的
M
接下来结合图示介绍永磁同步电机的矢量控制。在图10中，蓝色矩形表示转子。A、B、C是定子三相绕组。
定子合成磁场和转子磁场相互垂直才能使电机产生最大的力矩。
欲使转子逆时针旋转，我们可使定子合成磁场如图10中红色箭头所示。该磁场垂直于转子磁场。
由位置传感器得知转子的位置，定子合成磁场垂直于转子，因此可知定子合成磁场矢量的方向。
定子合成磁场矢量的大小由所需要的转矩决定。
此时定子合成磁场矢量的方向和大小均为已知。
图10
定子合成磁场由定子三相电流矢量产生，因此可以求出三相电流矢量，接下来可以通过SVPWM调制方法得到需要的三相电流矢量。
三、关于一些错误理解
有人将SPWM和SVPWM混为一谈，甚至将SPWM、SVPWM以及矢量控制全都混为一谈。
比如，有人说“需要永磁同步电机的正弦波控制方案”，或者说“用SPWM控制永磁同步电机”。这样表述不准确，实际应为“需要永磁同步电机的矢量控制方案”。
正弦波不能直接用于永磁同步电机控制。
永磁同步电机矢量控制简要原理
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref 和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM
矢量控制由于异步电机的动态数学模型是一个高阶
矢量控制由于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。上世纪 70 年代西门子工程师 F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。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。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji 等国际化大公司变频器上。矢量控制方式采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。以异步电动机的矢量控制为例：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，其中气息磁链是连接定子和转子的．一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流．然后，有一些坐标变换，首先通过３/２变换，变成静止的 d-q 坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的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．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．矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流；It1 相当于与转矩成正比的电
《电机矢量控制技术》矢量控制综述资料
福建工程学院 研究生课程论文 课程名称电机及其系统分析教师姓名 研究生姓名 研究生学号 研究生专业电气工程 研究方向电力工程 年级一年级 所在学院信息学院 日期2016年01 月13日
评语
矢量控制技术的发展以及在应用中的改善 摘要：电机在很多场合得到了广泛的使用，因为它具有的独特优点，例如它为现代运动控制系统提供了一种具有诸多优点和适用广泛的装置。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。在上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩问题。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。 关键词：矢量控制,异步电机,解耦 ABSTRACT:In many occasions, the motor has been widely used because it has unique advantages, such as it provides a lot of advantages and is suitable for a wide range of modern device having the motion control system. Dynamic mathematical model of the induction motor is a high order, nonlinear, strongly coupled multivariable systems. In the 1970s, Siemens engineers F.Blaschke first proposed induction motor vector control theory to solve the problem of the AC motor torque. The basic principle of vector control is achieved by measuring and controlling asynchronous motor stator current vector, based on the principle of field-oriented asynchronous motor excitation current and torque current control, respectively, so as to achieve the purpose of control of induction motor torque. Key Word ： Vector control ，Induction motor ，Decoupling 0、序言 异步电动机的数学模型是一个极其复杂的模型。总的归结起来可以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[1]。而且在研究三相异步电动机的复杂的数学模型中，我们常常会做出以下几方面的假设。第一，我们往往会忽略空间谐波。第 二、忽略磁路饱和。并且假设它们的自感和互感都是线性的。第三、忽略铁芯损耗。第四、不考虑频率和温度对绕组的影响。由于感应电动机的励磁和电枢都是同一个绕组，所以转矩和磁链之间就相对比较复杂。电磁转矩的物理表达式为 22?φCOS I C T T e = 可以知道感应电动机各个参量相互耦合，这也是感应电动机难以控制的根本原因[2]。由于矢量控制具有转矩控制的线性特性，控制效率很高，调节器的设计也比较容易实现。而且，速度的调节较宽在接近零转速时仍然可以带动额定负载运行，具有良好的起制动性能，所以矢量控制技术才会被人们慢慢的所利用[3]。异步电机数学模型的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程如下： 电压方程：
TI公司官网源代码基于TMS320F2812的永磁同步电动机空间矢量控制的算法实现
往链点点通共享资源，了解更多请登录https://www.360docs.net/doc/6516970609.html, 第7章基于TMS320F2812的永磁同步电动机控制例1、空间矢量算法实现 SVGEN_DQ对象结构体定义 typedef struct { _iq Ualpha; // 输入：α轴参考电压 _iq Ubeta; // 输入：β轴参考电压 _iq Ta; // 输出：参考相位a开关函数 _iq Tb; // 输出：参考相位b开关函数 _iq Tc; // 输出：参考相位c开关函数 void (*calc)(); // 函数指针 } SVGENDQ; typedef SVGENDQ *SVGENDQ_handle; SVGEN_DQ模块调用方法： main() { } void interrupt periodic_interrupt_isr() { svgen_dq1.Ualpha = Ualpha1; // 提供输入参数：svgen_dq1 svgen_dq1.Ubeta = Ubeta1; // 提供输入参数：svgen_dq1 svgen_dq2.Ualpha = Ualpha2; // 提供输入参数：vgen_dq2 svgen_dq2.Ubeta = Ubeta2; // 提供输入参数：svgen_dq2 svgen_dq1.calc(&svgen_dq1); // 调用函数模块svgen_dq1 svgen_dq2.calc(&svgen_dq2); // 调用函数模块svgen_dq2 Ta1 = svgen_dq1.Ta; // 访问运算结果svgen_dq1 Tb1 = svgen_dq1.Tb; // 访问运算结果svgen_dq1 Tc1 = svgen_dq1.Tc; // 访问运算结果svgen_dq1 Ta2 = svgen_dq2.Ta; // 访问运算结果svgen_dq2 Tb2 = svgen_dq2.Tb; // 访问运算结果svgen_dq2 Tc2 = svgen_dq2.Tc; // 访问运算结果svgen_dq2 } 为进一步了解空间矢量算法的基本原理，下面给出空间矢量模块的源代码：void svgendq_calc(SVGENDQ *v) { _iq Va,Vb,Vc,t1,t2;
矢量控制的原理
矢量控制的原理 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。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 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。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子
TI公司官网源代码基于TMS320F2812的永磁同步电动机空间矢量控制的算法实现
第7章基于TMS320F2812的永磁同步电动机控制 例1、空间矢量算法实现 SVGEN_DQ对象结构体定义 typedef struct { _iq Ualpha; // 输入：α轴参考电压 _iq Ubeta; // 输入：β轴参考电压 _iq Ta; // 输出：参考相位a开关函数 _iq Tb; // 输出：参考相位b开关函数 _iq Tc; // 输出：参考相位c开关函数 void (*calc)(); // 函数指针 } SVGENDQ; typedef SVGENDQ *SVGENDQ_handle; SVGEN_DQ模块调用方法： main() { } void interrupt periodic_interrupt_isr() { svgen_dq1.Ualpha = Ualpha1; // 提供输入参数：svgen_dq1 svgen_dq1.Ubeta = Ubeta1; // 提供输入参数：svgen_dq1 svgen_dq2.Ualpha = Ualpha2; // 提供输入参数：vgen_dq2 svgen_dq2.Ubeta = Ubeta2; // 提供输入参数：svgen_dq2 svgen_dq1.calc(&svgen_dq1); // 调用函数模块svgen_dq1 svgen_dq2.calc(&svgen_dq2); // 调用函数模块svgen_dq2 Ta1 = svgen_dq1.Ta; // 访问运算结果svgen_dq1 Tb1 = svgen_dq1.Tb; // 访问运算结果svgen_dq1 Tc1 = svgen_dq1.Tc; // 访问运算结果svgen_dq1 Ta2 = svgen_dq2.Ta; // 访问运算结果svgen_dq2 Tb2 = svgen_dq2.Tb; // 访问运算结果svgen_dq2 Tc2 = svgen_dq2.Tc; // 访问运算结果svgen_dq2 } 为进一步了解空间矢量算法的基本原理，下面给出空间矢量模块的源代码： void svgendq_calc(SVGENDQ *v) { _iq Va,Vb,Vc,t1,t2; _iq sector = 0; /*设相位置（sector）等于Q0 */ /*逆clarke变换*/ Va = v->Ubeta; Vb = _IQmpy(_IQ(-0.5),v->Ubeta) + _IQmpy(_IQ(0.8660254),v->Ualfa); /* 0.8660254 = sqrt(3)/2 */
电机矢量控制算法研究_模糊PID控制
电机矢量控制算法模糊PID控制仿真研究
一、电机模型 1.1永磁同步电机数学模型 永磁同步电机电磁关系十分复杂，绕组与绕组之间，绕组与永磁体之间相互 影响，还有一些非线性因素如磁路饱和等的存在，因此，要建立很精确的数学模 型是比较困难的，为了简化分析过程，常常忽略一些影响较小的参数，作如下假 设： (1)定子电枢绕组产生正弦波感应电动势，转子永磁体的气隙磁场也以正弦 波分布在气隙空间； (2)铁芯的涡流和磁滞损耗忽略不计； (3)定子铁芯的饱和忽略不计，电感参数不变，且认为磁路线性； (4)忽略转子的阻尼绕组。 1.1.1永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型 将三相永磁同步电机的内部结构等效为电路理论中的电路图模型，如图1.1所示其中包括定子三相电阻、电感及反电动势，从而可以得出定子的三相电压方程： (1-1) 式中，为永磁同步电机的三相定子电压，为永磁同步电机的三相定子电流；为定子每相绕组的电阻；为永磁同步电机的三相定子磁链，从图中可以得到三相定子磁链方程为： (1-2) 式中，为转子永磁体与定子绕组交链的磁链；定子绕组自感系数为;为定子绕组之间的互感系数，为转子磁极轴线与电机A相定子绕组的轴线夹角。 图1.1相永磁同步电机等效电路图
图1-2磁同步电机在三相静止坐标系下的示意图 转矩方程为： (1-3) 1.1.2永磁同步电机在两相静止坐标系αβ轴下的数学模型 电压方程: (1-4) 磁链方程： (1-4) 力矩方程： (1-6) 1.1.3永磁同步电机在dq轴下的数学模型 对于永磁同步电机定义d、q两相同步旋转坐标系的d轴与转子磁极轴线重合，q轴逆时针超前d轴90电角度，d轴与电机A相定子绕组的轴线夹角为，且在空间随转子以电角速度旋转。ABC三相静止坐标系和d、q两相同步旋转坐标系如图1-3所示。
转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真
目录 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真 (1) 引言 (1) 1 转差频率矢量控制概述 (1) 2 转差频率控制的基本原理 (3) 2.1 控制原理叙述 (3) 2.2 转差频率控制系统组成 (6) 3转差频率矢量控制系统构建 (7) 4 转差频率矢量控制调速系统仿真和分析 (8) 4.1 仿真模型的建立 (8) 4.1.1转速调节器模块 (8) 4.1.2 函数运算模块 (9) 4.1.3 坐标变换模块 (9) 4.1.4电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型 (10) 4.2仿真条件 (11) 4.3仿真结果 (11) 5结语 (14) 参考文献 (15)
转差频率控制的异步电动机矢量控 制系统仿真 引言 电动机调速是电动机应用系统的关键环节。在１９世纪，高性能的可调速传动控制大多采用直流电动机。但直流电动机在结构上存在难以克服的缺点，即存在电刷和机械换向器，使得直流电动机事故率高，维修工作量大，容量受到换向条件的制约，而交流电动机结构简单，造价小，坚固耐用，事故率低，容易维护，因此２０世纪８０年代以后，，交流调速技术开始迅速发展，并陆续出现了一些先进可靠的交流调速技术，首先是变压变频调速系统（ＶＶＶＦ），后来出现了转差频率矢量控制，无速度传感中矢量控制和直接转矩控制（ＤＴＣ）等。其中，转差频率矢量控制系统结构简单且易于实现，控制精度高，具在良好的控制性能，因此，早期的矢量控制通用变频器上采用基于转差频率控制的矢量控制方式。基于此，本文在Ｍatlab/Simulink环境下对转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。 １转差频率矢量控制概述 由于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。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。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。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，
矢量控制(FOC)基本原理
矢量控制(FOC)基本原理 2014.05.15 一、基本概念 1.1模型等效原则 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ω1（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，单相除外，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 图1-1b 中绘出了两相静止绕组α 和 β ，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F 。再看图1-1c 中的两个互相垂直的绕组M 和 T ，通以直流电流M i 和T i ，产生合成磁动势F ，如果让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 一样，那么这三套绕组就等效了。
三相--两相变换（3S/2S 变换） 在三相静止绕组A 、B 、C 和两相静止绕组α、β之间的变换，简称3S/2S 变换。其电流关系为 111221022A B C i i i i i αβ????-- ???????=?????????-????? （） 两相—两相旋转变换（2S/2R 变换） 同步旋转坐标系中（M 、T 坐标系中）轴向电流分量与α、β坐标系中轴向电流分量的转换关系为 cos sin 2sin cos M T i i i i αβ??????????=??????-???? ?? （） 1.2矢量控制简介 矢量控制是指“定子三相电流矢量控制”。 矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。将交流矢量变换为两相直流标量的过程见图2。
永磁同步电动机矢量控制
第2章永磁同步电机结构及控制方法 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
矢量控制技术
6. 空间电压矢量法 空间电压矢量PWM(SVPWM)控制技术(又称磁通正弦PWM 控制技术)是由德国学者H.W. Vander Broek 等提出的。它和电压正弦PWM 不同点在于：电压正弦PWM 法是从电源的角度出发，其着眼点是如何生成一个可以调频调压的三相对称正弦波电源；而SVPWM 法则是从电机的角度出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。具体地说，它以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM 波形。由于该控制方法把逆变器和电机作为一个整体来考虑，所以模型构造简单，便于数字化实现。与传统电压正弦PWM 相比，该控制方法具有使得电机转矩脉动降低、电流波形畸变减小、直流电压利用率提高的优点[2][6][11]。 6.1空间电压矢量法的基本工作原理 电机的理想供电电压为三相对称正弦，设U 为线电压，相电压表达式如下： )sin(t U V a ω= (2-20) )32 sin(πω-=t U V b (2-21) )3 2 sin(πω+=t U V c (2-22) 根据合成电压矢量公式： )(3 2 2c b a c b a V V V V V V V αα++=++= (2-23) 上面两式合成后，得到： t j Ue V ω-= (2-24) 从上式可以看出，合成电压矢量是一个随时间变化的幅值一定的圆形矢量。而磁场是电压的积分，因此，产生的磁场也是一个圆形旋转磁场。 典型的逆变器的结构图如图2-5所示。如图所示，Q1~Q6是六个功率管，受a 、a ’，b 、b ’，c 、c ’的控制，当上面的功率管是开时(此时我们假设a 、b 、c 的值为1)，相应的下面的功率管则是关的(此时我们假设a ’、b ’、c ’的值为0)，则不同的导通与关断可以组合成八种不同的逻辑状态，在不同状态下，各桥臂
基于TMS320F2812的永磁同步电动机SVPWM空间矢量控制算法实现的源代码
/* ====================================================================== ======== System Name: PMSM34 File Name: PMSM3_4.C Description: Primary system file for the Real Implementation of Position Control Based Sensored Field Orientation Control for a Three Phase Permanent- Magnet Synchronous Motor (PMSM) using QEP sensor Originator: Digital control systems Group - Texas Instruments Note: In this software, the default inverter is supposed to be DMC550 board. ====================================================================== =============== History: ------------------------------------------------------------------------------------- 04-15-2005 V ersion 3.20: Support both F280x and F281x targets 04-25-2005 V ersion 3.21: Move EINT and ERTM down to ensure that all initialization is completed before interrupts are allowed. ====================================================================== =========== */ // Include header files used in the main function #include "target.h" #include "DSP281x_Device.h" #include "IQmathLib.h" #include "pmsm3_4.h" #include "parameter.h" #include "build.h" #include
永磁同步电机矢量控制简要原理
关于1.5KＷ永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制,采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速,为防止失步，采用自控方式,利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率,同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律,在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量,并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id＝０，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和ｉｑ乘积成正比。由于给定Id=0,那么主磁通就基本恒定,这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分,输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电,并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程:速度给定信号与检测到的转子信号相比较,经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Ｉsq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Iｓd＿ｒｅf由外部给定,当励磁分量为零时,从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定,简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流,经过Clarｋe变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流,再通过ｐark变换将其变为d-ｑ两相旋转坐标系下电流Ｉsq,Iｓｄ,分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Ｖsd_rｅf 和Ｖsq_ref，再经过ｐark逆变换,得到Vsa_ｒeｆ和Ｖsｂ_ｒｅf作为
TI公司官网源代码基于TMS320F2812的永磁同步电动机空间矢量控制的算法实现
第7章基于TMS320F2812的永磁同步电动机控制例1、空间矢量算法实现 SVGEN_DQ对象结构体定义 typedef struct { _iq Ualpha;//输入：轴参考电压 _iq Ubeta; _iq Ta; _iq Tb; _iq Tc; } SVGENDQ; typedef SVGENDQ *SVGENDQ_handle; SVGEN_DQ模块调用方法： main(){} void interrupt periodic_interrupt_isr(){svgen_dq 1.Ualpha = Ualpha1; svgen_dq 1.Ubeta = Ubeta1; svgen_dq 2.Ualpha = Ualpha2; svgen_dq 2.Ubeta = Ubeta2;
1.calc(&svgen_dq1); svgen_dq 2.calc(&svgen_dq2); Ta1 = svgen_dq 1.Ta; Tb1 = svgen_dq 1.Tb; Tc1 = svgen_dq 1.Tc; Ta2 = svgen_dq 2.Ta; Tb2 = svgen_dq 2.Tb; Tc2 = svgen_dq 2.Tc; }//提供输入参数：svgen_dq1 //提供输入参数：svgen_dq1 //提供输入参数：
//提供输入参数： svgen_dq2 //调用函数模块svgen_dq1 //调用函数模块svgen_dq2 //访问运算结果svgen_dq1 //访问运算结果svgen_dq1 //访问运算结果svgen_dq1 //访问运算结果svgen_dq2 //访问运算结果svgen_dq2 //访问运算结果svgen_dq2 //输入：轴参考电压 //输出： 参考相位a开关函数 //输出： 参考相位b开关函数 //输出： 参考相位c开关函数 函数指针 void (*calc)(); //
foc控制算法及原理详解
foc控制算法及原理详解 FOC（field-oriented control）为磁场导向控制，又称为矢量控制（vector control），是一种利用变频器（VFD）控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的输出。其特性是可以个别控制马达的的磁场及转矩，类似他激式直流马达的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。 达姆施塔特工业大学的K. Hasse及西门子公司的F. Blaschke分别在1968年及1970年代初期提出矢量控制的概念。Hasse提出的是间接矢量控制，Blaschke提出的是直接矢量控制。布伦瑞克工业大学的维尔纳·莱昂哈德（Leonhard further）进一步开发磁场导向控制的控术，因此交流马达驱动器开始有机会取代直流马达驱动器。 当时微处理器尚未商品化，但已经出现泛用的交流马达驱动器。当时相较于直流马达驱动器，交流马达驱动器的成本高、架构复杂，而且不易维护。而当时的矢量控制需要许多传感器及放大器等元件，因此无法将矢量控制应用在交流马达驱动器中。 派克变换一直被用在同步马达及感应马达的分析及研究，是了解磁场导向控制最需要知道的概念。这个概念是罗伯特·派克（Robert Park）在1929年的论文中提出的。派克变换被列为二十世纪发表电力电子相关论文中，第二重要的论文。派克变换的重要性是可以将马达有关的微分方程，由变系数微分方程变成“时不变”系数的微分方程。 矢量控制可以适用在交流感应马达及直流无刷马达，早期开发的目的为了高性能的马达应用，可以在整个频率范围内运转、马达零速时可以输出额定转矩、且可以快速的加减速。不过相较于直流马达，矢量控制可配合交流马达使用，马达体积小，成本及能耗都较低，因此开始受到产业界的关注。矢量控制除了用在高性能的马达应用场合外，也已用在一些家电中 VFD-VE系列的向量控制核心技术是FOC（（Field Oriented Control），也就是业界通称的磁场导向控制或磁束向量控制。愈来愈多的马达驱动器採用磁场导向控制，因为它可让马达在任何时刻都在最佳的扭力之下工作，所以可获得更高的效率，它具有更好的动态反应，
矢量控制系统
摘要：交流电机矢量控制理论是德国学者K Hass和FBlaschke建立起来的，作为交流异步电机控制的一种方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。 交流电机的矢量控制技术是基于交流电机的动态模型，通过建立交流电机的空间矢量图，采用磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，并分别对磁通和力矩进行控制，而使异步电机可以像他励直流电机一样控制。随着计算机技术飞速发展，功能强大的数字信号处理器（DSP）的广泛应用使得矢量控制逐渐走向了实用化。本文先对矢量控制系统的原理进行简要说明,然后给出了一种矢量控制系统基于DSP芯片的实现方案，最后例举了一些目前应用较广泛的矢量型变频器。 关键词：矢量控制，DSP，变频器。
目录 1.矢量控制 (3) 1.1概述 (3) 1.2基本原理 (5) 1.3坐标变换 (6) 2.转差频率矢量控制 (7) 3.基于DSP芯片TMS320F2812的矢量控制系统 (12) 4.西门子MicroMaster440变频器 (13) 参考文献 (15)
1.矢量控制 1.1概述 由于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。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。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。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在Siemens，ABB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。
矢量控制系统理论基础及其公式推导
矢量控制系统理论基础及其公式推导目录： 1、坐标变换理论 2、A-B-C静止坐标系下的感应电机数学模型 3、任意转速旋转的d-q坐标系下的感应电机数学模型 4、α-β坐标系下的感应电机数学模型 5、dq0坐标系下的感应电机数学模型 6、间接矢量控制系统的关键公式推导 7、磁链观测器关键公式推导 内容： 1、坐标变换理论 A-B-C坐标系与α-β坐标系： i i α β ? = ? ? ? ?= ?? (1) 推导的条件： ①磁动势相等； ②功率守恒； ③0 A B C i i i ++=。 α-β坐标系与d-q坐标系： cos sin sin cos d q d q i i i i i i α β ?? ?? =- ?? ?=+ ?? (2) 逆变换： cos sin sin cos d q i i i i i i αβ αβ ?? ?? =+ ?? ?=-+ ?? (3) 其中：t ?ω =为d-q轴与α-β轴之间的夹角；ω为d-q坐标系的旋转速度 特殊情况： 当d-q坐标系的旋转角速度ω与同步角速度相一致时，d轴与q轴的分量为直流量。2、A-B-C静止坐标系下的感应电机动态数学模型 动态数学模型有五部分组成：电压方程、磁链方程、转矩方程、运动方程和速度方程。 电压方程： 定子电压方程 A A A s B B B s C C C s d u i R dt d u i R dt d u i R dt ψ ψ ψ ? =+ ? ? ? =+ ? ? ? =+ ? ? (4) 转子电压方程
a a a s b b b s c c c s d u i R dt d u i R dt d u i R dt ψψψ? =+?? ? =+?? ? =+ ?? (5) 归纳为：u Ri p ψ=+（6） 磁链方程： 由于感应电机共有六组线圈，分别是定子三组和转子三组线圈，每组线圈的磁通量是自感产生的磁通量和其它线圈感应产生的磁通量之和，如A 相磁链为： A AA AB AC Aa Ab Ac ψψψψψψψ=+++++（7） 其中：AA A AA i L ψ=，为A 相自感产生的磁通量；AB B AB i L ψ=，为B 相在A 相感应的磁通量，其它各相感应的磁通量分别是：AC C AC i L ψ=，Aa a Aa i L ψ=，Ab b Ab i L ψ=和Ac c Ac i L ψ=。 包含六个线圈的磁链方程为： A AA A B A C Aa Ab Ac A B BA BB BC Ba Bb Bc B C CA CB CC Ca Cb Cc C a aA aB aC aa ab ac a b bA bA bA bA bA bA b c cA cB cC ca cb cc c L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i ψψψψψψ?????? ?????????????????? =??? ????????????????????????????????? （8） 归纳为：Li ψ=（9） 并且： 1 212AA BB CC ms ls aa bb cc ms lr AB AC BA BC CA CB ms ab ac ba bc ca cb ms L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ===+??===+???======-? ?======-?? （10） cos cos(120)cos(120) Aa aA Bb bB Cc cC ms o Ac cA Ba aB Cb bC ms o Ab bA Bc cB Ca aC ms L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L θθθ======? ?======-??======+? （11） 其中，ms L 为定子和转子每相互感，ls L 为定子漏感，lr L 为转子漏感，r t θω=为定转子之间的夹角，r ω为转子电角速度 式（10）分别为定子三相和转子三相的自感和互感，由于定子三相之间位置相对固定为120度，转子三相之间位 置也是固定的120度，因此，互感都是定值。 式（11）为定子与转子之间的互感，由于转子处于旋转状态，定转子之间位置并不固定，因此，定转子之间的互感为时变值，当定子A 相与转子a 相重合时，其互感最大，当两者为90度时，其互感最小。 综合式（6）和（9），可得： u Ri pLi =+ （12） 由于L 和i 都是变化的，对其求微分得到： r dL u Ri Lpi i d ωθ =++ （13） 其中，Lpi 为电感压降，也被称为由于电流突变而导致的脉变电动势， r dL i d ωθ 为与速度相关的速度反电动势。 转矩方程：