异步电机控制策略
异步电机控制算法基础
异步电机控制算法基础异步电机，又称感应电机，是工业应用中最常见的电动机类型之一。
它的运行不依赖于外部的同步信号，而是通过内部的电磁感应产生转矩。
由于其结构简单、维护成本低以及可靠性高等特点，异步电机在诸多领域，如制造业、风力发电、水泵系统等都发挥着重要的作用。
随着电力电子技术、微处理器技术和控制理论的发展，异步电机的控制算法也日益丰富和精确。
本文将详细探讨异步电机控制算法的基础理论，包括数学模型、控制策略及其在实际系统中的应用。
一、异步电机的基本数学模型理解异步电机的控制算法，首先要从其数学模型入手。
异步电机的数学模型相对复杂，但可以通过合理的简化和假设来降低其复杂性。
常用的数学模型有dq轴模型、αβ轴模型以及基于这些模型的派生模型。
1. dq轴模型dq轴模型是通过Park变换将三相异步电机的电压、电流和磁链等物理量从静止的abc坐标系转换到旋转的dq坐标系中。
在dq坐标系下，电机的电压方程、磁链方程和转矩方程可以表示为相对简单的形式，便于分析和设计控制器。
2. αβ轴模型αβ轴模型是通过Clarke变换将三相异步电机的物理量从abc坐标系转换到两相正交的αβ坐标系中。
这种模型在分析和设计某些类型的控制器（如直接转矩控制）时特别有用。
二、异步电机的控制策略异步电机的控制策略主要可以分为两大类：矢量控制（也称为场向量控制）和直接转矩控制。
1. 矢量控制矢量控制是一种高性能的异步电机控制策略，它通过模拟直流电机的控制方式来独立控制异步电机的转矩和磁通。
矢量控制的核心思想是通过坐标变换将异步电机的定子电流分解为产生磁通的励磁分量和产生转矩的转矩分量，然后分别对这两个分量进行控制。
通过这种方式，矢量控制可以实现异步电机的高性能调速，包括快速的动态响应、高精度的速度控制和宽广的调速范围。
2. 直接转矩控制直接转矩控制是一种直接控制异步电机电磁转矩的控制策略。
它不需要进行复杂的坐标变换，而是直接在定子坐标系下计算和控制电机的转矩。
异步电机直接转矩控制策略
异步电机直接转矩控制策略研究目的
提高控制性能
通过直接控制电机的转矩和磁链 ，实现更快速、更精确的电机控
制，提高控制性能。
简化控制算法
直接转矩控制策略简化了传统控制 策略的算法，降低了对控制硬件的 要求。
推广应用
通过深入研究直接转矩控制策略的 原理和应用，为该策略在更多领域 的应用提供理论支持和实践指导。
异步电机直接转矩控制策略
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目录
• 引言 • 异步电机直接转矩控制策略基
本原理 • 异步电机直接转矩控制策略实
现方法 • 异步电机直接转矩控制策略性
能分析
目录
• 异步电机直接转矩控制策略优 化方法
• 异步电机直接转矩控制策略实 验验证
01
引言
异步电机直接转矩控制控制策略基 本原理
异步电机基本原理
异步电机结构
异步电机由定子和转子组成，定 子绕组产生旋转磁场，转子感应 电流产生转矩。
异步电机工作原理
异步电机工作时，旋转磁场与转 子电流相互作用产生转矩，使转 子转动。
直接转矩控制的提出
异步电机在工业、交通、能源等领域 应用广泛，对控制策略提出较高要求 。
为了简化控制算法和提高控制性能， 直接转矩控制策略被提出，通过直接 控制电机的转矩和磁链来实现高性能 控制。
传统控制策略的局限性
传统的异步电机控制策略如矢量控制 、场向量控制等，虽然能够实现高性 能控制，但算法复杂，对控制硬件要 求较高。
一种新的异步电机非线性控制策略
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一种新型异步电机直接转矩控制策略研究
年第6期5一种新型异步电机直接转矩控制策略研究刘刚1任一峰1林都1赵敏2（1.中北大学，太原030051；2.北京茨浮测控技术研究所，北京101101）摘要异步电机调速系统中，传统直接转矩控制不能满足高精度调速的要求。
在分析了异步电机直接转矩控制基本原理的基础上，提出了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM ）的直接转矩控制方法。
通过Matlab/Simulink 对该系统进行仿真，仿真结果表明：空间矢量脉宽调制直接转矩控制能够有效地减少电动机转矩和磁链的脉动。
关键词：异步电机；直接转矩控制；交流调速系统Research on a New Method for Direct Torque Control of Induction MotorLiu Gang 1Ren Y ifeng 1Lin Du 1Zhao Min 2（1.North University of China ,Taiyuan 030051；2.Academy of Beijing Servo technology,Beijing 101101）Abstr act In speed modulation of induction motor,traditional DTC controller can ’t fulfill speed modulation in large-scale and high precision.The principle of direct torque control for asynchronous motor is presented,give a method of direct torque control based on SVPWM.A simulation with Matlab/Simulink is carried out,simulation results show that it effectively reduces the pulsation of torque and magnetic flux linkage.Key words ：asynchronous motor ；direct torque control ；AC speed modulation system1引言直接转矩控制是继矢量控制后交流调速领域中一门新兴的控制方法，其特点是采用空间电压矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能[1]。
异步电机无速度传感器矢量控制策略综述
矢量控制策略具有动态响应快、转 矩脉动小、运行效率高等技术优势 ，在异步电机控制领域得到了广泛 应用。
02
异步电机无速度传感器技术
无速度传感器技术原理
估计转速和位置
通过检测电机的电压、电流等电气信 号，利用特定的算法估计电机的转速 和转子位置。
消除机械传感器
无需使用机械式的速度传感器，降低 了系统的复杂性和成本，同时提高了 系统的可靠性和维护性。
节能环保
无速度传感器技术能够实 现电机的精确控制，减少 不必要的能耗，有利于节 能环保。
矢量控制策略简介
基本原理
矢量控制策略是一种通过坐标变 换将三相交流电机等效为直流电 机进行控制的方法，可以实现电
机的高性能控制。
控制方法
矢量控制策略包括磁场定向控制（ FOC）和直接转矩控制（DTC）等 方法，可以根据不同的应用需求选 择合适的控制方法。
无速度传感器技术分类
01
基于电机模型的方法
利用电机的数学模型，通过检测电机的电压、电流等电气信号估计转速
和转子位置。如基于扩展卡尔曼滤波器（EKF）的方法。
02
基于信号处理的方法
通过分析电机运行过程中的信号特征来估计转速和转子位置。如基于振
动信号分析、电流频谱分析等方法。
03
混合方法
结合电机模型和信号处理的方法，以充分利用两者的优点，提高估计精
展望
• 在未来，该控制策略有望成为电机控制领域的主流 技术之一，为工业自动化、智能家居等领域带来更 多的创新和变革。
THANK YOU
异步电机无速度传感器矢量控制策略的优势与局限
优势
局限
• 无需使用速度传感器，降低了系统成本和复杂度。
• 通过对电机参数的精确测量和计算，可以实现高精度 的矢量控制，提高了电机的运行效率和性能。
异步电机的控制策略如何优化能源利用率
异步电机的控制策略如何优化能源利用率在当今能源日益紧张的时代，提高能源利用率成为了各行各业关注的焦点。
异步电机作为广泛应用于工业生产和日常生活中的重要动力设备，其能源消耗占据了相当大的比例。
因此，优化异步电机的控制策略，以提高能源利用率，具有极其重要的现实意义。
异步电机的工作原理相对简单，但要实现高效运行却并非易事。
它通过电磁感应原理将电能转化为机械能，但在这个过程中，存在着诸多能量损耗。
例如，定子和转子的铜损、铁芯的铁损以及机械损耗等。
为了减少这些损耗，提高能源利用率，需要采取一系列有效的控制策略。
其中，变频调速控制是一种常见且有效的方法。
传统的异步电机通常以固定的转速运行，无法根据实际负载需求进行灵活调整。
而变频调速技术可以通过改变电源的频率，从而改变电机的转速。
当负载较轻时，降低电机的转速，既能满足工作需求，又能显著降低能耗。
这是因为电机的功率与转速的三次方成正比，转速的小幅降低就能带来功率的大幅下降。
在变频调速控制中，矢量控制和直接转矩控制是两种常用的先进控制策略。
矢量控制通过将异步电机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量，并分别进行控制，实现了对电机磁通和转矩的解耦控制，从而提高了电机的动态性能和效率。
直接转矩控制则直接对电机的转矩和磁通进行控制，具有响应速度快、控制简单等优点。
通过合理选择和应用这些控制策略，可以根据不同的工况，精确地控制异步电机的运行，达到节能的目的。
除了变频调速控制，优化电机的启动方式也能有效提高能源利用率。
直接启动是异步电机最常见的启动方式，但这种方式会导致启动电流很大，通常为额定电流的 5 7 倍，这不仅会对电网造成冲击，还会增加电机的能量损耗。
相比之下，软启动技术则可以有效地解决这个问题。
软启动通过逐渐增加电机的电压，使电机平稳启动，减少了启动电流和冲击，降低了启动过程中的能量损耗。
此外，合理选择电机的负载匹配也是优化能源利用率的重要环节。
如果电机长期处于轻载或过载运行状态，都会导致能源利用率降低。
异步电机无速度传感器矢量控制策略综述
基于滑模控制的自适应控制策略
总结词
滑模控制是一种非线性控制策略，其核心思 想是在控制过程中使系统的状态轨迹在预设 的滑模面上滑动，以达到预设的目标。
详细描述
在无速度传感器矢量控制中，滑模控制通常 用于估计转速和转子位置。通过设计适当的 滑模面和控制律，可以使系统的状态轨迹在 滑模面上滑动，并根据滑模面的输出估计转 速和转子位置。
基于人工智能的无速度传感器控制技术
1 2
神经网络（NN）
利用多层神经网络对电机转速进行估计，具有 较好的自适应性和鲁棒性。
支持向量机（SVM）
通过构建支持向量机分类器或回归器，实现对 电机转速的估计和控制。
3
强化学习（RL）
通过设计合适的奖励函数和策略，实现对电机 转速的优化控制。
基于信号处理的无速度传感器控制技术
无速度传感器技术的优势
无速度传感器技术能够简化系统结构，降低成本，提高可靠性，因此研究无速 度传感器矢量控制策略具有重要的实际意义。
研究现状与发展
研究现状
目前，异步电机无速度传感器矢量控制策略的研究已经取得了一定的成果，各种 控制方法不断涌现，如基于模型的控制、滑模控制、神经网络控制等。
发展方向
未来的研究将更加注重控制算法的优化和实际应用效果的验证，同时结合现代信 号处理技术和人工智能技术，进一步发展新型的无速度传感器矢量控制策略。
CHAPTER 03
无速度传感器矢量控制技术
基于模型的无速度传感器控制技术
模型预测控制（MPC）
利用电机动态模型进行预测和反馈控制，以达到良好的动态性能 。
滑模观测器（SMO）
通过设计滑模面和滑模控制器，实现对电机转速的精确估计。
扩展卡尔曼滤波（EKF）
带有母线电压控制的异步电机矢量控制策略
要： 提 出了一种建立在异步 电机矢 量控制策略基础上 的母线 电压控制策 略 ， 以解决 架线式交 流电机
车母 线电压发生 的较大 波动 ， 减少欠压 和过压故障保护产 生的 系统 中断运行 现象 ， 提高 系统 的可靠性 。对前 馈 比例环节进行设计 、 参数计算 和理论分 析 ， 并进行 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真验证 。仿真 结果表 明控 制策略能保证 原有 控 制系统高性能 的前提下 ， 实现母线 电压 的平 稳控制 ， 减 少欠 压和过压保护现象的发生。
ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｏ ｖ ｅ ｒ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ＤＣ ｂ ｕ ｓ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ；ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ；ａ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ；ｆ ｅ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ
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控制 与应 母 线 电压 控 制 的 异 步 电机 矢 量 控 制 策 略
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其中 、 为按电压方程计算的转子磁链； r 、 r 为按电流方程计算的转子磁链
* r
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转速推算模块
无速度传感器的矢量控制系统仿真模型
二、转差频率控制的矢量控制
该调速系统转速采用转差频率控制，即电机的定子角频率w1由 转子角频率w和转差角频率ws组成，这样在转速变化时，定子电 流频率始终能够随着转子的实际转速同步升降，使转速调节的更 为平滑。
三、转速开环控制的交流异步电机仿真
恒压频比控制是在基频以下控制，即在基频以下保持电动机气隙磁通基本恒定的控 制方式。在恒定负载时，电动机在变频调速时转差率基本不变，机械特性较硬，具 有良好的调速性能。但如果频率过低，定子阻抗压降占得比重过大就难以保证气隙 磁通不便电动机的最大转速就会随着频率的下降而下降。其仿真模型如下
三、转子磁链电流数学模型
1.转子磁链的电流模型
（1）在 坐标系下计算转子磁链的电流模型
由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止的亮相政教坐标系上的电流 sa 、 轴上的分量 和 i ，再利用坐标系中的数学模型计算转子磁链在 s
ห้องสมุดไป่ตู้
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dr Lm 1 r r is dt Tr Tr
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后期计划安排
1、接手dsp硬件 2、异步电机控制算法，分数阶控制、滑模控制，神经网络控制。
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然后采用直角坐标-极坐标变换，就可以得到转子磁链矢量的幅值 r 和空间位置ψ
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1）在 mt 坐标系下计算转子磁链的电流模型
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学习总结
姓名：余现飞
近期学习进展
一、异步电机控制策略学习 二、仿真实验 三、转子磁链电流数学模型
后期计划安排
一、异步电机控制策略学习
基本概念
当前异步电机控制策略主要有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制。 1、恒压频比控制 恒压频比控制就是保证定子电压与交流电供电频率比值保持恒定的一种控制方式，这种控 制方式控制方法简单，但作为一种开环控制方式，控制精度低，动态响应较差，一般用于 动稳态性能要求都不高的调速系统。 2、转差频率控制 通过计算电机转差，并与电机的实际速度之和作为变频器的给定输入，类似于在恒压频比 控制的基础之上增加了转速闭环的一种控制方法，该方法同样控制简单，但无法对电机转 矩实行高性能的控制，转矩利用率低，调速性能较差。 3、矢量控制 将检测到的电机定子三相电流通过坐标变换转换为两个解耦的两个分量即转矩分量和励磁 分量，将异步电机等效为直流电机进行控制，实现与直流电机同等的控制效果。 4、直接转矩控制 利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的正负符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接 选取合适的定子电压矢量，实现对电磁转矩和定子磁链的实时跟踪控制。省去了矢量控制 所要进行的复杂的坐标变换，方法简单，动态性能较好，但依赖于对定子磁链的估计的准 确性，而且在低速时动态效果较差。
二、仿真实验
1、无速度传感器矢量控制系统仿真 2、转差频率控制的矢量控制技术 3、转速开环控制的交流异步电机仿真
无速度传感器矢量控制系统仿真
在矢量控制系统中，为了实现转速的闭环控制和磁场定向，电动 机的转速检测是必不可缺的一个环节，从电机的数学模型可以看 出 ，电动机的转速实际是可以有计算得到的，它克服了以往有 速度传感器自身所带来的误差。所以无速度传感器成为交流控制 中重要的研究内容。无速度传感器的速度推算基本上都是在检测 出电动机电压、电流的基础之上，通过电动机数学模型和矢量控 制方法来推算电动机转速的。下面介绍通过采用模型参考自适应 的速度推算方法的矢量控制系统。 电动机转速计算公式