交流电机矢量控制系统仿真设计共22页文档
矢量控制
70年代初西门子工程师F.Blaaschke在读博士期间，其导师给他出了一个课题，就是如何通过运算来实现交流电机的直流化控制。
（因为直流电机的励磁和电枢部分单独实现调节，在励磁恒定的情况下，只需控制直流电机的电枢电流即可实现对电机转矩的控制，而交流电动机则不同。
根据公式3可知。
）交流电动机的磁通和电流是耦合在一起的，改变磁通的同时会同时引起电流的变化。
F.Blaaschke想出一个非常天才的想法，即通过坐标变换先将电动机的三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁通和电流分别控制的目的，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，一举打破了直流调速系统一统天下的局面。
七十年代初期，西门子公司的FBlaschke和WFlotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，得到类似于直流电机的数学模型。
1980年，日本ANabas教授和山村昌教授提出转差矢量控制系统。
直到现在，科学家仍在进行着不懈的研究。
仿真分析是解决矢量控制系统复杂性问题的有力手段，为此，本文根据矢量控制系统的构成框图，建立了面向结构图的电流滞环型矢量控制交流调速系统的一体化仿真模型，并用MATLAB的Simulink语言，直接进行仿真，得到了良好的效果。
同时，该仿真模型可以直接作为平台对调速系统的控制器、电流变换和磁链观测器、电流控制变频器及异步电动机等模块进行检验和比较，具有很好的通用性。
1 系统的组成本文所用的仿真系统为转速、磁链闭环电流滞环型PWM变频调速系统，为了提高系统的快速性和限流的必要性，电流调节器采用传统的PI调节器。
同时为了保持系统的通用性，转速和转矩调节器亦采用PI调节器，系统的原理框图如图1所示。
图1 转速、磁链闭环电流滞环型PWM变频调速系统ASR-速度调节器；ATR-转矩调节器；AΨR-磁链调节器；BRT-速度传感器转速、磁链闭环电流滞环型调速系统其简化构成框图如图2所示。
永磁同步交流电机矢量控制系统的离散模型与连续模型
永磁同步交流电机矢量控制系统的离散模型与连续模型摘要本文主要探讨了永磁同步交流电机（P MSM）矢量控制系统的离散模型与连续模型。
首先介绍了PM SM的基本原理和矢量控制的背景，然后详细讲解了P MS M的离散模型和连续模型的建立方法，并给出了具体的数学公式和推导过程。
最后通过仿真实例对比了离散模型和连续模型之间的性能差异，验证了模型的有效性。
1.引言随着现代工业的发展和对高性能电机的需求，永磁同步交流电机成为了越来越重要的一种电机类型。
矢量控制是目前最常用的永磁同步电机控制方法之一，它通过精确控制电机的电流和转子位置，实现了电机的高效能运行。
在矢量控制系统中，离散模型和连续模型是两种常见的模型表示方法，本文将对它们进行详细介绍和比较。
2.永磁同步交流电机的基本原理和矢量控制背景2.1永磁同步交流电机的基本原理永磁同步交流电机是一种利用永磁体产生磁场，与电动机转子上的磁场进行交互作用，从而实现转矩输出的电机。
它具有高效率、高功率密度和响应速度快等特点，广泛应用于工业领域。
2.2矢量控制背景矢量控制是控制电机转子磁场和电流矢量，使得电机具有类似直流电机的性质，从而实现高效率和高性能的控制方法。
通过矢量控制，可以实现电机转速和转矩的精确控制，提高电机的响应速度和运行效率。
3.离散模型的建立3.1离散模型的基本原理离散模型是将连续时间系统转化为离散时间系统的一种模型表示方法。
对于永磁同步交流电机的离散模型，我们需要确定离散化的采样周期和采样时间间隔。
3.2离散模型的建立方法通过对永磁同步交流电机的连续模型进行数学推导和离散化处理，可以得到其离散模型。
离散模型包括转子位置和速度估计等关键参数，它们是实现矢量控制的基础。
4.连续模型的建立4.1连续模型的基本原理连续模型是对永磁同步交流电机系统在连续时间范围内的一种精确描述。
通过对电机的物理特性和运动方程进行建模，可以得到其连续模型。
4.2连续模型的建立方法利用电机的动态方程和瞬时功率平衡方程，可以推导出永磁同步交流电机的连续模型。
交流异步电动机矢量控制调速系统设计
目录摘要I1绪论11.1交流调速技术概况11。
2异步电动机矢量控制原理22矢量控制理论42.1矢量控制42.2异步电机的动态数学模型52.3坐标变换73矢量控制系统硬件设计93。
1矢量控制结构框图93.2矢量控制系统的电流闭环控制方式思想9 3。
3各个子系统模块103.4矢量控制的异步电动机调速系统模块124 SIMULINK仿真134.1MATLAB/S IMULINK概述134。
2仿真参数134。
3仿真结果145总结16参考文献17摘要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。
本设计把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。
综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景,并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。
直接矢量控制就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。
并用MATLAB最终得到了仿真结果。
关键词：坐标变换；矢量控制;MATLAB/simulink1绪论1.1交流调速技术概况工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动,其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗,节约电能也需要调速。
过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。
但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修,使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在,直流电机无法做成高速大容量的机组,如目前3000转/分左右的高速直流电机最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦,远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求.交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机.交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同,通过适当调节电压和频率之间的关系,可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。
基于交流电动机的动态模型的间接矢量控制仿真与设计
电力拖动自动控制系统课程设计学院：信息与电气工程学院班级：电气三班学号:姓名：基于交流电动机的动态模型的间接矢量控制仿真与设计一设计目的：应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础二设计参数：额定输出功率17KW；定子绕组额定线电压380V；定子绕组额定相电流25A;定子绕组每相电阻0.1欧姆；定子绕组接线形式Y；转子额定转速1430rpm;转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:1欧姆；转子折算后额定电流50A；额定功率因数：0.75；电机机电时间常数1S;电枢允许过载系数1.5；环境条件:电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%;环境温度:-40~+40摄氏度; 环境相对湿度:10~90%.控制系统性能指标:转差率：3%；调速范围：D＝20；电流超调量小于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.三动态模型：（1） 电压方程：ϕP Ri u += （2） 磁链方程：Li =ϕ，i d dLd d L Ri u tiωθ++= （3） 运动方程：tp Ld d n J ω+T=T（4） 转矩方程：i L i n T p θ∂∂=T 21四坐标变换为简化和求解三相异步电机的数学方程，须按图1对电机坐标系的基本方程进行坐标变换，实现电机模型的解耦。
1坐标变换模块图：2W1生成模块：3PI模块变换：4Um,UM 生成模块：图1 永磁容错电机常用坐标系根据坐标变换理论，可得三相静止到两相静止坐标系变换矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2323021211322/3ss C （3-1） 两相静止到两相旋转坐标系变换矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=θθθθcos sin sin cos C 2/s 2r （3-2） 转子初始磁链在各坐标系分量为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡023f q d ψψψ （3-3） 可得电机在两相旋转坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程如下：⎪⎩⎪⎨⎧++=-+=d s q q q qs d d d p Ri U p Ri U ψωψψωψ （3-4） ⎪⎩⎪⎨⎧=+=q q qfd d d iL i L ψψψ23 （3-5） )(d q q d p e i i n T ψψ-= （3-6）五按转子磁链定向实现异步电机矢量控制按转子磁链定向的坐标系称为MT 坐标系，M 轴与转子磁链方向一致。
基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计
运动控制课程设计班级：电气三班学号：姓名：基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计设计目的应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
1直接转矩控制的基本原理及规律直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。
在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。
1.1直接转矩控制系统原理与特点如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号*T，T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得在*转速和磁链系统实现解耦。
因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。
图1-1直接转矩控制系统图的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链s保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。
在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。
从以上介绍我们可以了解到DTC系统在具体控制方法上的一些特点：⑴转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM的逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的姐结构。
基于交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的仿真与设计
基于交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的仿真与设计姓名：班级：电气三班学号：专业：电气工程及其自动化1.引言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，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。
需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。
经过人们的多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是矢量控制系统。
直接矢量控制就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。
本文研究了交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的设计方法。
并用MATLAB 最终得到出仿真结果。
2. 矢量控制系统结构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(VectorControlSystem)，简称VC 系统。
VC 系统的原理结构如图1所示。
图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号*m i 和电枢电流的给定信号*t i ，经过反旋转变换1-VR 一得到*αi 和*βi ，再经过2／3变换得到*A i 、*B i 和*C i 。
把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号1ω加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。
图1 矢量控制系统原理结构图在设计VC 系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器1-VR 与电机内部的旋转变换环节VR 相抵消，2／3变换器与电机内部的3／2变换环节相抵消，则图1中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。
可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。
基于Matlab交流异步电机矢量控制系统的仿真建模_纪志成
Hysteresis current controller
Invertor
id iq Sum1 Reference speed 1/2 Sum 1/P Speed Motor model Load Torque alfa_beta2abc Position Torque To Workspace AC asynchronism motor
1 in_1
in_1
Usd
isd wr Frq Frd
out_1 in_2
isd
1 out_1
isd Frd 2 out_2 3 out_3 4 out_4
Frd 2 in_2 wr Frq 3 in_3
Usq
isd 和 isq 、转子绕组磁链 Ø
rd
和Ø
rd
，模块结构框图如图 、Ø rq 。 rq
收稿日期 ：２００３－０７－２９ 修回日期： ２００３－１２－１５ 基金项目： 教育部重点科技项目（０３０８５） 作 者 简 介 ： 纪 志 成 （１９５９－）， 男， 浙江杭州人， 教授， 博士， 研究方向 为电力电子与电气传动； 薛 花 （１９７９－）， 女， 江苏无锡人， 硕士生， 研究方向为电力电子与智能控制； 沈 艳 霞 （１９７３－）， 女， 山东淄博人， 讲师， 博士生， 研究方向为电力电子与电气传动。
2 所示，图 2 中的 Frd 、Frq 分别指代 Ø
图 2 中，isd 子模块和 isq 子模块负责求取 dq 两相相电 流 isd 、 isq ，计算方程：对交流异步电机数学模型的电压 方程式（1）（2）进行 abc/dq 变换，可得两相电机的电压 方程式（6）：
Usq
Frd wr isq Frq Frq
U A = r1i A + pØ A U B = r1iB + pØ B U = r i + pØ C C 1C
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。
1971年，由F．Blaschke 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。
该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。
控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。
矢量控制的基本思想是在普通的三相交流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，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。
控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。
1 永磁同步电机的数学模型1.1 永磁同步电机系统的结构永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。
定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。
转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。
1.2 坐标变换坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。
线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。
电动机中用到的坐标变换都是线性变换。
在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对我们是静止的，即：α,β 坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组 A 相的产生磁势的方向，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为 d,q 坐标，其中 d 轴跟单磁极的 N 极方向相同，即和磁力线的方向相同，q 轴超前 d 轴 90 度下图所示。