交流电机矢量控制剖析
三相电机矢量控制-概述说明以及解释
三相电机矢量控制-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分：三相电机矢量控制是一种先进的电机控制技术，通过对电机的电流和转子位置进行精确控制，使电机在不同工况下能够实现高效、精准的运行。
矢量控制技术可以有效地提高电机的运行效率和响应速度，同时也能够降低电机的能耗和维护成本。
本文将介绍三相电机矢量控制技术的概念和原理，并着重探讨其在工业控制和自动化领域的重要性和应用前景。
同时也将对该技术的优势进行详细阐述，以及展望未来三相电机矢量控制技术的发展方向。
1.2 文章结构：本文将首先介绍三相电机矢量控制的概念和原理，包括其在电机控制领域中的重要性和应用。
然后，我们将深入探讨矢量控制相对于传统控制方法的优势和特点，以及在不同应用领域中的具体应用情况。
最后，我们将总结矢量控制的重要性，并展望未来在该领域的发展方向，以及对读者提出一些思考和启发。
通过这样的结构安排，读者将能够全面了解三相电机矢量控制的相关知识，并对其在未来的发展趋势有着清晰的认识。
目的部分的内容应该涵盖本篇文章的写作目的。
一般来说，写作目的包括介绍读者可能已经知道的信息，引起读者对所讨论话题的兴趣，解释文章中的主要观点和论证，并提出读者学习该主题或思考相关问题的原因。
以下是目的部分的内容："1.3 目的本文旨在介绍三相电机矢量控制的基本概念和原理，以及矢量控制在工业领域中的重要性和应用。
通过本文的阐述，读者将能够了解矢量控制技术的优势以及在各种应用领域中的实际运用情况。
此外，本文也旨在强调矢量控制技术的重要性，展望未来该领域的发展趋势，并鼓励读者深入学习和思考相关问题，以促进该技术在工业生产中的进一步应用和发展。
"2.正文2.1 三相电机矢量控制概述三相电机矢量控制是一种高级电机控制技术，通过控制电机的电流和电压来实现精确的转速和转矩控制。
与传统的矢量控制技术相比，三相电机矢量控制可以更精准地控制电机的运行状态，提高了电机的性能和效率。
交流电机矢量控制
B iB
B
iC
C
C
F ω1
A
iA
A
a）三相交流绕组
交流电机矢量控制
（2）等效的两相交流电机绕组
ω1 i
i
F
b）两相交流绕组
交流电机矢量控制
图b中绘出了两相静止绕组 和 ，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 。
当图a和b的两个旋转磁动势大小和转速都相等 时，即认为图b的两相绕组与图a的三相绕组等效。
3
i α
2
iβ
1 2
0
2
iA iB
交流电机矢量控制
(694)
2
iA
iB
3 1 6
0 i
α
1 2
iβ
(695)
按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变 换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵。
交流电机矢量控制
(2). 两相—两相旋转变换 从上图等效的交流电机绕组和直流电机绕组物
交流电机矢量控制
控制理论和方法
在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述 成单变量（单输入单输出）的三阶线性系统，完全 可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工 程设计方法进行分析与设计。 但是，同样的理论和方法用来分析与设计交流调 速系统时，就不那么方便了，因为交流电机的数学 模型和直流电机模型相比有着本质上的区别。
机电时间常数 Tm ； 电枢回路电磁时间常数 Tl ； 电力电子装置的滞后时间常数 Ts 。
交流电机矢量控制
U*n
+-
Un
+
WASR(s) U*i
-
矢量控制的基本原理
矢量控制的基本原理
矢量控制是一种电机控制技术，它主要是通过控制电机的电流和电压来实现对电机的精确控制。
相比于传统的直接转速控制方法，矢量控制可以实现更加精确的转矩和速度控制，因此在工业领域得到了广泛的应用。
矢量控制的基本原理是通过将三相交流电机的电流和电压分解为两个独立的分量，即磁场定向分量和电动势分量，然后对这两个分量进行独立控制，从而实现对电机转矩和速度的控制。
在矢量控制中，首先需要进行磁场定向，即确定磁场的方向。
通过改变电机的相位差或者改变电流的相位差，可以实现对电机磁场的定向控制。
这一步的目的是使得电机的磁场始终与旋转磁场同步，从而可以实现高效的电机控制。
接下来是电动势分量的控制，即根据需要控制电机的转速和转矩。
通过改变电动势的大小和相位角度，可以实现对电机转速和转矩的精确控制。
在矢量控制中，通常采用闭环控制系统来实现对电动势分量的精确控制，这需要在电机上安装位置传感器或者使用无位置传感器的技术来实时监测电机的转子位置，从而可以实现对电机的精确控制。
总的来说，矢量控制的基本原理是将电机的电流和电压分解为两个独立的分量，并对这两个分量进行独立控制，从而实现对电机转矩和速度的精确控制。
这种控制方法可以大大提高电机控制的精度和效率，因此在许多高性能的应用中得到广
泛的应用，比如电梯、风力发电、轨道交通等领域。
在实际的矢量控制系统中，通常会采用磁场定向控制和电动势控制两个独立的闭环控制系统来实现对电机的精确控制。
这样的设计可以使得系统更加稳定和可靠，同时也可以实现更高的。
交流电机矢量控制-转差频率控制系统和各种矢量控制方法幻灯片PPT
（1）电机定转子三相绕组完全对称；
（2）定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子 每相气隙磁动势在空间呈正弦分布；
（3）磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。
对异步电机而言
urd = urq = 0
TTL
J
d
dt
(一)转子磁场定向矢量控制原理
d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静 止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标 系中的直流量，并使d轴与转子磁场方 向重合，此时转子磁通q轴分量为零 （Ψrq = 0 ）。此时，派克方程可表示 为
缺点: 对转子时间常数比较敏感.
(三) 定子磁场定向的矢量控制
通常，转子磁通的检测精度受电机 参数影响较大；气隙磁通虽可利用磁通 传感线圈或霍尔元件直接测量，精度较 高，但一般情况下，不希望附加这些检 测元件，而是希望通过机端检测的电压、 电流量计算出所需磁通，同时降低转子 参数对检测精度的影响。由此基于定子 磁场定向的矢量控制方法应运而生。
间接磁通闭环控制，均需消除 耦i合sq 项
的影响。因此，同气隙磁场定向一样，
往往需要设计一个解耦器，使 i与sd
i
解耦
sq
特点:
1. 在一般调速范围内,利用定子方程作磁通观 测器,易实现. 而且不包括对温度变化非常敏 感的转子参数.
2. 在低速时,由于定子电阻压降占端电压的大 部分,致使反电动势测量误差较大,定子磁通 观测不准,影响性能.
这种控制方法是将参考坐标的d轴放在定子磁场 方向上，此时，定子磁通的q轴分量为零，也就 是
0 sq
➢这样只要将上面的条件代入到前面的电机 模型中，就可得到定子磁场定向的矢量控制 方程。
u Rsq s sd
交流电机矢量控制理论
s
Bቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ib
Φ ABC
s
Φ αβ
T
s
Φ MT
M
A 0
ic ia
iβ
A
0
iT
T
M
iα
0
C
iM
C (a ) 三相交流绕组
(b ) 两相交流绕组
(c ) 旋转的直流绕组
图5-1 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型
二、坐标变换的基本思路
• 等效的概念
由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图5-2a的三相交流 绕组、图b的两相交流绕组和图c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 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 i、i 和 在旋转两相坐标系下的直流 id、iq 是等效的，它们能产生相同的旋 转磁动势。 现在的问题是，如何求出iA、iB 、iC 与 i、i 和 id、iq 之间 准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。
交流电机矢量控制基本原理
内容提要 交流电机矢量控制基本思想
坐标变换的基本思想 交流电机矢量控制系统基本思路
一、交流电机矢量控制基本思想
直流电机的物理模型
电枢绕组
q A ic ia F if
励磁绕组
d
补偿绕组
C
图5-1 二极直流电机物理模型
直流电机的数学模型比较简单，图中F 为励磁绕组，A 为电枢绕组，C 为补 偿绕组。F 和 C 都在定子上，只有 A 是在转子上。 F 的轴线称作直轴或 d 轴（direct axis），主磁通的方向就是沿着 d 轴的； A和C 的轴线则称为交轴或q 轴（quadrature axis）。 电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴 垂直而对主磁通影响甚微，主磁通由励磁绕组的励磁电流唯一决定，磁场与 转矩电流正交，解耦，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根 本原因。
交流电机变频调速控制系统流行的矢量控制
交流电机变频调速控制系统流行的矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）探讨发布日期：2009-7-2 15:15:36 (阅256次)关键词: 变频调速转矩响应直接转矩控制摘要：本文对目前交流电机变频调速控制系统流行的矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）的发展历史与现状，并对两者转矩响应，稳态特性，及无速度传感器控制进行了比较与探讨。
关键词：矢量控制，直接转矩控制，转矩响应，稳态特性，无速度传感器控制1．前言转载于自1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制（以下简称VC）原理以来，交流电机矢量控制得到了广泛地应用。
经过30年的产品开发和工程实践，矢量控制原理日趋完善，大大小小的交流电机变频调速控制系统大多采用矢量控制，使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能。
1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出了不同于坐标变换矢量控制的另外一种交流电机调速控制原理——直接转矩控制（以下简称DTC），鲁尔大学的教授曾多次在国际学术会议并到中国来介绍DTC 技术，引起了学术界极大的兴趣和关注。
DTC原理具有不同于VC的鲜明特点：·不需要旋转坐标变换，有静止坐标系上控制转矩和磁链·采用砰-砰控制·DTC与脉宽调制PWM技术并用·转矩响应快·应用于GTO电压型变频器的机车牵引传动DTC的出现引起交流电机控制理论的研究热潮，国内不少高校对DTC技术及系统进行深入研究，不少文章提出一些有益的改进方法，对DTC理论与实践作出贡献。
但应该指出，DTC引入中国的初期，人们的视角多集中在DTC的不用旋转变换和砰-砰控制上。
随着计算机技术的飞速发展，VC的旋转坐标变换的技术实现已不成为问题，而由于DTC技术应用实例局限于GTO电压型变频器的机车牵引传动，使得国内学术界和变频器制造商没有条件对实用的DTC技术以及DTC变频器的静态和动态特性进行深入研究。
交流感应电机矢量控制技术概述
交流感应电机矢量控制技术概述交流感应电机矢量控制技术（简称：ACIMVC，全称：Alternating Current Induction Motor Vector Control）是一种对交流感应电机进行精确控制的技术。
该技术通过对电机的电流、速度和位置进行测量和控制，实现了对电机的高效、精确、稳定和可靠的控制，使其在不同负载和工况下都能保持优秀的性能。
ACIMVC技术的核心原理是将交流感应电机分解为磁场定向控制和电流控制两个子系统，并分别对其进行控制。
磁场定向控制通过对电机磁场的定向控制来实现电机转矩的控制，而电流控制则通过对电机定子绕组电流的调节来控制电机的速度和位置。
在具体实现过程中，ACIMVC技术的主要步骤包括：电流采样、电流控制、速度和位置采样、速度和位置控制。
首先，通过采样器对电机定子绕组电流进行采样并进行处理，得到电机的电流信息。
然后，通过控制器对电流进行调节，以达到所需的电机转矩、速度和位置。
同时，还需采用编码器等设备对电机的速度和位置进行实时采样，并通过控制器对其进行控制。
ACIMVC技术相比传统的电流控制技术具有许多优点。
首先，它能够实现电机的高效率运行，减少能源的消耗。
其次，它能够提高电机的动态性能和响应速度，使其在启动、加速和减速等过程中更加灵活和稳定。
此外，ACIMVC技术还能够降低电机的噪音和振动，提高电机的可靠性和寿命。
然而，ACIMVC技术也存在一些挑战和限制。
首先，实施该技术需要较高的控制硬件和软件要求，增加了系统的成本和复杂度。
其次，ACIMVC技术对电机参数的准确性要求较高，一旦参数有偏差，可能影响到控制效果。
此外，由于ACIMVC技术需要实时采样和计算，还需要较高的计算能力和实时性。
综上所述，交流感应电机矢量控制技术是一种高效、精确、稳定和可靠的电机控制技术。
它通过对电机的电流、速度和位置进行测量和控制，实现了对电机的精确控制。
尽管ACIMVC技术还存在一些挑战和限制，但随着控制技术和计算硬件的不断发展，它在工业和家用电机控制领域的应用前景依然广阔。
交流异步电机矢量控制系统总结报告
交流异步电机矢量控制系统调试总结报告本次设计交流异步电机矢量控制系统用于上海交通大学纯电动汽车。
电机驱动控制器设计制作于7月18号完成，调试时间为7月6号至8月12号。
试验总结报告全文如下：1、对矢量控制系统的几点考虑（1）交流异步电机矢量控制系统的一般调试步骤① 检测空间电压矢量输出电压波形。
给定两个控制参考电压量sd u 、sq u ，软件模拟产生同步旋转角1θ从π2~0周期性变化，并将该角度作为反旋转变换角，将变换后得到αs u 、βs u 作为输入量给SVPWM ，同时检测SVPWM 输出波形。
实现框图如下：② 对电机三相电流采样并做3/2变换，得到αs i 、βs i ，运用（1）得到的同步旋转角做旋转变换，检测sd i 、sq i 是否为直流量，以验证解耦控制是否成功。
实现框图如下：③ 运用开环控制使电机正常运转，检测电机转速信号，并根据转子磁通的n i -模型，检测转子磁通、计算滑差频率以及同步旋转角的变化规律。
实现框图如下：④ 磁通控制量sd u 和转矩控制量sq u 分别由各自的电流调节器产生，并作为输入量用于SVPWM 。
实现框图如下：（2）矢量控制系统中电机磁路饱和对磁场定向的影响磁路饱和是由于电感随电机定子电流过大增大而发生变化，使得磁通与励磁电流之间不再保持线性关系，当励磁电流达到一定值时，磁通出现增加缓慢，产生饱和。
① 对转子磁通的影响 磁场定向下，转子磁通：m r mr i sT L ⋅⋅+=1ψ标准电机设计时，一般取：()se m i i ⋅=6.0~2.0，se i 为额定工况下定子相电流有效值。
为了提高r ψ的额定值，可以适当降低滑差频率，有利于电机的稳定运行。
由于受磁路饱和的影响，转子磁通不能太高。
当给定转子磁通超过饱和磁通时，就会破坏转子磁通定向。
② 对输出转矩的影响 磁场定向下，电磁转矩：s m r rm m i T L L p T ω⋅⋅⋅⋅=22当励磁电流m i 保持不变时，电磁转矩为一条直线，其斜率取决于m i 即转子磁通r ψ的大小，因而由于磁路饱和，斜率受到限制，从而限制电磁转矩。
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参考书目
·《交流电机的计算机仿真》贺益康编著
科学出版社 1990年出版
· 《交流电机调速系统计算机仿真》
贺益康编著 浙江大学出版社 1993年出版
·《电机控制 （第二版）》许大中 贺益康 编著
浙江大学出版社 2002年出版
二、矢量变换控制理论基础
（一）坐标变换理论
1、任意速d-q-n坐标系 ➢ 建立变量从三相相变量a-b-c坐标系
圆
ⅳ 故：fabc1 称空间矢量，代表三相电磁量某时刻合成 作用在坐标系中的空间位置
ⅴ 空间矢量可以是三相时间函数，也可以是三相空间 函数的综合描述－“综合矢量” 交流电机中：
• 磁势、磁链矢量是实在的空间矢量 • 电压、电流不存在空间矢量，但电流与磁势、
电压与磁链密切相关 定义成电流、电压空间矢量来分析问题
成直流标量的一种控制策略
• 等效条件：
确保电机气隙空间产生
同样 大小
同样 转速
旋转磁场
同样 转向
• 变换的实现：绕组变换 抽象 坐标变换
• 异步电机矢量变换控制：将交流异步电机通过坐标变换 成一 个在空间以同步速旋转的直流电机，实现转矩的动态解耦控制
同步速旋转的直流电机（虚拟） 实为同步速（M-T）坐标系中（描述）异步电机
cs
V ,V －空间矢量 V 在
坐标系中分量值
（2）新三维旋转坐标系基础
① 旋转矢量 fabc1
速度矢量 d fabc1 dt
三者垂直
矢量运动平面法线矢量
n ua1 ub1 uc1
可定义出新旋转坐标系d-q-n
② d-q-n坐标系的单位矢量
➢ n轴（法线 n）的单位矢量
un
u u
④矢量图与相量图差异
➢ 空间矢量图是各空间矢量位置关系在同一坐标系 内表述
• 以综合矢量形式表达三相电磁量某一时刻在坐标系中 合成作用的空间位置
• 三相变量可以非正弦，故包含谐波作用效果 • 三相变量可以不对称 • 可以描述动态、稳态时各电磁量之间的空间位置关系
➢ 相量图
• 描述
三相对称
波形正弦（仅基波）一相的电磁量间关系
1 3
(ua1
ub1
uc1
)
(-4)
➢ d轴（矢量 fabc1）的单位矢量
ud fabc1 f abc1
2 3
[cos
e
ua1
cos(e
2 3
)ub1
M-T坐标系的M轴选定在异步电机转子全磁通
' 2
方向上，
故又称
磁场定向控制（Field Oriented Control）
分别讲述：
➢ 矢量变换控制理论基础
坐标变换理论 异步电机数学模型
➢ 矢量变换控制理论 ➢ 矢量变换控制系统
直接矢量控制（磁通检测式） 间接矢量控制（转差频率控制式）
➢ 同步电机矢量变换控制
开创了高性能交流调速控制技术先河
一、矢量变换控制的基本概念
1. 转矩平衡方程式——主宰机电运动规律
d
T TL J dt
系统动态性能反映在对转子瞬态运动速度 d
控制上，也即动态转矩 T TL 控制上 dt
负载规律 TL 已知时，表现在对 电磁转矩 T 的动态控制上
转矩动态控制上, 直流电机比交流电机好
2 3
）
(-1)
式中 F － 函数幅值 e＝1t （e 0） 1 － 函数交变角频率
② 该组余弦函数 fa1, fb1, fc1 可视为三维正交 as-bs-cs坐标系内一空间矢量 fabc1 在三个 坐标轴上的投影（瞬时值）（图Ⅰ－1）
设各坐标轴上单位矢量为
ua1,ub1,uc1 ，则有
fabc1＝ fa1ua1 fb1ub1 fc1uc1 (-2)
向任意速旋转的d-q-n坐标系 变换及逆变换理论
➢ 设定具体坐标系速度，即可得到惯用的
静止两相α-β坐标系 转子速旋转两相d-q坐标系 同步速旋转两相M-T坐标系(矢量变换控制用）
F
（1）三相变量的空间矢量表示
① 设三相时间余弦函数
fa1 fb1
F F
cose cos(e
2 3
）
fc1
F
cos(e
不能单独调节某一项来唯一确定T，难实现对T动态控制
➢ 解决思路
•交流电机中被控制变量为矢量
定、转子电流
气隙磁通
交变时间矢量 旋转空间矢量
矢量有大小、相位问题
•直流电机中被控制变量if、ia为标量，只有大小
•矢量的控制比标量难
要提高交流电机控制性能，必须实现控制变量从
矢量
标量变换
➢矢量变换控制思想——将受控交流矢量等效变换
交流电机矢量控制 Vector Oriented Control)
贺益康 教授 浙江大学 电气工程学院
➢ 交流电机矢量变换控制技术始于1970年代 交流电机复杂矢量系统
矢量坐标变换
等效直流电机简单标量系统
实现控制 ➢ 获得如同直流电机的良好动、静态特性
稳态时
⑤ 空间矢量的三维描述与平面描述
➢ 三维空间描述（立体坐标系中），即
fabc1＝fa1ua1 fb1ub1 fc1uc1
(-2)
➢ 平面坐标系描述（120°平面坐标系中）
Park 变换：
bs
V
2 3 [Va
j 2
Vbe 3
j 4
Vce 3 ]
V 1 fabc1 V
＝V jV
V as Va ,Vb ,Vc －三相相变量瞬时值
3.异步电动机——
多变量 强 非耦 线合 性 复杂系统 时变
➢电磁转矩 T
•
•
•
Ct
I
'
2
cos 2
Im
I1
I
' 2
f (S)
•
•
•
I
' 2
R2' S
E2'
jX
' 2
•
I
' 2
cos
2
f (S)
•
I
' 2
2
I
' 2
cos
2
•
E2'
2
tg 1
SX
' 2
R2'
, (I2' cos 2)通过 S耦合
③ 空间矢量 fabc1 性质
ⅰ 幅值恒定
fabc1
f
2 a1
fb21
f
2 c1
=
3F 2
ⅱ 正序时，fabc1 以恒 1 逆时针旋转
ⅲ 三相变量对称，有
(-3)
fa1 fb1 fc1 0 （过原点平面方程）
说明 fabc1 在过原点平面内，以 1 恒角速旋转， 其矢量轨迹为圆
fabc1 在过原点平面内，以1恒角速旋转，矢量轨迹为
2.直流电动机——自然解耦系统 ➢电磁转矩
T Ct'ia
励磁磁通
if Fa ia
电枢磁势
➢由于
• •
Fa，互不影响 i f 、ia在不同绕组中
• •
产生T最大 磁场、电枢控制解耦
当 C 恒定时，
ia 动态控制（电流闭环调节）
实现对 T动态控制
故直流电动机控制性能最优越