异步电动机矢量控制系统
异步电动机矢量控制系统仿真研究
摘要 ：以异步电机矢量控制原理为基础 ，通过坐标变换和转子磁链位置计算 ，利用 Ｍ ｔ ｂ ｉ ｕ ｎ 构建一种异 步电动机矢量 控 ａａ／ｍ ｌｋ ｌ Ｓ ｉ 制系统的模型。通过 仿真不仅验证 了模型的正确性 ，而且 还为实际调速 系统控制算法实现提供可靠的分析 依据 。 关键词 ： 矢量 控制 ；异步 电动机 ；Ｍ ｔ ｂ ｉ ｕ ｎ ａ ａ 矩
分别独立控制 ，从而使交 流电动
收稿 日期 ：２ １ 一ｌ ～０ ０１ １ ２
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图 １ 异步电动机矢量控制 系统结构 图
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Ｌ ｌ ｌ ４ 一一ｌ —ｌｌ ０Ｌ ｉ ＼
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｂａ ｉ ｒｎ ｉ ｌｓ ｏ ｎ ｕ ｔ ｎ ｍｏｏ ｅ ｔｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ａ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ ｆ ｓ ｅ ｄ ｏ ｈ ｎｎ ｒ ｔ ｒ ｕｅ ｎ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｓｃ ｐ ｉ ｃ ｐ ｅ ｆ ｉ ｄ ｃ ｉ ｔ ｒ ｖ ｅ ｏ ｏ ｔｏ ， ｉ ｌ ｔ ｄ ｌ ｏ ｐ ｅ ｆｔ ｅ ｉ ｅ ｏ ｑ ａ ｄ ｏ ｏ
１ 言 引
直 流 电动 机调 速 系 统具 有 优 良的静 、动态 调
机具 有 了直 流 电动机 的全 部点 。 由于 直轴 和 转 子 磁场 重合 ，因此 也称 转子 磁场定 向控 制 。
速 特性 ，其 根本 原 因在 于作为控 制对象 的他励
直 流 电动 机 电磁 转 矩 能 够 容 易 而 灵 活 地 进 行 控 制 ” 。。在 １７ 年 德 国学 者提 出 的矢量变 换控 制方 ９１ 法 中 ，正 交 旋 转 坐标 系 的直 轴 励 磁 轴 （ 与 转 子 磁 场 重 合 ，交 Ｍ） 轴为转矩轴 （） Ｔ ，转 子磁 场 的交 轴 分 量 为 零 ， 电磁转 矩 的方 程 得
异步电机矢量控制可以转子磁链定向
在M-T坐标系上，磁链方程为
Ψms=Lsims+Lmimr Ψts=Lsits+Lmitr Ψmr=Lmims+Lrimr=Ψr Ψtr=Lmits+Lritr=0
（3） （4）
对于笼型转子异步电动机，其转子短路，端
对于矢量控制来说,i*ds类似于直流电动机的励磁 电流If，i*qs类似于直流电动机的电枢电流Ia。相 应地,我们希望类似地写出异步电动机的转矩表
达式为
Te CT r iqs
(1)
Te CT' idsiqs
(2)
式中 Ψr:正弦分布转子磁链空间矢量的峰值。
Ia
解耦
If
Ψa
Ia
Te CT f a CT' I f Ia If
正比关系,如果Ψr保持不变的话。
2.2 转子磁链模型
为了实现转子磁链定向矢量控制，关键是获
得实际转子磁链Ψr的幅值和相位角，坐标变换 需要磁链相位角（φ），转矩计算、转差计算等
需要磁链的幅值。但是转子磁链是电机内部的物 理量，直接测量在技术上困难很多。
在磁链计算模型中，根据所用实测信号的不 同，可以分为电压模型和电流模型两种。
2) 计算转子磁链的电流模型 根据磁链与电流的关系，由电流推算磁链，
称其为电流模型。
电流模型需要实测的电流与转速信号，优 点是：无论转速高低都能适用；但缺点是 都受电动机参数变化的影响。除了转子电 阻受温度和频率的影响有较大的变化外，
磁路的饱和程度也将影响电感Lm、Lr和Ls，
这些影响最终将导致计算出的转子磁链的 幅值和相位角偏离正确值，使磁场定向不 准，使磁链闭环控制性能降低。
异步电动机矢量控制
6
1、三相交流电产生旋转磁场
i
iA
0
iB
iC
C ωt
y
A · z x · B C
y
A z · B x· C ·
y
A
z · B x ·
60 0 900
wt=0
w t = 60
w t = 90
由此可见，交流电动机三相对称的静止绕组ABC，通以三相平衡的正 弦电流iA、iB、iC时，能够产生合成磁通势，这个合成磁通势以同步转 速沿A—B—C相序旋转。 2、两相交流电产生旋转磁场 这样的旋转磁通势也可以由两相空间上相差900的静止绕组 、 ，通 以时间上互差900的交流电来产生。
* i* * * i * 2/3相变换 iA iα B iC β
A1
-1
变频器
iT iM
反馈通道
旋转变换 A2
iα iβ 3/2相变换
A1
iA i B i C
M
以下任务是，从交流电机三相绕组中分离产生磁通势的直流分量和产生 电磁转矩的直流分量，以实现电磁解耦。解耦的有效方法是坐标变换。
13
8.2 坐标变换
异步电动机，也是两个磁场相互作用产生电磁转矩。不同的是，定 子磁势、转子磁势以及二者合成的气隙磁势都是以同步角速度在空 间旋转的矢量，且存在强耦合关系。——关系复杂，难以控制。
然而，交、直流电动机产生电磁转矩的规律有着共同的基础，电磁转矩 控制在本质上是一种矢量控制（直流电动机是特例），也就是对矢量的 幅值和空间位置的控制。
4
从电机学理论讲，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电动 机内部两个磁场相互作用的结果。
直流电动机，主极磁场在空间固定不变，与电枢的磁势方向总是互 相垂直（正交）、各自独立、互不影响（标量）。 例如他励电动机，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对励磁电流 和电枢电流分别控制和调节，就能达到控制转矩的目的，实现转速 的调节。——控制灵活，容易实现。
异步电动机的矢量控制系统
isT 轴模型
cosφ sinφ
cosφ sinφ
注意：如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为控制器中反 旋转变换器与电机内部的旋转变换环节相抵消，2/3变换器 与电机内部的3/2变换环节相抵消，则虚框内的部分可以删 去，剩下的就是直流调速系统。
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控制Βιβλιοθήκη i*sM M Ti*sT
(7 21)
小结：矢量控制基本方程☆
r
Lm 1 Tr
p
isM
或 : isM
1
Tr Lm
p
r
(7 12)
Te
np
Lm Lr
isT r
(7 15)
sl
Lm
Tr r
isT
(7 -17)
24
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二、矢量控制方法
既然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方法，给出直流电动机的控制量， 再经过相应的反变换就能控制异步电动机。
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cosφ sinφ
根据单位矢量获取方法的不同，矢量控制方法可分为两种： ✓直接矢量控制(由Blaschke发明) ✓间接矢量控制(由Hasse发明) 。
当矢量控制所用单位矢量和磁链是直接检测到的或由检 测到的电机的端子量及转速计算得到时，被称为直接矢量 控制，也可称为磁通反馈矢量控制（Feedback Vector Control）。
MT坐标系： 规定d轴沿转子磁链Ψr方向，并称之为M (Magnetization)轴， q轴则逆时针转90º，即垂直于转子磁链Ψr，称之为T (Torque)轴。这样的两相同步旋转坐标系就规定为MT坐标系， 或称按转子磁场定向(Field Orientation)的坐标系。
异步电机矢量控制原理
异步电机矢量控制原理一、引言异步电机是一种广泛应用的电动机，其控制方式主要有直接转矩控制和矢量控制两种。
其中，矢量控制是一种更加精确、灵活的控制方式，可以实现高效率、高性能的运行。
本文将详细介绍异步电机矢量控制原理。
二、异步电机基础知识1. 异步电机结构和工作原理异步电机由定子和转子两部分组成，定子上有三个相位交流绕组，转子上则有导体条。
当三相电源施加在定子上时，会产生旋转磁场，进而感应出转子中的感应电动势，并使得导体条在旋转磁场中感受到一个旋转力矩，从而带动转子运动。
2. 异步电机参数异步电机的参数包括定子电阻、定子漏抗、定子互感、转子漏抗等等。
这些参数对于确定异步电机的特性非常重要。
3. 感应电动势和反电动势当三相交流电源施加在定子上时，会产生一个旋转磁场，并且这个旋转磁场的频率与供电频率相同。
这个旋转磁场会感应出转子中的感应电动势，从而产生一个旋转力矩。
同时，由于异步电机的运动，转子中也会产生一个反电动势，其大小与运动速度成正比。
三、矢量控制基础知识1. 矢量控制简介矢量控制是一种通过模拟直流电机的方式来控制交流电机的方法。
它可以实现非常精确的控制，并且可以根据需要调整转速和转矩。
2. 矢量控制原理在矢量控制中，将交流电机看作一个带有两个分量（即直流分量和交流分量）的向量。
通过对这两个分量进行分别控制，就可以实现对交流电机的精确控制。
四、异步电机矢量控制原理1. 矢量控制与异步电机结合在异步电机中使用矢量控制时，需要将交流电源输入到变频器中，并将其输出到异步电机上。
变频器会将交流信号转换为直流信号，并将其分解为两个分量：一个用于产生旋转磁场（即定子磁通），另一个用于产生反向转矩（即转子电流）。
2. 矢量控制中的定子电流和磁通在矢量控制中，定子电流和磁通是非常重要的参数。
定子电流决定了旋转磁场的大小，而磁通则决定了旋转磁场的方向。
因此，在进行异步电机矢量控制时，需要对定子电流和磁通进行精确控制。
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。
异步电动机矢量控制
19
3、定子绕组轴系的变换 (A B C )
下图表示三相异步电动机定子三相绕组A、C、C和与之等效的二相
异步电动机定子绕组 、 中各相磁势矢量的空间位置。三相的A轴
与二相的 轴重合。
B
假设当二者的磁势波形按正弦分 布，当二者的旋三相绕组和二相绕
12
矢量变换控制的基本思想和控制过程可用框图来表示：
旋转坐标系
静止坐标系
控制通道
ω* ψ*
控制器
iT* iM*
旋转变换 A-21
iα*
iβ*
2/3相变换
iA*
i
*
B
iC*
A
-1 1
变频器
iT iM 旋转变换
iα iβ 3/2相变换 iA iB i C
M
A2
A1
反馈通道
以下任务是，从交流电机三相绕组中分离产生磁通势的直流分量和产生 电磁转矩的直流分量，以实现电磁解耦。解耦的有效方法是坐标变换。
组的瞬时磁势沿 、 轴的投影
β
N3iB
N2iα N2iβ
α N3iA A
应该相等。（N2、N3为匝数）
C N3iC
3/2变换
N 2ia
N3iA
N3iB
cos
2
3
N 3iC
cos
4
3
2
4
N 2i 0 N3iB sin 3 N3iC sin 3
20
经计算整理，得：
i
N3 N2
i
A
1 2
iB
1 2
第八章 异步电动机矢量控制
主要内容：
矢量控制的基本思想 坐标变换 异步电动机在不同坐标系下的数学模型 异步电动机矢量控制系统举例
异步电动机的矢量控制变频调速系统
0 引言 随着交流传动系统的飞速发展, 交流调速系统正以良好的
动态、静态性能广泛应用于工业生产的各个领域, 打破了过去 传动领域内直流调速系统所占的统治地位, 21 世纪将是交流 调速的时代。
上世纪 70 年代初, 矢量控制技术提出以后, 交流电机控制 系统的性能不断得到改善。目前, PWM 供电的交流电机调速 系统在中小功率电气传动领域中得到广泛的应用。
np = 2, R 1= 4128 , R 2= 11038 , L S = 01080 5H , L r= 01083 77H , L m = 01077 7H , J = 01004 7Nm s2, f = 60H z, 电机空载起动。 结果见图 3、 图 4。 4 结论
由仿真结果可以看出, 这个矢量控制的闭环调速系统有良 好的动、 静态性能。 由此证明了这个系统的有效性。
对称的三相定子电流 iA 1、iB 1、iC1在电机气隙空间中建立起 一个以电源角频率 Ξ1 速度旋转的磁势矢量。由于磁势F→1 在数 值上与定子电流有效值 i1 成正比, 因此为了叙述方便常用电 流 i1 来替代, 此时 i1 应看作与F→1 等效的空间矢量。5 则是将被 选用为旋转坐标轴线的电机某旋转磁通矢量, 应当引入与 i1 同步旋转的同步速M T 坐标系, 使电流矢量沿坐标系的M T 轴分解成等效的激磁电流 iM 1及转矩电流 iT 1。在同步速坐标系 中它们具有直流的特性, 这样就可以通过对等效激磁电流 iM 1 和转矩电流 iT 1的分别控制实现对电机转矩的瞬时控制。 2 转速、 磁链闭环控制的电流滞环型 PWM 变频调速系统
(上接第 43 页)
S 变化时, 压边装置可对不同厚度的坯料施以压边力; 当 H 变 化时, 弹簧高度发生变化, 压边装置产生的恒压边力也发生变 化, 变化范围在零至最大设计压边力之间。 3 结束语
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异步电动机矢量控制系统
由于DSP能对输入数据进行高速处理，克服了一般单片机处理能力有限的问题，而且电路设计较为简单，能获得较强的抗干扰能力，另外DSP具有专业化的指令集，提高了数字滤波器的运算速度，使得DSP在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换等方面具有独特的优势。
在电机控制系统中多用DSP作为核心控制器，以满足对实时性、稳定性及可靠性的要求。
控制器选用TMS320F2812，具有丰富的电机控制外设电路，16个12位A/D转换通道，12个PWM输出通道，能控制两台三相电机，体积小、价格低、可靠性高，能在高度集成的环境中实现高性能电机控制。
基本结构如下：
通过芯片内部自带的ADC转换模块中的3个A/D转换通道捕捉霍尔位置传感器的3个相位置信号，接到ADCINA3、ADCINA4、ADCINA5引脚上，可以检测转子的转动位置。
F2812同时需要3个A/D转换通道对霍尔电流传感器电流进行采集，以获得3个相电流信号。
霍尔电流传感器采集电机相电流的瞬时值，估计电机的实时运行状态，如转矩的大小和方向、电机的转速和滑差。
测量电机转速常用的方法有增量编码器和测速发电机。
本设计采用光电编码器，F2812包含一个正交编码单元，电机的码盘信号通过CAP1和CAP2端口进行捕捉。
捕捉到的数据存放在寄存器中，通过比较捕捉到的两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向，完成这些仅需两个数字量输入和一个内部寄存器。
为防止电流过高对DSP造成损坏，信号经过一个光耦合器件连接到DSP引脚。
2.A/D转换模块
F2812内部集成了16路12位A/D转换模块，模拟量的输入范围是0-3.3V，通道分为两组，0-7为一组，8-15为一组，每组具有一个专门的输入端。
事件转换器可将ADC配置成两个独立的8通道模块，也可串接成一个16通道模块。
8通道模块将8路输入信号自动排序，并按序选择一路信号进行转换，完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。
串接模式下，成为16通道的A/D转换器模块允许对同一个通道信号进行多次转换，主要用于过采样的算法中。
3.电机驱动器
F2812有16路PWM输出口供电机使用，通过控制PWM波的占空比来改变加在电机两端的电压，从而改变电机的转速。
由于DSP发出的PWM波功率不足以驱动大功率电机，需要经过IGBT进行功率转换。
设计中采用功率芯片如PM100DSA120等，这类芯片利用TTL电平即可实现功率驱动，而且具有完整的隔离及保护功能，如过流、过压保护等。
主要软件设计如下：
1.初始化程序;
CLRC CNF
SETC OVM
SPM 0
SETC SXM
LAR AR0,#DEC_MS
LAR AR1,#(24-1)
LACC #ANGLES_
LARP AR0
INIT_TBL
TBLR *+,AR1
ADD #1
BANZ INIT_TBL,AR0
LAR AR4,#79H
LDP #0E0H
SPLK #68H,WDCR
SPLK #0284H,SCSR1
LDP #0E1H
SPLK #900H,ADCTRL1
SPLK #0001H,MAXCONV
SPLK #0010H,CHSELSEQ1
LACC MCRA
OR #0FD8H
SACL MCRA
2.电流采样和A/D转换子程序
LDP #0E1H
SPLK #2000H,ADCTRL2
BIT ADCTRI2,3
BCND CONVERSION,TC
LACC RESULT0,10
LDP #0
SACH IA
LDP #0E1H
LACC RESULT1,10
LDP #0
SACH IB。