04 异步电机矢量控制(VC)系统仿真实验
异步电动机矢量控制系统的设计与仿真.doc
异步电动机矢量控制系统的设计与仿真.异步电动机矢量控制系统的设计与仿真在矢量控制技术出现之前，现代交流调速系统采用了恒压频比控制策略。
这种控制策略的缺点是，当电机低速旋转或在加减速、负载加减等动态条件下，系统性能显著降低，导致交流调速系统在低速、启动时转矩的动态响应和整个系统的稳定性方面不如DC调速系统，无法满足人们对高精度的要求。
后来，交流异步电动机控制开始从标量控制向矢量控制迈进。
以下是矢量控制理论的简要介绍。
矢量控制发展的基础和核心理论支撑是电机的一些概念，如坐标转换原理、机电能量转换理论等。
这种控制的基本思想和方法是将异步电机模拟成DC电机来控制。
只要建立等效于三相交流绕组组的两相绕组，就可以建立等效于异步电机的DC电机模型，并增加相应的比例积分调节环节，从而可以按照DC 电机的控制策略来控制异步电机。
因此，矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，从而优化和提高调速性能。
根据这一思想，我在本项目中成功地进行了MATLAB仿真。
关键词:交流电机；矢量控制调速系统；矢量控制系统的设计与仿真交流调速系统的仿真采用常V/f比控制方法，通常称为标量控制。
采用这种方法的系统在电机低速运行时或在加速、减速、增加负载、减少负载等情况下会出现重大缺陷。
采用矢量控制的交流电机可以达到与恒流电机相同的控制性能，从此交流异步电机控制从标量控制向矢量控制迈进了一大步。
以下是矢量控制理论的简要介绍。
矢量控制发展的基础和核心理论支撑是电机的一些概念，如坐标转换原理、机电能量转换理论等。
这种控制的基本思想和方法是将异步电机模拟成DC电机来控制。
只要建立等效于三相交流绕组组的两相绕组，就可以建立等效于异步电机的DC电机模型，并增加相应的比例积分调节环节，从而可以按照DC电机的控制策略来控制异步电机。
因此，矢量控制可以实现对电机电磁转矩的动态实时控制，从而优化和提高调速性能。
根据这一思想，我在本项目中成功地进行了MATLAB仿真。
异步电机矢量控制系统仿真实现
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ａ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ； ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｍｌ ； ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ； ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
１ 引言
异 步 电机 作 为 交 流 传 动 系统 中 一 个 主 要 执 行 环 节， 其 本 身是 一个 高 阶次 、 非线形 、 强耦 合 的多 变 量 系
广 泛认 可 的 ： ①忽 略磁 路饱 和及铁 耗 ， 认 为各 绕组 的 自
感、 互感都是线性的； ② 三相绕组对称 ， 磁势沿气 隙周 围按 正 弦分 布 ； ③ 不考 虑 温 度 和频 率 变 化 对 电机 的影
响。但 是 ， 即使在 上述 假设条 件下 ， 要分 析 和求解 异步 电机在 Ａ Ｂ Ｃ坐标 系上 的数学 模型依 然是 十分 困难 的 。 １ ９ ７ １ 年， 联邦 德 国的 Ｆ ． Ｂ ｌ ａ ｓ ｃ ｈ ｋ ｅ等人 首先 提 出在
统， 其动 、 静态性能相当复杂。在进行复杂的系统设计
时， 采 用 计算 机仿 真 的方法 是十分 有 效和必 要 的 。 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ是一 种交 互 式 仿 真 系 统 ， 特 别 适 用 于 动 态 系统 的 建 模 和仿 真 。本 文 结 合 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ的 特 点， 应用 Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ模块 库 及 在 Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ环 境 下 的 电力 系统 仿 真模块 库 （ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｓ ｅ ｔ ） ， 构造 一 种 异 步 电机矢 量控 制 系统 的数 学模 型及仿 真方 法 。通过 可 靠 的仿 真实验 ， 说 明该模 型 的正 确性 ， 为 同类 系统提 供 了一 种有 效 、 可靠 的研 究依 据 … 。
异步电动机矢量控制系统仿真研究
异步电动机矢量控制系统仿真研究摘要：本文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Matlab/Simulink 构建一种异步电动机矢量控制系统的模型。
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；Matlab/Simulink1 引言直流电动机调速系统具有优良的静、动态调速特性，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[1-2]。
在1971 年德国学者提出的矢量变换控制方法中，正交旋转坐标系的直轴励磁轴（M）与转子磁场重合，交轴为转矩轴（T），转子磁场的交轴分量为零，电磁转矩的方程得到简化，即在磁场恒定的情况下，电磁转矩与交轴电流分量成正比，因此，感应电机的机械特性与他励直流电机的机械特性完全一样，实现了磁场和转矩的解耦控制。
像直流调速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩分别独立控制，从而使交流电动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[3-5]。
2 转子磁场定向（FOC）控制框图矢量控制系统的结构图如图1所示。
系统的给定量有参考转速和参考磁链，其总的控制思路是：给定磁链除以1/Lm输出励磁电流给定值，给定转速与电机反馈转速相比较后，通过速度调节器，输出转矩信号的给定值，电机三相实际输出电流经过坐标变换，解耦为实际励 磁电流分量和转矩电流分量。
励磁给定值与实际励磁电流，转矩信号给定值与实际转矩电流分量分别经过pi调节器后，经过旋转逆变换，换算成两相静止坐标下矢量调制信号αU 、βU ，再由SVPWM算法得到PWM脉宽调制信号，去驱动控制逆变器的功率开关器件IGBT，最终实现了异步电机转矩的有效控制[4-5]。
PI图1 异步电动机矢量控制系统结构图3 系统仿真模型的建立 系统的仿真模型如图2所示：图2 异步电动机矢量控制系统仿真图3.1 主要仿真模块介绍3.1.1 速度、转矩、磁链调节器模块三个调节器的参数值如表1；三个调节器的内部接线结构如图3所示。
异步电动机矢量控制系统的仿真
异步电动机矢量控制系统仿真1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真1.1 异步电动机矢量控制原理异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得应用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。
本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。
图1矢量变换控制系统仿真原理图如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。
（1）（2）（3）（4）（5）上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率；是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。
图4所示控制系统中给定转速与实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。
、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，与ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。
和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，与定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。
1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。
图2 电流控制变频模型图整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、磁场定向模块、滞环电流调节器、IGBT逆变器元件、异步电动机元件以及测量和显示模块。
异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究
异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究THE DISIGN OF THE ASYNCHRONOUS MOTOR VECTOR CONTROL SYSTEM AND IT`S SIMULATION STUDY专业：电气工程及其自动化姓名：高智指导教师：申请学位级别：学士论文提交日期：学位授予单位：天津科技大学摘要本文的研究内容是“异步电动机矢量控制系统设计与仿真研究”。
在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f比值恒定控制方法，又常称为标量控制。
采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。
随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。
矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的。
它的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，建立三相交流绕组、两项交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型，以便按照对直流电机的控制方法对异步电机进行控制。
因此他可以实现对电机电磁转矩的动态控制，优化调速系统的性能。
本文针对异步电动机磁链闭环矢量控制进行研究和探索。
通过空间矢量的坐标变换，对系统进行建模，其中包括直流电源、逆变器、电动机、转子磁链电流模型、ASR、ATR、AΨR等模块。
并对控制系统进行了MATLAB/Simulink仿真分析。
关键词：异步电动机；矢量控制；MATLAB仿真ABSTRACT：The content of this study is the design of the Asynchronous motor vector control system and it's simulation study. Before the advent of vector control technology, most of alternating current speed control system are constant V/f ratio control method which is also often referred as the scalar control. This approach in low-speed and dynamic (such as acceleration and deceleration), such as addition and subtraction load, the system showed obvious defects, so the stability of AC variable speed system, start torque at low speed dynamic response is not such as a DC tune speed system. With the development of power electronics technology, the AC induction motor control technology fully from the scalar control to vector control, vector control of AC motor can be comparable and DC motor control effects, even more than the DC speed control system.Vector control is developed on the basis of the motor unified theory of electrical and mechanical energy conversion and coordinate transformation theory. Its ideology is the asynchronous motor simulation into a DC motor to control, coordinate transformation, decomposition of the stator current vector for the rotor field oriented two DC components were controlled, in order to achieve the decoupling of flux and torque control, three-phase AC winding, two exchanges winding and rotation of the DC winding equivalence between the three, in order to find the equivalent asynchronous motor winding DC motor model, in order to control the DC motor control method for asynchronous motor . So that he can achieve dynamic control of the electromagnetic torque, optimize the performance of the speed control system. In this paper, the closed-loop vector control of asynchronous motor flux research and exploration. By the coordinates of the space vector transformation of the system modeling, including a DC power supply, inverter, motor, the rotor flux current model, the ASR, ATR AΨR and other modules. And control system for the MATLAB / SIMULINK simulation analysis.Key Words：Asynchronous Motor；Vector Control；MATLAB Simulation目录第一章绪论 (1)第一节交直流调速系统的相关概念及比较 (1)第二节交流调速系统的历史和现状 (2)第三节异步电机矢量调速系统的发展 (5)第二章异步电动机的数学建模分析 (7)第一节三相电机的模型分析 (7)第二节同步旋转坐标系上的数学模型及状态方程 (11)第三节异步电动机的数学模型 (12)第四节坐标变换和变换矩阵 (13)第五节异步电动机在不同坐标系下的数学模型 (20)第三章异步电动机矢量控制的基本原理 (23)第一节异步电机的电磁转矩 (23)第二节矢量控制思路的演变过程 (23)第三节矢量控制的磁场定向 (26)第四节转子磁链观测器 (28)第五节异步电机矢量控制系统 (30)第四章异步电动机矢量控制系统的仿真分析 (33)第一节SIMULINK软件基本介绍 (33)第二节异步电机矢量控制系统仿真模型的建立 (33)第三节各模块参数设置 (36)第四节仿真结果 (37)第五章全文总结 (40)参考文献 (41)致谢 (42)第一章绪论第一节交直流调速系统的相关概念及比较电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。
毕业设计异步电机电压空间矢量系统的仿真研究
摘要摘要由于直流电动机结构复杂，制造费时以及需要经常性维护等缺点，使得人们一直努力寻找能替代直流电动机调速的交流电动机调速。
随着电力电子技术、PWM调制技术、计算机控制技术、交流电动机的控制技术的发展，交流调速系统由于其坚固耐用、运行可靠等众多优点，正在逐步取代以前直流调速系统，在传动领域占据主导地位。
直到20世纪80年代中期，德国学者们在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的概念。
SVPWM又称磁链追踪型PWM法，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得圆磁场。
本文首先介绍了种种交流调速技术，并逐一的分析其优缺点，然后重点详细的介绍了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，就其如何使电机获得圆磁场进行了具体的分析和推导。
并且推导出在MATLAB/SIMULINK环境下SVPWM控制信号的数学模型，并得到SVPWM控制下的电动机输出电流、电压、转速、转矩、磁链等信号的波形，经分析证实了异步电机在SVPWM控制下，具有启动电流小、转速稳定快、直流利用率高、能量损耗少、谐波少、控制简单等优点。
AbstractAs the DC motor complex, manufacturing time and the need for regu lar maintenance shortcomings, so people have been looking for an alternati ve to DC motor speed control of AC motor speed control. With the powe r electronics, PWM modulation technology, computer control technology, c ommunication technology, the development of motor control, AC drive syst em because of its rugged, reliable operation of the many advantages, is gr adually replacing the previous DC drive system, in drive occupy dominanc e.Until the mid-1980s, the German scholars proposed in the alternating current machine velocity modulation the flux linkage trajectory control's th ought that based on this further developed has had the voltage space vect or pulse-duration modulation (SVPWM) concept. SVPWM said that the flu x linkage tracing PWM law, it is from electric motor's angle embarking, h ow focuses to cause the electrical machinery to obtain the circular field.This paper introduces the various AC variable speed, and the analysis of their advantages and disadvantages of each, and then focus on a detail ed description of the voltage space vector pulse width modulation (SVPW M) technique, on how they get round the motor magnetic field analysis a nd derivation of specific . And derived in the MATLAB / SIMULINK en vironment, the mathematical model of SVPWM control signal, and get SV PWM under the control of motor output current, voltage, speed, torque, fl ux and other waveform, confirmed by the analysis of induction motor und er the control of the SVPWM with a start current, speed stability and qui ck, DC high efficiency, low energy loss, less harmonic control and simple.目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)1.1引言 (1)1.2交流调速的发展历程 (2)1.2.1三大核心技术的突破 (2)1.2.2三个发展阶段 (4)第2章SVPWM调制原理和主电路设计 (10)2.1SVPWM调制技术概述 (10)2.2SVPWM调制原理 (10)2.3主电路拓扑 (15)2.4主电路参数计算 (16)第3章基于MATLAB/SIMULINK的仿真 (18)3.1MATLAB/SIMULINK简介 (18)3.2SVPWM的算法及仿真 (19)3.3异步电机模块的介绍 (27)3.4SVPWM控制下的异步电机仿真 (27)第4章仿真结果与波形分析 (30)4.1SVPWM控制下电机的输出波形 (30)4.2波形分析 (35)结论 (36)参考文献 (38)第1章绪论第1章绪论1.1 引言调速分为直流调速和交流调速两大类。
异步电机矢量控制系统的设计及仿真研究
－
G^（
s）
R（ ］
s）
+
1 － C（ s） G^（ s）
1 + C（ s） ［G（ s）
－
G^（
s）
D（ ］
s）
（ 7）
由式（ 7） 可知，当模型与对象匹配，即 G^（ s） = G（ s） 时，若
选择 C（ s） = G^ － 1 （ s） 且此时系统可实现，则式（ 7） 变为 Y（ s）
= R（ s） ，即系统的输出始终等于输入，不受任何干扰。此外，
+ +
1 1
·2λλss
++11·s
（ 11）
由式（ 5） 可得基于内模控制的速度调节器为：
F（ s）
=
（
Tc s
+ 1） （ 2λs Kλ2 s
+ 1）
（ 12）
显然这也是一种 PID 调节器，但是它只有一个可调参数 λ。
图 5 矢量控制变频调速系统近似动态结构图
5 仿真试验结果
为验证本方案的有效性，搭建矢量控制系统如图 7 所 示，速度调节器采用内模控制方法。
收稿日期： 2011 － 03 － 13
前已经有许多较为成熟的方法，如定子磁场定向矢量控制、 气隙磁场定向矢量控制、转子磁场定向矢量控制、电压定向 矢量控制等，而且应用于工业领域中，获得了很好的控制效 果［1］。在矢量控制系统中，异步电机的速度调节器一般都采 用常规的比例积分即 PI 调节器。这种调节器具有结构简 单，可靠性较高，抗扰性强，稳态精度高等优点。由于采用了 饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须 要使转速调节器退出饱和状态。按照 PI 调节器的特性，只 有使转速超调，才能使 ASR 退出饱和，这就是说采用 PI 调节 器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调［2］。为解 决这一问题，文献［3］提出采用 I － P 控制器取代 PI 调节器
异步电机矢量控制系统的仿真建模与实现
Ｚ Ｕ Ｙ ａ ＷＡ Ｇ Ｌ Ｉ ｈｎ—ａ ， Ｉ ｉ— ｎ ＨＯ ｕ ｎ ， Ｎ ｉ，ＱＵ Ｚ ｏｇｃｉ Ｌ ｎｌ ｇ Ｊ ｏ
（ ． ｈ ｔｅｅｔｉ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＩｓｉ ｔ ， ｏ ｔｗ ｓ Ｊａ ｔｎ ｎｖｒｉ ， ｈ ｎ ｄ １０ １ Ｃ ｉａ １ Ｐ ｏｏｌ ｒｃ ｎｉｅｒ ｎｔｕｅ Ｓ ｕｈ ｅｔ ｉｏｏ ｇＵ ｉｅｓ ｙ Ｃ ｅ ｇ ｕ６０ ３ ， ｈｎ ； ｃ ｎ ｔ ｔ ２ Ｅ ｉ ａ ｕ ， ｏ ｔｗｅｔ ｉｏｏ ｇＵｎｖｒｉ ， ｍｅ ６４ ０ ， ｈｎ ） ． ｍｅ Ｃ ｍｐ ｓ Ｓ ｕ ｈ ｓ ａｔｎ ｉ ｅｓｔ Ｅ ｉ １２ ０ Ｃ ｉａ Ｊ ｙ
控制 （ 矢量控 制 ） 的方 法 ；建 立 了一 种在 转 子 坐 标 系下 异 步 电机 的 矢量 控 制 系统仿 真模 型 ； 即 仿真 结果 表 明 ，基 于矢量控 制 的方 法 能 够 实现 对 异 步 电机 的 解耦 ，即通 过 控 制励 磁 电流 分 量和 转矩 电流 分 量的 大小直接 控 制异 步 电机 磁 场 和 转 矩 ，使 交流 异 步 电机 获 得 和 直 流 电机 相媲 关的
２１ ０ ２年第６ 期
文 章 编 号 ：０ ９— ５ ２ ２ １ ） ６ １５— ６ １０ ２ ５ （０ ２ ０ —０ ９ ０ 中 图 分 类 号 ：Ｐ ９ Ｔ ３１ 文 献 标 识码 ： Ａ
异 步 电机 矢 量 控 制 系统 的仿 真 建模 与 实现
周 源 ，王 黎 ，邱 忠才 ，李 金 龙
（ ．西南交 通大 学光 电工程研究所 ，成都 ６ ０ ３ ；２ １ １０ １ ．西南 交通 大学 峨嵋校区 ，峨 嵋 ６４ ０ ） １２０
摘
要 ：异 步 电机 矢量控 制是在 交流 电机 的 双 轴理 论 、机 电能 量转 换 和 坐标 变换 理论 的基 础 上
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课后练习பைடு நூலகம்
根据VC的基本原理，利用Simulink基本模块搭建第一种典 型VC系统的仿真模型，并将仿真结果与课堂仿真结果进行比较。
谢 谢！
第一种典型VC系统：带转矩内环的转速、磁链闭环VC系统
1. 矢量控制原理分析
第二种典型VC系统：带除法环节的转速、磁链闭环VC系统
1. 矢量控制原理分析
第三种典型VC系统：磁链开环转差型VC系统
2. 仿真实验模型的搭建
第三种典型VC系统的仿真模型
3. 仿真实验结果的分析
定子三相电流的仿真波形
异步电机矢量控制(VC) 系统仿真实验
电气与信息工程学院 2019年6月
教学内容： 1. 矢量控制原理分析 2. 仿真实验模型的搭建 3. 仿真实验结果的分析
1. 矢量控制原理分析
第一种基本VC系统：电流环为滞环控制
1. 矢量控制原理分析
第二种基本VC系统：电流环为PI控制
1. 矢量控制原理分析