电动汽车用交流电机矢量控制系统MATLAB仿真分析
基于MATLAB的交流电机电机系统仿真
学院：电气与控制工程学院 班级：自动化1101 姓名：袁文超
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算 法开发数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和 交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的 基本数据单位是矩阵， MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和 数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主 要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号 检测、金融建模设计与分析等领域。 在交流电机传动系统中，应用直接转矩控制(direct torque control简称dtc)技术是一种高性能变频调速技术。通过直接定子坐 标系下计算，完成对电机定子磁链和转矩的控制，以获得电机调速 高性能运转，其中最关键的是如何对电机磁链、转矩实施砰－砰调 节，尽可能减小它们的脉动所产生的不利影响。本文重点研究 bang-bang调节产生的输出pwm信号构成的查表信息，对电压矢量 控制表进行优化，达到逆变器的开关状态最佳控制的目的。通过在 matlab/simulink软件建立直接转矩控制系统仿真模型进行仿真研究 ，仿真结果显示系统动静态性能良好，实施性强。CNKຫໍສະໝຸດ -----标准检索高级检索
中国知网文献检索
期刊
参考文献
参考文献
万方数据库
• 万方数据库是由万方数据公司开发的，涵盖期刊，会议纪要， 论文，学术成果，学术会议论文的大型网络数据库。也是和中 国知网齐名的中国专业的学术数据库。开发公司——万方数据 股份有限公司是国内第一家以信息服务为核心的股份制高新技 术企业，是在互联网领域，集信息资源产品、信息增值服务和 信息处理方案为一体的综合信息服务商。集纳了理、工、农、 医、人文五大类70多个类目共4529种 • 科技类期刊全文。万方会议论文：《中国学术会议论文全文数 据库》是国内唯一的学术会议文献全文数据库，主要收录1998 年以来国家级学会、协会、研究会组织召开的全国性学术会议 论文，数据范围覆盖自然科学、工程技术、农林、医学等领域 ，是了解国内学术动态必不可少的帮手
电动汽车用交流电机矢量控制系统MATLAB仿真分析
电动汽车用交流电机矢量控制系统MATLAB仿真分析黄秋芳【摘要】本文介绍了一种电动汽车用交流行走电动机矢量控制系统,在MATLAB 环境下对交流电机矢量控制系统进行仿真分析,仿真结果表明对交流电机使用矢量控制方法进行控制时具有动态特性好,速度、转矩响应迅速等特点,为实际电机控制器的研制奠定了理论基础.【期刊名称】《海峡科学》【年(卷),期】2010(000)012【总页数】3页(P88-90)【关键词】交流电机;矢量控制;MATLAB仿真【作者】黄秋芳【作者单位】福建龙马环卫装备股份有限公司【正文语种】中文电动车用交流电机是高度非线性、强电磁偶合的功率执行元件，与直流电机相比控制要复杂得多，交流电机的控制关键在于解耦。
矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制（Field Orientation Control），即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小方向都用瞬时值来表示[1]。
磁场定向控制理论从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题，其基本思想是将交流电动机模型通过一系列的坐标变换设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩电流分量，并使两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。
对于交流电动机矢量控制系统的研究用传统的解释法分析是非常复杂的，本文采用MATLAB软件进行仿真分析，简化了分析过程。
一个旋转矢量从三相定子A-B-C坐标系变换到两相定子坐标系，称为Clarke变换，也叫3/2变换，一个旋转矢量从垂直坐标系（坐标系）变换到定向坐标系（M-T坐标系），称为Park变换[2]。
异步电动机在M、T坐标系下的工作状态可由以下3个方程式来描述[3-4]：式（1）中的第三、第四行出现零元素，减少了多变量之间的偶合关系，使模型得到简化。
即T轴电流为而上述给出的式（4）、式（5）、式（6）三个方程式是构成转差型矢量控制系统的基本方程式，它描述了和的关系[5]。
交流电机控制与MATLAB仿真软件结合的教学实例探讨
交流电机控制与MATLAB仿真软件结合的教学实例探讨矢量控制是交流调速理论中最抽象、最重要的内容之一，本文根据目前交流电机控制教学中存在的问题，将MATLAB仿真技术运用到交流电机矢量控制系统教学中，通过对各个单元模块的仿真建模，把抽象的理论知识分解成对各个模型的认识，使得一个复杂系统的输入、输出以及控制变得简单、直观，从而实现生动形象地引导学生理解矢量变频调速原理，提高教学质量的目的。
标签：MATLAB；仿真教学；交流电机矢量控制一、引言交流调速系统是电机学、电力电子学、微电子学、自动控制理论等多学科交叉应用的一门学科。
传统教学方法一般按照原型电机、坐标变换、磁场定向的矢量控制思路进行讲授，这种传统的教学方法理论性强，难度大，致使学生难以理解和掌握相关内容。
此外，利用实验平台学习和研究矢量控制知识，存在实验装置有限、实验平台对学生的编程能力要求较高、坐标变换、矢量控制的思想也不够直观等问题。
利用MATLAB软件可非常容易地构建虚拟与实际相符合的实验平台，使得复杂系统的输入、输出及控制变得相当简单和直观，从而生动地引导学生理解矢量控制原理，激发学生学习兴趣，提高教学质量。
二、交流电机矢量控制的原理交流电机矢量控制的原理是由交流电机坐标变换理论，通过3s/2r静止和旋转变换，获得等效成同步旋转坐标系下的直流电机，再通过模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，最后经过相应的坐标反变换，重新获得三相输入电流（或电压），从而控制感应电机。
三、教学与仿真软件的结合由矢量控制原理可知，交流电机矢量控制变频调速包含了坐标变换、控制器、变频电源、速度检测等相关单元，系统相对复杂，学习起来较困难。
MATLAB 软件Sim-Power Systems模型库中包含常见的电源、电力电子器件模块、电机模块及相应的驱动和控制测量模块，将这些图形模块应用到交流电机矢量控制调速仿真，能够简化编程工作，方便对模型的描述。
1.坐标变换模块仿真矢量控制坐标变换主要包含Clarke变换和Park变换，学生对这种坐标变换难以理解。
基于Matlab的交流电机矢量控制系统仿真
基于Matlab的交流电机矢量控制系统仿真基于MATLAB交流异步电机矢量控制系统建模与仿真摘要：在分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上,利用MATLAB，采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器,再进行功能模块的有机整合,构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。
仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强,验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。
关键词：交流异步电机，矢量控制，MATLAB一、引言交流电动机由于动态数学模型的复杂性，其静态和动态性能并不是很理想。
因此在上世纪前期需要调速的场合下采用的都是直流电动机，但是直流电动机结构上存在着自身难以克服的缺点，导致人们对交流调速越来越重视。
从最初的恒压频比控制到现在的直接转矩控制和矢量控制，性能越来越优良，甚至可以和直流电机的性能相媲美。
本文研究交流异步电机矢量控制调速系统的建模与仿真。
利用MATLAB中的电气系统模块构建异步电机矢量控制仿真模型,并对其动、静态性能进行仿真试验。
仿真试验结果验证了矢量控制方法的有效性、可行性。
二、交流异步电机的矢量控制原理矢量控制基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量，转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量,分别实现对电机磁通和转矩的控制,然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机,实现了像直流电机那样独立控制磁通和转矩的目的。
由于交流异步电机在A-B-C坐标系下的数学模型比较复杂,需要通过两次坐标变换来简化交流异步电机的数学模型。
一次是三相静止坐标系和两相静止坐标系之间的变换(简称3s/2s 变换),另一次是两相静止和两相同步旋转坐标系之间变换(简称2s/2r 变换)。
基于MATLAB的永磁同步电机矢量控制系统仿真
３ 矢量控制与坐标变换模块
矢量控制 模 块 实 现 的 就 是 ＰＭＳＭ 的 矢 量 控 制 算 法 ， 其 中 ，
空间矢量变换 ＡＢＣ－ ＤＱ 和 ＤＱ－ ＡＢＣ 的变换矩阵分别为：
! ＣＡＢＣ－ ＤＱ＝
２ ３
"
##ｓｉｎθ
#
#
#
#
##ｃｏｓθ
#
#
#
１ #
#
#
# $
!
２
ｓｉｎ（
θ－
２ ３
π）
ｃｏｓ（ θ－ ２ π） ３
运行方式由电机电磁转矩符号决定 （为正则是电动机状态， 为
负则是发电机状态）。为了简化模型， 可以假定转子永磁磁极在
定子上产生的感应磁通是正弦分布的， 并且由于通常永磁同
步电机的气隙较大， 可以近似地忽略定电机铁心的磁饱和。
因此永磁同步电机在 ｄ－ ｑ 轴的电压方程为：
ｄ ｄｔ
ｉｄ
＝
１ Ｌｄ
ｕｄ
－
Ｒ１ Ｌｄ
π）
ｃｏｓ（θ＋ ２ ３π） Nhomakorabea$
１ !２
& & & & ’
根 据 上 面 两 式 在 ＭＡＴＬＡＢ 环 境 下 可 分 别 得 到 ｄｑ／ａｂｃ 和
ａｂｃ／ｄｑ 坐标变换的子模块， 用以实现 ＰＭＳＭ 的矢量控制算法，
将电流转换为电压。
４ 电流滞环型 ＰＷＭ模块
电 流 滞 环 ＰＷＭ 模 块 实 现 的 是 ＰＭＳＭ 的 滞 环 电 流 控 制 方
Ｔｈｅ Ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ Ｍａ ｔｌａ ｂ ｆｏｒ Ｖｅ ｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐ ｅ ｒｍａ ｎｅ ｎｔ Ｍａ ｇｎｅ ｔ Ｓ ｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ
基于matlab 生成C代码的电机矢量控制仿真模型研究
重庆大学本科学生毕业设计（论文）基于matlab 生成C代码的电机矢量控制仿真模型研究学生：曾宇航学号：20114346指导教师：余传祥副教授专业：电气工程与自动化重庆大学电气工程学院二O一五年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityGenerated C code of motor vector control simulation model research based onMATLABUndergraduate: Zeng YuhangStudent Id:20114346Supervisor:Prof Yu ChuanxiangMajor: Electrical engineering and automationSchool of Electrical EngineeringChongqing UniversityJune 2015摘要电机在国民生产中占据重要地位，而传统的电机控制开发流程相较于工业技术的发展已经相对落后，本次毕业设计便是对一种前沿、高效的电机控制系统开发流程进行论述和验证。
课题选择研究对象为三相交流异步电机并采用矢量控制系统进行控制。
首先通过MATLAB/SIMULINK对所选电机进行建模，之后对矢量控制系统进行建模。
根据实验所选用的电机进行参数配置，配合矢量控制系统的数学模型完成整个仿真模型的构建，根据仿真结果不断矫正仿真模型、优化模型结构，并确定仿真模型的最优参数配置；然后根据仿真模型的控制模块并结合控制系统的硬件电路构建控制系统的C代码生成模型，生成所需的DSP可执行C 代码，将生成的可执行代码下载到以TI系列DSP为控制核心的硬件控制系统中进行硬件实验，矫正模型参数并验证生成代码的正确性。
在整个课题进展过程中根据生成代码的运行结果多次对仿真模型进行参数修正，并同步对代码生成模型进行修正，在如此反复过程中，优化了控制系统模型，使得生成代码能够更高效的运作，最后成功的完成了整个毕业设计，验证了此电机控制系统开发流程及生产可行性代码的正确性和可行性。
交流电动机模型与MATLAB实现
直接转矩控制设计
利用Matlab的Simulink工具搭建 直接转矩控制系统，包括转矩和 磁通观测器、滞环比较器、逆变 器模型等，进行仿真分析。
滑模控制设计
在Matlab中编写滑模控制算法， 构建滑模面和控制律，通过仿真 验证滑模控制在交流电动机中的 有效性。
电动机参数调整
根据实验或实际数据，调整电动机模型的参数， 如电阻、电感、转动惯量等，以提高模型的准确 性。
控制策略优化
针对特定应用需求，优化控制策略，如速度控制、 转矩控制等，以改善电动机的性能。
04
交流电动机控制策略及 Matlab实现
控制策略概述
矢量控制（Vector Control）
通过变换电流来控制电动机的转矩和磁通，实现高性能的调速控制。
智能化控制
引入智能控制算法，如神经网络、模糊控制等，实现电动机性能的智 能化优化和控制。
06
实验验证与结果分析
实验平台搭建及参数配置
实验平台搭建
1
2
选择适当的交流电动机，如感应电动机或永磁同 步电动机。
3
搭建控制电路，包括功率变换器（如逆变器）和 控制器。
实验平台搭建及参数配置
实验平台搭建及参数配置
性能优化措施探讨
优化设计
从电动机结构、材料、制造工艺等方面进行优化设计，提高电动机本 身的性能。
控制策略优化
改进控制算法，提高控制精度和响应速度，使电动机在更宽的运行范 围内保持良好的性能。
参数辨识与自适应控制
通过在线参数辨识和自适应控制方法，实时调整控制器参数，以适应 电动机参数变化和外部扰动，提高系统鲁棒性。
基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统的仿真研究
基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统的仿真研究近年来，永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）作为一种高效率、高功率密度和高控制精度的电机，被广泛应用于工业和汽车领域。
针对永磁同步电动机的控制问题，矢量控制（Vector Control）成为了一种重要的控制策略。
本文将使用MATLAB对永磁同步电动机矢量控制系统进行仿真研究。
首先，我们需要建立永磁同步电动机的动态模型。
永磁同步电动机是一种非线性多变量系统，其数学模型可以描述为：\begin{cases}\frac{{d\theta}}{{dt}} = \Omega_m \\\frac{{d\Omega_m}}{{dt}} = \frac{1}{{J}}(T_{em} - T_{L}) \\ \frac{{di_q}}{{dt}} = \frac{1}{{L_q}}(v_q - R_s i_q -\Omega_m L_d i_d + e_f) \\\frac{{di_d}}{{dt}} = \frac{1}{{L_d}}(v_d - R_s i_d +\Omega_m L_q i_q)\end{cases}\]其中，$\theta$为转子位置，$\Omega_m$为电机机械角速度，$T_{em}$为电磁转矩，$T_{L}$为负载转矩，$i_q$和$i_d$为电流的直轴和正交轴分量，$v_q$和$v_d$为电压的直轴和正交轴分量，$R_s$为电机电阻，$L_q$和$L_d$为电机的定子轴和直轴电感，$e_f$为反电势。
接下来，我们可以使用MATLAB建立永磁同步电动机的矢量控制系统。
首先，我们需要设计控制器，其中包括速度环控制器和电流环控制器。
速度环控制器用于调节电机的机械角速度，电流环控制器用于控制电机的电流。
在速度环控制器中，我们可以选择PID控制器，其输入为速度误差，输出为电机的电压指令。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
上述给出的式（4）、式（5）、式（6）三个方程式是构 成转差型矢量控制系统的基本方程式，它描述了 it 1 和 Te、ψ2 的关系 。 由于 a、p m 均为常数， 故交流电机在 M-T 坐标系上 的转矩方程与直流电动机非常相似，控制就容易进行了。
[5]
2
交流电动机矢量控制系统 M ATLA B 仿真
研究论文
要包括交流电动机模型模块、电流 PI 调节模块、速度 PI 调 节模块、 Park 变换模块、Park 逆变换模块和电流磁链模块。
H A I X IAK E X UE
其同单位的基值。选用电动机的标幺值数学模型可以将所有 的物理量的数值都限定在 [-1， 1]之间，简化仿真过程中的计 算量。 仿真过程中使用的电动机的参数：三相交流电动机，额 定功率 4.9 kW，额定电压 27 VAC ，额定频率 50 Hz，额定转 矩 32 Nm，转差率为 0.03，额定转速 1455 r/m ，极对数为 2， 定子电阻为 3.801 Ω， 转子电阻为 4.102 Ω， 定子电感为 0.166 H， 转子电感为 0.172 H，互感为 0.159 H。 图 2 到图 4 分别是交流电动机在负载不变而转速突变时 不同坐标系下的电流响应曲线及速度和转矩响应曲线。仿真 条件：从启动到 0.5 s 内电动机按给定转速为 582 r/m （pu 值 由 0.4）运行，仿真时间等于 0.5 s 时转速从 582 rpm 变为 1 164 r/m （pu 值由 0.4 变为 0.8），给定转矩为 6.4 Nm （pu
0. 8 ) u p ( 0. 6
度 0. 4 速 角 0. 2 子 转 0
-0. 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
) 0. 2 u p (
矩 转0 磁 电
-0. 2 0 0.1 0. 2 0 .3 0 .4 0.5 时间 (s ) t/s 0. 6 0 .7 0.8
数学模型即式（ 1）、式（2）和式（3），编制 M 文件建立 （ 1） 交流电动机的仿真模型。同时根据如图 1 的仿真框图中各参 数传递路线编写各个模块的 M 文件， 建立一个交流电动机按 转子磁场定向控制的 MATLAB 仿真系统。整个仿真系统主
88
2010 年第 12 期（总第 48 期）
海峡科学
T T
e lo ad
0.9
1
时间 ( s) t/s
图 2 交流电动机速度响应曲线
0.6
图 3 交流电动机转矩响应曲线
) u p (
压 电 子 定 下
电动汽车用交流电机矢量控制系统 M A TLA B 仿真分析
电动汽车用交流电机矢量控制 系统
MATLAB 仿 真 分 析
黄秋芳
福建龙马环卫装备股份有限公司
[ 摘要]
本文介绍了一种电动汽车用交流行走电动机矢量控制系统， 在M A TLA B环境下对交流电机矢量控制系统进行仿真分析，
仿真结果表明对交流电机使用矢量控制方法进行控制时具有动态特性好，速度、转矩响应迅速等特点，为实际电机控制器的 研制奠定了理论基础。 [ 关键词 ] 交流电机 矢量控制 M A TLA B 仿真
图1
交流电动机按转子磁场定向控制的 M A TLA B仿真系统框图 在仿真过程中采用电动机的标幺值数学模型，即将电动
值 0.2）。图 2 表明交流电动机速度响应特性良好，响应时间 约为 150 ms 。 图 3 表明速度突变时交流电动机转矩产生脉动， 150 ms 后趋于平稳。
机的状态量电流、电压、转矩、转速，以及参数中的电阻、 电感等都用相对值（ PU 值）来表示。将物理量的实际值除以
[1]
ψm1 Ls ψ 0 t2 = ψ Lm m2 ψ 0 t2
0 Ls 0 Lm
Lm 0 Lr 0
0 Lm 0 Lr
im1 it 1 i m2 it 2 （3） （2）
Te = p m(ψt2 im 2 ψm2 it 2 )
式（1）中的第三、第四行出现零元素，减少了多变量之间的 偶合关系，使模型得到简化。即 T 轴电流为
在 MATLAB 环境下根据交流电动机在 M-T 坐标系下的
um1 ut1 0 0
=
ห้องสมุดไป่ตู้
R ω s +L sp 1L s ω Rs + Ls p 1L s Lm p ω sL m 0 0
Lm p ω 1L m Rr + Lr p ω sL r
ω im1 1L m Lmp it1 0 Rr im2 it2
0 引言
电动车用交流电机是高度非线性、强电磁偶合的功率执 行元件，与直流电机相比控制要复杂得多，交流电机的控制 关键在于解耦。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制 （Field Orientation Control ），即把磁场矢量的方向作为坐标 轴的基准方向，电动机电流矢量的大小方向都用瞬时值来表 示 。磁场定向控制理论从理论上解决了交流电动机转矩的 高性能控制问题，其基本思想是将交流电动机模型通过一系 列的坐标变换设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场 定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和 产生转矩电流分量，并使两个分量互相垂直，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 性上就与直流电动机相似了。对于交流电动机矢量控制系统 的 研究 用 传 统 的解 释 法 分 析是 非 常 复 杂的 ， 本 文 采 用 MATLAB 软件进行仿真分析，简化了分析过程。
it 1 =
Lr Te p m Lmψ 2
（ 4）
而0 = ω s (Lmim1 + Lr im2 ) + R r it 2 故
=ω ψ2 + Rr it 2 s
（ 5） （ 6）
ω = pm s im1 =
Rr T ψ22 e
ψ2 Lm
1 交流电动机在两相旋转坐标系（M - T） 上的数学模型
一个旋转矢量 i 从三相定子 A-B-C 坐标系变换到两相定 子 α β坐标系，称为 Clarke 变换，也叫 3/2 变换，一个旋 转矢量 i 从垂直坐标系（ α β坐标系）变换到定向坐标系 （M-T 坐标系），称为 Park 变换 [2]。 异步电动机在 M、T 坐 标系下的工作状态可由以下 3 个方程式来描述 [3-4]：