-
电力拖动课程结题报告
题目
：
异步电机的矢量控制系统
班级
：
K0312417
姓名
：
罗开元
学号
：
K031241723
老师
：
郎建勋老师
2015
年
6
月
22
日
前言
异步
电机的矢量控制设计及仿真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。
矢量变换控制
(
以下简称
VC)
技术的诞生和发展为现代交流
调速技术的发展提供了理论
基础。
交流电动机是一个多变量、非
线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构
的现代控制理论概念可以实现交流
电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，
实现
了将交
流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。
这就使得交流调速系统的动态性
能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明，<
/p>
采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。
矢
量控制原理的出现也促进
了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。
七十年代初期，西门子公司的
F
.Blashke
和
W .Flotor
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，这样就
可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的
,
得到了类<
/p>
似于直流电机的模型
,
然后模拟直流电机
进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本
文
分
析
异
步
电
机
的
数
学
< br>模
型
及
矢
量
控
制
原
理
的
基
础
上
,
利
Matlab/Simulink<
/p>
中
SimPowerSystems
模块
,
采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、
矢量控制器模块、
坐标变换模块、
磁链调节器模块
、
速度调节模块
,
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。
1.
异步电机的
VC
原理
1.1
坐标变换
< br>坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换
后，
分析和控制交流电动机就可以大大简化。
以产生同样的旋
转磁动势为准则，
在三相坐标
i
B
、
C
，
系上的定子
交流电机
i
A
、
通过
3/2
变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流
和
i
i
?
i
?
，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋
转坐标系上的直流电流
i
d
和
i
q
。如果观察
者站到
铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。
把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图
l
。从整体
上看，输人为
A
，
B
< br>，
C
三相
电压，输出为转速
?
，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过
3
／
2
变换和按转子磁链
定向的同步旋转变换，便得到一台由
i
m
和
i
t
输入，由
?
输出的直流电动机。
< br>?
A
B
C
i
A
i
B
i
?
i
t
i
C
3/2
i
?
VR
i
m
等效直流
电动机模型
?
异步电动机
图
1
异步电动机的坐标变换结构图
1.2
矢量控制系统结构
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
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
，矢
量控制系统的原理结构如图
2
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
*
*
?
1
i
i
m
t
控制器，产生励
磁电流的给定信号
和电枢电流的给定信号
，经过反旋转变换
VR
得到
*
*
*
*
*
i
?
i
?
i
i
i
C
A
< br>B
和
，
再经过
< br>2
／
3
变换得到
、
和
。
把这三个电流控制信号
和由控制器得到的
频率信号
?
1
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。
< br>
~
?
?
i
给定信号
控
制
*
+
器
i
m
*
t
i
?<
/p>
1
*
?
VR
i
*
?
i
*
A
*
电流控制
i
2/3
B
*
i
C
变频器
i
A
i
B
i
C
i
?
i
t
3/2
i
?
VR
i
m
等效直
流电动
机模型
?
-
?
1
反馈信号
异步电动
机
图
2
矢量控制系统原理结构图
1.3
异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型
电压方程：
?
u
sd
?
?
R
s
?
L<
/p>
s
p
?
u
?
?
?
sq
?
?
?
?
1
Ls
?
u
rd
?
?
L
< br>m
p
?
?
?
?
u
rq
?
?
?
?
s<
/p>
L
m
?
?
?
1
Ls
R
s
?
Lsp
?
?
s
L
m
L
m
p
L
< br>m
p
?
1
L
m
R
r
?
Lrp
?
s
L
r
?
?
1
L
m
?
?
i
sd
?
?
i
?
L
m
p
?
?
?
sq
?
（
1
）
?
?
s
L
r
?
?
i
rd
?
?
?
?
R
r
?
L
r
p
?
?
?
i
rq
?
?
磁链方程：
0
Lm
0
?
?
i
sd
?
?
?
sd
?
?
Ls
?
?
sq
?<
/p>
?
0
?
?
i
?
Ls
0
Lm
?
?
?
?
?
?
sq
?
?
?
rd
?
?
Lm
0
< br>Lr
0
?
?
i
rd
?
?
?
?
?
?
?
?
rq
0
Lm
0
Lr
?
?<
/p>
?
?
?
?
i
rq
?
?
（
2
）
转矩方程：
T
e
?
2
n
p
Lm
(
i
sq
i
rd
?
i<
/p>
sd
i
rq
)<
/p>
3
（
3
）
运动方程：
Te
?
Tm
?
J
?
r
p
/
n
p
?
F
?
r
/
n
p
（
4
）
两相旋转坐标系
α
-
β
到两相静止坐标系
d-q
变换为
:
?
i
d
?
?
i
< br>?
?
?
cos
< br>?
?
sin
?
< br>?
?
i
d
?
?
i
?
?
C
2
r
2
s
?
i
?
（
5
）
?
i
?
?
?
?
?
?
?
?
sin
?
cos
?
?
?
q
?
?
q
< br>?
两相旋转坐标系到
d-q
两相
静止坐标系
α
-
β
变换为
:
?
< br>i
d
?
?
cos
?
sin
?
< br>?
?
i
?
?
?
i
?
?
?
i
?
?
?
?
i
?
?
C
2
s
2
r
?
< br>i
?
?
?
sin
?
cos
?
< br>?
?
?
?
?
?
?
（
6
）
?
q
?
?
两相静止坐标系到三相静止的坐标变换和变换
2/3
为：
?
ia
?
?
ib
?
?
?
?
?
?
ic
?
?
?
?
1
2
?
1
?
?
3
?
2
?
1
?
?<
/p>
?
2
?
0
?
?
i
?
?
3
?
?
i
?
?
?
?
?
?
C
2
?
?
3<
/p>
i
?
2
?
?
i
?
?
?
?
?
3
?
?
2
?
（
7
）
当把转子旋转坐标系磁链定
向在同步旋转坐标系
M-T
坐标系的
M
轴，应有
?
rd
?
?
rm
?
?
r
,
?<
/p>
rq
?
?
rt<
/p>
?
0
（
8
）
由此可得交流异步电机矢量解耦控制的控制方程：
?
r
?
L
m
i
sd
（
< br>9
）
T
r
p
?
1
T
e
?
n
p
L
m
L
r
i
sq
?
r
（
10
）
i
sd
?
T
r
p
?
1
?
r
（
11
）
L
m
?
s
?
L
m
i
sq
T
r
?
r
（
12
）
?
?
?
(
n
p
< br>?
r
?
?
s
)
dt
Lr
?
L
1
r
?
Lm
Ls
?
L
1
s
?
Lm<
/p>
Tr
?
Lr
式中
（
13
）
<
/p>
Rr
R
s
R
r
--
定子、转子电阻
L
1
s
,
L
1
r
,<
/p>
Lm
,
Ls
,<
/p>
Lr
--
定子侧电感、转子侧电感、定转
子间互感、定子绕组电感和转子
绕组电感；
?
1
,
?
s
,
?
r
--
定子频率的同步转速、转差转速、和转子
转速；
?
--
转子磁链角
u
,
< br>i
,
?
--
电压、电流和磁链；
下标
s
、
d
—
表示定子、
转子；
下标
d
、
q
—
表示
d
轴、
q
轴；
np
—
极对数；
Tr
—
转子时间常数；
J
—
机组转动惯量；<
/p>
Te
，
Tm=
=
电磁转矩，负载转矩；
F
—
阻转矩摩擦系数；
P
—
微分算子；
由上式可以看出，
转子磁链只由定子电流励磁分量决定，
当
转子磁链达到稳态并不变时，
电磁转矩只由定子电流转矩分量决定，
此时磁链和转矩分别由励磁分量和转矩分量独立控制，
实现了磁链和转矩的解耦。<
/p>
只要合理的确定两个分量便能实现转矩的瞬时控制和转速的高精
度
跟踪。
2
基于
Matlab/simulink
异步电机
VC
的仿真
其中矢量控制模型如下：
XY Graph
PSIRA
Phir
Phir
PSIRA
usa
PSIRB
PSIRB
Thita
1.2
Phir*
Phir*
ism*
Phir
ism*
usm*<
/p>
ism
Thita
usd*
usq*
usb*
usa*
1
0.0001s+1
Transfer Fcn1
usb
K/P
w
Thit
a
ISA
isa
isb
ISB
TL
Te
ist
IA
IB
ISB
IC
ism
isab
ApriR_PI4<
/p>
150
Speed1
w*
ist*
w
ist*
ACMR
_PI3
ust*
1
0.0001s+
1
Transfer Fcn2
ASR_PI1
ist
2s/2r
ACTR_PI2
< br>2r/2s
ISA
iabc
2/
3
T1
T2
AC
motor
Te
w
图
1
：矢量控制系统仿真模型图
由图中可知
ASR
为转速调节器，
APsirR
为转子磁链调节器，
ACMR
为定子电流励磁分量调
节器，
ACTR
为定子电流转矩分量调节器，
对转子磁链和转速而言，
均表现为双闭环控制的
系统结构，内环为电流恒定，外环为转子磁链或转速环。
本文选择在同步旋转坐标系下建立异步电机的数学模型
,
模块的
U
α
、
U
β
和
Tl
是异步电机
三相定子绕组输入端
,
通过
dq
-
α
β
变换作为已搭接好的电机的输入
，
电机模块还拥有
1
个
电机轴上的机械转矩输入端口
Tl
，
< br>
其中
Tl
为交流电机的负载接
入端
,
用于对电机进行加载
实验端，仿
真过程中输出测取了转子转速
wr
、
电磁转矩
Te
、电机定子电流
α
β
-abc
的
ia<
/p>
、
ib
、
ic
和磁链等
,
这些参数与定子线电压
vab
均送给示波器模块动态显示。
2.1
dq-
α
β
变换模块
< br>
由上式（
5
）可连接模块如下
：
图<
/p>
2
：
dq-
α<
/p>
β
变换
2.2
α
β
-dq
变
换模块：
由上式（
6
）可连接模块如下：
<
/p>
图
3
：
α
β
-dq
变换
2.3
α
β
-abc
变换模块：
由上式（
7
）可连接模块如下：
图
4:
α<
/p>
β
-abc
变换
PI
调节器设计
本次仿真设计中的调节器都是采用
PI
调节器，其传递函数
为；
W
ACR
(
s
)
?
K
i
(
?
i
s
?
1)
?
i
s
K
i
—
电流调节器的比例系数；
?
i
—
电流调节器的超前时间常数。
同时其传递函数也可写为：
W
ASR
(
s
)
?
K
p
?
K
I
S
其
PI
调节
器的
MATLAB
仿真结构图如图
4-
7
所示。而且此
PI
调节器是带了限幅
的。根据
MATLAB
的仿真图形，不断改进
< br>PI
调节器和
Kp
和
Ki
。
其中
A
?
R
按Ⅰ型系统设计<
/p>
结构图如下：
?
r
*
A
?
R
i
sm
*
1
T
i
S
?
1
i
sm
L
m
T
r
S
?
1
?
r
-
?
<
/p>
磁链调节器
A
?
R
采用Ⅰ型系统设计，
PI
调节器传递
函数可写成
:
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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