转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真

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。

直流电机的数学模型就简单多了。

从物理模型上看，直流电机分为空间相互垂直的励磁绕组和电枢绕组，且两者各自，互不影响。

正是由于这种垂直关系使得绕组间的耦合十分微小，我们可以认为磁通在系统的动态过程中完全恒定。

这是直流电机的数学模型及其控制比较简单的根本原因。

如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式，仿照直流电机进行控制，那么控制起来就方便多了，这就是矢量控制的基本思想。

第章矢量控制的基本原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量励磁电流和产生转矩的电流分量转矩电流分别加以腔制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。

坐标变换的基本思路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，在三相坐标系上的定子交流电流，通过三相两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流和，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和。

如果观察者站到铁心上与坐标系起旋转，他所看到的就好像是台直流电动机。

把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图。

从整体上看，输人为三相电压，输出为转速，是台异步电动机。

从结构图内部看，经过变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到台由和输入，由输出的直流电动机。

等效直流电动机模型异步电动机图异步电动机的坐标变换结构图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。

由于进行坐标变换的是电流代表磁动势的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量控制系统，简称系统。

系统的原理结构如图所示。

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得到和，再经过变换得到和。

把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号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。

异步电动机等效直流电动机模型电流控制变频器控制器反馈信号给定信号图矢量控制系统原理结构图在设计系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器与电机内部的旋转变换环节相抵消，变换器与电机内部的变换环节相抵消，则图中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。

可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。

第章按转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制上节的定性型检测信号图带除法环节的解耦矢量控制系统矢量控制系统两个等效的线性子系统磁链调节器转速调节器第章转速磁链闭环控制的矢量控制系统对解耦后的转速和磁链两个的线性子系统分别进行闭环控制的系统称作直接矢量控制系统。

采用不同的解耦方法可以获得不同的直接矢量控制系统。

带磁链除法环节的直接矢量控制系统在前述的图中，转速调节器输出带环节，使系统可以在有关假定条件下见上节指出的三个假定条件简化成完全解耦的与两个子系统模型在图中略去未画，这是种典型的直接矢量控制系统。

两个子系统都是单变量系统，其调节器的设计方法和直流调速系统相似。

电流控制变频器可以采用电流滞环跟踪控制的变频器图，也可采用带电流内环控制的电压源型变频器图图电流控制变频器带转矩内环的直接矢量控制系统另外种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控制内环，图绘出了种实际的带转矩内环的直接矢量控制系统，其中主电路选择了电流滞环跟踪控制的变频器，这只是种示例，也可以用带电流内环的电压源型变频器。

系统中还画出了转速正反向和弱磁升速环节，磁链给定信号由函数发生程序获得。

转速调节器的输出作为转矩给定信号，弱磁时它也受到磁链给定信号的控制。

图带转矩内环的直接矢量控制系统第章控制系统的设计与仿真矢量控制系统的设计以典型型系统来设计为了将系统开环传递函数表示成典型型系统的形式，磁链调节器设计为个调节器与个惯性环节串联，即其中待定。

于是磁链闭环的开环传递函数为。

当取时，整理可得„，显然这是典型型系统的开环传递函数形式。

为了便于仿真，假设电机参数如下定子互感和转子互感定子电阻转子电阻定子漏感和转子漏感极对数转动惯量转子磁链代入上述数值到可得。

易知该型系统的阻尼比和振荡频率有如下关系„。

若今要求磁链调节曲线超调量调节时间。

根据自动控制理论，旦超调量和调整时间确定了，典型型系统的特征参数和可由确定，于是可解得，再将和代入式解得。

在下作开环转子磁链的开环传递函数式的波德图如图。

图中可以看出相角裕量约为满足工程设计要求。

图转子磁链的开环传递函数波德图矢量控制系统的仿真在下作系统仿真模型，如图所示。

图下作系统仿真模型各个子模块的仿真模型如图所示。

图电流滞环脉冲发生图按转子磁链定向的转子磁链电流模型图磁链调节器的模型图转速调节器的模型图转矩调节器的模型仿真结果图转速仿真结果图电机三相电流波形图转速调节器输出结果图电流调节器输出波形图转矩调节器输出波形结论由于磁链具有难观测的特点，所以采用仿真研究是个很好且很方便的方法。

但是毕竟是软件模拟实现，仅仅从原理上证实了设计的准确性，我们还必须搭建实际系统并进行调试才能最终确定合适的调节器模型参数。

参数选择见附录。

从仿真结果上看，在时转速达到额定值，在时给电机加上负载，其转速有所下降，但很快就能恢复，说明该电机的调速性能还是不错的。

从转速的上升时间来看，它的响应时间也能满足要求。

参考文献陈伯时电力拖动自动控制系统第版机械工业出版社李德华电力拖动控制系统运动控制系统电子工业出版社裴润，宋申明自动控制原理上册哈尔滨工业大学出版社黄忠霖自动控制原理的实现国防工业出版社冯垛生，曾岳南无速度传感器矢量控制原理与实践附录仿真参数览表电动机选择两对磁极逆变器电源为定子绕组自感转子绕组自感漏磁系数转子时间常数调节器参数上限下限上限下限转速调节器转矩调节器磁链调节器积分器限幅调节器输出限幅调节器比例放大倍数积分器放大倍数转速磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及仿真摘要因为异步电动机的物理模型是个高阶非线性强耦合的多变量系统，需要用组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。

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。

如果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。

直接矢量控制就是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。

并用最终得到了仿真结果。

关键词矢量控制，非线性，仿真，目录前言第章矢量控制的基本原理坐标变换的基本思路矢量控制系统结构第章按转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制第章转速磁链闭环控制的矢量控制系统带磁链除法环节的直接矢量控制系统带转矩内环的直接矢量控制系统第章控制系统的设计与仿真矢量控制系统的设计矢量控制系统的仿真结论参考文献附录前言矢量控制是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。

首先简单介绍了矢量控制的基本原理，给出了矢量控制系统框图，然后着重介绍了矢量控制系统中磁链调节器的设计和仿真过程。

仿真结果表明调节器具有良好的磁链控制效果。

因为异步电动机的物理模型是个高阶非线性强耦合的多变量系统，需要用组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。

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。

直流电机的数学模型就简单多了。

从物理模型上看，直流电机分为空间相互垂直的励磁绕组和电枢绕组，且两者各自，互不影响。

正是由于这种垂直关系使得绕组间的耦合十分微小，我们可以认为磁通在系统的动态过程中完全恒定。

这是直流电机的数学模型及其控制比较简单的根本原因。

如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式，仿照直流电机进行控制，那么控制起来就方便多了，这就是矢量控制的基本思想。

第章矢量控制的基本原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量励磁电流和产生转矩的电流分量转矩电流分别加以腔制，并同时