矢量控制调速系统

异步电动机矢量控制调速系统

一. 矢量控制调速系统的基本思路

从电动机运动方程来看，唯一能影响转速的就是转矩，所以要想 获得良好的调速性能，必须能够很好的控制电动机的转矩。这样看来，电机调速的关键在于控制转矩。

前面我们系统的分析了直流调速系统，直流调速系统之所以具有优良的调速性能，是因为定子励磁电流和电枢电枢电流这两个参数可以分别由电动机的励磁回路和电枢回路独立产生，且空间正交，是两个可以独立控制的变量。忽略磁路的饱和等非线性因素，只要控制定子励磁电流，使磁通恒定，则电磁转矩就正比于电枢电流，当负载转矩变化时，只要调节电枢电流就可以获得满意的动态性能。

对于异步电动机而言，情况就变得很复杂了。异步电动机电磁转矩与多个系统变量有关，而且他们之间相互联系，耦合紧密，所以电磁转矩很难精确控制。这与电动机本身的结构有关，电机中绕组相互耦合交叉，彼此之间的联系很强，定转子之间又有相对运动，导致电机成为一个高阶的时变的非线性系统。

经过对比可以发现，直流电动机的优良调速性能可归结为物理量之间解耦比较彻底，可以分别单独控制。而反观异步电动机，电机中物理量耦合程度强，相互联系，控制起来就很复杂。

模仿直流电动机的调速方法，异步电动机的数学模型在同步旋转坐标系下，如果将M轴始终放在转子磁场的轴线上，那么可以发现

电磁转矩只与定子电流的T轴分量和转子磁场的乘积有关。此时我们再设想一下，若将转子磁场看成是直流电动机中的励磁磁通，那么异步电动机的转矩表达式与直流的在形式上完全一样了。因为直流电动机中励磁磁通是由励磁电流单独控制的，可以保持恒定，我们只要调节电枢电流就可以调节转矩了。根据这个原理，进一步设想，如果能够保持转子磁场不变，那么就可以改变定子电流T轴分量以改变转矩了。到此为止，我们只需要找出保持转子磁场不变的方法，那么异步机的调速问题就解决了。经过推导发现，转子磁场只与定子电流的M轴分量有关。

综合以上最后得出结论：在转子磁场定向的条件下，即将M轴始终放在转子磁场轴线上，保持定子电流的M轴分量不变，改变定子电流的T轴分量就能够达到调节异步电动机转矩的目的了。此时我们模仿直流电动机的调速原理，对定子电流的T轴分量和M轴分量分别进行控制，就能达到调速的目的了。

知道了异步电动机矢量控制调速系统的基本原理后，我们还需要做以下几方面的准备工作：

1. 转子磁场定向

通过以上分析可知，转子磁场定向的目的应该是解耦。定向的结果应是输出转子磁场在空间中的位置，通过角度表现出来。这个角度在整个调速系统中很重要，因为我们需要这个角度来进行坐标变换或者也可以叫矢量变换。

2. 计算转子磁场幅值

因为我们需要保持转子磁场幅值为恒定值，以便可以通过单独调节定子电流T轴分量就可以调节转矩。根据闭环控制原理，要想对某个量进行跟踪控制，需要引入这个量的实际值作为反馈与给定值做比较，通过两者的偏差去控制这个量。所以我们需要知道转子磁场的大小以便进行闭环控制，而且转子磁链调节器的输出应是定子电流的M轴分量。转子磁场观测模型有电流模型以及电压模型，这里不详细说明模型的具体求法，相应的资料非常多，查找也很方便。

3. 计算电磁转矩

电磁转矩的求解十分重要，因为调速的方法就是要能够在负载变化的情况下精确的控制转矩。我认为以上大部分内容都是为转矩的控制简化而服务的。比如磁场定向使得电磁转矩的表达式简单了，只与电流的T轴分量和转子磁场的乘积有关，而控制转子磁场幅值不变又进一步简化了电磁转矩的表达式，使得它只与定子电流的T轴分量有关。同磁场控制一样，我们需要引入电磁转矩实际值作为反馈量以便实现转矩控制，转矩调节器输出的是定子电流的T轴分量。

4. 调节器的设计

整个调速系统需要三个调节器，即转速调节器，转矩调节器，转子磁链调节器，他们都是PI调节器。其中转速转矩调节器是一个双闭环调机器，转速环为外环，输出作为转矩内环的给定值，转矩为内环，输出的是定子电流的T轴分量给定值。磁链调节器的输出作为定子电流M轴分量的给定值。调节器设计时根据性能指标不断的试凑，最终达到一个比较满意的结果。

5. 逆变器的控制

根据调节器的输出我们得到了定子电流T轴以及M轴给定值，然后再经过坐标变换变成三相自然坐标系中的三个分量，通过这三个分量与实际电机三相定子电流作滞环比较，使实际电流跟随给定电流的变化。滞环比较器输出的就是逆变器的触发信号，用来控制器件的开通与关断。

根据以上所有的分析，我们就明白了为什么叫它是转子磁场定向的矢量控制调速系统：磁场定向使得转子磁场控制与电磁转矩控制得以分开单独控制，在计算被控量如磁场、转矩以及控制逆变器时均要用到矢量变换，且这种变换不是任意的，而是根据磁场定向的角度作变换。

二.矢量控制调速系统的MATLAB仿真

根据上诉分析的原理，在SIMULINK里面搭建仿真模型，如下图所示：

图1矢量控制系统的仿真模型

下面分别介绍模型里面的各个模块。

下图为异步电动机转子磁链模型，采用电流模型法求得，模块的

输出为转子磁链幅值，定向角度，定子电流的T轴分量。

图2 转系磁链模型单元

下图为转速调节器模块，采用PI调节器

图3 转速调节器模块

转速调节器中，比例系数为15，积分比例系数为0.8，积分限幅为-80到80，调节器输出限幅为-75到75.转矩以及磁链调节器与此结构一样，参数不同而已。

下图（图4）为最后的电流滞环比较环节。它将调节器输出的给定值经过矢量变换后再与实际三相电流作比较，当差值大于给定容差

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