异步电机矢量控制与解耦技术研究

本文深入探讨了异步电机矢量控制的理论，剖析了电机动态电磁场与坐标变换的内在联系，构建了旋转坐标系中异步电机的数学模型，并阐释了三相异步电机数学模型的解耦机制，同时提供了电机矢量控制系统的图示和仿真图表。

关键词：感应电机矢量控制 解耦

基于MATLAB的感应电机矢量控制系统研究

李毅辉

（中南大学信息科学与工程学院，长沙，410083）

摘要：本文详细阐述了感应电机矢量控制的基本原理，对异步电机的动态电磁关系和坐标变换原理进行了系统分析，构建了异步电动机在旋转坐标系中的数学模型，并说明了三相异步电机数学模型的解耦特性，同时展示了电机矢量控制系统的图示和仿真图表。

关键词：感应电机，矢量控制，解耦

1.研究背景

变频技术的飞速进步催生了感应电机控制新技术的涌现，其中矢量控制是提升感应电机性能的关键技术。矢量控制，即磁场定向控制（FOC），在同步旋转坐标系下实现了转矩和转子磁链的解耦控制，实现了对转矩和磁链的独立调节，从而达到了类似直流电机的调速性能。自70年代初矢量控制技术提出以来，通过坐标变换和磁场定向控制，将交流电动机的定子电流分解为磁场定向坐标的磁场电流分量和垂直于该坐标的转矩电流分量，实现了两者间的解耦，获得了类似直流电机的转矩模型，并可通过仿照直流电机实现快速的转矩和磁通控制，显著提升了系统动态性能，推动了交流电机调速技术的突破性进展。矢量控制已成为现代交流变频调速系统的主流。MATLAB的SIMULINK软件包，作为动态系统建模、仿真和分析的工具，以其模块化、可重用性、可视化等特点，极大地提高了系统仿真的效率和可靠性。本文将结合基于转子磁场定向的矢量控制和SIMULINK的特点，介绍一种感应电机矢量控制系统的建模仿真方法，并通过仿真实验为类似调速系统提供有效、可靠的研究分析依据。

K.Hasse于1969年提出了间接磁场定向控制（IFOC）方法，F.Blaschke于1971年提出了直接磁场定向控制（DFOC）方法，两者在控制原理上存在显著差异。间接矢量控制，即转差矢量控制，采用磁链开环控制，无需计算实际转子磁链的幅值和相位，而是通过矢量控制方程中的转差公式求得转差频率，形成转差矢量控制系统。该转差频率与电机转速相加后，通过积分计算转子磁链相对于定子的位置。皖南电机该方法结构简单，动态性能可达到直流双闭环控制系统水平。直接矢量控制采用磁链闭环控制，通过测量或观测转子磁链获得转子磁链的位置信息，实现转矩与磁链的解耦控制。

矢量控制技术的核心在于磁场定向，而电机参数是影响磁场定向的关键因素。感应电机在实际运行中，工况变化（如转子温度、磁路饱和程度等）会导致电机参数偏移，尤其是转子电阻参数的变化*为显著。间接矢量控制系统采用磁链开环控制，易于实现，但其控制器性能依赖于电机参数。皖南电机 当矢量控制器中转子电阻参数设置与电机实际参数存在偏差时，转差计算不准确，磁链定向受损，电机动态性能下降。直接磁场定向控制采用磁链闭环控制，直接测量转子磁链难度大且存在误差，推广受限。使用观测器估计转子磁链则依赖于感应电机的数学模型。

2.两相任意旋转坐标系（dq坐标系）下感应电机数学模型

感应电机定、转子相对位置的变化会引起耦合因子的变化，在同步旋转坐标系下解耦可得到非时变的耦合因子和独立的控制变量。在两相同步旋转坐标系中表示电压、电流和磁链等变量，可以简化计算，便于分析电机动态特性。

dq模型是矢量控制系统设计和分析的模型。感应电机在dq坐标系下的电压、磁链方程整理后，可得到矢量控制模型如下：

式中，w—电机角速度；s—电机漏磁系数，。

3.按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用

若取d轴沿转子总磁链矢量的方向，q轴逆时针转90°垂直于该矢量，当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有：

代入转矩方程（2-6）及以上方程可得：

从式（3-2）和式（3-3）可知，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个角度看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。

式（3-4）还表明，与之间的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数Tr为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量突变时，的变化要受到励磁惯性的阻挠，这与直流电机励磁绕组的惯性作用相似。

因此，通过分别控制励磁分量和转矩分量即可获得类似直流电机的控制效果，且控制器设计相对简单。

4.感应电机矢量控制模型

基于Matlab/Simulink仿真平台建立了感应电机模块。感应电机模块包括电流、磁链计算以及电磁转矩、速度、位置的计算，分别如图4-1所示。

图4-1感应电机模型

在MATLAB/Simulink环境下，根据已建立的感应电机模型，设计了感应电机间接矢量控制系统，为后续研究奠定了基础。系统速度环采用PI控制，其他主要功能模块包括解耦模块、坐标变换模块和电流滞环控制器模块等。转子磁链直接给定，整个系统仅有两个环：速度环和电压环。感应电动机的解耦控制从数学模型出发，应用现代控制理论中的解耦控制方法，通过状态反馈，将原本复杂的多变量、非线性、强耦合系统解耦线性化，实现电动机转速与转子磁链之间的动态解耦。感应电机间接矢量控制系统仿真模型如图4-2所示。

图4-2感应电机间接矢量控制系统仿真模型

感应电机间接矢量控制系统的解耦模块如图4-3所示：

图4-3感应电机间接矢量控制系统的解耦模块

5.仿真结果

为了验证所设计的感应电机间接矢量控制系统在负载转矩及给定转速突变时的动、静态性能，进行了仿真实验。实验中，电机参数如表5-1所示。

表5-1.电机参数

PI控制器的比例系数设为1，积分系数为0.1，积分上下限及控制器输出上下限均设为1、-1；直流电压为240V，速度给定值100r/min，转子磁链给定值0.5wb，电机带5Nm负载启动，1.5秒时速度给定值变为150r/min。控制系统转速响应波形、转子磁链波形及电磁转矩波形如图5-1所示。

(a)转速波形

(b)电磁转矩波形

(c)转子磁链波形

6.结论

通过仿真图4-1可以看出，电机的转速响应大致能跟随给定转速变化，短时间内能稳定。电机转矩和磁链随之稳定。由图还可看出，系统初始运行时超调较大，改变PI参数效果不明显，分析可能与电机参数选择有关。

7.参考文献

[1]陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社

[2]冯垛生，曾岳南．无速度传感器矢量控制原理与实践[M]．北京：机械工业出版社

[3]胡崇岳．现代交流调速技术[M]．北京：机械工业出版社

[4]谢宝昌．交流电机变频调速控制特性曲线的选择[J]．电气电子教学学报

[5]李志民,张遇杰.同步电动机调速系统.北京:机械工业出版社

[6]HaylockJA，MedrowBC.EnhancedCurrentControlofHigh-SpeedPMMachineDrivesThroughtheUseofFluxControllers[J].IEEETransonIndustrialApplications，1999，35(5):1030-1038.

[7]黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社

[8]王兆安.电力电子技术.第四版.机械工业出版社

[9]李川.MATLAB在现代交流调速系统仿真中的应用.中小型电机

作者简介：

王随平（1956-），男，中南大学信息科学学院控制工程系教授。研究领域：深海机器人、电机控制、冶金过程控制等。皖南电机价格表

黎毅辉（1987－），男，湖南岳阳人，硕士，中南大学信息院，学生。研究领域：工业过程控制，计算机控制，现场总线等。