按转子磁链定向的矢量控制新版系统.docx

中国教育部东北林业大学毕 业 设 计设计题目： 按转子磁链定向矢量控制系统设计 学 生： 黄建龙 指导老师： 李克新 讲师 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化级3班 6月按转子磁链定向矢量控制系统设计摘 要本文在对交流异步电动机坐标变换原理概念，异步电动机数学模型和在不一样坐标系上数学模型表示方程式介绍基础上，指出了异步电动机模型多变量、强耦合非线性特点，介绍了SVPWM空间矢量变频调速技术，并对基于高速数字信号处理器（DSP）交流电动机按转子磁链定向矢量控制调速系统进行了研究。本设计完成了基于TMS320F2812DSP交流电机按转子磁链定向矢量控制系统设计。在系统总体设计方面，系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。功率电路包含整流电路、直流中间电路、逆变电路和驱动电路等组成；控制电路由F2812芯片及其外围电路组成，用来完成矢量控制关键算法、SVPWM产生、相关电压电流检测量处理等功效；辅助电路由开关电源、串行通信电路等组成，以实现给系统提供多路直流电源和上位机监控等功效。系统硬件电路关键是由主电路、驱动电路、微控制电路、检测电路、信号采集和故障综合电路等组成；软件程序关键由主程序、中止程序和键盘程序等组成。关键字：SVPWM；矢量控制；磁链定向；DSPThe Design of Orientated by the Rotor Flux Vector Control SystemAbstractIn this paper, we introduces the ac induction motor concept, the principle of coordinate transformation of asynchronous motor in different reference frames mathematical model and mathematical model of the express equations, and pointed out the characteristics asynchronous motor model multivariable and strong coupling nonlinear characteristics, and introduced the SVPWM space vector, and the technology of frequency conversion based on high speed digital signal processor (DSP) according to the ac motor rotor flux vector control speed control system is studied.This design completed the design of ac motor according to rotor flux vector control system based on TMS320F2812DSP.In the design of the whole system, this system consists of power circuit, auxiliary circuit and control system. The Power circuit includes rectifier circuit, dc intermediate circuit, inverter circuits and drive circuit etc; Control circuit is composed of F2812 chip and its peripheral circuit, to complete vector control core algorithm, SVPWM production, related voltage current detection quantity processing function; Auxiliary circuit by switching power supply, Serial communication circuit etc, so as to realize the system to provide multi-channel to dc power supply and PC monitoring, and other functions.The hardware circuit is mainly composed of main circuit, drive circuit, micro control circuit, detection circuit, signal acquisition and fault integrated circuit etc; Software program mainly by the main program, interruption program and keyboard program etc.Key word: SVPWM;Vector control; Flux; DSP目 录 摘要 Abstract1.绪论11.1矢量控制技术发展现实状况11.1.1交流电动机调速技术发展现实状况11.1.2 矢量控制技术发展现实状况21.2 矢量控制思想及其优点31.2.1 矢量控制基础思想31.2.2 矢量控制优点42.矢量控制技术基础原理52.1异步电动机动态数学模型52.1.1 三相异步电动机物理模型52.1.2 三相异步电动机动态数学模型52.1.3 SVPWM基础原理72.2矢量控制基础原理102.2.1 三相两相静止坐标系变换(3/2变换)112.2.2 两相两相旋转变换（2s/2r变换）122.3 按转子磁链定向矢量控制技术实现132.3.1电流闭环控制方法132.3.2 转矩控制方法142.3.3 转子磁链计算142.4 系统总体设计153系统硬件电路设计173.1 关键芯片选择和介绍173.2 系统主电路设计183.3 控制电路及其外围电路设计203.3.1 PWM电路设计和驱动电路203.3.2 电流采样电路设计213.3.3 电压检测电路223.3.4 转速检测电路223.3.5 PWM输出和故障输入电路233.3.6 控制电路设计233.3.7 电源电路244.软件系统设计255.论文总结和展望27参考文件附录致谢按转子磁链定向矢量控制系统设计1.绪论伴随电力电子技术和数字控制技术不停发展，交流异步电动机在电力传动领域应用越来越广泛，其替换直流电机已成为不可逆转趋势。异步电机含有结构简单、工作可靠、维护方便且效率较高优点。一般变频调速装置采取恒定磁通控制，即V/F恒定控制，电机即使在轻载运行时，其磁场大小并不改变，电机铁损耗并不会因为电机轻载运行而减小，尤其是当电机负载改变时将会造成电能浪费，这种变频调速系统即使含有异步交流电机调速部分优点，不过它动态性能差。现在，多种通用和高性能交流电机控制策略相继诞生，市面上有多种变频器，而在高性能异步电机调速系统中通常采取含有良好动静态性能矢量控制技术，其控制性能可和直流调速相媲美。1.1矢量控制技术发展现实状况1.1.1交流电动机调速技术发展现实状况在20世纪60年代以前，全世界电气传动系统中高性能调速传动全部采取直流电动机，而绝大多数不变速传动则使用交流电机。到了60-70年代，伴随电力电子技术发展和应用，出现了采取电力电子变换器交流调速系统。再以后伴随微型计算机技术发展及现代控制理论深入应用，交流调速控制策略取得不停突破：前后出现调速性能比很好恒V/F控制、转差频率控制，这些控制方法静态性能比很好，实现了交流电机在一定范围内调速要求，但因为其控制思想基于交流电机稳态控制规律，在动态特征、低速转矩特征方面，还不能和直流调速相媲美，从而使其应用范围受到了很大限制。但直流电机本身含有很多难以克服缺点，比如：电刷和换向器必需常常检验维修，换向火花使它应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机容量和速度等等（极限容量和转速之积约106kW.r/min)1。而相比之下，交流电机含有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高优点，应用很广泛。所以发展高性能交流调速系统成为现代工业生产迫切要求且意义重大。自1958年晶闸管（SCR）在美国GE企业诞生以来，电气传动技术就进入了电力电子发展时代，电力电子器件发展为交流调速奠定了物质基础。在电气传动控制系统中，电力电子技术作用关键是组成功率变换器，它作为弱电控制强电枢纽，起着至关关键作用。传统电力电子器件是以晶闸管（SCR）为代表，用它组成可控硅整流装置使直流传动占据传动领域统治地位达数十年之久。然而晶闸管属于半控型器件且频率低，除在一些超大容量场所中还在使用外，中小容量场所已被逐步替换了2。在20世纪70年代以后，GTR、GTO、Power MOSFET、IGBT、MCT等全控型器件前后问世。因为IGBT兼有MOSFET和GTR优点，是用于中小功率现在最为流行器件，MCT则综合了晶闸管高电压、大电流特征和MOSFET快速开关特征，是极有发展前景大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。现在己经应用于交流调速智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）采取IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊疗、自我保护等多个智能功效，是功率器件关键发展方向。伴随新型电力电子器件不停涌现，变频技术取得了飞速发展。PWM控制技术一直是变频技术关键技术之一。通常认为，1964年西德ASchonung和Hstemmler首先在BBC评论上发表文章，提出把通信系统调制技术应用于交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变压变频思想，从而为交流传动推广应用开辟了新局面3。所谓PWM技术即脉冲宽度调制技术，就是经过功率管开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调方波脉冲电压，经过调整脉冲电压宽度而改变输出电压平均值一个功率变换技术4。从最初采取模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件开关开始，到现在采取全数字化方案，完成优化实时在线PWM信号输出，能够说到现在，PWM在多种应用场所仍占主导地位，并一直是大家研究热点。在世界能源担心、节能已成为工业生产关键课题今天，PWM调速技术更显示出其优越性3。现在已经有多个PWM控制方案，其中，空间电压矢量PWM(SVPWM)逆变器以控制磁通正弦为目标磁链跟踪控制技术，以不一样开关方法在电机中产生实际磁通去迫近定子磁链给定轨迹理想磁通圆，来确定逆变器开关状态，形成PWM波形。因为其控制简单、数字化实现方便，且直流母线电压利用率高，已展现出替换传统SPWM趋势。另外还常常采取电流闭环控制，即电流正弦PWM技术，使电机含有良好动态特征，且在低速时也能平稳运转。在变频技术飞速发展同时，交流异步电机控制技术也取得了突破性进展。对任何电气传动系统而言，从动态转矩到转速均为一积分步骤，动态转矩为电磁转矩和负载转矩差值，所以电磁转矩是电系统和机械系统相联络关键纽带，传动系统性能好坏，归根结底取决于系统对电磁转矩控制能力。交流电机是一多变量、非线性、强耦合受控对象，其电磁转矩产生和定转子磁场及其夹角相关，所以，如欲控制转矩，必先控制磁通。怎样使交流电机取得和直流电机一样转矩控制性能，是对交流电机实施有效控制关键。而矢量控制和直接转矩控制系统基于交流电机动态数学模型，所以动态性能好，转矩响应速度快，取得了和直流调速系统一样优良静、动态性能，开创了交流调速和直流调速相竞争时代5。同时，单片微机、数字信号处理器(DSP)等微处理机引入电机控制系统，尤其是多年来能够进行复杂运算数字信号处理器应用，使得复杂电机控制得以实现。另外，微机运算速度不停提升，存放器大容量化，深入促进了数字控制系统替换模拟控制系统，数字化已成为控制技术发展方向。在电气传动领域，前后产生了多个通用和高性能交流电机控制策略，关键有：转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制等。其中，转差频率控制又有转速开环和闭环转差频率控制，这全部是依据电机稳态数学模型，其动态性能不高，但控制规则简单，仍在通常调速系统中应用。要实现高动态性能调速和伺服系统，必需依据异步电动机动态模型来建立控制系统。因为交流电机输入量是定子电压和定子频率，输出量则是电机转速和磁链，假如仍采取简单线性PID控制器，就必需对电机数学模型进行解耦，经过解耦使电机模型线性化，等效为直流电动机模型来实施控制，基于动态电机模型控制策略有矢量控制、直接转矩控制等。1.1.2 矢量控制技术发展现实状况异步电机矢量控制技术是由德国学者K.Hass和F.Blaschke在20世纪70年代初建立起来。矢量控制(Vector Control)又称磁场定向控制(Field Oriented Control)，就是将交流电机空间磁场矢量方向作为坐标轴基准方向，其实际是一个解耦合控制，经过坐标变换和其它一系列数学运算，将交流电机定子电流分解为按磁链定向励磁电流分量isd和转矩电流分量isq，再经过仿照直流电动机控制方法对这两个电流分量单独控制实现对电磁转矩和磁通分离控制。毫无疑问，矢量控制理论提出在交流传动史上含有划时代意义。但在当初要将其实用化还存在以下多个方面问题6：(1)矢量控制诞生很快，理论上并没有完全成熟，需要针对具体应用不停完善理论。(2)因为矢量控制中包含坐标变换和旋转和其它部分包含非线性复杂运算，其运算处理规模比直流调速大很多，若要进行实时控制必需有运算速度极快控制系统。但在70年代，计算机技术还不发达，当初计算机因为运算速度低、价格昂贵和体积庞大而不能广泛应用于工业控制领域，只能用复杂模拟电路来完成矢量控制系统，但模拟控制系统硬件结构相当复杂、可靠性低而且价格也很高，这些制约了矢量控制技术实用化。(3)当初电力电子技术还不足以使矢量控制技术进入实用化。在70年代，即使PWM逆变器己出现，但GTO和GTR还未完全走入实用，PWM技术实现起来成本很高。而一般晶闸管因为本身特点，不能利用门极关断信号使其关断，由一般晶闸管组成逆变器必需有复杂换流电路才能工作，这么首先降低了系统可靠性，其次，因为逆变器开关频率很低，不能适应矢量控制中电压电流快速改变。伴随各国学者不停努力，经过近40年发展，矢量控制技术逐步走向成熟。这期间电力电子器件也从最初可控硅(SCR)发展至GTR、GTO、MOSFET、IGBT等多个开关频率高、控制性能好开关器件。再加上电子计算机技术、大规模集成电路技术发展，在80年代中后期交流电机矢量控制技术开始逐步迈入实用阶段。进入90年代，数字信号处理器(DSP)应用，为矢量控制技术实用化开拓出崭新局面，DSP高速运算能力使矢量控制系统软硬件结构得到简化，这就为部分结构较为复杂而性能很好矢量控制方案实施提供了物质确保。而电力电子器件深入发展也为矢量控制技术应用提供了愈加好舞台，现在小到精密伺服大到电力牵引，全部有矢量控制技术身影。伴随控制系统硬件(包含DSP和电力电子器件)性价比深入提升，以矢量控制技术为关键交流调速系统将有望在越来越多领域中替换直流调速7。现在较经典矢量控制方案有：转差矢量控制、气隙磁场定向矢量控制、定子磁场定向矢量控制、转子磁场定向矢量控制等。1.2 矢量控制思想及其优点1.2.1 矢量控制基础思想矢量控制思绪是把三相异步电动机等效于两相静止系统模型，再经过旋转坐标变换为磁场方向和M轴方向一致同时旋转两相M、T模型。电流矢量i是一个空间矢量，因为它实际上代表电机三相产生合成磁势，是沿空间作正弦分布量，不一样于在电路中电流随时间按正弦改变时间向量。电流矢量分解为和M轴平行产生磁场分量励磁电流im和和T轴平行产生转矩分量转矩电流iT,前者可了解为励磁磁势，后者可了解为电枢磁势。经过控制大小也就是矢量电流i幅值和方向（M、T坐标系中角）去等效地控制三相电流瞬时值，从而调整电机磁场和转矩以达成调速目标。经典正弦脉宽调制（SPWM）控制关键着眼于使变压变频器输出电压靠近正弦波，并未顾及输出电流波形。而电流跟踪控制则关键控制输出电流，使之在正弦周围改变，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机则需要输入单项正弦电流最终目标使在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场作为目标来控制逆变器工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹控制是经过交替使用不一样电压空间矢量实现，所以又称“电压空间矢量PWM（Space Vector PWM，SVPWM控制）”8。矢量控制不一样电压空间矢量是由电力电子变频器依据一定输出要求产生。变频器按其变频方法可分为交-直-交变频器和交-交变频器，变频器结果示意图图1-1：a）交-直-交变频器b）交-交变频器图1-1 变频器结构示意图常见交-直-交变频器主回路结构图图1-2所表示：图1-2 交-直-交变频器主回路结构图本文所要研究按转子磁链定向矢量控制系统其基础实现方法，是经过对交流异步电机进行坐标变换解除定子电流转矩分量和磁链分量耦合，经过对电力电子变频器输出电压空间矢量按一定方法进行合成，使逆变器输出趋近于目标控制轨迹。其中坐标变换具体方法将在第二章中介绍。1.2.2 矢量控制优点矢量控制系统是已经取得实际应用高性能交流调速系统，它有以下特点1)按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量解耦，需要电流闭环控制；2）转子磁链系统控制对象是稳定惯性步骤，能够采取磁链闭环控制，也能够采取开环控制；3）采取连续PI控制，转矩于磁链改变平稳，电流闭环控制可有效限制起制动电流8。 矢量控制系统优点有，转子磁链控制能够闭环控制也能够开环控制；转矩控制连续，转矩脉动小，比较平滑；调速范围较宽，调速性能好。正是因为矢量控制系统这些优点，又因为交流电机含有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高优点，使得矢量控制调速系统取得广泛应用。2.矢量控制技术基础原理2.1异步电动机动态数学模型8 92.1.1 三相异步电动机物理模型异步电机是一个高阶、非线性、强耦合多变量系统，这就决定了对于异步电机控制，假如要实现良好调速性能，肯定较为复杂。70年代发展建立起来磁场定向理论(即矢量控制理论)，为现代交流调速控制发展提供了理论基础，使交流电机动、静态性能能够和直流电机相媲美。本节将对异步电机数学模型进行介绍，为了解矢量控制和转子磁链模型建立奠定数学基础。在讨论异步电动机数学模型之前，先对其进行以下假设9：1设三相定子绕组A，B，C及三相转子绕组a，b，c在空间对称分布，各相电流所产生磁动势沿气隙圆周正弦分布，无齿槽效应。2忽略磁路饱和，认为各绕组自感和互感全部是恒定。3忽略铁心损耗。4不考虑频率改变和温度改变对电机参数影响。在三相异步电机中，定子三相绕组轴线A，B，C在空间是固定，转子绕组轴线a、b、c以角速度随转子旋转。如以A轴为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴电角度为空间角位移变量。要求各绕组电压、电流、磁链正方向符合电动机通例和右手螺旋定则。三相异步电机物理模型图2-1所表示：图2-1 三相异步电动机物理模型2.1.2 三相异步电动机动态数学模型异步电动机动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。1.电压方程三相定子绕组电压平衡方程为 （2-1）三相转子绕组折算到定子侧后电压方程为 （2-2）将电压方程写成矩阵方程 （2-3）式中uA、uB、uC、ua、ub、uc 定子和转子相电压瞬时值iA、iB、iC、ia、ib、ic 定子和转子相电压瞬时值A、B、C、a、b、c各项绕组全链值Rs、 Rr定子和转子电阻。2.磁链方程 (2-4)式中iA、iB、iC、ia、ib、ic 定子和转子相电压瞬时值A、B、C、a、b、c各项绕组全链值L电感矩阵，其中对角线元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc是各绕组自感，其它各项是对应绕组互感。3.转矩方程综合考虑机电能量转换、电感矩阵关系，得到转矩方程以下： (2-5)4.运动方程运动控制系统运动方程为： (2-6) (2-7)式中 J机组转动惯量；TL包含摩擦阻转矩负载转矩。从以上三相异步电动机原始数学模型能够看出来，三相变量中只有两相是独立，所以三相原始数学模型并不是其物理对象最简练描述，完全能够且完全有必需用两相模型替换。异步电机三相原始模型中非线性耦合关键表现在磁链方程式和转矩方程式）中，既存在定子和转子间耦合，也存在三相绕组间交叉耦合。三相绕组在空间按120分布，肯定引发三相绕组间耦合。而交流异步电机能量转换及传输过程，决定了定、转子间耦合不可避免。因为定转子间相对运动，造成其夹角q不停改变，使得互感矩阵和均为非线性变参数矩阵。能够看出，异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必需给予简化，简化基础方法就是坐标变换。异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂电感矩阵，它表现了影响磁链和受磁链影响复杂关系。所以，要简化数学模型，须从简化磁链关系入手。2.1.3 SVPWM基础原理1.基础电压矢量图2-2所表示是电压源型PWM逆变器电动机示意图。图中UA、UB、UC是逆变器电压输出，VT1到VT6是6个IGBT，她们分别被a、a、b、b、c、c这六个控制信号所控制。当逆变桥上半部分一个IGBT开通时，即a、b或c为1时，其下半部分相正确IGBT被关断（即a、b或c为0）。VT1，VT3和VT5 3个IGBT开关状态，即a、b和c为0或为1状态，将决定UA、UB、UC三相输出电压波形。能够推导出，三相逆变器输出线电压矢量和开关状态矢量关系为 （2-8）三相逆变器输出相电压矢量和开关状态矢量关系为 （2-9）式中，UDC是直流电源电压。不难看出，因为开关状态矢量 有8个不一样组合值（a、b、c只能取0，1），即逆变桥上半部分三个IGBT开关状态有8种不一样组合，故其输出相电压和线图2-2 电压源型PWM逆变器电动机示意图1电压也有8种对应组合。开关状态矢量和输出相电压和线电压对应关系见表2-1所表示。将表2.1中8组相电压值代入式（2-14），就能够计算出对应8组相电压矢量，这8个矢量就称为基础电压空间矢量，图2-3给出了8个基础电压空间矢量大小和位置，包含6个标准矢量U0、U60、U120、U180、U240、U300和两个零矢量O000和O111。其中非零矢量幅值相同，全部为2UDC/3。且相邻两矢量相位相差60，而2个零矢量幅值为零，在中心。当采取DSP编程实现SVPWM时，为了计算方便，需要将图2-3所表示三相ABC平面坐标系中线电压和相电压值转换到平面直角坐标系中，其中平面直角坐标选择轴和A轴重合，轴超前90。假如 在两个坐标系旋转中保持电动机总功率不表2-1 开关状态和相电压和线电压对应关系16AbcUAUBUCUABUBCUCA0000000001002UDC/3-UDC/3-UDC/3UDC0-UDC110UDC/3UDC/3-2UDC/30UDC-UDC010-UDC/3-UDC/3-UDC/3-UDCUDC0UDC011-2UDC/3UDC/3UDC/3-UDC0001-UDC/3-UDC/32UDC/30-UDCUDC00101UDC/3-2UDC/3UDC/3UDC-UDC11100000变，则变换矩阵为： （2-10）利用这个变换矩阵，就能够将三相ABC平面坐标系中相电压转换到平面直角坐标系中，其转换式为 （2-11）图2-3 基础空间矢量对应图15 2 磁链轨迹PWM控制算法当磁链空间矢量s矢端在图2-4所表示位置时（定点在边上），假如此图2-4 正六边形磁链轨迹时逆变器加到定子上电压空间矢量为U0，则由s于U积分关系，使s矢端将沿边轨迹向所作用方向运动。s矢端运动到C点时，假如定子上电压空间矢量变为U60，则s矢端将沿边运动。用一样方法依次给出电压空间矢量U120、U180、U240、U300，则s矢端将沿、边轨迹运动。这么，就形成了正六边形磁链运动轨迹（逆时针方向）。一样假如要使磁链顺时针方向运动，则当s在图2-13所表示位置时，应依次给出U180、U120、U60、U0、U300、U240，s始端将沿正六边形六条边以顺时针方向运动。因为非零基础电压矢量只有6个，所以只能形成一个正六边形磁链轨迹。为取得近似圆形磁链轨迹，一个方法就是利用这多个非零基础电压空间向量线性组合来得到更多开关状态。图2-5所表示，任意时刻输出参考相电压矢量Uout可由相邻两个基础电压空间矢量UX和UX60 线性时间组合来合成，它等于t1/TPWM倍UX和t2/TPWM倍UX60 矢量和。其中t1和t2分别是UX和UX60作用时间，TPWM是Uout作用时间。根据这种方法，在下一个TPWM期间，仍然用UX和UX60 线性时间组合，但作用时间t1和t2和上一次不一样，它们必需确保合成新电压空间矢量Uout和原来电压空间矢量UOUT幅值相等。图2-5电压空间矢量线性组合如此下去，在每一个TPWM期间，全部改变相邻基础矢量作用时间，并确保所合成电压空间矢量幅值全部相等，所以，当TPWM取足够小时，电压空间矢量轨迹使用一个近似圆形正多边形，这么形成磁链空间矢量s轨迹也近似为圆形。磁链空间矢量s运动速度改变可由各边中添加零矢量来实现。添加零矢量标准是选择使期间开关次数最少零矢量。对于图2-4，在边选择电压空间矢量是U0，则当s矢端在边运动时，调整磁链运动速度由添加零矢量O000来实现。U0和O000开关模式分别为（100）和（000），可见，添加零矢量后，只一个桥臂发生了开关动作，开关器件个数最少。同理，在边上应选择O000来调整磁链运动速度。通常为了使磁链运动平滑，零矢量并不是在某一个点加入，而是采取零矢量分割技术将零矢量多点插入到磁链轨迹中，作用时间之和仍为t0。这么做能够大大降低电动机转矩脉动。2.2矢量控制基础原理矢量控制要求对异步电机动态数学模型进行化简，将定子电流分解为转矩分量和励磁分量，经过控制矢量电流i幅值和方向(M、T坐标系中角)去等效地控制三相电流ia、ib、ic瞬时值，从而调整电机磁场和转矩以达成调速目标。矢量控制系统原理结构图图2-68:图2-6 矢量控制系统原理结构图由图2-6能够看出，从给定输入到等效直流电机输出，异步电机直流等效过程就是解除异步电机非线性耦合关系简化其数学模型过程，在这个过程中，包含三种坐标系统：三相静止坐标系(3S)、两相静止坐标系(2S)和两相旋转坐标系(2R)，三相异步电机模拟成直流电动机进行控制需将三相变换到两相，和静止坐标系变换到旋转坐标系，以下对这些变换过程进行简明叙述。2.2.1 三相两相静止坐标系变换(3/2变换)不一样电动机模型相互等效标准是：在不一样坐标下产生合成磁动势完全一致。总所周知，在交流电动机三相对称静止绕组A、B、C中，通以三相平衡正弦电流iA、iB、iC时，所产生合成磁动势F是空间正弦分布旋转磁通势。我们还知道，旋转磁通势并非要三相不可，除单项外，二相，三相，四相等任意对称多项绕组，通入平衡多相电流，全部能产生旋转磁通势。现在考虑三相静止绕组A、B、C到静止两相绕组、变换。图2-7是3/2变图2-7 3/2变换坐标系和绕组磁动势空间矢量图换坐标系和绕组磁动势空间矢量图（为方便起见，取A轴和轴重合，图中）。静止坐标系变换是按等效电机标准进行，即变换前三相电机和变换后两相电机含有相同功率和磁动势，在电、磁两方面完全等效。从三相到两相变换关系为： （2-12)变换矩阵为: （2-13)反变换关系为： (2-14)反变换矩阵为： (2-15)2.2.2 两相两相旋转变换（2s/2r变换）从两相正交坐标系到旋转正交坐标系变换，称做静止两相-旋转正交变换，简称变换。两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。假如令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势旋转角速度，则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。两相静止和旋转坐标系中磁动势矢量图2-8所表示（其中）：图2-8 两相静止和旋转正交坐标系中磁动势矢量由图2-8可见，和之间存在下列关系： (2-16)旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系变换为： （2-17）其中，s分别是静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系、旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系变换矩阵。电压和磁链旋转变换阵相同。图2-9静止正交坐标系和按转子磁链定向同时旋转正交坐标系旋转正交dq坐标系一个特例是和转子磁链旋转矢量r同时旋转坐标系，若令d轴和转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向同时旋转正交坐标系，简称mt坐标系，图2-9所表示，此时d轴改为m轴，q轴改为t轴。在按转子磁链定向同时旋转正交坐标系中，有：，于是有按转子磁链定向同时旋转坐标系中状态方程： （2-18）按转子磁链定向同时旋转正交坐标系上数学模型是同时旋转正交坐标系模型一个特例。经过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量ism和转矩分量ist，使转子磁链r仅由定子电流励磁分量ism产生，而电磁转矩Ts正比于转子磁链和定子电流转矩分量乘积，实现了定子电流两个分量解耦。所以，按转子磁链定向同时旋转坐标系中异步电动机数学模型和直流电动机动态模型相当8。从本节能够看出，相当复杂异步电动机原始模型，经过以上坐标变换，是能够简化数学模型，有利于我们分析计算。我们选择转速，定子电流isd，转子磁链r为状态变量，经过对应变换，对电机进行控制。2.3 按转子磁链定向矢量控制技术实现2.3.1电流闭环控制方法电流闭环控制后，转子磁链为稳定惯性步骤，对转子磁链能够采取闭环控制，也能够采取开环控制方法，而转速通道存在积分步骤，为不稳定结构，必需加转速外环使之稳定。常见电流闭环控制有两种方法：三相电流闭环控制矢量控制、定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制矢量控制。两种电流控制作用相同，前者多采取硬件电路，后者可用软件实现，因为现代计算机运算速度高，功效强，我们采取后者。采取定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制矢量控制方法，我们需要将检测到得三相电流（实际只要检测两相）施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中电流ism和ist，采取PI调整软件组成电流闭环控制，电流调整器输出为定子电压给定值 和，经过反旋转变换得到静止两相坐标系定子电压给定值和，再经SVPWM控制逆变器输出三相电压8。定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制矢量控制系统结构图图2-10所表示：本文将采取带基于电流模型反馈信号转子磁链定向控制。图2-10所表示，此控制系统由转速控制外环和电流控制内环组成，转速控制环由用户给定转速指令值和来自于电机轴上光电编码器转速反馈信号进行比较，将其偏差经过速度PI调整器调整，并输出转矩分量电流作为内环转矩调整器指令值，再和经过霍尔电流传感器检测到三相定子电流经过3/2变换和旋转变换信号比较，经过转矩PI调整器，得到旋转坐标系下定子转矩电压分量。电流控制内环中由励磁分量指令值（为零)和检测到定子电流经过3/2变换和旋转变换信号比较，经过PI调整器，得到旋转坐标系下定子励磁电压分量usm再将usm 和ust进行反旋转变换，变换到定子静止两相坐标系统，取得和逆变器电压空间矢量含有相同坐标系统两个电压分量，最终利用空间矢量脉宽调制技（SVPWM）产生逆变器开关导通状态PWM波形。图2-10 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制矢量控制系统结构图2.3.2 转矩控制方法当转子磁链发生波动时，将影响电磁转矩，进而影响电动机转速。此时，转子磁链调整器力图使转子磁链恒定，而转速调整器则调整电流转矩分量，以抵消转子磁链改变对电磁转矩影响，最终达成平衡，转速等于给定值，电磁转矩等于负载转矩。图2-11 转矩闭环矢量控制系统原理结构图转速闭环控制能够经过调整电流转矩分量来抑制转子磁链波动所引发电磁转矩变换，但这种调整方法是在转速发生改变后起作用，为了改善系统动态性能，采取转矩控制方法。常见转矩控制方法有转矩闭环控制和在转速调整器输出增加出发步骤两种。两种转矩控制方法作用相同，我们采取转矩闭环控制方法。转矩闭环矢量控制系统原理结构图图2-11所表示。2.3.3 转子磁链计算按转子磁链定向矢量控制系统关键是r正确定向，也就是说需要取得转子磁链矢量空间位置，除此之外，在组成转子磁链反馈和转矩控制时，转子磁链幅值也是不可缺乏信息。依据转子磁链实际值进行矢量变换方法，称作直接定向。转子磁链直接检测相对困难，现在实用系统中，多采取间接计算方法，即利