交流异步电机矢量控制系统总结报告

1、交流异步电机矢量控制系统调试总结报告 本次设计交流异步电机矢量控制系统用于上海交通大学纯电动汽车。电机驱动控制器设计制作于7月18号完成，调试时间为7月6号至8月12号。试验总结报告全文如下：1、对矢量控制系统的几点考虑（1）交流异步电机矢量控制系统的一般调试步骤 检测空间电压矢量输出电压波形。 给定两个控制参考电压量、，软件模拟产生同步旋转角从周期性变化，并将该角度作为反旋转变换角，将变换后得到、作为输入量给SVPWM，同时检测SVPWM输出波形。实现框图如下：SVPWM反旋转变换 对电机三相电流采样并做3/2变换，得到、，运用（1）得到的同步旋转角做旋转变换，检测、是否为直流量，以验证解耦

2、控制是否成功。实现框图如下：旋转变换3/2变换 运用开环控制使电机正常运转，检测电机转速信号，并根据转子磁通的模型，检测转子磁通、计算滑差频率以及同步旋转角的变化规律。实现框图如下：磁通模型 磁通控制量和转矩控制量分别由各自的电流调节器产生，并作为输入量用于SVPWM。实现框图如下：SVPWMPI调节器PI调节器（2）矢量控制系统中电机磁路饱和对磁场定向的影响磁路饱和是由于电感随电机定子电流过大增大而发生变化，使得磁通与励磁电流之间不再保持线性关系，当励磁电流达到一定值时，磁通出现增加缓慢，产生饱和。 对转子磁通的影响磁场定向下，转子磁通：标准电机设计时，一般取：，为额定工况下定子相电流有效值

3、。为了提高的额定值，可以适当降低滑差频率，有利于电机的稳定运行。由于受磁路饱和的影响，转子磁通不能太高。当给定转子磁通超过饱和磁通时，就会破坏转子磁通定向。 对输出转矩的影响磁场定向下，电磁转矩：当励磁电流保持不变时，电磁转矩为一条直线，其斜率取决于即转子磁通的大小，因而由于磁路饱和，斜率受到限制，从而限制电磁转矩。 对转矩电流的影响磁场定向下，电磁转矩可表示为：因而最大转矩发生在，即时，且最大转矩与定子电流平方成正比。由于磁路饱和的影响，增大转子磁通，则需要大大增加。因而一般采取的方法是通过增大来提高电磁转矩。 对弱磁运行的影响磁路饱和时，实际电机中定子电感、转子电感与设计定子电感、转子电感

4、将产生偏差，令：，则可得： 对于大容量电机，、可以忽略，即。 与磁路饱和程度、负载大小以及给定值的选取相关。当电机恒磁通运行时，取，为设计电感，在输出转矩不超过3倍的额定转矩时，变化较小，使实际转子磁通变化不大。当电机运行于弱磁区时，逐渐变小，使得转矩变化明显，此时选择对电机的输出性能将产生影响。2、7月6号7月7号试验总结试验分为三个步骤进行： 利用VVVF开环控制软件测试系统稳定性，包括电源、电机驱动器、牵引电机和负载等，并将试验结果（电机定子三相电流、电磁转矩、电机转速、电机轴输出功率、电机驱动器输入电流、电压等）作为矢量控制系统在同等工况下的参考状态。 运用矢量控制软件测试电机起动的平

5、稳性和快速性。 运用矢量控制软件测试电机空载运行情况，最高转速、峰值功率及系统效率等。试验问题：（1）矢量控制起动时，电机空载起动过程中出现抖动、爬行，起动后转矩波动较大。当母线电压达到150180V时，出现电流保护，电机不能正常起动。原因分析：该矢量控制系统采用转矩闭环控制方式,对于磁通电流给定值直接通过电机转速得到，中间不通过磁通调节环节。电机起动时，采用静止励磁方式，即先通入磁通坐标轴上电流，待电机气隙中建立一定的磁场后，再施加转矩坐标轴上电流。这种控制方式有利于限制电机起动时出现的磁通饱和，减小电机起动过程中的峰值电流。然而，如果静止励磁过程中，给定磁通电流分量过大，则容易引起起动过程

6、中的磁通饱和，使电机起动过程出现振动，电流波动大，甚至引起相电流保护。处理办法：减小静止励磁对应的给定磁通电流，同时对磁通电流调节器输出的电压分量限幅处理。试验结果：电机可在母线电压为312V下平稳起动。（2）电机运行过程中，负载突变时容易产生电机相电流保护。原因分析：转矩电流调节器的PI参数调整不合理，可使得系统对负载变化较为敏感，较小的负载变化可引起电机相电流震荡，导致相电流保护。当反馈电流与给定电流相差较大时，由于PI参数不合理，容易导致电流闭环不能发挥作用，使系统不稳定。处理办法：调整PI参数。试验结果：电机在全速度范围内加减载正常。（3）矢量控制带负载起动困难，接近额定转速时，出现转

7、矩波动，并导致相电流保护；利用VVVF试验时，电机轴输出功率低，电机转速接近额定转速时，出现相电流保护。原因分析：21所电机驱动控制系统试验台采用牵引电动机拖动永磁同步发电机旋转，永磁同步发电机发出电能送水负载（）消耗。相对于牵引电动机，系统负载可表示为：由上述负载公式可知，制动力矩正比于电机转速，且与成反比。牵引电机输出转矩转速特性与负载特性如下图所示： 0 图1 电机转矩转速特性和负载特性上图中，当电机运行在不稳定区（0）时，VVVF控制过程中，提高定子频率，必然导致电机输出转矩不足而停机。当电机运行在稳定区域（）时，如果负载很大，电机定子频率升高时，电机转速上升，负载随同电机转速升高而增

8、加，使得电机转差频率不断增大。当转差频率超过最大转差频率时，电机运行至不稳定区，使电机停机。处理办法：试验采用空载或低负载起动，起动后加负载；当电机超过额定转速进入弱磁区时，适当降低负载，以提高电机转速，增大电机轴输出功率。试验结果：电机空载运行可达10000rpm；运行至7000rpm时，电机轴输出功率超过40kW；电机在全速度范围内加减载正常。（4）VVVF控制时，电机空载起动正常，转速上升后出现相电流波动，电机晃动较为明显；转速超过3000rpm时，电机运行正常。原因分析：三易电机参数如下：、mH、mH、mH。从电感量可以看出，该电机为高饱和电机，这类电机工作时，很小的励磁电流就能够产生

9、很高的磁通，即磁通很容易饱和。磁通饱和时，要提高电磁转矩，通过增加磁通来实现时，将导致励磁电流大大增加，使得电机相电流大幅度增加，同时出现相电流波动。出现磁通饱和的原因是VVVF控制的V/f1曲线与实际电机特性不匹配。处理办法：通过改变定子频率f1和母线电压Ud，测试电机能够稳定运行时的对应V/f1的对应关系，电机能够稳定运行点在磁通接近饱和点。试验结果如下表所示：f1（Hz）427490114160200Ud（V）50100110140172190V1（V）42/20050=1074/200100=3790/200110=50114/200140=80160/200172=138200/20

10、0190=190由上表得出V/f1试验数据，可绘出全频率范围的V/f1曲线如下所示：图2 三易电机测试V/f1曲线根据以上试验曲线，考虑到低频时定子电阻压降，采用以下控制方式： 由上述方程得到的V/f1控制曲线如下图所示：图3 开环控制中给定V/f1曲线试验结果：根据上述V/f1控制产生SVPWM，电机在全速度范围内稳定运行。（5）矢量控制电机空载起动时，出现抖动和爬行，电机升速不正常；高速下电机运行不平稳，电机出现振动。原因分析：起动时电机抖动和爬行主要是因为速度检测不准确，造成电流闭环控制失效。此时电机完全靠滑差频率运行。通过检测A、B两相正交编码信号是否正常，检测正交编码输入口至DSP信

11、号输入端是否有断路。对于高速下电机运行不平稳，可通过检测高速下A、B两相正交编码信号来帮助判断。检查后发现，高速下该信号波形由矩形波变为锯齿波，脉冲上升沿电平被拉低。处理办法：对于脉冲问题，去除正交脉冲输入端的滤波电容。同时，对输入的正交脉冲信号需作适当处理，可采用施密特触发器对输入信号进行整形处理。对于需加上拉电阻的正交脉冲输入信号，要注意上拉电阻的位置和阻值的大小。一般要求上拉电阻靠近DSP输入端口。 试验结果：电机在全速度范围内稳定运行。3、7月26号7月29号试验问题：电机启动过程平稳，电流上升较为缓慢，当电机加速至1000rpm2000rpm时，电机三相电流出现波动，电机转速波动，使

12、车辆出现振动现象。原因分析：电机出现电流波动的原因有负载突变、调节器参数不合理、供电电压波动、电机的气隙磁通出现过饱和等。从试验条件分析，试验台为转毂，负载不会产生突变；电机驱动器采用蓄电池供电，电源电压相对平稳，可同时排除电源影响；对于电流调节器参数，经长时间（34天）反复调节，试验中电流波动现象依然存在，也可排除调节器参数影响的原因。由于该电机为高饱和电机（互感相对于定子漏感、转子漏感很大），很小的励磁电流将产生很大的磁通，电流稍大即容易出现磁通饱和，因而可以推测为磁通饱和引起电流波动。改进措施：试验中为消除磁通饱和的影响，采取了以下措施：（1）矢量控制系统采用如下框图，其中给定转矩电流由

13、给定转矩直接得到，在这种情况下，如果磁通出现饱和，当磁通调节器不能实现磁通的调节时，可以通过降低给定转矩来减小电机相电流。实现的方法是对于转矩电流给定值通过给定转矩与反馈转子磁通得到。试验结果：电流波动依然存在，效果不明显。（2）滑差频率在该框图中通过给定转矩电流和给定磁通电流得到，因而滑差频率在调整过程中保持不变。采用滑差频率通过反馈值得到，则可以在磁通出现饱和时，通过降低滑差来减小电机相电流。试验结果：电流波动依然存在，效果不明显。（3）对于给定磁通电流采取如下措施：通过判断磁通是否达到饱和值来判断是否对给定磁通电流减幅，计算得到电机额定磁通为0.60Wb，当反馈转子磁通大于额定值时，给定

14、磁通电流，从而降低给定磁通电流，使电机退饱和。Wb试验结果：电流波动依然存在，效果不明显。 （4）上述措施从不同方面来减小磁通反馈值，使磁通不出现饱和。由于该电机为高饱和电机，磁通电流很小，如果给定值始终很大，则必然引起磁通饱和。减小给定磁通电流可以从根本上消除磁通饱和。试验结果：电流波动基本消除。4、7月30号8月2号交大调试总结（1）矢量控制电机起动过程平稳，很小的转矩命令随时间增加可以产生很高的转矩，电机加速至4000rpm时，出现电机转速突然上升。此时，查看矢量控制系统的磁场电流分量和转矩电流分量发现：磁场电流分量始终为负值，且随着电机转速上升向负的方向增加；转矩电流分量始终为正值，且

15、随着电机转速增加向正的方向增加，当转速达到4000rpm时，突然变为负值，电机转速突然上升。原因分析：该矢量控制系统对磁场电流分量和转矩电流分量的反馈值分别与给定磁场电流分量和给定转矩电流分量进行比较，输入至PI调节器，PI调节器输出磁场电压控制量和转矩电压控制量。该调节过程是一个负反馈过程，当磁场电流分量为负并向负方向增大时，输入至比较环节形成正反馈，因而造成电机磁场饱和。同时转矩电流分量的不断增大，根据电机输出电磁转矩公式，电磁转矩必然上升。试验在转榖上进行，转榖试验台的特点是，当主动力矩小于或等于设定的最大负载力矩时，负载力矩与主动力矩相等，使得速度缓慢上升；当主动力矩大于设定的最大负载

16、力矩时，负载力矩维持在最大值，主动力矩超出负载力矩的部分为净加速力矩，最终造成转速失控。 磁场电流分量和转矩电流分量通过定子电流的在静止坐标系下的两个正交分量经旋转变换得到，如果旋转变换出现反向或者两正交分量反向，则容易出现旋转后的电流始终为负值。经检查发现，三相电流传感器正方向与三相电流方向正好反向，使得检测到的电流与实际电流反向，造成DSP中A/D采样的电流信号与实际电流相反，最终造成磁场电流分量始终为负值。处理办法：电流传感器因空间限制，在安装时出现反向安装。可以将A/D采样值取反，得到与实际电流同相位的电流信号。试验结果：矢量控制电机起动和加速过程正常，但因为转榖负载的因素，在给定转矩

17、超过负载转矩时，仍然出现转速突然上升的现象。（2）试验中检测磁场电压控制量和转矩电压控制量发现：随着电机转速的上升，朝着负方向不断变大，直到达到负的最大值；朝着正的方向不断变大，直到达到正的最大值；同时电机转速出现突变。原因分析：该矢量控制程序中，磁场电压控制量包含两部分，一部分是PI调节器输出量，一部分为解耦环节输出；转矩电压控制量包含两部分，一部分是PI调节器输出量，一部分为解耦环节输出。对于解耦环节，采用前馈控制方式，即通过给定磁场电流、给定转矩电流和电机同步转速来计算，用公式表示如下：当出现控制量、随着转速上升分别向各自饱和方向变化，并最终达到最大值时，PI调节器为能够很好地补偿解耦环

18、节输出量对、的影响。对、作如下分析：1）分析稳态下、对磁场电流分量和转矩电流分量的影响。根据下列、的稳态公式：由上式可以看出，当同步角频率不断增大时，占的比例不断变小，当很大时，可忽略，因而变化，直接影响到电机转矩电流分量，且为负值；同理对于，当很大时，可忽略，因而变化，直接影响到电机磁场电流分量，且为正值。由交流异步电机稳态下的矢量图可以得出相同的结论：在同步旋转坐标的第二象限，即为负值，为正值。当逆时针旋转时，即向负值增大，向正值减小，跟随作逆时针旋转，因而减小，增大。即有下述结果：幅值增大，转矩电流分量增大；幅值增大，磁场电流分量增大。这与上部分根据稳态公式分析结果相同。出现上述结果是由

19、于交流异步电机的定子、转子相互间的强耦合作用引起的，通过对控制量采用解耦补偿的措施，来抵消电机本身的这种强耦合作用。当PI调节器参数适当时，可以实现控制给定磁场电流分量的变化，实现对电机磁场的控制；控制给定转矩电流分量的变化，实现对电机转矩的控制。矢量控制系统的精髓即使能够实现对电机磁场和转矩的分别控制。 （a） （b）图4 交流异步电机稳态矢量图2）分析PI调节器输出对控制量、的影响当PI参数选择适当时，可以控制实现PI输出电压、补偿解耦环节对控制量、的影响。以下采用仿真来讨论：具体电机参数为：kW、rpm、Nm、A、mH、mH、mH、kgm2。采用转矩闭环的控制方式，牵引逆变器开关频率kH

20、z，最大调制深度，中间直流电压取280V。带PI调节器的仿真结果如图517所示： 图5 定子电流分量变化曲线（A） 图6 定子电流分量变化曲线（A） 图7 磁场电流分量变化曲线（A） 图8 转矩电流分量变化曲线（A） 图9 电磁转矩变化曲线（Nm） 图10 电机转速变化曲线（Hz）图11 磁场电压调节量（V） 图12 转矩电压调节量（V）图13 磁场电压补偿量（V） 图14 转矩电压补偿量（V）图15 磁场电压控制量（V） 图16 转矩电压控制量（V） 图17 带PI调节器的转子磁链圆（Wb） 图18 不带PI调节器的转子磁链圆（Wb）不带PI调节器的仿真结果如图1826所示： 图19 定子电

21、流分量变化曲线（A） 图20 定子电流分量变化曲线（A） 图21 磁场电流分量变化曲线（A） 图22 转矩电流分量变化曲线（A） 图23 电磁转矩变化曲线（Nm） 图24 电机转速变化曲线（Hz）图25 磁场电压控制量（V） 图26 转矩电压控制量（V）通过上述仿真分析可以得出以下结论： 由图选取适当的PI参数可以使得反馈的磁场电流分量和转矩电流分量跟随给定值变化。 选取适当的PI参数可使得电机在平稳起动过程，系统超调量小。 选取适当的PI参数可使得反馈电流与给定值之间的静差得到很好地消除。 根据仿真分析结果，可确定磁场电压控制量和转矩电压控制量的最大值，以及随转速变化过程的动态最大值。5、交

22、流异步电机参数计算及分析（1）交流异步电机稳态特性分析三相交流异步电机稳态等值电路如图27所示：图27 交流异步电机稳态等值电路由电机稳态等值电路，忽略定子压降，即，可以写出以下定子电流方程： 额定工况下，同步频率Hz，即额定同步旋转速度rpm，额定电机转速rpm，滑差可计算为： 相关电机参数为：、mH、mH、mH、 mH 、mH。A电磁转矩可表示为： 上式中，。代入上述参数可得到额定工况下的电磁转矩： Nm三易电机铭牌相关参数为：V、A、Nm，因而计算结果基本相近。计算电机励磁电流采用转子开路的形式，电机的等效电路变为如图28所示：图28 转子开路时的异步电机等效电路 由上述等效电路可得到电

23、机的励磁电流可表示为： 代入相关电机参数可得： A标准的电机设计中，一般取。上述计算得到：。因而可知，该电机励磁电流在正常范围内。由图27电机等效电路，可得到和的关系如下：变换后可得到： 由上述公式得到和的关系如下曲线如图29所示：图29 定子电流与励磁电流的关系曲线对上述定子电流与励磁电流的关系作适当变换，忽略定子漏感的影响，可以得到： 考虑实际电机运行时参数变化的影响，对转子时间常数做出适当修正，定子电流与励磁电流关系表示为： 试验得到的定子电流和励磁电流关系以及由上式得到关系如图30所示：图30 滑差频率与定子电流的对应关系曲线式中取A，s，由06Hz。（2）交流异步电机瞬态特性分析交流

24、异步电机的瞬态方程用相量表示如下： 由上述电压和磁链方程可得到交流异步电机瞬态等值电路如图31所示：图31 交流异步电机瞬态等值电路将定子电压的空间矢量和定子电流的空间矢量向转子磁链定向的坐标上分解，可以得到转子磁链定向坐标下的d-q坐标方程： 由上述方程可得到交流异步电机在d-q坐标系下的瞬态等值电路如图32、图33所示：图32 交流异步电机在d-q坐标系下的d轴瞬态等值电路图32 交流异步电机在d-q坐标系下的q轴瞬态等值电路根据上述等效电路，可画出交流异步电机瞬态矢量图如图33所示：图33 交流异步电机瞬态矢量图由上述对交流异步电机瞬态过程分析，可得到以下重要关系式： 转子磁链与定子电流

25、d轴分量的关系： 转差频率和定子电流的d轴分量、q轴分量的关系： 电磁转矩和定子电流q轴分量、转子磁链的关系： 取额定工况下，A（3/2坐标变换根据功率不变原则，变换后两相电流幅值为三相电流幅值的倍，旋转变换前后电流幅值不变），A，由上各式可得到该电机的转子磁链的稳态值、最大转差频率以及相应的电磁转矩分别为： Wb rad/s（Hz） Nm6、转子磁链定向的矢量控制系统框图说明本次交流异步电机调试采用转子磁链定向的矢量控制策略，控制框图具有以下特点：（1）3/2坐标变换在保持变换前后功率不变的条件下，3/2坐标变换如下式：本控制系统中的坐标变换采用的变换公式如下：由上式可以看出，变换后的相电流

26、幅值保持不变，功率降为变换前的2/3倍。（2）起动时采用静止励磁控制。交流异步电机实际是一种通过磁场进行能量转换的装置，转子磁链通过感应产生，同时定子磁链和转子磁链的存在着相互作用。电机起动前，转子磁链尚未产生，气隙磁链等于定子磁链，电机处于静止状态。当对定子线圈通入三相交流电时，定子磁链以同步转速在空间旋转，如果短路的转子处于静止状态，则产生切割磁力线运动，因而在转子中感应出电流，转子电流产生转子磁链。转子磁链与定子磁链的交互作用，产生电磁转矩，使电机运转。如果对通入电机的三相交流电压进行坐标变换，则最终可以得到定子电压在转子磁链定向的坐标上的两个分量，即磁场电压分量和转矩电压分量，分别用于

27、产生定子磁链和电磁转矩。转子磁链定向的交流异步电机矢量控制策略是基于转子磁链已经建立的基础上的，因此，只有当转子磁链已经建立，控制系统才能有效地对电机进行解耦控制。而在刚起动时，转子磁链为零，故此时不满足假设条件，破坏了正常工作状态时的解耦关系。如果此时仍用假设条件下所得的控制方法对电机起动进行控制，电机起动时，直接同时通入磁场电压分量和转矩电压分量，则相当于对电机进行过压起动，容易引起冲击电流，并瞬时产生很高的电磁转矩，容易造成电机起动时的震动和过流。本控制系统中采用静止励磁控制方式，通过矢量控制的闭环控制，先通入磁场电压分量，在定子绕组中先建立磁场，然后通入转矩电压分量，产生电磁转矩，使电机平稳起动。（3）解耦控制。本系统的解耦控制采用前馈控制的方式，即运用给定磁场电流、给定转矩电流和电机同步转速对电