感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)學(xué)院:班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：日期：成績(jī)：感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真本文先分析了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換以及矢量控制基本原理，摘 要: 軟件進(jìn)行感應(yīng)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的仿真。采用模塊然后利用Matlab/Siinulink坐標(biāo)變化的思想分別建立了交流異步電機(jī)模塊、逆變器模塊、矢量控制器模塊、 調(diào)節(jié)器，再進(jìn)行功能PWM換模塊、磁鏈觀測(cè)器模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、電流滯環(huán) 仿構(gòu)成了按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。模塊的有機(jī)整合, 驗(yàn)證了抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，真結(jié)果表明了該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)靜差小、 交流電機(jī)矢量控制的可行性和有效性。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；坐標(biāo)變換；矢量控制；

2、 Siinuliiik 仿真運(yùn)動(dòng)方程：一、異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，高階、非線性、 強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的LI的就是要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型山 下述電壓方型。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型是建立在三相程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng) 方程靜止的ABC坐標(biāo)系上的，如果把它變組成。換到兩相坐標(biāo)系上，山于兩相 坐標(biāo)軸 電壓方程：互相垂直，兩相繞組之間沒有磁的耦合，僅此一點(diǎn)，就會(huì)使數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單了許多。（1）三相-兩相變換（3/2變換）在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組八？之間的變換，或稱三相 靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變磁鏈方程：變換。

3、換，簡(jiǎn)稱3/2-.I;A.PS花 L .bLe 仏厶.“42 B b - -_ 一O1-273- 2132（2）兩相一兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換）轉(zhuǎn)矩方程：從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐+（認(rèn) + +fcL）sin 0+120。）+ （譏+從+】扣呦。- HO0）標(biāo)系M、T變換稱作兩相一兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡(jiǎn)稱2s/2r變換，其中s表示表 示旋轉(zhuǎn)。r靜止，于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。把上述:Hcos今sin p-smcoso等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，便 得到圖1。從整體上看，輸入為A, B,C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速？，是一臺(tái)異步電機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺(tái)由iin和it輸入

4、，ill ?輸出的直流電機(jī)。既然異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流、異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖圖1電機(jī)，那么，模仿 直流電機(jī)的控制策 二、感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理略，得到直流電機(jī)的控 制量，經(jīng)過相感應(yīng)電機(jī)是指定轉(zhuǎn)子之間靠電磁應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步 電感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)了。山于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代機(jī) 電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)是異表磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，所以這樣通步電機(jī)的 一種，異步電機(jī)主要是指感過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢應(yīng)電機(jī)。以上所 講，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)量控制系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)是VC系統(tǒng)強(qiáng)合的多變量 系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換，可調(diào)Te與

5、屮r的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)以使之降階并化 簡(jiǎn)，但并沒有改變其轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，非線性、多變量的本質(zhì)。需要高動(dòng)態(tài)可獲得較寬的調(diào)速范用；但按屮r定向性能的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須 在其動(dòng)受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但 了系統(tǒng)的魯棒性。要完成這一任務(wù)并非易事。經(jīng)過多年矢量控制的基本方程式為：的潛心研究和實(shí)踐，有兒種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，U前應(yīng)用最 廣的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。以產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則,iA在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流兩相變換可以等/iCiB通過三相 效 成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時(shí)，可以認(rèn)，再通過同步

6、 旋轉(zhuǎn)變換，可以說、。為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換 等效成同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系上的直流電流與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)器VR-lo to果觀察者站到鐵心上 與和it iin 3/2變換器與電機(jī)內(nèi)部的VR抵消，2/3坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的 便是一變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中臺(tái)直流電機(jī)，可以控制使交流電機(jī)的 虛線框內(nèi)的可能產(chǎn)生的滯后，則圖2就是等效直流電機(jī)轉(zhuǎn)子總磁通r?部分可以完全刪去，剩下的就是直流繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的M的磁通，則為矢量控制 系統(tǒng)原調(diào)速系統(tǒng)了。圖2繞ini勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流，T理結(jié)構(gòu)圖。相 當(dāng)it組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組，法得到轉(zhuǎn)矩指令Te定子電流的 磁分isdisd計(jì)

7、算模塊給出轉(zhuǎn)、矢雖控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖圖2磚矩祓 實(shí)3祠數(shù)1200spedpUses器負(fù)里矩給走器(rad/S)Tmg+v - 1 labcz 1 Speed z 仿真的主電路 3、三相異步電機(jī)vc圖 三、矢量扌空制仿真分量isq*由轉(zhuǎn)矩指令值Te*和磁鏈估算%1. VC的仿真模塊值計(jì)算出，Isd*和isq*經(jīng)過逆旋轉(zhuǎn)變調(diào)VC的基本概念，VC 構(gòu)建根據(jù)換2r/2s和兩相三相變換2s/3s,獲得仿真模型。Matlab /Simulink速系 統(tǒng)的定子電流指令值ia*、ib*、ic*,與霍 為主電路，圖圖34VC模塊。爾傳感 器檢測(cè)出的三相實(shí)測(cè)電流ia、該仿真模型的工作原理為：轉(zhuǎn)速ib、ic作為電流

8、滯 環(huán)控制器的輸入，產(chǎn)Wr光電編碼器實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速Wr*參考值生PWM逆變器的觸 發(fā)信號(hào)，送給算ASR之差輸入到轉(zhuǎn)速控制器PI經(jīng)，逆變器控制交流電機(jī)調(diào)速 運(yùn)行。IGBT.2.電機(jī)與逆變器模塊3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR模塊轉(zhuǎn)速控制器ASR模塊A、B、C是異步電機(jī)三相ASR結(jié)構(gòu)如模塊的圖IGBT逆 變器的輸5所示，它根據(jù)電機(jī)實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速定子繞組輸入端，與與參考轉(zhuǎn)速的差 值，釆用PI出端相連，構(gòu)成山電壓型逆變器變頻控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩命令。驅(qū)動(dòng)的 異步電機(jī)子模塊。逆變器模塊CD*逆功率管構(gòu)成通用橋路，個(gè)IGBT III 6控制路6PWM變器的輸入pulses端為信 號(hào)，完成功率變換及調(diào)節(jié)功能，直、由逆變器模塊的/+

9、0流母線電壓VDCABC 兩端輸入，它的輸出為三相/0圖5、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR模塊個(gè)電機(jī)交流電壓。電機(jī)模塊還 擁有1積分器是采用梯形法得到的離散個(gè)包Tm軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸入端口和1時(shí) 間積分器，圖5中的Saturation元件，其中含21個(gè)參數(shù)的矢量輸出端口 m用于 對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩限幅Tenio仿真中Kp、為交流電機(jī)的負(fù)載接入端，用于對(duì)TmKi、 Tem分別取為13、26、300,釆樣可通過總in電機(jī)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)；端口周期Ts 取2us。線選擇器選取需要顯示的參數(shù)，本文id、電磁仿真過程中測(cè)取了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速 Wrcos(u)2f(u3iTeta 等，、轉(zhuǎn)矩 Te、電機(jī)定子電流 iaibicidMuxsi

10、n(u)22/3fu)一起送這 5Vab 個(gè)參數(shù)與定子相電壓I麗給示波器模塊動(dòng)態(tài)顯示之。為了使仿.abc真模型運(yùn)行速度加 快，反饋環(huán)節(jié)的傳圖6、ABC-dq變換模塊結(jié)構(gòu)ol /Z遞函數(shù)采用一階延遲環(huán)節(jié)詳奐計(jì)51 Phidd labcld Phir SpeedJqTetavTnTeta C3s/2r生標(biāo)變接 Iq 計(jì)JiTetaC?子冬向角labc 1 z labc Teta IPulses pdsesO.QeidlabcidPhirabc*Phrlq* 0計(jì)JJPWM電沅滯環(huán)M#ACR生標(biāo)變接C2r/3s Phir w IqTeTe1創(chuàng)計(jì)坯iqs)9Muxcos(u)Mux3lqW 轉(zhuǎn)子磁璉趴

11、 轉(zhuǎn)子換向角Q計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)ic34.7e-3LmRrdqABCT= 0.1557 sr計(jì)算模塊結(jié)S4.7e-3uiy 10 金11734.731ldPhi 廣 Id = Phi 廣/LmLm=M.7mH計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)114. ABC-d q變換模塊與dq-ABC變換屮i計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)子換向角計(jì)算模塊的結(jié) 構(gòu)。模塊6.工sq*計(jì)算模塊與isd*計(jì)算模塊ABC-dq變換模塊完成從A-B-C圖10、圖 11坐標(biāo)系的變換，分別為isq*計(jì)算模塊、isd*三相定子坐標(biāo)系到d-q計(jì)算模塊的 結(jié)構(gòu)。它根據(jù)H角，將實(shí)際的電機(jī)定子電流、isd、iabc變換得到dq坐標(biāo)系中的 分量四、仿真結(jié)果分析 坐標(biāo)dq-ABC變

12、換模塊完成從d-qisq；本系統(tǒng)的仿 真中，交流異步電機(jī)三相定子坐標(biāo)系的變換，系到A-B-C參數(shù)分別取為：坐標(biāo) 系中、dq該模塊根據(jù)定子電流在Lls=0. 8 mH, Llr=0. 8 mH, Lm=34. 7的分量 變換為電機(jī)定子的三相電流給mH, Rs=0. 0878, Rr=0.228, np=2,。此外，由于被控對(duì)象是三定值iabc* 時(shí)nf相無中線連接的鼠籠式電機(jī)，因此有:J=0. 662, F=0. lN.m.s,電機(jī)額ic= - (ia+ib) 定功率Pn=3. 7kW,額定轉(zhuǎn)速Wn=120計(jì)算模塊與轉(zhuǎn)子換向轉(zhuǎn)子磁鏈屮r5 . rad /s,額定頻率f=50Hz,額定線電壓角0計(jì)

13、算模塊Uab=500V,逆變器直流電源 Vdc=計(jì)算模塊的作用是轉(zhuǎn)子磁鏈屮i780 V,轉(zhuǎn)子磁鏈給定值屮卅=096Wb。計(jì) 算轉(zhuǎn)子isdlll定子電流的勵(lì)磁分量仿真算法采用stiff算法，仿真時(shí)間設(shè)89、圖 分別為轉(zhuǎn)子磁鏈，圖屮磁通t為3s。Uab)a定子a.b相Z間的電圧圖）定子電流圖（bc因（）轉(zhuǎn)子速度囹（d）電僻罡R圖（f）負(fù)救恒定轉(zhuǎn)速變化仿真曲線從仿真曲線可見，不管空載還是量控制實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解 耦。另外，電機(jī)啟動(dòng)后系有載，轉(zhuǎn)速控制信號(hào)的改變很快引起統(tǒng)響應(yīng)快且平穩(wěn)、 轉(zhuǎn)速超調(diào)小且穩(wěn)態(tài)了系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)，電流、轉(zhuǎn)矩、誤差小，當(dāng)負(fù)載變化或 轉(zhuǎn)速變化時(shí)，磁鏈也能隨之而相應(yīng)變化，這說明矢.電機(jī)乂能很快重新穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明交流電機(jī)矢量控制方法具有良好的動(dòng)靜態(tài) 性能，較強(qiáng)的適應(yīng)能力和抗干擾能力。五、設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過本次感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真課程設(shè)訃，異步電動(dòng)機(jī) 數(shù)學(xué)模型、坐標(biāo)變化、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速等知識(shí)都得到了加強(qiáng)和鞏固，我對(duì)矢量控 制也有了更深入的理解。這次的設(shè)訃使我更熟練Matlab仿真軟件的使用，我對(duì) 仿真