《轉差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真》

1、目 錄轉差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真1引言11 轉差頻率矢量控制概述12 轉差頻率控制的基本原理32.1 控制原理敘述32.2 轉差頻率控制系統(tǒng)組成63轉差頻率矢量控制系統(tǒng)構建74 轉差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真和分析84.1 仿真模型的建立84.1.1轉速調(diào)節(jié)器模塊84.1.2 函數(shù)運算模塊94.1.3 坐標變換模塊94.1.4電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型104.2仿真條件114.3仿真結果115結語14參考文獻15轉差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真引言電動機調(diào)速是電動機應用系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。在世紀，高性能的可調(diào)速傳動控制大多采用直流電動機。但直流電動機在結構上存在難以克

2、服的缺點，即存在電刷和機械換向器，使得直流電動機事故率高，維修工作量大，容量受到換向條件的制約，而交流電動機結構簡單，造價小，堅固耐用，事故率低，容易維護，因此世紀年代以后，交流調(diào)速技術開始迅速發(fā)展，并陸續(xù)出現(xiàn)了一些先進可靠的交流調(diào)速技術，首先是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（），后來出現(xiàn)了轉差頻率矢量控制，無速度傳感中矢量控制和直接轉矩控制（）等。其中，轉差頻率矢量控制系統(tǒng)結構簡單且易于實現(xiàn)，控制精度高，具在良好的控制性能，因此，早期的矢量控制通用變頻器上采用基于轉差頻率控制的矢量控制方式?；诖耍疚脑赼tlab/Simulink環(huán)境下對轉差頻率矢量控制系統(tǒng)進行了仿真研究。轉差頻率矢量控制概述由于異步電

3、機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。上世紀70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉矩的電流分量 (轉矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，有利于分別設計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)

4、對交流電機的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應用在Siemens，ABB，GE，F(xiàn)uji等國際化大公司變頻器上。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器

5、對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結果調(diào)整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。以異步電動機的矢量控制為例：它首先通過電機的等效電路來得出一些磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉子磁鏈，其中氣息磁鏈是連接定子和轉子的。一般的感應電機轉子電流不易測量，所以通過氣息來中轉，把它變成定子電流。然后，有一些坐標變換，首先通過/變換，變成靜止的d-q坐標，然后通過前面的磁鏈方程產(chǎn)生的單位矢量來得到旋轉坐標下的類

6、似于直流機的轉矩電流分量和磁場電流分量，這樣就實現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應速度。最后再經(jīng)過/變換，產(chǎn)生三相交流電去控制電機，這樣就獲得了良好的性能。矢量控制（VC）方式:矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1和Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電

7、動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。綜合以上：矢量控制無非就四個知識：等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐標變換（包括靜止和旋轉）。 矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。2 轉差頻率控制的基本原理調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能主要取決于其對轉矩控制能力。由于直流電動機的轉矩與電流成正比關系，控制電流即可控制轉矩控制，較易實現(xiàn)，而交流異步電動機的

8、轉矩控制比真流電動機要復雜。轉差頻率矢量控制的目標就是將交流電動機復雜的轉矩控制模型轉化為類似直流電動機的簡單轉矩控制模型。從原理上說，矢量控制方式的特征是：它把交流電動機解析成與直流電動機一樣，具有轉矩發(fā)生機構，按照磁場和其正交的電流的積就是轉矩這一最基本的原理，從理論上將電動機的一次電流分離成建立磁場的勵磁分量和與磁場正交的產(chǎn)生轉矩的轉矩分量，然后分別進行控制。2.1 控制原理敘述轉差頻率控制控制思想就是從根本上改造交流電動機，改變其產(chǎn)生轉矩的規(guī)律，設法在普通的三相交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規(guī)律。異步電動機的基本方程式為： （1） （2） （3） （4）式中：、分別為轉子電流的轉

9、矩分量和勵磁分量；、分別為定、轉子電感；為轉子總磁鏈；為轉差角頻率；為轉子時間常數(shù)；為電磁轉矩；為異步電動機的磁極對數(shù)；P為微分算子；為定子繞組漏感。任何電氣傳動控制系統(tǒng)均服從以下基本運動方程： （5）式中為負載轉矩，J為電動機轉子和系統(tǒng)的轉動慣量。由式（5）可知，要提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，主要是控制轉速的變化率。顯然，通過控制就能控制，因此調(diào)速的動態(tài)特性取決于其對的控制能力。電動機穩(wěn)態(tài)運行時，轉差率s很小，因此也很小，轉矩的近似表達式為： （6）式中：為電動機的結構常數(shù)，為氣隙磁通，為折算到定子邊的轉子電阻。只要能夠保持不變，異步電動機的轉速就與近似成正比，即控制就能控制，也就能控制，與直流電動

10、機通過控制電流即可控制轉矩類似?？刂妻D差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。 把轉矩特性（即機械特性）：畫在下圖中：圖2-1 按恒m值控制的 Te=f (ws ) 特性可以看出：在ws 較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉矩 Te基本上與ws 成正比，當Te 達到其最大值Temax 時，ws 達到wsmax值。由相關公式可以得到： （7） （8）在轉差頻率控制系統(tǒng)中，只要給ws 限幅，使其限幅值為： ， 就可以基本保持 Te與ws 的正比關系，也就可以用轉差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的基本規(guī)律之一。上述規(guī)律是在保持Fm恒定的前提下才成立的，于是問題又轉化為，如何能保持Fm 恒定？

11、我們知道，按恒 Eg/w1 控制時可保持Fm恒定。在等效電路中可得： （9）由此可見，要實現(xiàn)恒 Eg/w1控制，須在Us/w1 = 恒值的基礎上再提高電壓 Us 以補償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒 Eg/w1 控制所需的電壓-頻率特性 Us = f (w1, Is) 如圖2-2所示。圖2-2 不同定子電流時恒Eg/w1控制所需的電壓-頻率特性上述關系表明，只要 Us 和w1及 Is 的關系符合上圖所示特性，就能保持 Eg/w1 恒定，也就是保持 Fm 恒定。這是轉差頻率控制的基本規(guī)律之二。 總結起來，轉差頻率控制的規(guī)律是：（1）在 ws wsm 的范圍內(nèi)，轉矩

12、 Te 基本上與 ws 成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關系 Us = f (w1 , Is) 控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通Fm恒定。2.2 轉差頻率控制系統(tǒng)組成圖2-3 轉差頻率控制基本框圖實現(xiàn)上述轉差頻率控制規(guī)律的轉速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結構原理圖如圖2-3所示。頻率控制轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號是轉差頻率給定 ws* ，與實測轉速信號w 相加，即得定子頻率給定信號 w1* ，即 電壓控制由 w1和定子電流反饋信號 Is 從微機存儲的 Us = f (w1 , Is) 函數(shù)中查得定子電壓給定信號 Us* ，用 Us* 和 w1* 控制PWM電壓型

13、逆變器，即得異步電機調(diào)速所需的變壓變頻電源。公式所示的轉差角頻率 ws*與實測轉速信號w 相加后得到定子頻率輸入信號 w1* 這一關系是轉差頻率控制系統(tǒng)突出的特點或優(yōu)點。它表明，在調(diào)速過程中，定子頻率w1隨著轉子轉速 w 同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。同時，由于在動態(tài)過程中轉速調(diào)節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對應于 wsm 的限幅轉矩Tem 進行控制，保證了在允許條件下的快速性。由此可見，轉速閉環(huán)轉差頻率控制的交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠像直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣具有較好的靜、動態(tài)性能，是一個比較優(yōu)越的控制策略，結構也不算復雜。然而，它的靜、動態(tài)性能還不能完全達到直流雙閉

14、環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距的原因有以下幾個方面：（1）在分析轉差頻率控制規(guī)律時，是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式出發(fā)的，所謂的“保持磁通 Fm恒定”的結論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動態(tài)中 Fm如何變化還沒有深入研究，但肯定不會恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實際動態(tài)性能。（2）Us = f (w1 , Is) 函數(shù)關系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流的相位也是影響轉矩變化的因素。（3）在頻率控制環(huán)節(jié)中，取，使頻率得以與轉速同步升降，這本是轉差頻率控制的優(yōu)點。然而，如果轉速檢測信號不準確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減

15、地傳遞到頻率控制信號上來了。3轉差頻率矢量控制系統(tǒng)構建交流異步電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的結構如圖3-1所示。圖3-1交流異步電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的結構圖該系統(tǒng)的主要特點：（1）主電路SPWM電壓型逆變器，開關器件采用IGBT,這是通用變頻器常用的方案；（2）轉速采用轉差頻率矢量控制，即，在轉速變換過程中，異步電動機的定子電流頻率始終跟隨轉子的實際轉速而同步升降，從而使轉速 調(diào) 節(jié)吏加平滑。圖中：、分別為轉子角頻率給定和轉子角頻率負反饋；、分別為定子電流的轉矩分量和勵磁分量；為轉差角；為轉差角頻率；、分別為定子角頻率和轉子角頻率正反饋；、分別為定子電壓的轉矩分量和勵磁分量。根據(jù)式（1）-

16、（4）和圖3-1可知，在保持磁通恒定的條件下，電動機的Te由Ile計算，磁通也可以通過Ilm計算。轉速可以通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出Iit然后計算得到，即： （7） 4 轉差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真和分析4.1 仿真模型的建立 根據(jù)轉差頻率矢量控制的基本概念和系統(tǒng)的原理框圖，構建轉差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，其主電路采用交一直一交電路，輸出三相交流電壓拖動異步電動機?？刂撇糠钟山o定、轉速 P I 調(diào)節(jié)器、函數(shù)運算、兩相 三相坐變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。下面對該模型的各個模塊的構建進行詳細的說明。4.1.1轉速調(diào)節(jié)器模塊 轉速調(diào)節(jié)器模塊仿真模型如圖4-1所示 :圖4-1 轉速調(diào)節(jié)器模

17、塊仿真模型它是 由放大器 Gl 、G2和積分器組成的帶限幅的轉速調(diào)節(jié)器 ASR 。根據(jù)角頻率，經(jīng)過轉速調(diào)節(jié)器得到轉矩電流的給定值。4.1.2 函數(shù)運算模塊函數(shù)運算模塊函數(shù)運算模塊的仿真圖如圖4-2所示：圖4-2 函數(shù)運算模塊函數(shù)運算模塊仿真模型它是根據(jù)定子電流的勵磁分量 和，通過函數(shù)f（u）計算得到轉差，然后經(jīng)過和轉子頻率相加得到定子頻率，根據(jù)定子頻率和矢量轉角的關系，對 進行積分，最終得到定子電壓矢量轉角 (theta) 。4.1.3 坐標變換模塊 坐標變換模塊的仿真模型如圖4-3所示：圖4-3 坐標變換模塊其中，dq0 - to -abc 模塊的搭建主要是根據(jù)坐標變換公式，利用Simuli

18、nk里的數(shù)學函數(shù)模塊搭建而成，其主要功能是實現(xiàn)兩相旋轉坐標系至三相靜止坐標系的變換，其輸出是三相PWM變換器的三相調(diào)制信號，最后觸發(fā)逆變器的功率管得到拖動異步電動機所需的三相交流電源，完成閉環(huán)的控制過程。4.1.4電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型將上面的各個組成部分組合起來就構成整個電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型如圖4-4所示 ，需要設置電動機，變流橋參數(shù)，轉換器Usm,Ust公式各轉差公式等。圖4-4 電動機轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型4.2仿真條件 轉子磁鏈模型的計算參數(shù)設置：異步電動機為380V，50HZ二對極（），定子繞組電阻，轉子繞組

19、電阻，轉子繞組漏感，J=，逆變器直流電源為510V，定子繞組電感為，漏磁系數(shù)為0.056,。其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6的放大倍數(shù)分別為35、0.15.、0076、2、9.55、1/9.55。根據(jù)相關公式計算得到：仿真定轉速為1400r/min時的空載啟動過程，在啟動后0.45s時加載T1=65N*M。該系統(tǒng)較復雜，容易出現(xiàn)收斂問題，經(jīng)試用各種計算方法，最終選用步長算法ode5，步長取e-5。4.3仿真結果 仿真結果下圖所示，圖4-5中a、b、c、d反映了電動機在啟動和加載過程中的轉速、電流、電磁轉矩和電壓的變化過程，在啟動中逆變器的輸出電壓（線電壓）逐步提高，轉速上長，但是電流基

20、本保持不變，為Is=35A，電動機以給定的最大電流啟動。在0.23s時，轉速稍有超調(diào)，然后穩(wěn)定在1400r/min，電流也下降為空載電流，逆變器輸出電壓也減小了。電動機在加載后，電流和電壓迅速上升，電動機轉矩也隨之增加，轉速在略經(jīng)調(diào)整后恢復不變。（a） （b） （c） （d）圖4-5 系統(tǒng)啟動加載響應過程a）轉速響應 b）定子A相電流 c）轉子A相電流 d）電動機電磁轉矩和負載轉矩給定圖4-6中a、b、c、d、e、f反映了各控制模塊輸出信號波形的變化，經(jīng)2r/3s變換后的三相調(diào)制信號幅值和頻率在調(diào)節(jié)過和逐步增加，且轉速隨之逐步升高，信號幅值的提高保證了電動機電流在啟動過程中保持不變。圖d和圖f

21、分別反映了電動機在啟動過程中定子繞組產(chǎn)生的旋轉磁場和電動機的轉矩轉速特性。電動機在零狀態(tài)啟動時，電動機磁場有一個建立過程，在建立過程中磁場變化是不規(guī)則的，這也是引起了轉矩的大幅度變化，在0.23s后磁場呈磁場的半徑也有變化。改變勵磁給定電流值，圓形旋轉磁場的半徑也有所變化。電動機的轉矩轉速特性反映了通過矢量控制使電動機保持了恒轉矩啟動，并且改變了ASR的輸出限幅，最大轉矩可以調(diào)節(jié)。為了減少仿真需要的時間，仿真中減小了電動機的轉動慣量，但是過小的轉動慣量，容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。仿真的結果表明采用轉差頻率控制的矢量系統(tǒng)具有良好的控制性能。 （a） （b）（c

22、） （d）（e） （f）圖4-6 系統(tǒng)各模塊波形a）計算得到的轉差頻率給定 b）逆變器調(diào)制頻率 c）轉子角度 d）定子磁鏈軌跡e）SPWM的三相調(diào)制信號 f）轉矩轉速特性通過觀察圖形可以知道在t=0.23s時，電動機的轉速達到給定的1400rpm，而定子電流、轉子電流、電磁轉矩、計算得到的轉差頻率給定、逆變器調(diào)制頻率都有一個迅速的降落，一段時間以后，重新達到穩(wěn)態(tài)。這是因為在電動機未達到給定轉速時，是處于加速狀態(tài)，在轉速剛剛達到給定值時，則需要一個減速剎車過程，此時轉子電流與定子電流波形有一個迅速減小，從而使電磁轉矩Te下降，又由于此時基本保持 Te與ws 的正比關系且，所以和波形在這個時間段也

23、有很明顯的降落。5結語 這次課程設計歷時一個半星期，通過這兩個星期的學習，我學到很多很多的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上沒有學到過的內(nèi)容。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才是真正的知識，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。這次課程設計根據(jù)轉差頻率矢量控制的基本概念和系統(tǒng)原理圖，建立了交流異步電動機專差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真，并進行了仿真實驗。經(jīng)過不斷的嘗試發(fā)祥為了減少仿真需要的時間，可以在仿真中減小了電動機的轉動慣量，但是過小轉動慣量容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，要通

24、過調(diào)節(jié)參數(shù)來觀測參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。仿真結果表明，轉差頻率矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。這次的課程設計也讓我看到了團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結協(xié)作的精神。剛開始的時候，大家就分配好了各自的任務，大家有的繪制原理圖，進行仿真實驗，有的積極查詢相關資料，并且經(jīng)常聚在一起討論各個方案的可行性。在課程設計中只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結協(xié)作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。 在這個過程中，我也曾經(jīng)因為實踐經(jīng)驗的缺乏失落過

25、，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡單的課程制作（轉差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真），可是平心而論，也耗費了我們不少的心血。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！參考文獻1 余發(fā)山,鄭征,王清靈,等.自動控制系統(tǒng)M.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005.2 婁國煥,郝成,王均術.電氣傳動技術

26、原理與應用M.北京：中國電力出版社，2007.3 易繼鍇,江祥賢,侯媛彬,等.電氣傳動自動控制原理與設計M.北京：北京工業(yè)大學出版社，1997.4 王兆安,黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2000.5 方榮惠,鄧先明,上官璇峰.電機原理及拖動基礎M.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2004.6 胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術M.北京：機械工業(yè)出版社，1998.7 劉立群.異步電機轉差頻率模糊控制變頻調(diào)速系統(tǒng)設計D.西安：西北工業(yè)大出版社，2000.袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄