矢量控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計綜述

1、武漢理工大學(xué)電力拖動與控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書矢量控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計初始條件：根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計對應(yīng)的 simulink仿真模型，電機(jī) 參數(shù)為：額定功率power=2.2KW線電壓Ul=220；3v,額定頻率f =50Hz ;定子 電阻 Rs =0.435門,漏感 Lis -0.002H ；轉(zhuǎn)子電阻 RrO.8161 ,漏感 Li-0.002H ；互感 Lm =O.O69H ,轉(zhuǎn)動慣量J =O.O89kg.mA2,極對數(shù)P =2,其余參數(shù)為0。要求完成的主要任務(wù)：(1) 用MATLA建立矢量控制系統(tǒng)仿真模型；(2) 根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量;(3) 根據(jù)

2、仿真結(jié)果分析起動時轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈。摘要因為異步電動機(jī)的物理模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，需要用一組 非線性方程組來描述，所以控制起來極為不便。異步電機(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在 于各個磁通間的耦合。如果把異步電動機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡單模型， 就可以模擬直流電動機(jī)的控制模型來控制交流電動機(jī)。直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交 流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的 設(shè)計方法。并用MATLAB!終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：矢量控制非線性MATLAB仿真矢量控制系統(tǒng)仿真1設(shè)計條件及任務(wù)1.1

3、設(shè)計條件根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計對應(yīng)的 simulink仿真模型，電機(jī)參數(shù)為：額定 功率power=2.2KW線電壓U l = 220. 3V ,額定頻率f = 50Hz ;定子電阻Rs = 0.435;；】，漏感 Lis=0.002H ;轉(zhuǎn)子 電阻 Rr =0. 816 ,漏感 Llr = 0. 00H ;互感 Lm = 0. 0 6H ,轉(zhuǎn)動慣量 J =0. 0 8 9g m八,極對數(shù)P =2,其余參數(shù)為0。1.2設(shè)計任務(wù)（1）用MATLA建立矢量控制系統(tǒng)仿真模型；（2）根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；（3）根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈。2異步電動機(jī)矢量

4、控制原理及基本方程式2.1矢量控制基本原理矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，將異步電動機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，并分別加以控制,從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。所謂矢量控制，就 是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系 中，用直流電動機(jī)的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量經(jīng)變 換得到三相坐標(biāo)系的對應(yīng)量，以實施控制。其中等效的直流電動機(jī)模型如圖2-1所示，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流iA，iB，ic，通過3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐

5、標(biāo)系上的交 流is-.和is：；再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電 流ism和ist。m繞組相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁繞組，ism相當(dāng)于勵磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞 繞組，ist相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。3/2t 變換22圖2-1異步電動機(jī)矢量變換及等效直流電動機(jī)模型圖2-2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖JsiTi“SO*Gin施轉(zhuǎn) 變換 2r/2s3/2 蠻換c揑制3/2變換2s/2r謚電動%通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量1st，轉(zhuǎn)子磁鏈* r僅由定子電流分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Te正比與轉(zhuǎn)

6、子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實現(xiàn)了定子電流的兩個分量的解耦。簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2-3所示?？刂破髦眲有托I(yè)模等撓機(jī)圖2-3簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)2.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基本方程異步電動機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩 方程。分別如下：usqurdUqs LsPiLsLmP-sLmi rdirq(2-1)-iLsRsLsPiLmLmPLmP-iLmRrLrPsLriLmLmP-sLrRrLrP-屮屮屮sdsqrdrqLs0Lm00Ls0LmL m0L r00L m0Lrisdirq )Te _ npLm(isqird當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定

7、向時，應(yīng)有屮=屮 =屮 rdrmr_isd Ii sqi rdrq _(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)得到dq坐標(biāo)系的狀態(tài)方程dwLmdtis； r-dtrTrsddisdLmRsLr2dt、-Ls Lr Tr-LsL；R丄2m isd Wisq(2-6)disqLmdt-LsLr2 2JsqWsd匚 LsL；得到旋轉(zhuǎn)角速度:Lmsq(2-7)得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:Lris?(2-8)得到轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式:Lm1 TrPsm(2-9)式中：1為同步轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；u為電壓；*為磁鏈；i為電流；R電阻；L為電感；np為極對數(shù);Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)且丁 =5 ；二為電動機(jī)漏磁系數(shù)且尺Lm ；

8、LsLr ；c d rP -為微分因子。s表示定子；r表示轉(zhuǎn)子 dt轉(zhuǎn)子間的互感。d表示d軸；q表示q軸；m表示同軸定、3坐標(biāo)變換3.1坐標(biāo)變換原理由于異步電動機(jī)三相原始動態(tài)數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應(yīng)用中必須予以簡化，由于直流電動機(jī)的主磁通基本上由勵磁繞組的勵磁電 流決定，這是直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電 動機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡化。所以,三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對稱繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相 等。其中圖3-1和圖3-2分別為三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型

9、和靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的物理模型圖3-1三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型圖3-2靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的物理模型三相繞組A、B、C和兩相繞組之間的變換，稱作三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系間的變 換，簡稱3/2變換。圖3-3中繪出ABC和兩個坐標(biāo)系中的磁動勢矢量，將兩個坐標(biāo)系原點 重合，并使A軸和軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為Ng，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2 按磁動勢相等的原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組在的投影都應(yīng)相等。圖3-3三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系中的磁動勢矢量因此,(3-1)二 二 11N2i，N3iA-N3iBCOS-N3icCO丁 N3(i

10、AWB7ic)寫成矩陣形式，得N2H = NgiBsin-3兀Naic(3-2)花1Ns如N2 j292用(3-3)根據(jù)變換前后總功率不變，得吐N2考慮到iA iB i0，最終得到坐標(biāo)變換式為i:JB.(3-4)(3-5)相應(yīng)的逆變換為Ja!=0；ial1. B -11I46從靜止兩相正交坐標(biāo)系a B到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動勢相等。其靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動勢矢量圖如圖3-4所示。id 丨 coSCn圖3-4靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動勢矢量 旋轉(zhuǎn)正交變換為

11、(3-6)靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換陣為 coSsPril(3-7)C2s/si n，cos對(3-6)式進(jìn)行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的變換矩陣為:C2s2rNdcos-si ns i n cos(3-8)電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣與電流旋轉(zhuǎn)變換陣相同3.2建立坐標(biāo)變換模型321 2r/3s變換模型根據(jù)式子（3-3）和（3-8）可以建立3s/2r的電路模型結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。 吩+ Misrun* 抽csKM-apL 刖Vd*irwt * V-q*ttsl/3) VoVC Vdsin(wt*2pira)* Vq*c&s(Mrt*2pa)+ Vo圖 3-5 dqo_to_ab

12、c 模塊2r/3s變換為C2r( = sin (申 一2 pi /3 )S .sin (申 + 2 pi / 3 )cos1cos ( - 2 pi / 3 ) 1cos 亠 2 pi / 313.2.2 3s/2r變換模型*abc(3-9)3s/2r變換為(3-10)2 / 3 si n 2 /3 sin ： . 2 pi / 32/3s ini心亠 2 pi /32 / 3 cos 半2 / 3 cos (護(hù) _ 2 pi / 3)2 / 3 cos(半+ 2 pi / 3)1 /31 /31 /34矢量控制系統(tǒng)設(shè)計4.1矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式思想圖4-1為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

13、圖，轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個是將定子電流兩個分量的給定置 i；m和i；t施行2/3變換，得到三相電流給定值，再經(jīng)過 PW控制逆變器輸出三相電壓，采用 電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制，如圖4-2。另一個是將檢測到得三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換得到ist和ism。本次MATLA仿真系統(tǒng)設(shè)計也是采用的這種控制方法。圖4-1電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-2帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)和磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的電氣原理圖4.2 MATLAB系統(tǒng)

14、仿真系統(tǒng)設(shè)計本次MATLA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖4-3所示，其中SVPW用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若 采用實際的SVPW方法仿真，將大大增加仿真計算時間，對計算機(jī)的運(yùn)行速度和內(nèi)存容量 要求較高，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈和兩個電流調(diào)節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器,兩相磁鏈有電動機(jī)模型直接得到，其中轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值也直接有電動機(jī)模型直接得到。由圖中可知ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，APsirR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，ATF為定子電流轉(zhuǎn)矩分量 調(diào)節(jié)器。三個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。4.3 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為；Ki(is 1)芻 s( 4-1)本次仿真設(shè)計中的調(diào)節(jié)器都是采用WAcr (s)Ki 電流調(diào)節(jié)器的比

15、例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。其PI調(diào)節(jié)器的MATLA仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-3，而且此PI調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MATLAB 的仿真圖形，不斷改進(jìn)PI調(diào)節(jié)器和Kp和Ki，最終得到的各種調(diào)節(jié)如下：(1)磁鏈調(diào)節(jié)器APsirR，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。其中G1=1.8, G2=100輸出限幅值 -1313。其中磁鏈給定為1.5。G1圖4-3 APsirR調(diào)節(jié)器(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,其結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。其中G仁3.8, G2=0.8,輸出限幅值-7575 其中轉(zhuǎn)速根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1400 r/min圖4-4 ASR調(diào)節(jié)器(3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR其結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示。其中G1=4.5,

16、G2=12輸出限幅值-6565。圖4-5 ATR調(diào)節(jié)器5仿真結(jié)果5.1電機(jī)定子側(cè)的電流仿真結(jié)果電機(jī)定子電流Ism和1st仿真結(jié)果如圖5-1所示，（上）圖為Ism，（下）圖為1st。系統(tǒng) 在t=0.6S時突加負(fù)載。由仿真結(jié)果可知：空載起動時，定子電流勵磁分量lsm基本穩(wěn)定不變， 突加負(fù)載后，雖有微小波動但基本保持穩(wěn)定；空載起動時，轉(zhuǎn)矩分量1st迅速上升至幅值，并以此幅值起動電機(jī)，電機(jī)起動后隨即減小至0，突加負(fù)載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運(yùn)行。圖5-1電機(jī)定子側(cè)的電流Ism圖5-2電機(jī)定子側(cè)的電流1st5.2電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度 Wr （上）和轉(zhuǎn)子磁鏈Psir

17、（下）仿真結(jié)果圖4-4所示。可見，電機(jī) 起動后，轉(zhuǎn)速成線性上升，當(dāng)上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出由于積分作用還維 持在幅值。轉(zhuǎn)速超調(diào)后使得 ASR退飽和從而穩(wěn)定在給定值。突加負(fù)載后， 轉(zhuǎn)速下降，但由 于采用的是PI調(diào)節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉(zhuǎn)速很快上升繼續(xù)保持在給定值，其PI仿真圖如圖5-2所示。又圖中可知在電機(jī)啟動時，轉(zhuǎn)速剛開始是以一個較大的線性速度增 加，當(dāng)達(dá)到1400r/min時，就基本保持穩(wěn)定不變，當(dāng)突增額定負(fù)載時，但由于采用的是 調(diào)節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉(zhuǎn)速很快上升繼續(xù)保持在給定值。圖5-3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n仿真圖圖5-4轉(zhuǎn)子磁鏈Psir仿真圖心得體會這次課設(shè)經(jīng)過同

18、組人的共同努力終于順利完成了。這此課設(shè)題包括兩個部分，電機(jī) 模型部分和矢量控制部分。我主要負(fù)責(zé)矢量控制部分，包括調(diào)節(jié)器的設(shè)計，仿真模型框圖 設(shè)計。剛拿到這個課題的時候，完全不知道如何入手，后來我們重新學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識 才慢慢有了思路。做課設(shè)的過程是個自我探索、自我學(xué)習(xí)的過程，在此期間，我們不僅學(xué) 到了專業(yè)的知識，也提升了自己的學(xué)習(xí)能力。這次課設(shè)收獲很大，不僅深入了解了異步電 動機(jī)矢量控制，也再一次熟悉了 Matlab這個常用軟件。調(diào)配參數(shù)費(fèi)了很多時間，總是得 不到理想的仿真結(jié)果，其中需要自己學(xué)習(xí)很多東西，并在很短的時間內(nèi)融會貫通，考驗了 自己的學(xué)習(xí)能力。我明白了堅持不懈的真正含義，是次難忘的課設(shè)。通過以上仿真過程可 以看出,采用MATLAB境下的SIMULINK仿真工具,可以快速地完成一個電動機(jī)控制系統(tǒng)的 建模、仿真，且無須編程,仿真直觀、方便、靈活。異步電動機(jī)矢量控制MATLA仿真實驗對于開發(fā)和