矢量控制（完整版）

1、70年代初西門子工程師F.Blaaschke在讀博士期間，其導(dǎo)師給他出了一個課題，就是如何通過運(yùn)算來實現(xiàn)交流電機(jī)的直流化控制。（因為直流電機(jī)的勵磁和電樞部分單獨實現(xiàn)調(diào)節(jié)，在勵磁恒定的情況下，只需控制直流電機(jī)的電樞電流即可實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，而交流電動機(jī)則不同。根據(jù)公式3可知。）交流電動機(jī)的磁通和電流是耦合在一起的，改變磁通的同時會同時引起電流的變化。F.Blaaschke想出一個非常天才的想法，即通過坐標(biāo)變換先將電動機(jī)的三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對交流電機(jī)的磁通和電流分別控制的目的，這樣就可以將一臺三相異步電機(jī)

2、等效為直流電機(jī)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，一舉打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)天下的局面。七十年代初期，西門子公司的FBlaschke和WFlotor提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定子電流按轉(zhuǎn)子磁鏈空間方向分解成為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類似于直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。1980年，日本ANabas教授和山村昌教授提出轉(zhuǎn)差矢量控制系統(tǒng)。直到現(xiàn)在，科學(xué)家仍在進(jìn)行著不懈的研究。仿真分析是解決矢量控制系統(tǒng)復(fù)雜性問題的有力手段，為此，本文根據(jù)矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，建立了面向結(jié)構(gòu)圖的電流滯環(huán)型矢量控制交流調(diào)速系統(tǒng)的一體化仿真模型，并用MATLAB的Simu

3、link語言，直接進(jìn)行仿真，得到了良好的效果。同時，該仿真模型可以直接作為平臺對調(diào)速系統(tǒng)的控制器、電流變換和磁鏈觀測器、電流控制變頻器及異步電動機(jī)等模塊進(jìn)行檢驗和比較，具有很好的通用性。1 系統(tǒng)的組成本文所用的仿真系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)電流滯環(huán)型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的快速性和限流的必要性，電流調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。同時為了保持系統(tǒng)的通用性，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器亦采用PI調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖1 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)電流滯環(huán)型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)ASR-速度調(diào)節(jié)器；ATR-轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器；AR-磁鏈調(diào)節(jié)器；BRT-速度傳感器轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)電流滯環(huán)型調(diào)速系統(tǒng)其簡化構(gòu)成框圖如圖2所示。

4、圖2 矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的一體化仿真模型圖2附圖 矢量控制系統(tǒng)的通用仿真模型圖中各模塊在MATLAB的SIMULNK下均可以由相應(yīng)的單元模塊構(gòu)成，控制器和矢量坐標(biāo)變換部分有現(xiàn)成的數(shù)學(xué)模型或構(gòu)成圖，易于實現(xiàn)，為此，下面僅給出了難于建模的電流控制變頻器、電流變換磁鏈觀測器及異步電動機(jī)的仿真結(jié)構(gòu)圖。在仿真過程中，將各模型塊的輸入輸出端口順序連接即可進(jìn)行仿真。2 仿真模型的建立2.1 電機(jī)仿真模型圖2附圖矢量控制系統(tǒng)的通用仿真模型電機(jī)仿真模型采用按轉(zhuǎn)子磁場定向二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：電壓方程：(1)磁鏈方程：m1=L1im1+Lmim2t1=L1it1+Lmit2 (2)m2=Lmim1+L2i

5、m2=2t2=Lmit1+L2it2=0轉(zhuǎn)矩方程：Te=NpL2-1Lm2it1 (3)運(yùn)動方程：Te-T1=Np-1Jdr/dt (4)式(1)(4)中：R1、R2 定轉(zhuǎn)子電阻L1=L1+LmL2=L2+LmL1L2 定轉(zhuǎn)子漏感Lm 定轉(zhuǎn)子間互感 L1L2 定轉(zhuǎn)子自感 1 電機(jī)同步角頻率s 電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率 t 電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣角速度 um1ut1 MT軸定子電壓um2ut2 MT系轉(zhuǎn)子電壓 im1it1 MT系定子電流 im2it2 MT系轉(zhuǎn)子電流2 轉(zhuǎn)子總磁通 Te 電磁轉(zhuǎn)矩T1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Np 電機(jī)極對數(shù)J 機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量顯然，直接對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真是不方便的，為此需要選擇恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量進(jìn)行

6、變換，以防止模型中出現(xiàn)微分環(huán)節(jié)，導(dǎo)致電機(jī)和系統(tǒng)的不穩(wěn)定。變換過程參考文獻(xiàn)2，從而可得電機(jī)的仿真模型如下：其中：R=R1+L2-2Lm2 L=L1-L2-1Lm2A=L2-2LmR2 B=L2-1LmC=L2-1LmR2 D=L2-1LmNp E=Lm-1R2-1L2G1(S)=1/(R+L0S) G2(S)=1/(L2-1R2+S)二相電壓Um1和Ut1由三相定子電壓經(jīng)C3s/2s和C2s/2r變換得到。2.2 電流控制型SPWM逆變器仿真模型假定電流滯環(huán)控制逆變器由穩(wěn)定的直流電源供電，考慮逆變器所帶來的滯后，則由文獻(xiàn)1中電流滯環(huán)控制SPWM逆變器的控制原理框圖可得其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：圖中

7、的滯環(huán)比較器，當(dāng)ia-iaf1，輸出為1，若ia-iaf-1，輸出為-1，否則輸出保持不變。K取值300，Td為逆變器滯后時間常數(shù)(取值0002S)，功率放大環(huán)節(jié)為帶有限幅的放大器，正負(fù)限幅值為300 V。輸出直經(jīng)C3s/2s和C2s/2r變換后對電機(jī)模型直接供電。圖3 異步電動機(jī)在二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(MT系)下的仿真模型2.3 電流變換及磁鏈觀測器仿真模型該仿真模型采用文獻(xiàn)2中磁場定向二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的運(yùn)算框圖，由該框圖可得仿真結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖4 電流滯環(huán)SPWM逆變器仿真模型圖 5 電流變換及磁鏈觀測器仿真模型圖中，f(u)，g(u)為Fcn函數(shù)，Mux為矢量合成模塊， f(u)=10

8、-5+sign(u)*10-6，以防止在g(u)中被除函數(shù)為0造成仿真停止，g(u)=Lmu1/(T2u2)，G3(S)=。2.4控制器中調(diào)節(jié)器的取值A(chǔ)SR、ACR及ATR均采用PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)如下：速度調(diào)節(jié)器(ASR)：(kp1+k11/S) Kp1=5,K11=15，正負(fù)限幅為10V。磁鏈調(diào)節(jié)器(AR)：(Kp2+K12/S) Kp2=5，K12=15，正負(fù)限幅為10V。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)：(Kp3+k13/S) Kp3=5，K13=10。3仿真研究及結(jié)果系統(tǒng)仿真采用MATLAB面向結(jié)構(gòu)圖的Simulink仿真軟件。為驗證系統(tǒng)的有效性，現(xiàn)以實際電機(jī)為例，對其進(jìn)行仿真。電機(jī)參數(shù)如下：P=1

9、.7 kw，Lnom=3.86 A， Tcnom=11.35 Nm，nnom=1430r/min，cos=0.82，=87.5%， R1=4.1 ，R2=25 ，L1=0.035 H，Lm=0.510H，Np=2，J=0.02 kgm2。打開simulink仿真軟件，建立各模塊的模型并將其順序連接，即可構(gòu)成矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的一體化仿真模型。首先，考慮系統(tǒng)的啟動特性，系統(tǒng)在值50(rad/s)的作用下空載起動，2秒后，轉(zhuǎn)速給定值突加到100(rad/s)。仿真計算出的轉(zhuǎn)速及磁通2的變化曲線如圖(6)所示。再考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，電機(jī)在空載下啟動，1.5秒后，電機(jī)突加額定負(fù)載11.35 Nm，再過2S后，電機(jī)負(fù)載突然減到4 Nm。仿真計算出的轉(zhuǎn)速及磁通2的變化曲線如圖(7)所示。由此曲線，證明了控制系統(tǒng)仿真模型的有效性。圖6起動過程波形圖磁通給定為：09，啟動時轉(zhuǎn)速給定為：50*，2秒后突然加到100*圖7抗干擾性能波形圖4 結(jié)論1)由閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的運(yùn)算框圖給出了面向結(jié)構(gòu)圖的一體化通用仿真模型，并用MATLAB的SIMULINK面向結(jié)構(gòu)圖仿真軟件