磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真.doc

1、摘要矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式,一般將含有矢量變換的交流電動(dòng)機(jī)控制都成為矢量控制，實(shí)際上只有建立在等效直流電動(dòng)機(jī)模型上并按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向的控制，電動(dòng)機(jī)才能獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能.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。本文介紹了矢量控制系統(tǒng)的原理及模型的建立,搭建了帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模型,并用MATLAB最終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：矢量控制； 磁鏈觀測(cè); MATLAB仿真目錄前 言 1第一章 矢量控制的原理 2 1.1坐標(biāo)變換的基本思路 2 1.2矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3第二章 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè) 第三章 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接

2、矢量控制系統(tǒng)第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 4。1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4。2 矢量控制系統(tǒng)的仿真結(jié) 論 參考文獻(xiàn)前 言矢量控制是一種優(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(jì)方法.首先簡(jiǎn)單介紹了矢量控制的基本原理， 給出了矢量控制系統(tǒng)框圖，然后著重介紹了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程。仿真結(jié)果表明調(diào)節(jié)器具有良好的磁鏈控制效果。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)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(lái)描述,所以控制起來(lái)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(gè)磁通間的

3、耦合。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就簡(jiǎn)單多了。從物理模型上看，直流電機(jī)分為空間相互垂直的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，且兩者各自獨(dú)立，互不影響.正是由于這種垂直關(guān)系使得繞組間的耦合十分微小，我們可以認(rèn)為磁通在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中完全恒定。這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制比較簡(jiǎn)單的根本原因。如果能將交流電機(jī)的物理模型等效變換成類似直流電機(jī)的模式，仿照直流電機(jī)進(jìn)行控制，那么控制起來(lái)就方便多了，這就是矢量控制的基本思想。第1章 矢量控制的基本原理矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子

4、電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以腔制，并同時(shí)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為矢量控制方式。1。1 坐標(biāo)變換的基本思路矢量變換控制是基于坐標(biāo)變換，其原則有三條: 1。 在不同坐標(biāo)下產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相同(即模型等效原則) 2。 變換前后功率不變 3。 電流變換矩陣與電壓變換矩陣統(tǒng)一模型等效原則: 眾所周知，交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時(shí),所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 w1（即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。這樣的物理模型如圖1-1

5、a所示。然而，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相不可,除單相以外,二相、三相、四相、 等任意對(duì)稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),當(dāng)然以兩相最為簡(jiǎn)單。 圖11b中繪出了兩相靜止繞組 a 和 b ，它們?cè)诳臻g互差 90°的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F 。當(dāng)圖1-1a 和11b 的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為圖 11b 的兩相繞組與圖1-1a 的三相繞組等效。 再看圖11c中的兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 M 和 T，其中分別通以直流電流i 和i ，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì) F ，其位置相對(duì)于繞組來(lái)說(shuō)是固定的。如果讓M T包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則

6、磁動(dòng)勢(shì) F 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來(lái)，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 把這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖 1-1a 和圖 11b 中的磁動(dòng)勢(shì)一樣,那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。 由此可見(jiàn)，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，圖 1-1a 的三相交流繞組、圖11b的兩相交流繞組和圖 11c 中整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效.或者說(shuō)，在三相坐標(biāo)系下的 i 、i 、i ,在兩相坐標(biāo)系下的 i 、i 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下A B C a b的直流 i 、i 是等效的,它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 M T有意思的是：就圖 11c 的 M、T 兩個(gè)繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組

7、等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們就的確是一個(gè)直流電機(jī)模型了。這樣，通過(guò)坐標(biāo)系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型. 在的問(wèn)題是，如何求出i 、i 、i 與 i 、i 和 i 、i 之間準(zhǔn)確的A B C a b M T等效關(guān)系，這就是坐標(biāo)變換的任務(wù)。通以時(shí)間以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流、，通過(guò)三相-兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流和,再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流和。把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來(lái)，得到圖2.從整體上看，輸人為A,B,C三相電壓,輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)

8、32變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換,便得到一臺(tái)由和輸入，由輸出的直流電動(dòng)機(jī)。圖2 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖1.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱VC系統(tǒng).VC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的給定和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器,產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換一得到和，再經(jīng)過(guò)23變換得到、和。把這三個(gè)電流控制

9、信號(hào)和由控制器得到的頻率信號(hào)加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。圖3 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)VC系統(tǒng)時(shí)，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，并認(rèn)為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR相抵消，23變換器與電機(jī)內(nèi)部的32變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖2中虛線框內(nèi)的部分可以刪去,剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了?？梢韵胂螅@樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。第二章 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)由矢量變換原理來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量地分離，必須先知道轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和相對(duì)于定子繞組A 軸的相位角j。同時(shí)控制系統(tǒng)中要求維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定,一般

10、采用轉(zhuǎn)子磁鏈反饋形成閉環(huán)，以便得到與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的良好效果。這就需要測(cè)出實(shí)際的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及相位j。常用的測(cè)量有直接檢測(cè)法和間接觀測(cè)法，從理論上講，直接檢測(cè)法相對(duì)比較準(zhǔn)確，但是由于實(shí)際環(huán)境的影響和安裝的問(wèn)題，使檢測(cè)到的信號(hào)帶有齒諧波等干擾信號(hào),實(shí)際效果還不如間接觀測(cè)法. 間接觀測(cè)法是檢測(cè)電壓、電流或速度等易于測(cè)得的物理量，通過(guò)磁鏈的觀測(cè)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值及相位。采用這種方法,計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確及穩(wěn)定，并且降低了成本。間接觀測(cè)法種類很，這里只介紹比較典型的兩種觀測(cè)模型。 1、 在兩相靜止坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型 該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于模擬控制,采用數(shù)字控制，由于存在交叉耦合關(guān)系，在離散計(jì)

11、算中不易收斂.同時(shí)模型與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr 密切相關(guān),因此檢測(cè)精度受電機(jī)參數(shù)變換影響大.圖4 由定子電流及轉(zhuǎn)速構(gòu)成的磁通觀測(cè)器2、在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型 圖4 所示其模型圖.測(cè)得的定子三相電流i 、i 、i 經(jīng)3S/2R 變換后iM1、iT1。通過(guò)2=Lm/(Trp+1)iM1及s=iT1 Lm/ T22的運(yùn)算，分別得到2及s,又1=s+及=1dt,得角。這種模型比第一種觀測(cè)模型更是用于數(shù)字計(jì)算。但是，其中的積分環(huán)節(jié)也會(huì)造成誤差積累,并且在起動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)0/0 的問(wèn)題,所以仿真時(shí)需加上較小常值。 兩種模型都依賴于電機(jī)參數(shù)Tr 和Lm，他們的精度都受到參數(shù)變化的影響，這也是間接觀測(cè)

12、法的主要缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用后一種觀測(cè)模型，并將其離散化.第三章 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)解耦性能的辦法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán),圖5繪出了主電路采用電流滯環(huán)控制型逆變器。在控制電路中，在轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ASR的給定Te信號(hào)，而轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)Te，則通過(guò)矢量控制方程Te=np（Lm/Lr)istr (3-1）計(jì)算得到。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器AspiR用于對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)。ATR和ApsiR輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i*st和勵(lì)磁分量i*sm.ist和ism經(jīng)過(guò)2r/3s變換后得到三

13、相定子電流的給定值i*sA、isB、isC，并通過(guò)電流滯環(huán)控制PWM逆變器控制電動(dòng)機(jī)定子的三相電流.圖5 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)原理圖第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真4.1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以典型I型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)為了將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表示成典型I型系統(tǒng)的形式，磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為一個(gè)PI調(diào)節(jié)器與一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián),即其中、待定。于是磁鏈閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為。當(dāng)取=時(shí),整理可得（1)顯然這是典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)形式。為了便于仿真，假設(shè)電機(jī)參數(shù)如下：定子互感和轉(zhuǎn)子互感：L_m=34。7e3定子電阻:R_s=0。087轉(zhuǎn)子電阻：R_r=0。228定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感：L_lr=L_ls=0

14、。8e3極對(duì)數(shù)：n_p=2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=1。662轉(zhuǎn)子磁鏈：Psi_r=1代入上述數(shù)值到G(s)可得：。易知該I型系統(tǒng)的阻尼比和振蕩頻率有如下關(guān)系：(2）若今要求磁鏈調(diào)節(jié)曲線超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間。根據(jù)自動(dòng)控制理論，一旦超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間確定了，典型I型系統(tǒng)的特征參數(shù)和可由確定，于是可解得=0。6901、=62.6483，再將和代入(8）式解得、=0.0116，=202。77， =0。2316。在MATLAB下作開環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)（1）式）的波德圖如圖6.圖中可以看出相角裕量約為。滿足工程設(shè)計(jì)要求。圖6 轉(zhuǎn)子磁鏈的開環(huán)傳遞函數(shù)波德圖4。2 矢量控制系統(tǒng)的仿真帶磁鏈和轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的矢量控制系

15、統(tǒng)仿真模型如圖 7所示。其中直流電源DC、逆變器inverter、電動(dòng)機(jī)motor和電動(dòng)機(jī)測(cè)量模塊組成了模型的主電路,逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生，滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊結(jié)構(gòu)如圖8所示。三個(gè)調(diào)節(jié)器ASR、ATR和ApsiR均是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器（見(jiàn)圖9-1、92、9-3)。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)使用二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈模型（見(jiàn)圖10），函數(shù)模塊Fcn用于計(jì)算轉(zhuǎn)矩(見(jiàn)式3-1），dq0-to-abc模塊用于2r/3s的坐標(biāo)變換。圖7 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型電動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1-1，其他參數(shù)見(jiàn)表12,調(diào)節(jié)器參數(shù)見(jiàn)表13，模型的仿真算法為ode23tb.表1-1電動(dòng)機(jī)參數(shù)

16、參考值電壓380V頻率50Hz定子繞組電阻Rs0.435定子繞組漏感Lls0。02mH轉(zhuǎn)子繞組電阻Rs0。816轉(zhuǎn)子繞組漏感Lls0。002mH互感Lm0.069mH轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J極對(duì)數(shù)0。19kg·m2摩擦系數(shù)F0極對(duì)數(shù)p2表12其他參數(shù)逆變器電源為510V定子繞組自感 Ls= Lm+ Lls=(0。069+0。002）mH=0.071mH轉(zhuǎn)子繞組自感 Lr= Lm+ Llr=（0。069+0.002）mH=0.071mH漏磁系數(shù) =1.Lm2/ Ls Lr=0。056轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) Tr= Lr/Rr=0。071/0.816=0。087表1-3調(diào)節(jié)器參數(shù)參考值調(diào)節(jié)器比例放大器G1放大倍

17、數(shù)積分放大器G2放大倍數(shù)積分器限幅調(diào)節(jié)器輸出限幅上限下限上限下限轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR3.8(G1）0.8(G2)808075-75轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR4。5（G3）12(G4）606060-60磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR1。8(G5)100(G6)15-1513-13圖8 滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊結(jié)構(gòu)圖 91 ASR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖92 ATR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖9-3 ApsiR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖10 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型在給定轉(zhuǎn)速為1400r/min,空載起動(dòng)，在0。6s時(shí)加載60N·m,帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如下:a)轉(zhuǎn)速響應(yīng) d）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出b）A相電流波形 e）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出

18、 c）電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 f）磁鏈調(diào)解器輸出g）經(jīng)2r/3s變換的三相電流給定波形h）定子磁鏈軌跡 i）轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線結(jié) 論在波形中可以看到，在矢量控制下,轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，加載后略有下降但隨即恢復(fù)，在0.35s達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)和0。6s加載時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流、轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的響應(yīng).由于ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，在起動(dòng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器都處于飽和限幅狀態(tài)，因此定子電流的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量都保持不變，定子電流的給定值i*sA、isB、i*sC也不變（見(jiàn)圖g),所以在起動(dòng)過(guò)程中，定子電流基本保持不變(見(jiàn)圖b），實(shí)現(xiàn)了恒電流起動(dòng)。比較圖h和圖e的磁鏈軌跡,帶磁鏈調(diào)節(jié)器后，在起動(dòng)階段，磁場(chǎng)的建立過(guò)場(chǎng)比較平滑，磁鏈呈螺旋形增加，同時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也不斷上升；而不帶磁鏈調(diào)節(jié)器（見(jiàn)圖e）時(shí)，起動(dòng)初期磁鏈軌跡波動(dòng)較大，也引起了轉(zhuǎn)矩的大幅度波動(dòng)（見(jiàn)圖c）.從轉(zhuǎn)