異步電機(jī)矢量控制Matlab仿真實(shí)驗(yàn)(運(yùn)控課程設(shè)計(jì))

1、武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘 要因?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)磁通間的耦合。如果把異步電動(dòng)機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡(jiǎn)單模型，就可以模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制模型來(lái)控制交流電動(dòng)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。本文研究了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)方法。并用MATLAB進(jìn)行仿真s。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī) 矢量控制 電流閉環(huán) MATLAB仿真I武漢理工大學(xué)運(yùn)

2、動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄摘 要I1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理12 坐標(biāo)變換22.1 坐標(biāo)變換基本思路22.2 三相兩相坐標(biāo)系變換（3/2變換）32.3 旋轉(zhuǎn)變換43 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算44 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)64.1 矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式思想64.2 MATLAB系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)64.3 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)85 仿真結(jié)果95.1 電機(jī)定子側(cè)的電流仿真結(jié)果95.2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果105.3 電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果11心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)1314武漢理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)異步電機(jī)矢量控制Matlab仿真實(shí)驗(yàn)1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋

3、轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則,將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過(guò)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(shí)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(guò)矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動(dòng)機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中，用直流電動(dòng)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(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。其中等效的直流電動(dòng)機(jī)模型如圖1-1所示，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流iA、iB、iC，通過(guò)3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標(biāo)系上的交流is和is，再通過(guò)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

4、的直流電流ism和ist。de 圖1-1 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換及等效直流電動(dòng)機(jī)模型從圖1-1的輸入輸出端口看進(jìn)去，輸入為A、B、C三相電流，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換2s/2r，變成一臺(tái)以ism和ist為輸入、為輸出的直流電動(dòng)機(jī)。m繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，ism相當(dāng)于勵(lì)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。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦，電流的微分方程中仍存在非線性和交叉耦合。采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這一現(xiàn)象，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，圖1-2是基于電流跟隨控制變頻器的矢量控制系統(tǒng)示意圖。圖1-2矢量控

5、制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比與轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流的兩個(gè)分量的解耦。簡(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-3所示。圖1-3簡(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)2 坐標(biāo)變換2.1 坐標(biāo)變換基本思路異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)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(shí)際應(yīng)用中必須予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)變換。矢量變換是簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜模型的重要數(shù)學(xué)方法，是交流電動(dòng)機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)。坐標(biāo)變換的目的是將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，這樣變換后，分析和控

6、制交流電動(dòng)機(jī)就可以大大簡(jiǎn)化。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。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫(huà)出來(lái)，得到圖2-l。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)3/2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2-1 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖2.2 三相兩相坐標(biāo)系變換（3/2變換）在交流電動(dòng)機(jī)中三相對(duì)稱繞組

7、通以三相對(duì)稱電流可以在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在功率不變的條件下，按磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，三相對(duì)稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以用兩相對(duì)稱繞組來(lái)等效，三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換則建立了磁動(dòng)勢(shì)不變情況下，三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系。圖1繪出了ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量，按照磁動(dòng)勢(shì)相等的等效原則，三相合成磁動(dòng)勢(shì)與兩相合成磁動(dòng)勢(shì)相等，故兩套繞組磁動(dòng)勢(shì)在、軸上的投影都應(yīng)相等，于是得： 寫(xiě)成矩陣形式： 圖2-2 ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量(2-1)按照變換前后總功率不變，可以證明： (2-2)所以(2-3)則兩相對(duì)稱繞組的電流與三相對(duì)稱繞組的電流之間的變換關(guān)系為

8、: (2-4)2.3 旋轉(zhuǎn)變換 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換(簡(jiǎn)稱2s/2r 變換)，兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來(lái)，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角速度,則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換,稱為兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止變換，簡(jiǎn)稱2s/2r 變換。其變換關(guān)系為:1-2 (2-5)(2-5)式中，為d-q 坐標(biāo)系d 軸與坐標(biāo)系軸之間的夾角。兩相旋轉(zhuǎn)到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為： (2-6)對(duì)(2-6)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： (2-7)電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣與電流旋轉(zhuǎn)變換陣相同

9、。3 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是的準(zhǔn)確定向，也就是說(shuō)需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行控制的方法，稱作直接定向。 轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測(cè)比較困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中多采用按模型計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來(lái)，也可以利用專題觀測(cè)器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測(cè)模型。在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。本設(shè)計(jì)采用在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過(guò)3/2變換得到靜止兩相正交坐標(biāo)系上的電流is和i

10、s，在利用坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型式計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在軸上的分量 (3-1)也可表述為： (3-2)然后，采用直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換，就可得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛涂臻g位置，考慮到矢量變換中實(shí)際使用的是的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式 (3-3) (3-4) (3-5)圖3-1 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型4 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)圖，轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開(kāi)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)使之穩(wěn)定。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個(gè)是將定子電流兩個(gè)分量

11、的給定置和施行2/3變換，得到三相電流給定值。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。另一個(gè)是將檢測(cè)到得三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，達(dá)到mt坐標(biāo)系中的電流和。采用PI調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值和，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓和，再經(jīng)過(guò)SVPWM控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示。本次MATLAB仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)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 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2 MATLAB系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次MATLAB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如

12、圖4-3所示，其中SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若采用實(shí)際的SVPWM方法仿真，將大大增加仿真計(jì)算時(shí)間，對(duì)計(jì)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(gè)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，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度由電動(dòng)機(jī)模型直接得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖4-3所示。圖4-3 矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖 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，ACMR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器，ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈或轉(zhuǎn)速環(huán)。其中系統(tǒng)中的K/P模塊是計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度的，其內(nèi)部結(jié)

13、構(gòu)圖如圖4-4所示。圖4-4 轉(zhuǎn)子磁鏈和角度計(jì)算結(jié)構(gòu)圖在此次設(shè)計(jì)中，由于電動(dòng)機(jī)模型是根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型建立，在仿真設(shè)計(jì)中加入了靜止兩相旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）和旋轉(zhuǎn)靜止兩相正交變換（2r/2s變換），其MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖分別如圖4-5和圖4-6所示。圖4-5 2s/2r變換結(jié)構(gòu)圖圖4-6 2r/2s變換結(jié)構(gòu)圖4.3 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)本次仿真設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)器都是采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為； (4-1) 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。同時(shí)其傳遞函數(shù)也可寫(xiě)為： (4-2)其PI調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示。而且此PI調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MA

14、TLAB的仿真圖形，不斷改進(jìn)PI調(diào)節(jié)器和Kp和Ki。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示，其中Kp取5，Ti取10，積分限幅取-100100，轉(zhuǎn)速給定根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1430 r/min，可以得到其轉(zhuǎn)速給定為149.75。圖4-7 ASR調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器 APsirR,其結(jié)構(gòu)圖與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)相同，其中磁鏈給定為1.2。兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器MATLAB仿真模型如圖4-8所示。只是參數(shù)不同，ACMR的Kp取5，Ti取10；ACTR的Kp取5，Ti取15。圖4-8 電流調(diào)節(jié)器ACMR和ACTR仿真結(jié)構(gòu)圖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)定子側(cè)的電流（Isa&Isb）仿真結(jié)

15、果如圖5-1所示。系統(tǒng)在t=3s時(shí)突加負(fù)載。由仿真結(jié)果可知:空載起動(dòng)時(shí)，定子電流基本穩(wěn)定不變，成正弦變化。在t=3s突加負(fù)載后，電流仍成正弦變化，幅值變大，但基本保持穩(wěn)定。圖5-1 電機(jī)定子側(cè)的電流（Isa&Isb）電機(jī)定子測(cè)電流（Ia&Ib&Ic）仿真結(jié)果如圖5-2所示，空載啟動(dòng)時(shí)電流成交流變化，并且幅值逐漸變大，然后趨于穩(wěn)定，電機(jī)在恒定幅值穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)t=3s突加負(fù)載后，電流幅值突然加大，然后有一定的回落直到穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電流仍成交流變化，幅值大于空載運(yùn)行時(shí)。圖5-2 電機(jī)定子側(cè)的電流（Ia&Ib&Ic）5.2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te的

16、仿真結(jié)果如圖5-3所示。結(jié)果表明，電機(jī)在空載啟動(dòng)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有一個(gè)突變到較大值，隨著電機(jī)的啟動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩減小直至為0并穩(wěn)定運(yùn)行。在突加負(fù)載后，通過(guò)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩突增并超過(guò)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定值，以保證電機(jī)正常運(yùn)行，逐漸穩(wěn)定后輸出轉(zhuǎn)矩回落到給定值，輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。圖5-3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te仿真圖5.3 電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度Wr和轉(zhuǎn)子磁鏈Psir仿真結(jié)果分別如圖5-4和5-5所示。可見(jiàn)，電機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速成線性上升，當(dāng)上升到給定值時(shí)，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

17、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。轉(zhuǎn)子磁鏈Psir建立后，幾乎為恒值，在突加負(fù)載后，磁鏈有一個(gè)小幅度的上升，但在電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)作用下，磁鏈Psir很快恢復(fù)到給定值，并在此狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。圖5-4 電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度Wr仿真結(jié)果圖5-5 轉(zhuǎn)子磁鏈Psir仿真結(jié)果心得體會(huì) 這次課設(shè)經(jīng)過(guò)同組人的共同努力并在曹老師的悉心指導(dǎo)下終于順利完成了。這此課設(shè)題包括兩個(gè)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(jì)，仿真模型框圖設(shè)計(jì)。剛拿到這個(gè)課題的時(shí)候，完全不知道如何入手，后來(lái)我們重新學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識(shí)才慢慢有了思路。 做課設(shè)的過(guò)程是個(gè)自我探索、自我學(xué)習(xí)的過(guò)程，在此期間，我們不僅學(xué)到了專業(yè)的知識(shí)，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(dòng)機(jī)矢量控制，也再一次熟悉了Matlab這個(gè)常用軟件。調(diào)配參數(shù)費(fèi)了很多時(shí)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(shí)間內(nèi)融會(huì)貫通，考驗(yàn)了自己的學(xué)習(xí)能力。我明白了堅(jiān)持不懈的真正含義，是次難忘的課設(shè)。通過(guò)以上仿真過(guò)程可以看出,采用