帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真

1、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLA仿真因為異步電動機的物理模型是一個高階、 非線性、強耦 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。異步電機的物理模型之所以復雜， 關(guān)鍵在 于各個磁通間的耦合。如果把異步電動機模型解耦成有磁鏈 和轉(zhuǎn)速分別控制的簡單模型，就可以模擬直流電動機的控制 模型來控制交流電動機。直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機控制方式，它模 擬直流電機的控制方式使得交流電機也能取得與直流電機 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MATLA最終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：矢量控制，MATLA仿真目錄1

2、、/. 前言第1章矢量控制的基本原理.21.1坐標變換的基本思路 .21.2矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).-.-.3第 2章轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 52.1 帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng) 52.2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng) 6第 3 章控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 73.1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計 73.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真 9結(jié) 論 20參考文獻 21附 錄 22、八前言矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機控制方式， 它模擬直流 電機的控制方式使得交流電機也能取得與直流電機相媲美 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。首先簡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，

3、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)計和仿真過程。 仿真結(jié)果表明調(diào)節(jié)器具有良好的磁鏈控 制效果。因為異步電動機的物理模型是一個高階、 非線性、 強耦 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。 異步電機的物理模型之所以復雜， 關(guān)鍵 在于各個磁通間的耦合。直流電機的數(shù)學模型就簡單多了。 從物理模型上看， 直流電機分為空間相互垂直的勵磁繞組和 電樞繞組，且兩者各自獨立，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、 ，我們可以認為磁通在系 統(tǒng)的動態(tài)過程中完全恒定。 這是直流電機的數(shù)學模型及其控 制比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型等效變

4、換成類似直流電 機的模式， 仿照直流電機進行控制， 那么控制起來就方便多 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(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流） 分別加以腔制，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為矢量控制方式。1.1坐標變換的基本思路坐標變換的目的是將交流電動機的物理模型變換成類 似直流電動機的模式，這樣

5、變換后，分析和控制交流電動機 就可以大大簡化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則， 在三相 坐標系上的定子交流電流iA、iB、ic，通過三相兩相變 換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流 r和再通過 同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流 id 和iq。如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到 的就好像是一臺直流電動機。把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，得到圖 I。從 整體上看，輸人為A, B, C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速，是一 臺異步電動機。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過 3/2變換和按轉(zhuǎn)子 磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，便得到一臺由im和it輸入，由輸 出的直流電動機。圖1異步電動機的坐標變換結(jié)

6、構(gòu)圖12矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然異步電動機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電動機， 那么，模仿直流電動機的控制策略，得到直流電動機的控制 量，再經(jīng)過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電動機了。 由于進行坐標變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以 這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng) (VectorControlSystem)，簡稱VC系統(tǒng)。VC系統(tǒng)的原理結(jié) 構(gòu)如圖2所示。圖中的給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速 系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號i；和電樞電流 的給定信號it*，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換VR，得到G和ip，再經(jīng)過 2/3變換得到iA、iB和iC。把這三個電流控制信號和由控 制器得

7、到的頻率信號-!加到電流控制的變頻器上，所輸出的 是異步電動機調(diào)速所需的三相變頻電流。給定信號麻+器圖2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計VC系統(tǒng)時，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后， 并認為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器 VR與電機內(nèi)部的旋 轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR相抵消，2/3變換器與電機內(nèi)部的3/2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。可以想象，這樣的矢量控制交流變壓 變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相 媲美。3第2章 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)對解耦后的轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個獨立的線性子系統(tǒng)分別進 行閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱作直接矢量控制系統(tǒng)。采用不同的解耦 方

8、法可以獲得不同的直接矢量控制系統(tǒng)。2.1帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出帶“*'環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)可以在有關(guān)假 定條件下，簡化成完全解耦的' r與兩個子系統(tǒng)，這是一種 典型的直接矢量控制系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)都是單變量系統(tǒng)，其 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法和直流調(diào)速系統(tǒng)相似。電流控制變頻器可以采用電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPW變頻器（圖3a），也可采5用帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型 PWM變頻器（圖4）a)圖3電流控制變頻器#2.2帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)另外一種提咼轉(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4繪出了一種實際的 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)，其中

9、主電路選擇了電流滯 環(huán)跟蹤控制的CHBPW變頻器，這只是一種示例，也可以用 帶電流內(nèi)環(huán)的電壓源型變頻器。系統(tǒng)中還畫出了轉(zhuǎn)速正、反 向和弱磁升速環(huán)節(jié)，磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。 轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號，弱磁時它也受到磁 鏈給定信號的控制。VIT#圖4帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)#第3章控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真3.1矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計以典型|型系統(tǒng)來設(shè)計為了將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表示 成典型|型系統(tǒng)的形式，磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計為一個PI調(diào)節(jié)器與一個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，即T s +11GA .R(S) = Gp|(S)Gne(S“Kp其中 Kp、Ti sT/S +1pTi、待定。于是磁鏈閉環(huán)的開

10、環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=KpTi；s1,.：1十1。當取Ti=Tr時，整理可得K p L mdLmdL mdG(s)二 KpTiS 11TsLs + 1+1 =KpTrSGs+1) S(s +丄)Ta(7),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)電機參數(shù)如下：定子互感和轉(zhuǎn)子互感：L_m=34.7e-3 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=0.8e-3極對數(shù)：n_p=2轉(zhuǎn)動慣量：J=1.662轉(zhuǎn)子磁鏈：Psi=1代入上述數(shù)值到G(s)可得7K pLmdG(s)S(S芒0.052KpKpp 0.2245 p0.2316T

11、cl _ 1 _ 1 s(s ) s(s ) 易知該I型系統(tǒng)的阻尼比和振蕩頻率.n有如下關(guān)系:（8 ）。若今要求磁鏈調(diào)節(jié)曲線超調(diào)量ts =0.1s（ ： = 0.02）。根據(jù)自動控制理論,間確定了，典型I型系統(tǒng)的特征參數(shù)2ln 10 -In100二 p二24 In(ln 100；p -2ln10)11- 2=0.6901、 n =62.6483， n = 0.2245 ITa二p = 5%、調(diào)節(jié)時間 一旦超調(diào)量和調(diào)整時 和可由定，于是可解得再將和二代入（8）式解得丁、T =0.0116，Kp=202.77, Tr =0.23169圖5轉(zhuǎn)子磁鏈的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖3.2矢量控制系統(tǒng)的仿真在MAT

12、LA下作系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示11DC 5L0Vjq rztpZJeitilxxE：Cinverter2H.0eS3-lru|2>D.D71：siLF3liandqOabc也tu田血ri2BdqO_to_at Transforrrati:n* sin_c£sLi-剛 2UmilEd33 InlKranccmiiBdi f13#圖6 MATLAB下作系統(tǒng)仿真模型各個子模塊的仿真模型如圖711所示:#圖7電流滯環(huán)脈沖發(fā)生CDI做齢州腿刑 TransferFcnlFail©WT冊專丸1.說卩黑"引現(xiàn) 一Tfii'KS15#圖8按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)子磁鏈電流

13、模型#GT圖9磁鏈調(diào)節(jié)器的模型圖10轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型圖11轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的模型#仿真結(jié)果如圖1222:圖12 A相電流波形圖13 iSq圖形17ISD tu xing0.5川側(cè) llllllllll-D.5-119#g iIiIiIiii 00.1D.20.30.40.50.60.70.80.91t/s圖14 iSd圖形#圖15轉(zhuǎn)速輸出圖形#to#圖17轉(zhuǎn)速調(diào)解器輸出#60SOda30201G0a.10.20.30.40.50.60.70.80.9t/?圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線21圖18轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線#圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線#圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線#圖19磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR輸出圖21

14、轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線#圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線23圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線#圖20定子磁鏈軌跡1BD0140312001D00000B004002000-330-20 Q 20 JD 6000100f2014Q14DQ Q.10.2G.30.40.50.E07 O.S 0.91t/s圖22電動機輸出轉(zhuǎn)矩下面對本例做出簡單的分析與說明：帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速，磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的主電路米 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)矩內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的 給定Te*，而轉(zhuǎn)矩的反饋信號Te,則通過矢量控制方程計算 得到。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR用于對電動機的定子磁鏈 的

15、控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測環(huán)節(jié)，ATR和ApsiR 的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i* st和勵磁分量i*sm。i*st ,i*sm經(jīng)過2r/3s變換后得到三相定子電流的給定值 i* sA,i*sB,i* sC,，并通過電流滯環(huán)控制 PWM逆變器控制電動機 定子的三相電流。帶磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型如圖6所 圖21轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線25示。期中直流電源DC,逆變器inverter,電動機motor和電動 機測量模塊組成了模型的主電路， 逆變器的驅(qū)動信號由滯環(huán) 脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生。三個調(diào)節(jié)器 ASR,ATR 和 ApsiR 均是 帶輸出限幅的 PI 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)自磁鏈觀測采用二相同步

16、旋轉(zhuǎn) 坐標系上的磁鏈模型,函數(shù)模塊 Fcn 用于對轉(zhuǎn)矩的計算, dqO-to-abc模塊用于2r/3s的坐標變換。調(diào)節(jié)器的參數(shù)見附錄， 模型的仿真算法為 ode23tb.在給定轉(zhuǎn)速為 1400r/min，空載起動，在 0.6s是加載 60N m,系統(tǒng)的仿真結(jié)果如前圖所示。在波形中可以看到， 在矢量控制下,轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn),加載后稍有下降但隨即恢復, 在0.35s達到給定轉(zhuǎn)速時和0.6s加載時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流， 轉(zhuǎn)矩都有相應的響應。由于 ATR 和 ApsiR 都是帶限幅的 PI 調(diào)節(jié)器, 在起動中倆個調(diào)節(jié)器都處于飽和限幅狀態(tài), 因此定 子電流的轉(zhuǎn)矩和勵磁分量都保持不變,定子的給定值 i* sA,

17、i* sB,i* sC也不變，所以在起動的過程中，定子電流基本保 持不變實現(xiàn)了恒電流起動。由圖可以看出,在起動階段,磁場的建立過程比較平滑, 磁鏈呈螺旋形增加, 同時電動機轉(zhuǎn)矩不斷上升； 而不帶磁鏈 調(diào)節(jié)器時, 起動初期磁鏈軌跡波動較大, 也引起了轉(zhuǎn)矩的大 幅度波動。 從轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線也可以看到, 帶磁鏈調(diào)節(jié)器的 系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)矩較大。#結(jié)論由于磁鏈具有難觀測的特點，所以采用MATLA仿真研究 是一個很好且很方便的方法。但是MATLA畢竟是軟件模擬實 現(xiàn)，僅僅從原理上證實了設(shè)計的準確性， 我們還必須搭建實 際系統(tǒng)并進行調(diào)試才能最終確定合適的調(diào)節(jié)器模型參數(shù)。 參 數(shù)選擇見附錄。從仿真結(jié)果上看，在 0.

18、35s 時轉(zhuǎn)速達到額定值，在 0.6s 時給電機加上負載，其轉(zhuǎn)速有所下降，但很快就能恢復，說 明該電機的調(diào)速性能還是不錯的。從轉(zhuǎn)速的上升時間來看， 它的響應時間也能滿足要求。#參考文獻1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第3版）.機械工 業(yè)出版社.2004.2 李德華.電力拖動控制系統(tǒng)（運動控制系統(tǒng)）.電子 工業(yè)出版社.20063 胡壽松.自動控制原理簡明教程（第二版）.科學出 版社.2008.4 黃忠霖.自動控制原理的MATLA實現(xiàn).國防工業(yè)出 版社.2.5 馮垛生，曾岳南.無速度傳感器矢量控制原理與實 踐.2006.李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎(chǔ)（第三版）.清華大 學出版社.2005.27仿真參數(shù)一覽表：電動機選擇：380V、50Hz、兩對磁極Rs =0.435“L“s =0.002mHRr =0.816' 1L1r