異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真

1、異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真1. 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的原理及其仿真1.1異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理異步電機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是目前已經(jīng)獲得應(yīng)用的高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)， 對(duì)比直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)， 矢量變換系統(tǒng)有可以連續(xù)控制，調(diào)速范圍寬的優(yōu)點(diǎn)， 因此矢量變換控制系統(tǒng)為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。本文采用的是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間接定向電流控制型交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) 1 ，如圖 1 所示。圖 1 矢量變換控制系統(tǒng)仿真原理圖如果把轉(zhuǎn)子磁鏈方向按空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 M軸方向定向，則可得到按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方式定向下的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方程。（1）（2）（3）（ 4）（ 5）上列各式中，是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁

2、電流參考值；是轉(zhuǎn)差角頻率給定值；是定子電流的勵(lì)磁分量；是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量；是定子頻率輸入角頻率；是轉(zhuǎn)子速度；是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向角度；是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；和分別是電機(jī)互感和轉(zhuǎn)子自感。圖 4 所示控制系統(tǒng)中給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速相比較，誤差信號(hào)送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， 經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)，電機(jī)的激磁電流給定信號(hào)根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速由弱磁控制單元產(chǎn)生，再利用式（1）產(chǎn)生定子電流激磁分量給定信號(hào)，定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號(hào)則根據(jù)式（ 2）所示的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式生成。、和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Lr 一起產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率信號(hào)，與 r 相加生成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)頻率給定信號(hào)，對(duì)積分則得到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間角度給定信號(hào)。 和經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和 2/

3、3 相變換產(chǎn)生定子三相電流給定信號(hào)、 和，與定子三相電流實(shí)測(cè)信號(hào)、和相比較，由滯環(huán)控制器產(chǎn)生逆變器所需的三相 PWM信號(hào)。1.2異步電機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)建模在 MATLAB/SIMULINK環(huán)境下利用電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)中的元件搭建交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng) 2 ，電流控制變頻模型如圖 2 所示。圖 2電流控制變頻模型圖整個(gè)仿真圖由電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)中的元件搭建組成， 元件的直觀連接與實(shí)際的主電路相像似，其中主要包括：速度給定環(huán)節(jié)， PI 速度調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換模塊、磁場(chǎng)定向模塊、滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器、IGBT逆變器元件、異步電動(dòng)機(jī)元件以及測(cè)量和顯示模塊。這些元件都有設(shè)置對(duì)話框， 用戶可以方便的選擇元件類

4、型和設(shè)置參數(shù)。在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，交流異步電機(jī)的模型是最重要的元件，在Powerlib 中給出了各種電機(jī)模型，這大大減少了交流調(diào)速系統(tǒng)的建模難度?？刂葡到y(tǒng)采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中的磁場(chǎng)定向模塊提供矢量控制坐標(biāo)變換需要的磁鏈位置角，電機(jī)模型如圖3 所示。圖 3矢量控制電機(jī)模型仿真框圖1.3 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)仿真由于系統(tǒng)中包含非線性Powerlib模塊 ( 電機(jī)、逆變器 ), 因此仿真采用變步長(zhǎng)算法 , 這樣異步電機(jī)非線性部分和逆變器的過(guò)零點(diǎn)才能精確的計(jì)算出來(lái) , 但是這樣會(huì)增加仿真步數(shù)減少仿真速度。由于在仿真初始化過(guò)程中 ,Power2sys 函數(shù)將逐個(gè)檢查模型中的各個(gè)模塊

5、是否為 Powerlib 模塊 , 這樣對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)在一定程度上會(huì)降低仿真速度。 為此我們可以人為迫使Power2sys 不去檢查那些常規(guī)模塊 , 方法是在常規(guī)模塊以及包含常規(guī)模塊的子系統(tǒng)的模塊名字前加一個(gè)“ $”符號(hào) ,這樣可以提高仿真速度。仿真過(guò)程中由于初始值選擇不當(dāng)或者系統(tǒng)中存在分式 , 會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn)使仿真過(guò)程停止 , 可以在分母中加上一個(gè)很小地值或選擇適當(dāng)?shù)某踔当苊馄娈慄c(diǎn)的出現(xiàn)。圖 2 中的電壓測(cè)量單元和電機(jī)輸出測(cè)量單元是Simulink模塊與 Powerlib模塊間的接口模塊，分別把電機(jī)定子電壓信號(hào)和電機(jī)輸出信號(hào)反饋回 Simulink 模塊。電壓控制信號(hào)作為 Simulink 模

6、塊的信號(hào)送入到 Powerlib 模塊異步電機(jī)時(shí)，是通過(guò)可控電流源（IGBT逆變器）作為中間環(huán)節(jié)。仿真時(shí)要注意二者之間的聯(lián)系，防止仿真出錯(cuò)停止，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型如圖4.圖 4轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型4.4仿真結(jié)果在 MATLAB/SIMULINK6.5環(huán)境下對(duì)所建立的交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)采用變步長(zhǎng)方法進(jìn)行仿真，其中交流異步電機(jī)參數(shù)如下：S=1.898 ，LS=0.196H，Rr=1.45 ，Lr=0.196H ，Lm=0.187H，PN=3kW，UN=380V，J=0.0067kg ·m2，f=50Hz， pn=2。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型的靜、 動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)

7、空載啟動(dòng)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在 t=0.2s 時(shí)轉(zhuǎn)速突加為 180r/min,t=0.4s 時(shí)又突減為 120r/min 。待系統(tǒng)穩(wěn)定后， t=0.6s 時(shí)突加負(fù)載 5Nm，t=0.8s 時(shí)突減負(fù)載，重新回到空載狀態(tài)。 在經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)速突變和負(fù)載擾動(dòng)仿真后， 得到電機(jī)各個(gè)量響應(yīng)輸出波形如圖 712。圖 4電磁轉(zhuǎn)矩波形圖 5電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖 6定子三相電流波形圖 7dq 坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子兩相電流波形圖 8dq 坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖 9dq 坐標(biāo)系下定子磁鏈波形由仿真波形可以看出，在 的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)空載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速很快達(dá)到給定值，電流和轉(zhuǎn)矩波形較為理想。 t=0.2s 時(shí)轉(zhuǎn)速突加到 180r/min ，電流和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，隨即又到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。 t=0.4s 時(shí)轉(zhuǎn)速突然下降，電流和轉(zhuǎn)矩也立即跟隨變化。 t=0.6s 時(shí)突加負(fù)載擾動(dòng)，轉(zhuǎn)矩馬上突變，電流也相應(yīng)增加，而轉(zhuǎn)速幾乎沒(méi)有變化。t=0.8s 時(shí)突減負(fù)載，轉(zhuǎn)矩和電流同時(shí)變化，轉(zhuǎn)速仍然穩(wěn)定在給定的120r/min 上。定轉(zhuǎn)子磁鏈響應(yīng)也隨著變化過(guò)程增大和減小。可見(jiàn)，整個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速給定和負(fù)載擾動(dòng)頻繁突變，而轉(zhuǎn)速能很好的跟隨給定值，且響應(yīng)時(shí)間短， 過(guò)渡過(guò)程快， 有很好的跟隨和抑制擾動(dòng)的性能。整個(gè)變化過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩也能夠瞬間響應(yīng)， 并很快達(dá)到穩(wěn)定。 在穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩有很小的脈動(dòng)，這主要是由于電流