交流異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯交流異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案-技術(shù)方案摘要：本文主要利用電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理，提出了一種異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及其控制策略總體設(shè)計(jì)方案，采用Simulink工具構(gòu)建了矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)介紹了各個(gè)子模塊的構(gòu)建方法和功能。通過仿真可得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，表明系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)能力和魯棒性，為矢量控制技術(shù)提供了一種前期檢驗(yàn)方法和研究手段。

0引言

異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，矢量控制是電機(jī)控制系統(tǒng)的一種先進(jìn)控制方法，由于其交流調(diào)速時(shí)的優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用到異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。基于Simulink的交流異步電機(jī)仿真可以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的有效性，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用過程中可能遇到系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。

本文以雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)為研究對象，在Simu-link中進(jìn)行仿真來驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性。通過分析仿真結(jié)果得到矢量控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，從而證實(shí)了本設(shè)計(jì)方案的可行性。

1矢量控制原理

矢量控制系統(tǒng)，簡稱VC系統(tǒng)，坐標(biāo)變換是思想。矢量控制的基本思想是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢為準(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等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流，在通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換將其等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，等效過程中實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量。便可將三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)來控制，獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)接近的動(dòng)、靜態(tài)性能。

矢量控制中矢量變換包括三相-兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，將d軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀誶的方向稱為M軸，將q軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°，即垂直于矢量φr的方向稱為T軸，經(jīng)過變換電壓-電流方程改寫為式（1），磁鏈方程為式（2）：

化簡可得轉(zhuǎn)矩方程為：

由式（2）可得轉(zhuǎn)子磁鏈φr僅由定子電流勵(lì)磁分量isM產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量isT無關(guān)，而isM和isT是相互垂直的，這兩者是解耦的。矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1上可以看出系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速、磁鏈的閉環(huán)控制。圖中標(biāo)*的量為給定量，其余為實(shí)際測量值。

2基于Simulink的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

2.1系統(tǒng)總體模型

根據(jù)矢量控制系統(tǒng)原理，利用Matlab/Simlink軟件中的電氣系統(tǒng)工具箱SimPowerSystems對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

整體系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

2.2仿真模型中主要部分

2.2.1異步電動(dòng)機(jī)與逆變模塊

異步電動(dòng)機(jī)選用SimPowerSystem模塊庫中的Asyn-chronousMachineSIUints,選擇在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的籠式異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。模塊的A,B,C是異步電動(dòng)機(jī)定子繞組輸入端，與IGBT逆變器的輸出相連。逆變部分由SimPowerSystem模塊庫中的PowerElectronic下的UniversalBridge模塊形成，逆變器的輸入pulse端為PWM控制信號（6路），輸出為三相ABC交流電壓。

2.2.2矢量控制模塊

矢量控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。子模塊輸入角速度給定和實(shí)際角速度值求偏差，并送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）；磁鏈給定的偏差信號用來作為磁鏈調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入，dq-abc、各計(jì)算環(huán)節(jié)及abc-dq實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦控制，pulsesgenerator單元產(chǎn)生脈沖信號控制IGBT逆變器達(dá)到變頻調(diào)速的目的。轉(zhuǎn)子磁鏈相位角和勵(lì)磁、轉(zhuǎn)矩電流計(jì)算均根據(jù)矢量控制原理采用Simulink下的Fun模塊設(shè)置函數(shù)，本文不再給出它們的具體仿真模型。

2.2.3脈沖發(fā)生器模塊

脈沖發(fā)生器模塊由滯環(huán)控制器和邏輯非運(yùn)算器組成。模塊的輸入信號是三相給定電流和三相實(shí)測電流，輸出信號是由六路IGBT逆變器逆變來的六相脈沖信號。模塊將給定信號和實(shí)際測量信號進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測電流小于給定電流且偏差大于滯環(huán)寬度時(shí)，輸出為1,逆變器相正向?qū)ǎ?fù)向關(guān)斷；當(dāng)實(shí)際電流大于給定電流且偏差小于滯環(huán)寬度時(shí)，輸出為0,逆變器相負(fù)向?qū)ǎ蜿P(guān)斷。采用逆變器通與斷來調(diào)節(jié)逆變器輸出線電壓的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。電流滯環(huán)控制器模型如圖4所示。

2.2.4abc-dq,dq-abc坐標(biāo)變換模塊

abc-dq變換模塊實(shí)現(xiàn)三相定子坐標(biāo)到dq坐標(biāo)的變換，變換模塊模型如圖5所示；dq-abc變換模塊實(shí)現(xiàn)dq坐標(biāo)到三相定子坐標(biāo)的變換，變換模塊仿真模型如圖6所示。采用三相到兩相或兩相到三相變換表達(dá)式設(shè)置變換模塊中相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式。仿真采用的Simu-link/User-DefinedFunction/MatlabFcn模塊實(shí)現(xiàn)不同形式的函數(shù)運(yùn)算。

3仿真結(jié)果及分析

3.1參數(shù)設(shè)置

在啟動(dòng)仿真之前，首先要設(shè)置交流異步電機(jī)參數(shù)：

額定線電壓220V、交變頻率50Hz、磁極對數(shù)2,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.662;阻尼系數(shù)D=0.1;定子內(nèi)阻Rs=0.087Ω，定子漏感Ls=0.8mH;轉(zhuǎn)子內(nèi)阻Rr=0.028Ω，轉(zhuǎn)子漏感Lr=0.8mH;定轉(zhuǎn)子互感Lm=34.7mH.

逆變器參數(shù)：逆變器設(shè)置為三電平橋式電路IGBT,逆變器直流電源VDC=780V,給定磁通值φ*r=0.96Wb;轉(zhuǎn)速控制器（PI調(diào)節(jié)器）參數(shù)kp=13,ki=26,限幅為300;電流控制器的滯環(huán)寬度H=20A.負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10N-m,給定角速度為20rad/s.

3.2仿真分析

通過選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，采用不同的PID參數(shù)對電機(jī)的空載、負(fù)載及正常運(yùn)行過程進(jìn)行仿真，本仿真采用試湊的方法完成兩個(gè)調(diào)節(jié)器PID參數(shù)選擇。結(jié)果得系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)、動(dòng)靜態(tài)性能都較好，轉(zhuǎn)速超調(diào)小且穩(wěn)態(tài)誤差小。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該建模方法的有效性和正確性。

4結(jié)語

異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)一直都是系統(tǒng)原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)，基于Sim