異步電機矢量控制仿真

上海應用技術大學設計題目異步電機矢量控制Matlab仿真院〔系〕工程創(chuàng)新學院專業(yè)電氣工程及其自動化班級131032Y1學號1310300235學生姓名聶震指導教師宗劍異步電機矢量控制Matlab仿真聶震〔上海應用技術學院，工程創(chuàng)新學院，1310300235〕摘要：矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機控制方式，它可以使交流電機取得同直流電機相媲美的控制效果。本文研究了按磁場定向的直接矢量控制系統(tǒng)的仿真建模方法，并在MATLAB下的SIMULINK環(huán)境里運行得到仿真結果，最后對仿真結果進行分析。關鍵詞：矢量控制，交流電機，MATLAB仿真ABSTRACT:VectorcontrolisakindofsuperiorACmotorcontrolmode,itcanmaketheACmotorwithDCmotorcomparabletothecontroleffect.Inthispaper,thedirectvectorcontrolsystembasedonfieldorientedsimulationmodelingmethodisstudied,andthesimulationresultsareobtainedintheSIMULINKenvironmentofMATLAB,andthesimulationresultsareanalyzed.KEYWORDS：Vectorcontrol,ACmotor,MATLABsimulation異步電動機數(shù)學模型根本原理異步電動機是個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電動機數(shù)學模型時，作如下的假設：〔1〕忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間中互差電角度，產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；〔2〕忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；〔3〕忽略鐵心飽和；〔4〕不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。2、矢量控制根本原理矢量控制實現(xiàn)的根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矩電流進行控制，從而到達控制異步電動機轉矩的目的。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)生轉矩的電流分量(轉矩電流)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。2.1坐標變換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)生同樣的旋轉磁動勢為準那么，在三相坐標系上的定子交流電流、、，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和，再通過同步旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉，他所看到的就好似是一臺直流電動機。2.1.13/2變換 三相繞組、、和兩相繞組、之間的變換，稱作三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱3/2變換。圖1中繪出了、、和、兩個坐標系，為方便起見，取軸和軸重合。當三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在、軸上的投影都應相等:圖1三相、兩相靜止坐標系與磁通勢空間矢量是三相坐標系變換到兩相坐標系的電流變換陣，根據(jù)變換前后產(chǎn)生相同的磁動勢的原那么和變換前后功率不變的原那么，可以得到：如果從兩相坐標系變換到三相坐標系，簡稱2/3變換:考慮到實際異步電機的三相繞組為不帶中線的對稱繞組，沒有零軸電流，并且滿足,于是三相坐標系與兩相坐標系之間的電流變換可進一步簡化為：2.1.22s/2r變換圖2兩相靜止和旋轉坐標系與磁動勢空間關系在圖2中，兩相交流電流和兩個直流電流，產(chǎn)生同樣的以同步轉速旋轉的合成磁動勢。由圖2可見，，之間有以下關系:兩相旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換矩陣為：兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換矩陣是:3．轉子磁鏈觀測模型矢量控制是以轉子磁鏈的矢量來定向的，首先需要確定的瞬時空間位置。在控制系統(tǒng)中，為了對運行參數(shù)的指令值和實際檢測值進行數(shù)學運算，還需要知道的大小。因此，轉子磁鏈準備的檢測和運算，是進行矢量變換控制的前提。轉子磁鏈觀測器的設計一般要滿足以下兩點要求:〔1〕模型算法穩(wěn)定，模型的估計值對實際值的收斂速度要快，符合實際應用要求?！?〕對電動機參數(shù)的變換具有自適應和自校正的功能，對測量時信號的噪聲干擾有濾波、抑制的功能。本次仿真采用基于靜止坐標系〔〕轉子磁鏈電流觀測模型4.矢量控制系統(tǒng)設計按轉子磁鏈定向僅僅視線了定子電流兩個分量的解耦，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，使實際電流快速跟隨給定值。在按轉子磁鏈定向坐標系中計算定子電流勵磁分量和轉矩分量給定值，經(jīng)過反旋轉變換2r/2s和2/3變換得到三相電流。通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動機所需的三相定子電流。4.1轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程圖3靜止正交坐標系與按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系4.2按轉子磁鏈定向矢量控制的根本思想 在按轉子磁鏈定向坐標系中計算定子電流勵磁分量和轉矩分量給定值和，經(jīng)過反旋轉變換2r/2s得到和，再經(jīng)過2/3變換得到、和，然后通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動機所需的三相定子電流。圖4矢量控制系統(tǒng)原理結構圖4.3磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng) 間接定向矢量控制系統(tǒng)借助于矢量控制方程中的轉差公式，構成轉差型的矢量控制系統(tǒng)，它繼承了基于穩(wěn)態(tài)模型轉差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點，又利用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了大局部的缺乏之處。圖5磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)5．異步電機矢量控制仿真5.1電機參數(shù)圖6電機參數(shù)5.2仿真圖圖7仿真圖5.3仿真波形及分析額定轉速給定1500r/min5.3.1空載啟動時：起動轉矩Tm=0N·m圖8空載起動時電機nTeiq波形圖從圖中可以看出，當t=0.04s電機到達穩(wěn)定轉速1500r/min，超調量很小，轉矩Te等于0，電機到達要求。5.3.2重載啟動時起動轉矩Tm=24N·m圖9重載起動時電機nTeiq波形圖從圖中可以看出，當t=0.04s電機到達穩(wěn)定轉速1500r/min，超調量很小，啟動時轉速有負的是由于啟動轉矩太大引起電機反向轉動。轉矩Te大約等于20N·m，電機到達要求。5.3.3空載啟動，突加負載：起動轉矩Tm=0N·m，在0.2s時突加17N·m的負載。圖10突加負載時電機nTeiq波形圖從圖中可以看出，當t=0.04s電機到達穩(wěn)定轉速1500r/min，超調量很小，當t=0.2s時突加負載，速度有所跌落，但是很快又恢復額定轉速1500r/min。轉矩Te由于突加負載而有所增加，電機到達要求。6．總結與分析從圖8我們可以看出，在額定轉速下，系統(tǒng)空載起動，電機的輸出轉速很快就到達了穩(wěn)定狀態(tài)，而且超調量很小，可見系統(tǒng)有著良好的動態(tài)性能，轉速波形和輸出轉矩波形較為理想；由圖10可知，當突加負載時，系統(tǒng)很快就跟蹤上了變化，過度過程快，有很好的跟隨和抑制擾動的性能，相應時間短，說明系統(tǒng)有著良好的調速性；總體來看，不管是恒速運行還是變速運行，系統(tǒng)都有著比擬優(yōu)良的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能和調速性能，說明矢量控制是交流電機控制領域里一種比擬優(yōu)越的控制方式。本次利用MATLAB/SIMULINK建立了異步電動機直接