課程設計（論文）-基于Matlab異步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真.doc

基于Matlab轉差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)的仿真概述：常用的電機變頻調速控制方法有電壓頻率協(xié)調控制(即vF比為常數(shù))、轉差頻率控制、矢量控制以及直接轉矩控制等。其中，矢量控制是目前交流電動機較先進的一種控制方式。它又有基于轉差頻率控制的、無速度傳感器和有速度傳感器等多種矢量控制方式。其中基于轉差頻率控制的矢量控制方式是在進行Uf恒定控制的基礎上，通過檢測異步電動機的實際速度n，并得到對應的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對輸出頻率f進行控制的。采用這種控制方法可以使調速系統(tǒng)消除動態(tài)過程中轉矩電流的波動，從而在一定程度上改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，同時它又具有比其它矢量控制方法簡便、結構簡單、控制精度高等特點。Simulink仿真系統(tǒng)是Matlab最重要的組件之一，系統(tǒng)提供了標準的模型庫，能夠幫助用戶在此基礎上創(chuàng)建新的模型庫，描述、模擬、評價和細化系統(tǒng)，從而達到系統(tǒng)分析的目的。在此利用MatlabSimulink軟件構建了轉差頻率矢量控制的異步電機調速系統(tǒng)仿真模型，并對此仿真模型進行了實驗分析。矢量控制是目前交流電動機的先進控制方式，一般將含有矢量交換的交流電動機控制都稱為矢量控制，實際上只有建立在等效直流電動機模型上，并按轉子磁場準確定向地控制，電動機才能獲得最優(yōu)的動態(tài)性能。轉差頻率矢量控制系統(tǒng)結構簡單且易于實現(xiàn)，控制精度高，具有良好的控制性能、因此，早起的矢量控制通用變頻器上采用基于轉差頻率控制的矢量控制方式?；诖耍疚脑贛talab/Simulink環(huán)境下對轉差頻率矢量控制系統(tǒng)進行了仿真研究。1轉差頻率矢量控制系統(tǒng)由于異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。轉差頻率矢量控制是按轉子磁鏈定向的間接矢量控制系統(tǒng)，不需要進行復雜的磁matlab轉差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-1-通檢測和繁瑣的坐標變換，只要在保證轉子磁鏈大小不變的前提下，通過檢測定子電流和旋轉磁場角速度，通過兩相同步旋轉坐標系(M-T坐標系)上的數(shù)學模型運算就可以實現(xiàn)間接的磁場定向控制。其控制的基本方程式如下：usaRs+LsP0LmP0isausb=0Rs+LsP0LmPisburaLmPLmRr+LrPLriraurb-Lm-Lm-LrRr+LrPirb式中：usa，usb，ura，urb為定、轉子在M-T軸上的電壓分量；Ls為定子自感；Lr為轉子自感；Lm為定、轉子互感；1為定子角頻率、s為轉差角頻率；P為微分算子；Rs，Rr為定、轉子電阻。磁鏈方程為：saLs0Lm0isasb=0Ls0LmisbraLmPLmRr+LrPLrirarb0Lm0Lrirb式中：sa，ra為定、轉子磁鏈勵磁分量；sb，rb為定、轉子磁鏈轉矩分量；采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結果調整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。以異步電動機的矢量控制為例：matlab轉差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-2-它首先通過電機的等效電路來得出一些磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉子磁鏈，其中氣息磁鏈是連接定子和轉子的。一般的感應電機轉子電流不易測量，所以通過氣息來中轉，把它變成定子電流。然后，有一些坐標變換，首先通過/變換，變成靜止的d-q坐標，然后通過前面的磁鏈方程產(chǎn)生的單位矢量來得到旋轉坐標下的類似于直流機的轉矩電流分量和磁場電流分量，這樣就實現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應速度。最后再經(jīng)過/變換，產(chǎn)生三相交流電去控制電機，這樣就獲得了良好的性能。矢量控制（VC）方式:矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1和Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。綜合以上：矢量控制無非就四個知識：等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐標變換（包括靜止和旋轉）。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。2轉差頻率控制的基本原理調速系統(tǒng)的動態(tài)性能主要取決于其對轉矩控制能力。由于直流電動機的轉矩與電流成正比關系，控制電流即可控制轉矩控制，較易實現(xiàn)，而交流異步電動機的轉矩控制比真流電動機要復雜。轉差頻率矢量控制的目標就是將交流電動機復雜的轉矩控制模型轉化為類似直流電動機的簡單轉矩控制模型。從原理上說，矢量控制方式的特征是：它把交流電動機解析成與直流電動機一樣，具有轉矩發(fā)生機構，按照磁場和其正交的電流的積就是轉矩這一最基本的原理，從理論上將電matlab轉差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-3-動機的一次電流分離成建立磁場的勵磁分量和與磁場正交的產(chǎn)生轉矩的轉矩分量，然后分別進行控制。2.1控制原理敘述轉差頻率控制控制思想就是從根本上改造交流電動機，改變其產(chǎn)生轉矩的規(guī)律，設法在普通的三相交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規(guī)律。異步電動機的基本方程式為：MLLirmrr1（1）strrmsiTL（2）rmrmLPTi11（3）Te=nPrrStmLiL（4）r=1prSmmTiL（5）式中：ri1、mi1分別為轉子電流的轉矩分量和勵磁分量；mL、rL分別為定、轉子電感；r為轉子總磁鏈；s為轉差角頻率；rT為轉子時間常數(shù)；eT為電磁轉矩；pn為異步電動機的磁極對數(shù)；P為微分算子；mL1為定子繞組漏感。任何電氣傳動控制系統(tǒng)均服從以下基本運動方程：dtdnJTTpLe（6）式中LT為負載轉矩，J為電動機轉子和系統(tǒng)的轉動慣量。由式（6）可知，要提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，主要是控制轉速的變化率dtd。顯然，通過控制eT就能控制dtd，因此調速的動態(tài)特性取決于其對eT的控制能力。電動機穩(wěn)態(tài)運行時，轉差率s很小，因此s也很小，轉矩的近似表達式為：matlab轉差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-4-22RKTsmme（7）式中：mK為電動機的結構常數(shù)，m為氣隙磁通，2R為折算到定子邊的轉子電阻。只要能夠保持m不變，異步電動機的轉速就與s近似成正比，即控制s就能控制eT，也就能控制dtd，與直流電動機通過控制電流即可控制轉矩類似。控制轉差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。把轉矩特性（即機械特性）：)(sefT畫在下圖中：圖2-1按恒m值控制的Te=f(s)特性可以看出：在s較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉矩Te基本上與s成正比，當Te達到其最大值Temax時，s達到smax值。由相關公式可以得到：rrmaxslLR（8）r2mmmaxe2lLKT（9）在轉差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s限幅，使其限幅值為：rrmaxssmlLR，就可以基本保持Te與s的正比關系，也就可以用轉差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的基本規(guī)律之一。上述規(guī)律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是問題又轉化為，如何能保持m恒定？我們知道，按恒Eg/1控制時可保持m恒定。在等效電路中可得：matlab轉差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-5-11gs1ssgs1sss)()(ELjRIELjRIUll（10）由此可見，要實現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/1=恒值的基礎上再提高電壓Us以補償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒Eg/1控制所需的電壓-頻率特性Us=f(1,Is)?？偨Y起來，轉差頻率控制的規(guī)律是：（1）在ssm的范圍內，轉矩Te基本上與s成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時，按函數(shù)關系Us=f(1,Is)控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。2.2轉差頻率控制系統(tǒng)組成頻率控制轉速調節(jié)器ASR的輸出信號是轉差頻率給定s*，與實測轉速信號相加，即得定子頻率給定信號1*，即*1*s電壓控制由1和定子電流反饋信號Is從微機存儲的Us=f(1,Is)函數(shù)中查得定子電壓給定信號Us*，用Us*和1*控制PWM電壓型逆變器，即得異步電機調速所需的變壓變頻電源。公式*1*s所示的轉差角頻率s*與實測轉速信號相加后得到定子頻率輸入信號1*這一關系是轉差頻率控制系統(tǒng)突出的特點或優(yōu)點。它表明，在調速過程中，定子頻率1隨著轉子轉速同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。同時，由于在動態(tài)過程中轉速調節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對應于sm的限幅轉矩Tem進行控制，保證了在允許條件下的快速性。由此可見，轉速閉環(huán)轉差頻率控制的交流變壓變頻調速系統(tǒng)能夠像直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣具有較好的靜、動態(tài)性能，是一個比較優(yōu)越的控制策略，結構也不算復雜。然而，它的靜、動態(tài)性能還不能完全達到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距的原因有以下幾個方面：（1）在分析轉差頻率控制規(guī)律時，是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩matlab轉差率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真-6-公式出發(fā)的，所謂的“保持磁通m恒定”的結論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動態(tài)中m如何變化還沒有深入研究，但肯定不會恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實際動態(tài)性能。（2）Us=f(1,Is)函數(shù)關系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流的相位也是影響轉矩變化的因素。（3）在頻率控制環(huán)節(jié)中，取*1*s，使頻率得以與轉速同步升降，這本是轉差頻率控制的優(yōu)點。然而，如果轉速檢測信號不準確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上來了。3、轉差頻率矢量控制系統(tǒng)構建轉差頻率控制的異步電動機矢量控制調速系統(tǒng)