矢量控制系統(tǒng)仿真課程設計綜述

1、武漢理工大學電力拖動與控制系統(tǒng)課程設計說明書矢量控制系統(tǒng)仿真課程設計初始條件：根據轉差頻率矢量控制系統(tǒng)原理圖設計對應的 simulink仿真模型，電機 參數為：額定功率power=2.2KW線電壓Ul=220；3v,額定頻率f =50Hz ;定子 電阻 Rs =0.435門,漏感 Lis -0.002H ；轉子電阻 RrO.8161 ,漏感 Li-0.002H ；互感 Lm =O.O69H ,轉動慣量J =O.O89kg.mA2,極對數P =2,其余參數為0。要求完成的主要任務：(1) 用MATLA建立矢量控制系統(tǒng)仿真模型；(2) 根據仿真結果分析起動時定子電流勵磁分量和轉矩分量;(3) 根據

2、仿真結果分析起動時轉速與轉子磁鏈。摘要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)中磁鏈調節(jié)器的 設計方法。并用MATLAB!終得到了仿真結果。關鍵詞：矢量控制非線性MATLAB仿真矢量控制系統(tǒng)仿真1設計條件及任務1.1

3、設計條件根據轉差頻率矢量控制系統(tǒng)原理圖設計對應的 simulink仿真模型，電機參數為：額定 功率power=2.2KW線電壓U l = 220. 3V ,額定頻率f = 50Hz ;定子電阻Rs = 0.435;；】，漏感 Lis=0.002H ;轉子 電阻 Rr =0. 816 ,漏感 Llr = 0. 00H ;互感 Lm = 0. 0 6H ,轉動慣量 J =0. 0 8 9g m八,極對數P =2,其余參數為0。1.2設計任務（1）用MATLA建立矢量控制系統(tǒng)仿真模型；（2）根據仿真結果分析起動時定子電流勵磁分量和轉矩分量；（3）根據仿真結果分析起動時轉速與轉子磁鏈。2異步電動機矢量

4、控制原理及基本方程式2.1矢量控制基本原理矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產生相同的旋轉磁動勢為準則，將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流通過坐標變換等效成同步旋轉坐標系上的直流電流，并分別加以控制,從而實現磁通和轉矩的解耦控制，以達到直流電機的控制效果。所謂矢量控制，就 是通過矢量變換和按轉子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，在按轉子磁鏈定向坐標系 中，用直流電動機的方法控制電磁轉矩與磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量經變 換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。其中等效的直流電動機模型如圖2-1所示，在三相坐標系上的定子交流電流iA，iB，ic，通過3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐

5、標系上的交 流is-.和is：；再通過與轉子磁鏈同步的旋轉變換，可以等效成同步旋轉正交坐標系上的直流電 流ism和ist。m繞組相當于直流電動機的勵磁繞組，ism相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞 繞組，ist相當于與轉矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結構圖如圖2-2所示。3/2t 變換22圖2-1異步電動機矢量變換及等效直流電動機模型圖2-2矢量控制系統(tǒng)原理結構圖JsiTi“SO*Gin施轉 變換 2r/2s3/2 蠻換c揑制3/2變換2s/2r謚電動%通過轉子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵磁分量ism和轉矩分量1st，轉子磁鏈* r僅由定子電流分量ism產生，而電磁轉矩Te正比與轉

6、子磁鏈和定子電流轉矩分量的乘積，實現了定子電流的兩個分量的解耦。簡化后的等效直流調速系統(tǒng)如圖2-3所示?？刂破髦眲有托I(yè)模等撓機圖2-3簡化后的等效直流調速系統(tǒng)2.2按轉子磁鏈定向的基本方程異步電動機在兩相同步旋轉坐標系上的數學模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉矩 方程。分別如下：usqurdUqs LsPiLsLmP-sLmi rdirq(2-1)-iLsRsLsPiLmLmPLmP-iLmRrLrPsLriLmLmP-sLrRrLrP-屮屮屮sdsqrdrqLs0Lm00Ls0LmL m0L r00L m0Lrisdirq )Te _ npLm(isqird當兩相同步旋轉坐標系按轉子磁鏈定

7、向時，應有屮=屮 =屮 rdrmr_isd Ii sqi rdrq _(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)得到dq坐標系的狀態(tài)方程dwLmdtis； r-dtrTrsddisdLmRsLr2dt、-Ls Lr Tr-LsL；R丄2m isd Wisq(2-6)disqLmdt-LsLr2 2JsqWsd匚 LsL；得到旋轉角速度:Lmsq(2-7)得到電磁轉矩表達式:Lris?(2-8)得到轉子磁鏈表達式:Lm1 TrPsm(2-9)式中：1為同步轉速；為轉子轉速；u為電壓；*為磁鏈；i為電流；R電阻；L為電感；np為極對數;Tr為轉子時間常數且丁 =5 ；二為電動機漏磁系數且尺Lm ；

8、LsLr ；c d rP -為微分因子。s表示定子；r表示轉子 dt轉子間的互感。d表示d軸；q表示q軸；m表示同軸定、3坐標變換3.1坐標變換原理由于異步電動機三相原始動態(tài)數學模型相當復雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應用中必須予以簡化，由于直流電動機的主磁通基本上由勵磁繞組的勵磁電 流決定，這是直流電動機的數學模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電 動機的物理模型等效地變換成類似直流電動機的模式，分析和控制就可以大大簡化。所以,三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效代替，等效的原則是產生的磁動勢相 等。其中圖3-1和圖3-2分別為三相坐標系和兩相坐標系物理模型

9、和靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系的物理模型圖3-1三相坐標系和兩相坐標系物理模型圖3-2靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系的物理模型三相繞組A、B、C和兩相繞組之間的變換，稱作三相坐標系和兩相正交坐標系間的變 換，簡稱3/2變換。圖3-3中繪出ABC和兩個坐標系中的磁動勢矢量，將兩個坐標系原點 重合，并使A軸和軸重合。設三相繞組每相有效匝數為Ng，兩相繞組每相有效匝數為N2 按磁動勢相等的原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組在的投影都應相等。圖3-3三相坐標系和兩相正交坐標系中的磁動勢矢量因此,(3-1)二 二 11N2i，N3iA-N3iBCOS-N3icCO丁 N3(i

10、AWB7ic)寫成矩陣形式，得N2H = NgiBsin-3兀Naic(3-2)花1Ns如N2 j292用(3-3)根據變換前后總功率不變，得吐N2考慮到iA iB i0，最終得到坐標變換式為i:JB.(3-4)(3-5)相應的逆變換為Ja!=0；ial1. B -11I46從靜止兩相正交坐標系a B到旋轉正交坐標系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉正交變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉，變換的原則同樣是產生的磁動勢相等。其靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系中的磁動勢矢量圖如圖3-4所示。id 丨 coSCn圖3-4靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系中的磁動勢矢量 旋轉正交變換為

11、(3-6)靜止兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系的變換陣為 coSsPril(3-7)C2s/si n，cos對(3-6)式進行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉的變換矩陣為:C2s2rNdcos-si ns i n cos(3-8)電壓和磁鏈的旋轉變換陣與電流旋轉變換陣相同3.2建立坐標變換模型321 2r/3s變換模型根據式子（3-3）和（3-8）可以建立3s/2r的電路模型結構圖如圖3-5所示。 吩+ Misrun* 抽csKM-apL 刖Vd*irwt * V-q*ttsl/3) VoVC Vdsin(wt*2pira)* Vq*c&s(Mrt*2pa)+ Vo圖 3-5 dqo_to_ab

12、c 模塊2r/3s變換為C2r( = sin (申 一2 pi /3 )S .sin (申 + 2 pi / 3 )cos1cos ( - 2 pi / 3 ) 1cos 亠 2 pi / 313.2.2 3s/2r變換模型*abc(3-9)3s/2r變換為(3-10)2 / 3 si n 2 /3 sin ： . 2 pi / 32/3s ini心亠 2 pi /32 / 3 cos 半2 / 3 cos (護 _ 2 pi / 3)2 / 3 cos(半+ 2 pi / 3)1 /31 /31 /34矢量控制系統(tǒng)設計4.1矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式思想圖4-1為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結構

13、圖，轉子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉子可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結構， 必須加轉速外環(huán)。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個是將定子電流兩個分量的給定置 i；m和i；t施行2/3變換，得到三相電流給定值，再經過 PW控制逆變器輸出三相電壓，采用 電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標系中完成電流閉環(huán)控制，如圖4-2。另一個是將檢測到得三相電流施行3/2變換和旋轉變換得到ist和ism。本次MATLA仿真系統(tǒng)設計也是采用的這種控制方法。圖4-1電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結構圖圖4-2帶轉矩內環(huán)和磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的電氣原理圖4.2 MATLAB系統(tǒng)

14、仿真系統(tǒng)設計本次MATLA系統(tǒng)結構仿真模型如圖4-3所示，其中SVPW用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若 采用實際的SVPW方法仿真，將大大增加仿真計算時間，對計算機的運行速度和內存容量 要求較高，轉速，轉子磁鏈和兩個電流調節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調節(jié)器,兩相磁鏈有電動機模型直接得到，其中轉子磁鏈的幅值也直接有電動機模型直接得到。由圖中可知ASR為轉速調節(jié)器，APsirR為轉子磁鏈調節(jié)器，ATF為定子電流轉矩分量 調節(jié)器。三個調節(jié)器都采用PI調節(jié)器。4.3 PI調節(jié)器設計PI調節(jié)器，其傳遞函數為；Ki(is 1)芻 s( 4-1)本次仿真設計中的調節(jié)器都是采用WAcr (s)Ki 電流調節(jié)器的比

15、例系數；i 電流調節(jié)器的超前時間常數。其PI調節(jié)器的MATLA仿真結構圖如圖4-3，而且此PI調節(jié)器是帶了限幅的。根據MATLAB 的仿真圖形，不斷改進PI調節(jié)器和Kp和Ki，最終得到的各種調節(jié)如下：(1)磁鏈調節(jié)器APsirR，其結構圖如圖4-3所示。其中G1=1.8, G2=100輸出限幅值 -1313。其中磁鏈給定為1.5。G1圖4-3 APsirR調節(jié)器(2)轉速調節(jié)器ASR,其結構圖如圖4-4所示。其中G仁3.8, G2=0.8,輸出限幅值-7575 其中轉速根據電機的額定轉速1400 r/min圖4-4 ASR調節(jié)器(3)轉矩調節(jié)器ATR其結構圖如圖4-5所示。其中G1=4.5,

16、G2=12輸出限幅值-6565。圖4-5 ATR調節(jié)器5仿真結果5.1電機定子側的電流仿真結果電機定子電流Ism和1st仿真結果如圖5-1所示，（上）圖為Ism，（下）圖為1st。系統(tǒng) 在t=0.6S時突加負載。由仿真結果可知：空載起動時，定子電流勵磁分量lsm基本穩(wěn)定不變， 突加負載后，雖有微小波動但基本保持穩(wěn)定；空載起動時，轉矩分量1st迅速上升至幅值，并以此幅值起動電機，電機起動后隨即減小至0，突加負載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運行。圖5-1電機定子側的電流Ism圖5-2電機定子側的電流1st5.2電機的轉子轉速和轉子磁鏈仿真結果電機的轉子速度 Wr （上）和轉子磁鏈Psir

17、（下）仿真結果圖4-4所示。可見，電機 起動后，轉速成線性上升，當上升到給定值時，轉速調節(jié)器ASR的輸出由于積分作用還維 持在幅值。轉速超調后使得 ASR退飽和從而穩(wěn)定在給定值。突加負載后， 轉速下降，但由 于采用的是PI調節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉速很快上升繼續(xù)保持在給定值，其PI仿真圖如圖5-2所示。又圖中可知在電機啟動時，轉速剛開始是以一個較大的線性速度增 加，當達到1400r/min時，就基本保持穩(wěn)定不變，當突增額定負載時，但由于采用的是 調節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉速很快上升繼續(xù)保持在給定值。圖5-3轉子轉速n仿真圖圖5-4轉子磁鏈Psir仿真圖心得體會這次課設經過同

18、組人的共同努力終于順利完成了。這此課設題包括兩個部分，電機 模型部分和矢量控制部分。我主要負責矢量控制部分，包括調節(jié)器的設計，仿真模型框圖 設計。剛拿到這個課題的時候，完全不知道如何入手，后來我們重新學習了相關理論知識 才慢慢有了思路。做課設的過程是個自我探索、自我學習的過程，在此期間，我們不僅學 到了專業(yè)的知識，也提升了自己的學習能力。這次課設收獲很大，不僅深入了解了異步電 動機矢量控制，也再一次熟悉了 Matlab這個常用軟件。調配參數費了很多時間，總是得 不到理想的仿真結果，其中需要自己學習很多東西，并在很短的時間內融會貫通，考驗了 自己的學習能力。我明白了堅持不懈的真正含義，是次難忘的課設。通過以上仿真過程可 以看出,采用MATLAB境下的SIMULINK仿真工具,可以快速地完成一個電動機控制系統(tǒng)的 建模、仿真，且無須編程,仿真直觀、方便、靈活。異步電動機矢量控制MATLA仿真實驗對于開發(fā)和