異步電機(jī)矢量控制Matlab仿真實(shí)驗(yàn)..（精編版）

1、基于 matlab/simulink異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真一 理論基礎(chǔ)矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(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通過坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流, 并分別加以控制,從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。所謂矢量控制，就是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動(dòng)機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中，用直流電動(dòng)機(jī)的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈,然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量經(jīng)變換得到三相坐標(biāo)系的對應(yīng)量，以實(shí)施控制。其中等效的直流電動(dòng)機(jī)模型如圖1-1 所示，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流ia 、ib、ic ，通過

2、3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標(biāo)系上的交流is 和 is ，再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電流ism 和 ist 。圖 1-1 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換及等效直流電動(dòng)機(jī)模型從圖 1-1 的輸入輸出端口看進(jìn)去，輸入為 a、b、c三相電流， 輸出為轉(zhuǎn)速， 是一臺異步電動(dòng)機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2 變換和旋轉(zhuǎn)變換2s/2r ，變成一臺以ism 和 ist為輸入、為輸出的直流電動(dòng)機(jī)。m繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，ism 相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t 繞組相當(dāng)于電樞繞組，ist相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦，電流的微分方程中仍存在

3、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(shí)際電流快速跟隨給定值，圖1-2 是基于電流跟隨控制變頻器的矢量控制系統(tǒng)示意圖。圖 1-2 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，轉(zhuǎn)子磁鏈r僅由定子電流分量 ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩et正比與轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流的兩個(gè)分量的解耦。簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-3 所示。圖 1-3 簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)二設(shè)計(jì)方法1.電流模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈在實(shí)用的系統(tǒng)中多采用按模型計(jì)算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空

4、間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來，也可以利用專題觀測器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測模型。在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測信號的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。本設(shè)計(jì)采用在 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。由實(shí)測的三相定子電流通過3/2 變換得到靜止兩相正交坐標(biāo)系上的電流is和 is，在利用 坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型式計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在 軸上的分量srrrsrrritrlmtrdtditrlmtrdtd11(2-1-1) 也可表述為：)(11)(11rrsmrrrrsmrrtilsttilst(2-1-2) 然后，采用直角坐標(biāo)- 極坐標(biāo)變換，就可得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆祌和空間位置，考慮到矢

5、量變換中實(shí)際使用的是的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式22rrr(2-1-3) rrsin(2-1-4) rrcos(2-1-5) 圖 2-1-1 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型2 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 3-1 為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個(gè)是將定子電流兩個(gè)分量的給定置*smi和*sti施行 2/3 變換，得到三相電流給定值。采用電流滯環(huán)控制型pwm 變頻器，在三相定子坐標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制。另一個(gè)是將檢測到得三相電

6、流施行3/2 變換和旋轉(zhuǎn)變換，達(dá)到mt 坐標(biāo)系中的電流smi和sti。采用 pi 調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值*smu和*stu，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓*u和*u，再經(jīng)過 svpwm 控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2 所示。本次matlab 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是采用的這種控制方法。圖 3-1 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 3-2 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本次 matlab系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖3-3 所示，其中svpwm 用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若采用實(shí)際的 svpwm 方法仿真， 將大大增加仿真計(jì)算時(shí)間，對

7、計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和內(nèi)存容量要求較高，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的pi 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度由電動(dòng)機(jī)模型直接得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖3-3 所示。圖 3-3 矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖由圖中可知asr 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， apsirr 為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，acmr 為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器，actr 為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，對轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈或轉(zhuǎn)速環(huán)。其中系統(tǒng)中的k/p 模塊是計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-4 所示。圖 3-4 轉(zhuǎn)子磁鏈和角度計(jì)算結(jié)構(gòu)圖在此次設(shè)計(jì)中，由于電動(dòng)機(jī)模型是根

8、據(jù)兩相靜止 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型建立，在仿真設(shè)計(jì)中加入了靜止兩相 旋轉(zhuǎn)正交變換 （2s/2r 變換）和旋轉(zhuǎn) 靜止兩相正交變換 （2r/2s 變換） ， 其 matlab仿真結(jié)構(gòu)圖分別如圖3-5 和圖 3-6 所示。圖 3-5 2s/2r 變換結(jié)構(gòu)圖圖 3-6 2r/2s 變換結(jié)構(gòu)圖本次仿真設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)器都是采用pi 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為；iiacri(1)( )kswss(3-1)ik 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。同時(shí)其傳遞函數(shù)也可寫為：( )iasrpkwsks(3-2)其 pi 調(diào)節(jié)器的 matlab 仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-7 所示。而且此pi 調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)m

9、atlab的仿真圖形，不斷改進(jìn)pi 調(diào)節(jié)器和 kp 和 ki 。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-7 所示，其中kp 取5，ti 取 10，積分限幅取 -100100，轉(zhuǎn)速給定根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1430 r/min，可以得到其轉(zhuǎn)速給定為。圖 3-7 asr 調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器apsirr ,其結(jié)構(gòu)圖與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)相同，其中磁鏈給定為。兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器ma tlab 仿真模型如圖3-8 所示。只是參數(shù)不同，acmr 的 kp 取 5，ti 取 10；actr 的 kp 取 5，ti 取 15。圖 3-8 電流調(diào)節(jié)器acmr 和 actr 仿真結(jié)構(gòu)圖三 仿真結(jié)果電機(jī)定子側(cè)的電流仿真結(jié)果電機(jī)定子側(cè)的

10、電流 （isa&isb）仿真結(jié)果如圖4-1 所示。系統(tǒng)在 t=3s 時(shí)突加負(fù)載。 由仿真結(jié)果可知 :空載起動(dòng)時(shí)，定子電流基本穩(wěn)定不變，成正弦變化。在t=3s 突加負(fù)載后，電流仍成正弦變化，幅值變大，但基本保持穩(wěn)定。0123456-20-15-10-5051015202.82.933.13.23.33.4-20-15-10-505101520圖 4-1 電機(jī)定子側(cè)的電流（isa&isb）電機(jī)定子測電流（ia&ib&ic ）仿真結(jié)果如圖4-2 所示，空載啟動(dòng)時(shí)電流成交流變化，并且幅值逐漸變大，然后趨于穩(wěn)定，電機(jī)在恒定幅值穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)t=3s 突加負(fù)載后，電流幅值突然

11、加大，然后有一定的回落直到穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電流仍成交流變化，幅值大于空載運(yùn)行時(shí)。012345678910-20-10010202.82.852.92.9533.053.13.153.23.253.3-20-15-10-505101520圖 4-2 電機(jī)定子側(cè)的電流（ia&ib&ic ）電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩te 的仿真結(jié)果如圖4-3 所示。結(jié)果表明，電機(jī)在空載啟動(dòng)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有一個(gè)突變到較大值，隨著電機(jī)的啟動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩減小直至為0 并穩(wěn)定運(yùn)行。在突加負(fù)載后，通過系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩突增并超過給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定值，以保證電機(jī)正常運(yùn)行，逐漸穩(wěn)定后輸出轉(zhuǎn)矩回落到給定

12、值，輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。圖 4-3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩te 仿真圖電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度wr 和轉(zhuǎn)子磁鏈psir 仿真結(jié)果分別如圖4-4 和 4-5 所示。可見，電機(jī)起動(dòng)后， 轉(zhuǎn)速成線性上升， 當(dāng)上升到給定值時(shí)， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr 的輸出由于積分作用還維持在幅值。轉(zhuǎn)速超調(diào)后使得 asr 退飽和從而穩(wěn)定在給定值。突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)速下降，但由于采用的是pi 調(diào)節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉(zhuǎn)速很快上升繼續(xù)保持在給定值。轉(zhuǎn)子磁鏈 psir 建立后，幾乎為恒值，在突加負(fù)載后，磁鏈有一個(gè)小幅度的上升，但在電流環(huán)的pi調(diào)節(jié)作用下，磁鏈psir 很快恢復(fù)到給定值，并在此狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。012345678910-10-50510152025圖4-4 電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度wr 仿真結(jié)果00.511.522.533.544.5502040608010012014016001234567891000.5