基于矢量控制的matlab仿真設(shè)計(jì)(共23頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真摘 要因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。如果把異步電動(dòng)機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制的簡(jiǎn)單模型，就可以模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制模型來控制交流電動(dòng)機(jī)。直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。并用MATLAB最終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：矢量控制，非線性，MATL

2、AB仿真 Speed and flux vector control system for closed-loop control theory analysis and MATLAB simulationABSTRACTBecause asynchronous motors physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonlinear simultaneous equation to describe,

3、 therefore controls extremely inconveniently. The reason that asynchronous machines physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separate

4、ly, may simulate direct current motors control model to control the motor.The direct vector control is one superior alternating current machine control mode, it simulates direct current machines control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares f

5、avorably with the direct current machine. This article has studied in the vector control system the flux linkage regulators design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB.KEY WORDS: Vector Control, Misalignment, MATLAB simulation專心-專注-專業(yè)目錄前言矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交流電

6、機(jī)也能取得與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。首先簡(jiǎn)單介紹了矢量控制的基本原理， 給出了矢量控制系統(tǒng)框圖，然后著重介紹了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和仿真過程。仿真結(jié)果表明調(diào)節(jié)器具有良好的磁鏈控制效果。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就簡(jiǎn)單多了。從物理模型上看，直流電機(jī)分為空間相互垂直的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，且兩者各自獨(dú)立，互不影響。正是由于這種垂直關(guān)系使得繞組間的耦合十分微小、，我們可以認(rèn)為磁通在

7、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程中完全恒定。這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制比較簡(jiǎn)單的根本原因。如果能將交流電機(jī)的物理模型等效變換成類似直流電機(jī)的模式，仿照直流電機(jī)進(jìn)行控制，那么控制起來就方便多了，這就是矢量控制的基本思想。 第1章 矢量控制的基本原理矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以腔制，并同時(shí)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。1.1 坐

8、標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的目的是將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，這樣變換后，分析和控制交流電動(dòng)機(jī)就可以大大簡(jiǎn)化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)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(biāo)系上的交流電流和，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，得到圖l。從整體上看，輸人為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過32變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，便得到一臺(tái)由和輸入，由輸出的直流電動(dòng)機(jī)。圖1

9、異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖1.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動(dòng)勢(shì))的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)(VectorControlSystem)，簡(jiǎn)稱VC系統(tǒng)。VC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的給定和反饋信號(hào)經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換一得到和，再經(jīng)過23變換得到、和。把這三個(gè)電流控制信號(hào)和由控制器得到的頻率信號(hào)加到電流控制的變

10、頻器上，所輸出的是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。圖2 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)VC系統(tǒng)時(shí)，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，并認(rèn)為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR相抵消，23變換器與電機(jī)內(nèi)部的32變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖2中虛線框內(nèi)的部分可以刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了?？梢韵胂?，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。第2章 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及解耦控制上節(jié)的定性分析是矢量控制的基本思路，其中的矢量變換包括三相一兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換。實(shí)際上異步電動(dòng)機(jī)具有定子和轉(zhuǎn)子，定、轉(zhuǎn)子電流都得變換，情況更復(fù)雜一些，要研究清楚還必

11、須從分析動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型開始。如前所述，取d軸為沿轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，稱作M(Magnetization)軸，再逆時(shí)針轉(zhuǎn)就是q軸，它垂直于矢量，又稱T(Torque)軸。這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系稱作M、T坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向(Field Orientation)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，應(yīng)有 2-1代入轉(zhuǎn)矩方程式和狀態(tài)方程式，并用m、t代替d、q，即得 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7由于，狀態(tài)方程中的蛻化為代數(shù)方程，將它整理后可得轉(zhuǎn)差公式 2-8這使?fàn)顟B(tài)方程又降低了一階。由式可得 2-9則 2-10或 2-11式2-10或2-11表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定

12、子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無關(guān)，從這個(gè)意義上看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。式2-10還表明，與之問的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)Tr為轉(zhuǎn)子磁鏈勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)，當(dāng)勵(lì)磁電流分量突變時(shí)，的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性作用是一致的。式2-10或式2-11、式2-8和式(2-2)構(gòu)成矢量控制基本方程式，按照這組基本方程式可將異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型繪成圖3的結(jié)構(gòu)形式，由圖可見，兩個(gè)子系統(tǒng)之間仍舊是耦合著的，由于Te同時(shí)受到和的影響。圖3 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型按照矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖模仿直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，可設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分

13、別控制和，如圖4a所示。把ASR的輸出信號(hào)除以，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對(duì)消，且變頻器的滯后作用可以忽略時(shí)，此處的()便可與電機(jī)模型中的()對(duì)消，兩個(gè)子系統(tǒng)就完全解耦了。這時(shí)，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)如圖4b。應(yīng)該注意，在異步電動(dòng)機(jī)矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈和它的相位角都是在電動(dòng)機(jī)中實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量卻難以直接測(cè)得，只能采用磁鏈模型計(jì)算，在圖4a中冠以符號(hào)“”以示區(qū)別。因此，上述兩個(gè)子系統(tǒng)的完全解耦只有在下面三個(gè)假定條件下才能成立：(1)轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值等于其實(shí)際值：(1)轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值等于其實(shí)際值 (2)轉(zhuǎn)子磁鏈定向角的計(jì)算值等于其

14、實(shí)際值；(3)忽略電流控制變頻器的滯后作用。 a）b）圖4 帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢量控制系統(tǒng)a）矢量控制系統(tǒng) b）兩個(gè)等效的線性子系統(tǒng)磁鏈調(diào)節(jié)器 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器第3章 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)對(duì)解耦后的轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)分別進(jìn)行閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱作直接矢量控制系統(tǒng)。采用不同的解耦方法可以獲得不同的直接矢量控制系統(tǒng)。3.1 帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng)在前述的圖4a中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出帶“”環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)可以在有關(guān)假定條件下(見上節(jié)指出的三個(gè)假定條件)簡(jiǎn)化成完全解耦的與兩個(gè)子系統(tǒng)(模型在圖中略去未畫)，這是一種典型的直接矢量控制系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)都是單變量系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法和

15、直流調(diào)速系統(tǒng)相似。電流控制變頻器可以采用電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器(圖5a)，也可采用帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器(圖5b)圖5 電流控制變頻器3.2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)另外一種提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)解耦性能的辦法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，圖6繪出了一種實(shí)際的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)，其中主電路選擇了電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器，這只是一種示例，也可以用帶電流內(nèi)環(huán)的電壓源型變頻器。系統(tǒng)中還畫出了轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速環(huán)節(jié)，磁鏈給定信號(hào)由函數(shù)發(fā)生程序獲得。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，弱磁時(shí)它也受到磁鏈給定信號(hào)的控制.圖6 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直

16、接矢量控制系統(tǒng)第4章 控制系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置與仿真4.1控制電路建模和參數(shù)設(shè)置滯環(huán)脈沖發(fā)生器建模。滯環(huán)脈沖發(fā)生器作用是給定電流iA 、iB 、iC 同輸出電流ia*、i*、i*相比較,電流偏差超過一定范圍時(shí),滯環(huán)脈沖發(fā)生器控制逆變器上(下) 橋臂功率器件動(dòng)作,使得輸出電流盡可能接近給定電流。為了保證同一橋臂上下輪流動(dòng)作,上臂橋采用Relay 模塊,滯環(huán)寬度取12 。為了加快仿真,下臂橋采用由Data TypeConversion 、Logical Operator 等模塊組成 。滯環(huán)脈沖發(fā)生器及封裝后的子系統(tǒng)如圖 所示。圖7電流滯環(huán)脈沖發(fā)生器模型及封裝后子系統(tǒng)(2) 轉(zhuǎn)子磁鏈模型。在建立轉(zhuǎn)子

17、磁鏈模型時(shí),需要用坐標(biāo)變換,但在Matlab 模塊庫(kù)中,沒有兩相靜止坐標(biāo)與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換模塊,只有三相坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)變換模塊,通過角度是否變化確定了變換方式在三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)模型為:C3s/2r=但Matlab 模塊中三相坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)變換模塊abc2dq0 Transformation 的數(shù)學(xué)模型為:C3s/2r= 從式中可以看出兩者是有差別的,因此不能直接應(yīng)用Matlab 中坐標(biāo)變換模塊。但如果把模塊abc2dq0 Transformation 的旋轉(zhuǎn)角度加上90,同時(shí)矩陣幅值乘以時(shí),兩者就完全相等。同樣, 兩相坐標(biāo)變換到三相坐標(biāo), 在應(yīng)用dq0abc Transf

18、ormation 模塊時(shí)角度和幅值上也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在轉(zhuǎn)子磁鏈模型中還需要求s , 由于s =ist Lm/ Trr , 故采用Fcn 模塊, 函數(shù)定義為L(zhǎng)m*u(1)/ (u(2)Tr + 1e-3) , 其中, u(1) 表示ist ;u(2) 表示r。封裝后子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子及磁鏈模型如：（a）電流變換與磁鏈觀測(cè)模型封裝后子系統(tǒng)（b）電流變換與磁鏈觀測(cè)模型圖電流變換與磁鏈觀測(cè)模型封裝后子系統(tǒng)(3) 解耦部分建模。為了抑制轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的耦合性,也是采用Fcn 模塊,函數(shù)定義為np*Lm*u(1)*u(2)/Ln,其中, u(1) 為轉(zhuǎn)子磁鏈r ,u(2) 為ist 。(4) 調(diào)節(jié)器的建模

19、與參數(shù)設(shè)置。磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均采用PI 調(diào)節(jié)器,然后進(jìn)行封裝。圖5 所示為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型及封裝后的子系統(tǒng),磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器建模方法與此相同。各參數(shù)設(shè)置如下:ASR ： Kp = 3.8 , Ki = 0.8 ,上下限幅為:-75 75 ;ATR : Kp = 4.5 , Ki= 12 上下限幅為:-60 60 ;AR: Kp = 1.8 , Ki= 100, 上下限幅為；-13 13 。圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模型及其子系統(tǒng)4.2矢量系統(tǒng)的仿真及結(jié)果在MATLAB下作系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。圖10 MATLAB下作系統(tǒng)仿真模型各個(gè)子模塊的仿真模型如圖1113所示。圖11 三相電流波形圖圖12 轉(zhuǎn)矩波形圖13磁鏈q波形 圖14磁鏈d輸出波形圖15電壓輸出波形圖16轉(zhuǎn)速輸出波形 結(jié)論在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,利用Matlab 模塊庫(kù)中交流電動(dòng)機(jī)本體模塊、坐標(biāo)變換模塊等來進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果表明,波形符合理論分析,系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。采用該調(diào)速系統(tǒng)模型,可以快速驗(yàn)證控制策略的正確性。不僅可以節(jié)省控制方案的設(shè)計(jì)周期,更充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性,通過修改不同參數(shù),來分析系統(tǒng)性的能指標(biāo),為分析和設(shè)計(jì)交流異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工具。這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩周，通過這兩周的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)