異步電動(dòng)機(jī)矢量控制(共19頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 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(lái)描述，所以控制起來(lái)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)速分別控制的簡(jiǎn)單模型，就可以模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制模型來(lái)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 MATLAB仿真目錄專心-專注-專業(yè)1 設(shè)計(jì)條件及要求1.1設(shè)計(jì)條

2、件 電機(jī)參數(shù)為：額定功率power=2.2KW,線電壓,額定頻率；定子電阻,漏感;轉(zhuǎn)子電阻,漏感;互感,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,極對(duì)數(shù),其余參數(shù)為0。1.2設(shè)計(jì)要求（1）負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；（2）轉(zhuǎn)速n=1400rad/min；2 異步電動(dòng)機(jī)矢量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(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)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(guò)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(guò)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)

3、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(duì)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2-1所示，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流,通過(guò)3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標(biāo)系上的交流和再通過(guò)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)系上的直流電流和。m繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞繞組，相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。 圖2-1 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換及等效直流電動(dòng)機(jī)模型圖2-2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電

4、流分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比與轉(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(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2-3所示。圖2-3簡(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)2.2 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基本方程異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程。分別如下: （2-1） （2-2） （2-3） 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 （2-4） （2-5）得到dq坐標(biāo)系的狀態(tài)方程 （2-6）得到旋轉(zhuǎn)角速度： （2-7）得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式： （2-8） 得到轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式： （2-9） 式中: 為同步轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 為電壓；為磁鏈；為電流；電阻；為電感；為極

5、對(duì)數(shù)； 為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)且；為電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù)且；為微分因子。表示定子；表示轉(zhuǎn)子；表示軸；表示軸；表示同軸定、轉(zhuǎn)子間的互感。3 坐標(biāo)變換3.1 坐標(biāo)變換原理由于異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡(jiǎn)化，由于直流電動(dòng)機(jī)的主磁通基本上由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流決定，這是直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單的根本原因。如果能將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化。所以，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對(duì)稱繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等。其中圖3-1和圖3-2 分別為三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型

6、和靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的物理模型。圖3-1 三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型圖3-2 靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)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(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)稱3/2變換。圖3-3中繪出ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量，將兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，并使A軸和軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為，兩相繞組每相有效匝數(shù)為按磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，三相合成磁動(dòng)勢(shì)與兩相合成磁動(dòng)勢(shì)相等，故兩套繞組在，軸上的投影都應(yīng)相等。圖3-3 三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量因此， （3-1） （3-2）寫成矩陣形式，得 （3-3）根據(jù)變換前后總功率不變，得。

7、考慮到，最終得到坐標(biāo)變換式為 （3-4）相應(yīng)的逆變換為 （3-5）從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等。其靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量圖如圖3-4所示。圖3-4 靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量旋轉(zhuǎn)正交變換為 （3-6）靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換陣為 （3-7） 對(duì)(3-6)式進(jìn)行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的變換矩陣為： （3-8） 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣與電流旋轉(zhuǎn)變換陣相同。3.2 建立坐標(biāo)變換模型3.2.1 2r/3

8、s變換模型根據(jù)式子（3-3）和（3-8）可以建立3s/2r的電路模型結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。圖3-5 dqo_to_abc模塊 2r/3s變換為 （3-9）3.2.2 3s/2r變換模型 如圖3-6為3s/2r變換模型電路圖。圖3-6 abc_to_dq03s/2r變換為 （3-10）4 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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(duì)轉(zhuǎn)子可以采用閉環(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)。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)分量的給定置和施行2/3變換，得到

9、三相電流給定值，再經(jīng)過(guò)PWM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(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制，如圖4-2。另一個(gè)是將檢測(cè)到得三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換得到ist和ism。本次MATLAB仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)圖圖4-2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)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)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次MATLAB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖4-3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(duì)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

10、和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，兩相磁鏈有電動(dòng)機(jī)模型直接得到，其中轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值也直接有電動(dòng)機(jī)模型直接得到。圖4-3 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，ATR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器。三個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。4.3 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)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； （4-1） 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。其PI調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-3，而且此PI調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MATLAB的仿真圖形，不斷改進(jìn)PI調(diào)節(jié)器和Kp和Ki，最終得到的各種調(diào)節(jié)如下：（1） 磁鏈調(diào)節(jié)器APsirR，其結(jié)構(gòu)圖如圖

11、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。圖4-3 APsirR調(diào)節(jié)器（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR,其結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。其中G1=3.8，G2=0.8,輸出限幅值-7575。其中轉(zhuǎn)速根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1400 r/min。圖4-4 ASR調(diào)節(jié)器（3）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR 其結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示。其中G1=4.5，G2=12,輸出限幅值-6565。圖4-5 ATR調(diào)節(jié)器5仿真結(jié)果5.1 電機(jī)定子側(cè)的電流仿真結(jié)果電機(jī)定子電流和仿真結(jié)果如圖5-1所示，（上）圖為，（下）圖為。系統(tǒng)在t=0.6s時(shí)突加負(fù)載。由仿真結(jié)果可知:空載起動(dòng)時(shí)，定子電流勵(lì)磁分量基本穩(wěn)定

12、不變，突加負(fù)載后，雖有微小波動(dòng)但基本保持穩(wěn)定；空載起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩分量迅速上升至幅值，并以此幅值起動(dòng)電機(jī)，電機(jī)起動(dòng)后隨即減小至0，突加負(fù)載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運(yùn)行。圖5-1 電機(jī)定子側(cè)的電流Ism圖5-2電機(jī)定子側(cè)的電流Ist5.2 電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度Wr（上）和轉(zhuǎn)子磁鏈Psir（下）仿真結(jié)果圖5-3所示?？梢?，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，其仿

13、真圖如圖5-4所示。又圖中可知在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速剛開始是以一個(gè)較大的線性速度增加，當(dāng)達(dá)到1400r/min時(shí)，就基本保持穩(wěn)定不變，當(dāng)突增額定負(fù)載時(shí)，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。圖5-3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n仿真圖圖5-4 轉(zhuǎn)子磁鏈Psir仿真圖結(jié)論由仿真結(jié)果圖5-1至5-4可知，矢量控制控制系統(tǒng)，空載起動(dòng)時(shí)，定子電流勵(lì)磁分量基本穩(wěn)定不變，突加負(fù)載后，雖有微小波動(dòng)但基本保持穩(wěn)定；空載起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩分量迅速上升至幅值，并以此幅值起動(dòng)電機(jī)，電機(jī)起動(dòng)后隨即減小至0，突加負(fù)載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運(yùn)行；而轉(zhuǎn)速在PI作用下，能夠迅速上升，并穩(wěn)定在給定

14、值1400rad/min。心得體會(huì) 這次課設(shè)經(jīng)過(guò)一周的努力終于順利完成了。這此課設(shè)題包括兩個(gè)部分，電機(jī)模型部分和矢量控制部分。本課設(shè)矢量控制部分，包括調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，仿真模型框圖設(shè)計(jì)。剛拿到這個(gè)課題的時(shí)候，完全不知道如何入手，后來(lái)我們重新學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識(shí)才慢慢有了思路。做課設(shè)的過(guò)程是個(gè)自我探索、自我學(xué)習(xí)的過(guò)程，在此期間，我不僅學(xué)到了專業(yè)的知識(shí)，也提升了自己的學(xué)習(xí)能力。這次課設(shè)收獲很大，不僅深入了解了異步電動(dòng)機(jī)矢量控制，也再一次熟悉了Matlab這個(gè)常用軟件。調(diào)配參數(shù)費(fèi)了很多時(shí)間，總是得不到理想的仿真結(jié)果，其中需要自己學(xué)習(xí)很多東西，并在很短的時(shí)間內(nèi)融會(huì)貫通，考驗(yàn)了自己的學(xué)習(xí)能力。我明白了堅(jiān)持不懈的真正含義，是次難忘的課設(shè)。通過(guò)以上仿真過(guò)程可以看出,采用MATLAB 環(huán)境下的SIMULINK仿真工具,可以快速地完成一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的建模、仿真，且無(wú)須編程,仿真直觀、方便、靈活。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于開發(fā)和研究交流傳動(dòng)系統(tǒng)有著十分重要的意義，并為系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)提供了一條捷徑。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自