基于MATLAB的矢量控制系統(tǒng)仿真

1、69論文編號(hào):1001-3954(200501-0069-03基于MATLAB 的矢量控制系統(tǒng)仿真姬宣德何大慶韓英洛陽(yáng)工業(yè)高等?？茖W(xué)校自動(dòng)化系河南洛陽(yáng)4710 03圖1異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模 型圖2I *qs Calculati on 子模塊自上世紀(jì)70年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來(lái),交流傳動(dòng)技術(shù)就從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜動(dòng)態(tài)性能上與直流傳動(dòng)相媲美的問(wèn)題。矢量控制技術(shù)模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制,以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向,用矢量變換的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦,交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。眾所周知,交流電機(jī)本身就是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象,加上逆變裝置的非正弦條件下供電,經(jīng)典的

2、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析方法已經(jīng)不能完全適應(yīng)于現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng),仿真是對(duì)其進(jìn)行研究的一個(gè)重要的不可缺少的手段,而采用何種語(yǔ)言將對(duì)仿真是否方便、仿真速度是否容易收斂和計(jì)算精度產(chǎn)生影響。M ATL AB 語(yǔ)言在其仿真研究中被成功方便地應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制過(guò)程中,它是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的仿真環(huán)境和高級(jí)語(yǔ)言,集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理等于一體,具有極高的編程效率。并且也是一個(gè)高級(jí)的數(shù)學(xué)分析與運(yùn)算軟件,可用作動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真。隨著MATL AB6.1的推出,可以利用MATL AB/SI MULINK 中的電氣系統(tǒng)模塊(power system blockset很方便地構(gòu)建一個(gè)異步電機(jī)矢量控制仿真

3、系統(tǒng)。1異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型的建立圖1是異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型,這個(gè)模型是根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立的。s p eedcontroller 是速度調(diào)節(jié)器,速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)是轉(zhuǎn)矩給定T *e 。在I *qs Calculation 模塊中, 根據(jù)轉(zhuǎn)矩給定T *e 和轉(zhuǎn)子磁通p hir 來(lái)計(jì)算得出定子電流的轉(zhuǎn)矩分量I *q s ,顯然是給定值。DQ-ABC 模塊完成從d q 坐標(biāo)系到ABC 三相定子坐標(biāo)系的變換,在這個(gè)模塊中,根據(jù)定子電流在d q 坐標(biāo)系中的分量,經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換,得出電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組電流的給定值I *abc 。Cur ren tRegulator 是電流

4、調(diào)節(jié)器模塊,在這個(gè)仿真模塊中采用是滯環(huán)控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié),使得實(shí)際電流隨跟定電流的變化,下面還要詳細(xì)討論有關(guān)的原理方法。TeatCalculation 模塊的作用是計(jì)算 角,也就是d 軸的位置。DQ-ABC 環(huán)節(jié)的作用是根據(jù) 角,將實(shí)際的電動(dòng)機(jī)定子電流I *abc 變換得到d q 坐標(biāo)系中的分量I d 和I q 。I *dsc Calculation 模塊的作用是根據(jù)定子電流的勵(lì)磁分量I ds ,來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通p hir 。2仿真模型中各子模塊的構(gòu)建2.1I*q sCalculation 子模塊這個(gè)子模塊的作用是計(jì)算定子電流在d q 坐標(biāo)系下的q 分量的給定值I *q s 。其內(nèi)部構(gòu)造如

5、圖2所示。在圖2中,輸入信號(hào)是轉(zhuǎn)矩給定量T *e 和轉(zhuǎn)子磁通p hir,f (u 是計(jì)算定子電流q 軸分量基于matlab 的矢量控制系統(tǒng)仿真第33卷2005年第1期通用70圖3DQ-ABC子模塊(a 定子線電壓波形圖7Currentregulator電流調(diào)節(jié)器子模塊圖5ABC-DQ子模 塊圖4TeatCalculati on 子模塊(a滯環(huán)電流跟蹤型P WM 逆變器單項(xiàng)結(jié)構(gòu)示意圖(b滯環(huán)電流跟蹤型PW M逆變器輸出電流電壓波形圖6滯環(huán)電流跟蹤型PW M 逆變器的工作原理 的給定值I*q s的函數(shù)。函數(shù)的表達(dá)式如圖中的表述。其中,p為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù),L r是經(jīng)過(guò)折合后轉(zhuǎn)子電感。L m是定、轉(zhuǎn)

6、子之間的互感。2.2DQ-ABC子模塊在圖3所示的模塊中,DQ-ABC子模塊的作用是根據(jù)定子電流在d q坐標(biāo)系下的分量,經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換得出電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組電流的給定值I*abc。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3中,直接根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換的公式得出a、b兩相電流,c相電流由i c=0-i a-i b得到。2.3TeatCalculation子模塊TeatCalculation子模塊的作用是計(jì)算角,也就是d軸的位置。其內(nèi)部構(gòu)造如圖4所示。在圖4中,根據(jù)定子電流的q軸分量i qs和轉(zhuǎn)子磁通phir計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率,f(u是計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率的函數(shù),其表達(dá)式為f(s=Lmiq sT2p hir在上式中,L m是

7、定、轉(zhuǎn)子之間的互感,T2是轉(zhuǎn)子回路的時(shí)間常數(shù)。2.4ABC-DQ子模塊ABC-DQ子模塊完成從ABC三相定子坐標(biāo)系到d q坐標(biāo)系的變換,在這個(gè)模塊中,根據(jù)定子電流在ABC三相定子坐標(biāo)系下的分量,經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換,得出電動(dòng)機(jī)定子電流在d q坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩分量i qs和勵(lì)磁分量I ds。模塊的構(gòu)造圖如圖5所示。2.5I*ds Calculation子模塊I*ds Calculation模塊的作用是根據(jù)定子電流的勵(lì)磁分量I ds,來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通phir。所依據(jù)的公式如下p hir=LmiqsT2s+1式中L m 定、轉(zhuǎn)子之間的互感T2 轉(zhuǎn)子回路的時(shí)間常數(shù)2.6Currentregulator子模塊Cur

8、rentregulator是電流調(diào)節(jié)器模塊,在這個(gè)仿真模塊中采用是滯環(huán)控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié),使得實(shí)際電流隨跟定電流的變化。圖6表示的是滯環(huán)型PWM逆變器的工作原理。其工作原理是當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時(shí),逆變器的開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通,開(kāi)關(guān)管VT4關(guān)斷,電動(dòng)機(jī)接通直流母線的正端,電流開(kāi)始上升。反之,當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時(shí),逆變器的開(kāi)關(guān)管VT1關(guān)基于matlab的矢量控制系統(tǒng)仿真第33卷2005年第1期通用71(d速度上升波形圖8 三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真波形(c 電磁轉(zhuǎn)矩波形(b定子線電流波形斷,開(kāi)關(guān)管VT4導(dǎo)通,電動(dòng)機(jī)接通直

9、流母線的負(fù)端,電流開(kāi)始下降。Currentregulator 電流調(diào)節(jié)器子模塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示。3異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真現(xiàn)在利用圖1所示的仿真模型, 對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行仿真研究。在電動(dòng)機(jī)的測(cè)量模塊Demux 中選擇電動(dòng)機(jī)的定子三相電流、電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)子角速度作為測(cè)量對(duì)象,另外利用電壓測(cè)量模塊V ab 檢測(cè)電機(jī)的定子線電壓。三相電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下:額定功率3.7kW;線電壓380V;額定頻率60Hz;定子內(nèi)阻0.087 ;定子漏感0.8mH;轉(zhuǎn)子內(nèi)阻0.228 ;轉(zhuǎn)子漏感0.8mH;定、轉(zhuǎn)子漏感34.7mH;極對(duì)數(shù)為2。速度控制器的參數(shù)如下:積分增益K i =26,比

10、例增益K p =13,輸出轉(zhuǎn)矩極限值為300N.m 。電流調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)型的PW M 控制器,滯環(huán)寬度為20。仿真的波形如圖8所示。從圖8中可以看出在開(kāi)始啟動(dòng)的瞬間,定子電流的峰值可達(dá)到450A,在恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)階段,定子電流基本保持在約為150A 。恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)階段的大約時(shí)間為0.7s 。在恒轉(zhuǎn)矩段,轉(zhuǎn)矩保持在極限值300N.m,這個(gè)極限值是在速度調(diào)節(jié)器參數(shù)表中設(shè)定的。速度約在0.9s 時(shí)上升到最大值,在約1.9s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子角速度為120rad/s 。4結(jié)論用MATL AB/SI MULINK 中的電氣系統(tǒng)模塊(power sy stem blockset構(gòu)建動(dòng)態(tài)矢量仿真系統(tǒng),說(shuō)明M

11、 ATLAB 非常適合電機(jī)控制領(lǐng)域內(nèi)的仿真及研究,在某些問(wèn)題的研究中MATLAB/SIMULI NK 能帶來(lái)極大的方便并使效率極大提高。實(shí)驗(yàn)證明,用SI MULINK 進(jìn)行交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真,具有方便、直觀、靈活、精確的優(yōu)點(diǎn),是比較理想的仿真方法。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第三版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.2陳桂明,張明照,戚紅雨.應(yīng)用M ATLAB 建模與仿真.北京:科學(xué)出版社,2001.(收稿日期:2004-08-25!圖7輸出頻率為15Hz 時(shí)輸出電流波形基于matlab 的矢量控制系統(tǒng)仿真第33卷2005年第1期通用(上接第73頁(yè)比N 或改變初級(jí)功率變換中雙向開(kāi)關(guān)S1的占空比靈活改變輸出電壓的大小;(5在滿足q v 0/ i 的條件下,可以靈活改變這種變換器的輸出頻率;(6采用高頻變壓器鏈接,實(shí)