基于交流電動機(jī)的動態(tài)模型的間接矢量控制仿真與設(shè)計

電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計班級：電氣三班學(xué)號:姓名：基于交流電動機(jī)的動態(tài)模型的間接矢量控制仿真與設(shè)計一設(shè)計目的：應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實現(xiàn)方案，進(jìn)行運動控制系統(tǒng)的初步設(shè)計。應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在原理設(shè)計與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROTEL進(jìn)行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計的綜合運用奠定堅實的基礎(chǔ)二設(shè)計參數(shù)：額定輸出功率17KW；定子繞組額定線電壓380V；定子繞組額定相電流25A;定子繞組每相電阻0.1歐姆；定子繞組接線形式Y(jié)；轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速1430rpm;轉(zhuǎn)子形式:鼠籠式；轉(zhuǎn)子每相折算電阻:1歐姆；轉(zhuǎn)子折算后額定電流50A；額定功率因數(shù)：0.75；電機(jī)機(jī)電時間常數(shù)1S;電樞允許過載系數(shù)1.5；環(huán)境條件:電網(wǎng)額定電壓:380/220V;電網(wǎng)電壓波動10%;環(huán)境溫度:-40~+40攝氏度;環(huán)境相對濕度:10~90%.控制系統(tǒng)性能指標(biāo):轉(zhuǎn)差率：3%；調(diào)速范圍：D＝20；電流超調(diào)量小于等于5%;空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%;穩(wěn)速精度：0.03.三動態(tài)模型：電壓方程：磁鏈方程：，運動方程：轉(zhuǎn)矩方程：四坐標(biāo)變換為簡化和求解三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，須按圖1對電機(jī)坐標(biāo)系的基本方程進(jìn)行坐標(biāo)變換，實現(xiàn)電機(jī)模型的解耦。1坐標(biāo)變換模塊圖：2W1生成模塊：3PI模塊變換：4Um,UM生成模塊：圖1永磁容錯電機(jī)常用坐標(biāo)系根據(jù)坐標(biāo)變換理論，可得三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系變換矩陣為（3-1）兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換矩陣：（3-2）轉(zhuǎn)子初始磁鏈在各坐標(biāo)系分量為：（3-3）可得電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程如下：（3-4）（3-5）（3-6）五按轉(zhuǎn)子磁鏈定向?qū)崿F(xiàn)異步電機(jī)矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的坐標(biāo)系稱為MT坐標(biāo)系，M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致。記與M軸相關(guān)的定子變量下標(biāo)為M，轉(zhuǎn)子變量下標(biāo)為m；與T軸相關(guān)的定子變量下標(biāo)為T，轉(zhuǎn)子變量下標(biāo)為t。由動態(tài)數(shù)學(xué)模型可推出矢量控制的三個基本方程：轉(zhuǎn)子磁鏈方程:(4-1)式中Lm為互感，Tr為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)，p為微分算子。顯然，與定子T軸電流iT無關(guān)，僅由定子M軸電流iM產(chǎn)生，因此，iM稱為定子電流勵磁分量。若轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr不變，即pΨr=0，則Ψr=LmiM，所以Ψr穩(wěn)態(tài)值由iM決定；若Ψr是變化的，由(4-1)式可知，Ψr與iM之間的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)。(2)電磁轉(zhuǎn)矩方程(4-2)式中Lr為轉(zhuǎn)子電感折算值，np為電機(jī)極對數(shù)。上式表明，電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr和定子T軸電流iT的乘積產(chǎn)生。由式(3-1)可知，若保持定子電流勵磁分量iM不變，即可保證轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr不變，調(diào)節(jié)iT就可以方便地調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。因此，iT稱為定子電流轉(zhuǎn)矩分量。這表明異步電機(jī)在矢量控制下的調(diào)速性能與直流電機(jī)基本相同。(3)轉(zhuǎn)差頻率方程(4-3)上式表明，轉(zhuǎn)差角頻率ωs由定子轉(zhuǎn)矩電流分量iT轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr和電機(jī)參數(shù)決定。ωs瞬態(tài)過程取決于Ψr的瞬態(tài)過程。上述就是異步電機(jī)矢量控制的基本原理，通過坐標(biāo)變換，異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型得以簡化，最終解耦成與直流電機(jī)類似的模型，通過定子電流勵磁分量iM和轉(zhuǎn)矩分量iT分別控制電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩，獲得良好的動態(tài)特性。簡化過程中，將d軸定位到轉(zhuǎn)子磁鏈方向是保證矢量控制良好特性的一個重要前提，也是矢量控制技術(shù)的一個難點。在MATLAB/Simulink環(huán)境下設(shè)計了交流電機(jī)間接矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)速度環(huán)采用了PI控制，其他主要功能模塊包括：解耦模塊，坐標(biāo)變換模塊和電流滯環(huán)控制器模塊等。電機(jī)間接矢量控制系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。圖2間接矢量控制系統(tǒng)仿真模型六逆變器的傳遞函數(shù)：KKDL=TDL=x1=0.5x=TN=9550取KRU=3803=200vP=所以x又因為x1=2πfLLd=KIRKT2.整流傳遞函數(shù)參數(shù)K三相橋式電路的平均失控時間：TKS=整流電壓變化U3轉(zhuǎn)速電流環(huán)反饋系數(shù)取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)電流濾波時間常數(shù)：T轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù):4.電流環(huán)傳遞函數(shù)計算1參數(shù)計算：取=8V取整流內(nèi)阻=0.5R=0.2整流電壓變化三相橋式電路的平均失控時間：取=220v=3=4.5=2.250.78=取電流濾波時間常數(shù)：QUOTE轉(zhuǎn)差濾波時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：取s3.電流調(diào)節(jié)器的計算：取近似校驗：忽略反電動勢變化對電流環(huán)：電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取4.轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器計算：近似校驗：電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：轉(zhuǎn)差環(huán)小時間常數(shù)：滿足近似條件取七仿真結(jié)果。圖3電磁轉(zhuǎn)矩波形圖4轉(zhuǎn)速波形圖5定子電流波形八設(shè)計總結(jié)：從仿真結(jié)果看，間接矢量控制系統(tǒng)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速可調(diào)且跟蹤能力較強(qiáng)，系統(tǒng)無超調(diào)，過渡過程較短。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈的測量，降低了系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性，避免了因觀測不準(zhǔn)確而引起的誤差。系統(tǒng)具有基于穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它的大部分不足之處。在此次課程設(shè)計