按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)仿真

1、按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)仿真1. 矢量控制技術(shù)概述異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，其控制十分復(fù)雜。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)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)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。將異步電動(dòng)機(jī)的異步電動(dòng)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) 分別加以控制，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稱為矢量控制方式。圖1 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)節(jié)磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：l 轉(zhuǎn)子磁鏈函數(shù)發(fā)生器根據(jù)電機(jī)的調(diào)速范

2、圍和給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)，在恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)恒磁通調(diào)速、轉(zhuǎn)子磁通保持額定磁通；在恒功率范圍內(nèi)弱磁調(diào)速，轉(zhuǎn)子磁通隨轉(zhuǎn)速指令的增大而減小。轉(zhuǎn)子磁鏈函數(shù)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生磁鏈大小信號(hào)。這里采用下面的曲線。轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值一般為1。l 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)與定向轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)模型主要有二種：（1） 在兩相靜止坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型電機(jī)的定子電壓和電流由傳感器測(cè)得后，經(jīng)過(guò)3S/2S變換，再根據(jù)異步電機(jī)在兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的大小。（2） 按磁場(chǎng)定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型 三相定子電流 iA 、 iB 、iC 經(jīng)3/2變換變成兩相靜止坐標(biāo)系電流 isa 、 isb ，再經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)變換并按轉(zhuǎn)子磁鏈定向

3、，得到M，T坐標(biāo)系上的電流 ism、ist，利用矢量控制方程式可以獲得 yr和 ws 信號(hào)，由ws 與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速 w 相加得到定子頻率信號(hào)w1，再經(jīng)積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角j ，它也就是同步旋轉(zhuǎn)變換的旋轉(zhuǎn)相位角。l 電磁轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)根據(jù)異步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的模型，可以得到多種電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)形式，由這些表達(dá)形式可以得到轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的表達(dá)：3. 建模與仿真利用Simulink/Powersystem工具箱，搭建按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的模型如圖：圖2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)節(jié)磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)磁鏈閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)包括轉(zhuǎn)矩環(huán)和磁鏈環(huán)，控制部分生成觸發(fā)脈沖

4、加至逆變器六個(gè)開(kāi)關(guān)器件。電機(jī)中模型，從Machines Measurement Demux端口引出轉(zhuǎn)子磁鏈MT分量、定子三相電流、，電磁轉(zhuǎn)矩作為反饋信號(hào)。設(shè)有三個(gè)PI調(diào)節(jié)器：圖3 三個(gè)調(diào)節(jié)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與speed_ref給定的轉(zhuǎn)速相比較的偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，輸出轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)T*。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)與電磁轉(zhuǎn)矩相比較的偏差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，運(yùn)算出勵(lì)磁電流分量Iq*磁鏈調(diào)節(jié)器APISR：前一級(jí)pis genenrater是一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，由speed_ref給定的轉(zhuǎn)速計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號(hào)pis*，再用通過(guò)磁鏈調(diào)節(jié)器APISR運(yùn)算出轉(zhuǎn)矩電流

5、分量Id*。Transformation dq0_to_abc模塊將上一級(jí)得到的勵(lì)磁電流分量Iq*、轉(zhuǎn)矩電流分量Id*變換到定子三相坐標(biāo)系上，得到定子電流給定信號(hào)Iabc*。Regulator Current模塊是自定義封裝模塊，實(shí)現(xiàn)滯環(huán)調(diào)節(jié)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4，使用時(shí)只需指定滯環(huán)環(huán)寬。滯環(huán)寬度的大小影響逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。圖4 Regulator Current的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)4. 仿真結(jié)果分析根據(jù)采用固定步長(zhǎng)的ode3仿真算法，最大步長(zhǎng)取1e-5。電機(jī)空載啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，以最大加速度加速，啟動(dòng)時(shí)間只需0.1s,快速性很好。圖5 轉(zhuǎn)速波形圖6 電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖7 ASR輸出

6、的電磁轉(zhuǎn)矩指令Te*啟動(dòng)后在1.5s加75%額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速稍微有降落，但是能遵循給定值。在2s進(jìn)行減速，由電磁轉(zhuǎn)矩的圖6可以看出，減速過(guò)程的快速性也很優(yōu)良。在3s進(jìn)行加速，加速過(guò)程良好。圖8 勵(lì)磁電流分量Id圖9 轉(zhuǎn)矩電流分量Iq圖8和圖9還給出了電機(jī)在調(diào)速過(guò)程中的勵(lì)磁電流分量Id*和轉(zhuǎn)矩電流分量Iq*的，由圖8可見(jiàn)，勵(lì)磁電流分量Iq在整個(gè)調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生改變，保證了電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)在穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)發(fā)揮了最大的效率，而轉(zhuǎn)矩電流分量Id在加載、加速、減速過(guò)程中都隨著指令信號(hào)改變而改變，動(dòng)態(tài)的控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。圖10 調(diào)速過(guò)程中的電流波形圖11 加載時(shí)三相電流波形圖12 減速時(shí)三相電流波形5. 結(jié)論 利用MATLAB/SIMULINK/POWERSYS提供的電