異步電機的矢量控制設(shè)計及仿真課程設(shè)計

1、<p><b>　　異</b></p><p><b>　　步</b></p><p><b>　　電</b></p><p><b>　　機</b></p><p><b>　　的</b></p><p

2、><b>　　矢</b></p><p><b>　　量</b></p><p><b>　　控</b></p><p><b>　　制</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p>&

3、lt;b>　　計</b></p><p><b>　　及</b></p><p><b>　　仿</b></p><p><b>　　真</b></p><p><b>　　班 級：</b></p><p><

4、;b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　異步電機的矢量控制設(shè)計及仿真在矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之前，交流調(diào)速系統(tǒng)多為V / f 比值恒定控制方法，又常稱為標量控制。采用這種方法在低速及動態(tài)（如加減速）、加減負載等情況時

5、，系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的缺陷，所以交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性、啟動、低速時的轉(zhuǎn)矩動態(tài)相應(yīng)都不如直流調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機控制技術(shù)全面從標量控制轉(zhuǎn)向了矢量控制，采用矢量控制的交流電機完全可以和直流電機的控制效果相媲美，甚至超過直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　矢量變換控制(以下簡稱VC)技術(shù)的誕生和發(fā)展為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合的被控對象，采用了參數(shù)

6、重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實現(xiàn)交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程。這就使得交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)逮系統(tǒng)成為可能。實踐證明，采用矢量控制方法的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直流調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制原理的出現(xiàn)也促進了其它控制方法的產(chǎn)生，如多變量解耦控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂频确椒?。</p><p>　

7、　七十年代初期，西門子公司的F .Blashke和W .Flotor提出了“感應(yīng)電機磁場定向的控制原理”，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定子電流按轉(zhuǎn)子磁鏈空間方向分解成為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，這樣就可以達到對交流電機的磁鏈和電流分別控制的目的,得到了類似于直流電機的模型,然后模擬直流電機進行控制，可以獲得良好的靜、動態(tài)調(diào)速性能。</p><p>　　本文分析異步電機的數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理的基礎(chǔ)上, 利Matl

8、ab/Simulink中SimPowerSystems模塊,采用模塊化的思想分別建立了交流異步電機模塊、逆變器模塊、矢量控制器模塊、坐標變換模塊、磁鏈觀測器模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、電流滯環(huán) PWM 調(diào)節(jié)器, 再進行功能模塊的有機整合, 構(gòu)成了按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步 電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)靜差小、抗負載擾動能力強, 驗證了交流電機矢量控制的可行性、有效性。</p><p>　　1

9、.異步電機的 VC 原理</p><p><b>　　1.1坐標變換</b></p><p>　　坐標變換的目的是將交流電動機的物理模型變換成類似直流電動機的模式，這樣變換</p><p>　　后，分析和控制交流電動機就可以大大簡化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電機、、，通過3/2變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電

10、流和，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺直流電動機。</p><p>　　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，是一臺異步電動機。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過3／2變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，便得到一臺由和輸入，由輸出的直流電動機。</p><p>

11、;　　圖1 異步電動機的坐標變換結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　既然異步電動機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電動機，那么，模仿直流電動機的控制策略，得到直流電動機的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，就能夠控制異步電動機了，矢量控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號和電樞電流的給定信號，

12、經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到和，再經(jīng)過2／3變換得到、和。把這三個電流控制信號和由控制器得到的頻率信號加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電動機調(diào)速所需的三相變頻電流。</p><p>　　圖2 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.3異步電動機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　電壓方程：</b></p>

13、;<p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　?。?）</b>

14、</p><p><b>　　運動方程：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系A(chǔ)-B-C與兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系d-q之間的正變化3s/2r變換和反變換2r/3s分別為：</p><p><b>　　=（5）</b>

15、</p><p><b>　　=（6）</b></p><p>　　當把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系磁鏈定向在同步旋轉(zhuǎn)坐標系M-T坐標系的M軸，應(yīng)有</p><p><b>　　（7）</b></p><p>　　由此可得交流異步電機矢量解耦控制的控制方程：</p><p><b&g

16、t;　　（8）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（10）</b></p><p><b>　?。?1）</b></p><p><b>　　（12）</b></p><p>

17、;<b>　　式中</b></p><p><b>　　--定子、轉(zhuǎn)子電阻</b></p><p>　　--定子側(cè)電感、轉(zhuǎn)子側(cè)電感、定轉(zhuǎn)子間互感、定子繞組電感和轉(zhuǎn)子繞組電感；</p><p>　　--定子頻率的同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速、和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；</p><p><b>　　--轉(zhuǎn)子磁鏈角&l

18、t;/b></p><p>　　--電壓、電流和磁鏈；</p><p>　　下標s、d—表示定子、轉(zhuǎn)子；</p><p>　　下標d、q—表示d軸、q軸；</p><p><b>　　np—極對數(shù)；</b></p><p>　　Tr—轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；</p><p>&

19、lt;b>　　J—機組轉(zhuǎn)動慣量；</b></p><p>　　Te，Tm==電磁轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　F—阻轉(zhuǎn)矩摩擦系數(shù)；</p><p><b>　　P—微分算子；</b></p><p>　　由上式可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈只由定子電流勵磁分量決定，當轉(zhuǎn)子磁鏈達到穩(wěn)態(tài)并不變時，電磁轉(zhuǎn)矩只由定

20、子電流轉(zhuǎn)矩分量決定，此時磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別由勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量獨立控制，實現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。只要合理的確定兩個分量便能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬時控制和轉(zhuǎn)速的高精度跟蹤。</p><p>　　2基于Matlab/simulink異步電機VC的仿真</p><p>　　其中矢量控制模型如下：</p><p>　　圖3：負載恒定轉(zhuǎn)速突變的開關(guān)轉(zhuǎn)換圖</p><p&

21、gt;　　圖4：轉(zhuǎn)速恒定負載突變的開關(guān)轉(zhuǎn)換圖</p><p>　　異步電機AC Motor與逆變器Universal Bridge。該模塊的選項可設(shè)置在任意坐標系, 包括兩相靜止坐標系、轉(zhuǎn)子坐標系和同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的繞線式或鼠籠式的異步電機。本文選擇在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下建立鼠籠式電機的數(shù)學(xué)模型,模塊的 A、B、C 是異步電機三相定子繞組輸入端,與IGBT逆變器的輸出端相連, 構(gòu)成由電壓型逆變器變頻驅(qū)動的異步電機子模

22、塊。逆變器模塊由6個 IGBT功率管構(gòu)成通用橋路, 逆變器的輸入pulses端為6路PWM控制信號,完成功率變換及調(diào)節(jié)功能,直流母線電壓VDC由逆變器模塊的 +、- 兩端輸入,它的輸出為三相ABC交流電壓。電機模塊還擁有1個電機軸上的機械轉(zhuǎn)矩輸入端口Tm 和1個包含多個參數(shù)的矢量輸出端口m, 其中Tm為交流電機的負載接入端,用于對電機進行加載實驗端，m可通過總線選擇器選取需要顯示的參數(shù),仿真過程中測取了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 wr、電磁轉(zhuǎn)矩T e、電

23、機定子電流 ia、ib、ic 等,這5個參數(shù)與定子線電壓 vab一起送給示波器模塊動態(tài)顯示。為了使仿真模型運行速度加快,反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)采用一階延遲環(huán)節(jié)1 /z。</p><p>　　2.1電流滯環(huán)控制器ACR模塊：</p><p>　　圖5：電流滯環(huán)控制器ACR</p><p>　　如上圖該模塊由三個指環(huán)控制器和三個邏輯非運算器組成，該模塊將3相給定電流和三相實

24、測電流作為輸入，輸出為6路IGBT逆變器6相脈沖控制信號。其中1、3、5和2、4、6路信號互補，對輸入信號兩者比較，輸出邏輯0和1。當實際電流小于給定電流時，且偏差大于滯環(huán)寬度d=20A時，輸出1，逆變器正相導(dǎo)通，負相關(guān)斷；當實際電流大于給定電流時，且偏差小于滯環(huán)寬度d=20A時，輸出0，逆變器負相導(dǎo)通，正相關(guān)斷。通過通與斷來調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率，實現(xiàn)變頻調(diào)速。合理選擇寬度d可實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。取d=20A。</p>

25、<p>　　2.2 轉(zhuǎn)速控制器ASR模塊</p><p>　　采用PI調(diào)節(jié)器，并進行一定的限幅，其中Kp、Ki、Ton分別取13、16、300，采樣周期Ts取2us。</p><p><b>　　圖6：ASR控制器</b></p><p>　　2.3 ABC-dq變換模塊和dq-ABC變換模塊</p>&l

26、t;p><b>　　圖7：ABC-dq</b></p><p><b>　　圖8：dq-ABC</b></p><p>　　由式（5）、（6）上圖分別為3s/2r和2r/3s變換</p><p>　　2.4 轉(zhuǎn)子磁鏈計算模塊與轉(zhuǎn)子換向角計算模塊</p><p>　　由式（11）、（12）連接模

27、塊得：</p><p>　　圖9：轉(zhuǎn)子磁鏈計算模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖10：轉(zhuǎn)子換向角計算模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.5 計算模塊與計算模塊</p><p>　　由式（9）可得模塊圖：</p><p><b>　　圖11：計算模塊圖</b></p><p>

28、<b>　　圖12：計算模塊圖</b></p><p>　　3．仿真結(jié)果及其分析：</p><p><b>　?。?）電動機參數(shù)</b></p><p>　　表3-1 電動機參數(shù)</p><p><b>　　(2)各調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　

29、　表3-2 各調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p><b>　　(3)各給定參數(shù)</b></p><p>　　仿真采用stiff算法，仿真時間設(shè)為1.6s。</p><p>　　3.1恒載啟動延時變速</p><p>　　當負載恒定即開關(guān)接通狀態(tài)見圖3,最后轉(zhuǎn)速變化仿真曲線圖14。負載Tm=100N.m，0-1s時轉(zhuǎn)速給定值wr=

30、120r/s，1s-1.6s轉(zhuǎn)速給定值wr=160r/s，由圖可見，恒定負載啟動瞬間，定子電流峰值可達到400A，電磁轉(zhuǎn)矩約為300N.m，約0.5s后轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在120 r/s，此時定子電流已降為穩(wěn)定值40A,電磁轉(zhuǎn)矩降為100 N.m，當1s后轉(zhuǎn)速給定值發(fā)生變化后，轉(zhuǎn)速開始上升，此時電磁轉(zhuǎn)矩</p><p>　　又突增為300N.m，約0.4s后轉(zhuǎn)速有達到新的穩(wěn)定值160r/s ，此時定子電流穩(wěn)定值為80A

31、，電磁轉(zhuǎn)矩又下降為100N.m </p><p>　　圖13：電機啟動時定子磁鏈</p><p>　　圖14：從上依次為定子A、B相之間的線電壓Vab，定子三相電流isa、isb、isc，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速wr，電磁轉(zhuǎn)矩Te</p><p>　　3.2空載啟動延時帶載</p><p>　　當轉(zhuǎn)速恒定即

32、開關(guān)接通狀態(tài)見圖4，最后負載變化仿真曲線圖16。轉(zhuǎn)速給定值wr=120r/s，0-1s負載Tm=0N.m，1s-1.6s加載Tm=150N.m，由圖可見，恒定空載啟動瞬間，定子電流峰值可達到400A，電磁轉(zhuǎn)矩約為300N.m，約0.45s后轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在120 r/s，此時定子電流已降為穩(wěn)定值40A,電磁轉(zhuǎn)矩降為0 N.m，當1s后加載，轉(zhuǎn)速稍有下降，約0.4s后轉(zhuǎn)速又穩(wěn)定為120r/s ，此時定子電流穩(wěn)定值為80A，電磁轉(zhuǎn)矩升為160

33、N.m。 </p><p>　　圖15：電機啟動時定子磁鏈</p><p>　　圖16：從上依次為定子A、B相之間的線電壓Vab，定子三相電流isa、isb、isc，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速wr，電磁轉(zhuǎn)矩Te</p><p><b>　　4結(jié)論</b></p><p>　　從仿真曲線可見，不管空載還是有載，轉(zhuǎn)速