異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　院（系）： 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化071 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　起止時(shí)間：2010-12-01</

2、p><p>　　1. 異步電動(dòng)機(jī)概述　</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)，主要指籠式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。它主要用于不需要變速的電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，其原因是:1)不論是異步電動(dòng)機(jī)還是同步電動(dòng)機(jī)，唯有改變定子供電頻率調(diào)速最為方便，而且可以獲得優(yōu)異的調(diào)速特性。而大容量的變頻電源卻在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)沒有得到很好的解決。(2)異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)不同，它只有一個(gè)供電回路定子繞組，致使其速度控制比較困難，不像直流

3、電動(dòng)機(jī)那樣通過控制電樞電壓或控制勵(lì)磁電流均可方便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　然而，自20世紀(jì)50年代末開始，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中進(jìn)行著一場(chǎng)重要的技術(shù)革命一將原來只用于恒速傳動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制，以取代制造復(fù)雜、價(jià)格昂貴和維護(hù)麻煩的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng);從一般要求的小范圍調(diào)速傳

4、動(dòng)到高精度、快響應(yīng)和大范圍的調(diào)速傳動(dòng);從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)己表明，它完全可以直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。</p><p>　　異步電機(jī)可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對(duì)數(shù)調(diào)速、串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。在交流調(diào)速諸多方式中，變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式，也是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。變頻裝置有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類。交一直一交系統(tǒng)在

5、傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器的基礎(chǔ)上正向著脈寬調(diào)制(PWM)型變頻器和多重化技術(shù)方向發(fā)展，而交一交變頻器應(yīng)用于低速大容量可逆系統(tǒng)有上升趨勢(shì)現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及控制理論的完善、各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近年來令人矚目的發(fā)展，促進(jìn)了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前異步電機(jī)變頻調(diào)速控制己經(jīng)成為一門集電機(jī)、電力電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。</p><p

6、>　　2. 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　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)?；诜€(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 </p><p><b>　　假設(shè)條件：</b></p><p>　?。?）忽略空間諧波，設(shè)三

7、相繞組對(duì)稱，在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；</p><p>　　（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；</p><p>　　（3）忽略鐵心損耗；</p><p>　　（4）不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。</p><p>　　這時(shí)，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、

8、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。</p><p><b>　　2.1 電壓方程</b></p><p>　　將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子 p 代替微分符號(hào) d /dt</p><p><b>　　可改寫為： </b></p><p><b>　　2.2 磁鏈方程</b>&l

9、t;/p><p>　　每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組的磁鏈可表達(dá)為：</p><p>　　可改寫為： </p><p>　　由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為：</p><p>　　對(duì)于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和，

10、因此，定子各相自感為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)子各相自感為 </b></p><p>　　可得完整的磁鏈方程：</p><p><b>　　2.3 轉(zhuǎn)矩方程 </b></p><p>　　根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機(jī)中，在線性電感的條件下，磁場(chǎng)的儲(chǔ)能和磁共能為：</p>&

11、lt;p>　　而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時(shí)磁共能的變化率 （電流約束為常值），且機(jī)械角位移 m = / np ，于是：</p><p>　　異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的過程中可以看出，這個(gè)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的 66 電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù)雜關(guān)系。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，須從簡(jiǎn)化磁鏈關(guān)系入手。 坐標(biāo)變化主要有2/3變換、2s/2r變換、K/P變換</p><

12、;p><b>　　3. 變頻調(diào)速</b></p><p>　　交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式表示：n=60 f／p(1-s)</p><p>　　其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；p為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率。影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有:電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p，轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其中，改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)

13、速。變頻調(diào)速的方法主要有：V/F控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩和電壓空間矢量(SVPWM)控制方法。</p><p>　　在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。</p><p><b>　　定子每相電

14、動(dòng)勢(shì)：</b></p><p>　　只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通m 的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。</p><p>　　由異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型有以下兩種控制方案：按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方案；按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.1矢量控制系統(tǒng)</b>&l

15、t;/p><p>　　矢量控制系統(tǒng)具有控制精度高、低頻特性優(yōu)良、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此矢量控制技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于高性能異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。然而，由于異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、多變量、非線性、強(qiáng)禍合的對(duì)象，在實(shí)時(shí)控制中存在嚴(yán)重的外部干擾、參數(shù)變化和非線性不確定因素，基于精確電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確解禍很難實(shí)現(xiàn)，并且磁通和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能也受到嚴(yán)重的影響，尤其

16、是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)通常采用的PI(比例一積分)控制器無法跟隨轉(zhuǎn)子電阻等參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)正確的磁場(chǎng)定向，大大降低了矢量控制的控制性能。因此如何提高矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性成了當(dāng)前科技攻堅(jiān)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。</p><p><b>　　3.2矢量控制思想</b></p><p>　　矢量控制系統(tǒng)是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子

17、交流電流 iA、iB、iC，通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 i、i，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流 im和it 。異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control Sys

18、tem）。</p><p>　　3.3矢量控制原理框圖</p><p>　　把ASR的輸出信號(hào)除以r ，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對(duì)消，且變頻器的滯后作用可以忽略時(shí)，此處的（r）便可與電機(jī)模型中的（ r）對(duì)消，兩個(gè)子系統(tǒng)就完全解耦了。這時(shí)，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)綜合方法或相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器AR

19、和ASR。模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 r 和它的定向相位角都是實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量都難以直接檢測(cè)，只能采用觀測(cè)值或模型計(jì)算值。</p><p><b>　　矢量控制系統(tǒng)</b></p><p>　　4. MATLAB仿真模型建立</p><p>　　在 Matlab6.5 的Simulink 環(huán)境下，利用SimPowerSystemTool

20、box2.3 豐富的模塊庫(kù)，在分析交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設(shè)計(jì)框圖如圖所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)由PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括：交流異步電機(jī)本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變模塊。這些功能模塊的有機(jī)整合，Matlab/S

21、imulink 中搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法，圖中各功能模塊的作用與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述如下。</p><p>　　在Simulink環(huán)境中建立的矢量控制仿真模型</p><p>　　4.1 交流異步電機(jī)本體模塊</p><p>　　在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，交流異步電機(jī)本體模塊是最重要的部分，反映的是交流異步電機(jī)的本質(zhì)屬性。交流異步電機(jī)本體

22、模塊的輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速wr 和坐標(biāo)變換模塊輸出的dq兩相相電壓Usd、Usq，輸出為dq兩相相電流isd和isq 、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈Φrd和Φrd，模塊結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，圖中的Frd、Frq 分別指代Φrq、Φrq。圖中，isd 子模塊和isq 子模塊負(fù)責(zé)求取dq 兩相相電流isd、isq，計(jì)算方程：對(duì)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓進(jìn)行abc/dq 變換。</p><p>　　式中：Φrd 、Φrq ——d、q兩相轉(zhuǎn)子繞

23、組磁鏈；Rs——定子繞組電阻； 2 Lsc ??Ls ?Lm Lr；Ls ——定子繞組電感；Lr——轉(zhuǎn)子繞組電感； Lm ——定、轉(zhuǎn)子間互感。</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.2 矢量控制模塊</p><p>　　異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng)，采用矢量控制方法可使之降階、解耦，使控制方法變得更為簡(jiǎn)單、精確，使電機(jī)

24、系統(tǒng)具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。矢量控制模塊實(shí)現(xiàn)的正是交流電機(jī)的矢量控制方法，模塊的輸入為轉(zhuǎn)子參考磁鏈Φr* 和參考電磁轉(zhuǎn)矩Te*，輸出為dq 兩相參考電流id* 、iq* 和轉(zhuǎn)差角θs，底層結(jié)構(gòu)由如圖所示，圖中的F_d*指代Φr*，pos_s 指代θs。相互垂直的兩相參考相電流id*、iq* 的求取由方程式實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　該模塊應(yīng)用矢量控制思想，實(shí)現(xiàn)了電流解耦功能，所得到的解耦電流分量id* 、iq*可分別

25、用于轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，轉(zhuǎn)差頻率ws 經(jīng)積分環(huán)節(jié)可得轉(zhuǎn)差角θs，用于位置信號(hào)θ的求取。</p><p><b>　　矢量控制結(jié)構(gòu)圖</b></p><p><b>　　5. 仿真結(jié)果</b></p><p>　　本文基于 Matlab/Simulink 建立了異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了交流異步電

26、機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試。</p><p>　　交流異步電機(jī)參數(shù)：電機(jī)功率P＝1.2kW，相電壓U＝220V，定子相繞組電阻Rs＝9.34Ω，轉(zhuǎn)子相繞組電阻Rr＝5.51Ω，定子繞組自感Ls＝0.521H，轉(zhuǎn)子繞組自感Lr＝0.495H，定、轉(zhuǎn)子之間的互感Lm＝0.438H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝0.0024kg.㎡，額定轉(zhuǎn)速ne＝2400r/min，極對(duì)數(shù)np＝2。</p><p>　　為了驗(yàn)證

27、所設(shè)計(jì)的交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動(dòng)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t＝0.5s時(shí)突加負(fù)載Tl＝5Nm，可得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩、a相電流和定子磁通波形如圖所示。</p><p>　　轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形</p><p>　　a相電流波形 定子磁通波形</p><p

28、>　　由仿真波形可以看出，矢量控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te與Ψr的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍。在 ne＝2400r/min 的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)，相電流和反電動(dòng)勢(shì)波形較為理想?？蛰d穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t＝0.5s 時(shí)突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無靜差。仿真波形可示突加負(fù)載后，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)稍有增大，這主要是由電流換向和電

29、流滯環(huán)控制器的頻繁切換造成的。仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。仿真結(jié)果證明了本文所提出的這種異步電機(jī)仿真建模方法的合理性和有效性。</p><p>　　采用該交流異步電機(jī)仿真模型，可以十分便捷地實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證控制算法，更可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，通過修改系統(tǒng)參變量或人為加入不同擾動(dòng)因素來考察不同實(shí)驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，或者模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件，比較不同控制策略的優(yōu)

30、劣，為分析和設(shè)計(jì)交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工，也為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。</p><p><b>　　6. 心得體會(huì)</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)在分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了基于Matlab 的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真建模的方法，將該方法應(yīng)用于Simulink 環(huán)境下異步電機(jī)模型的設(shè)計(jì)，采用經(jīng)典的矢量控制方法