运动控制综合实验报告.doc

运动控制综合实验报告（交流部分）学院：电气工程学院专业：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：日期：2013年11月28日前言 异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制系统和直接转矩控制系统是已经获得成熟应用的两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统。matlab下的simulink软件进行系统仿真是身份简单和直观的，simulink提供了使用系统模型框图，掌握simulink工具会大大增强用户的系统仿真的能力。本文利用matlab/simulink仿真软件建立一个通用的仿真模型。然后用到直接矢量控制系统中去，对该系统进行仿真研究。一、实验目的及要求1、熟悉并熟练运用matlab/simulink软件。2、运用matlab对三相异步电动机进行仿真。3、运用matlab/simulink对电压空间矢量（svpwm）进行仿真。二、实验原理1、异步电动机基本性质异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。（1）异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出变量。（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通产感应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘积项。（3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。异步电动机三相原始动态模型相当复杂，简化的基本方法就是坐标变换。异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量pwm（svpwm，space vector pwm）控制”。 svpwm 的基本工作原理是： 以三相对称正弦波电压供电时交流电机产生的理想圆形磁链轨迹为基准，在一个控制周期 ts中，通过选择 8个电压矢量中最接近参考电压矢量的 3 个开关矢量，并控制他们的作用时间，从而使电机的实际气隙轨迹逼近理想的圆形7。 一般来说，svpwm 的控制方案分为三个部分，即三相电压的区间分配、矢量合成的最佳序列选择和控制算法。电压的区间分配直接影响到具体的控制算法，矢量合成序列选择的不同则关系到开关损耗和谐波分量。在前一章中，详细地分析了svpwm 技术的基本调制算法。从中我们可知要实现svpwm 信号的实时调制，首先需要知道参考电压矢量 所在的区间位置，然后利用所在的扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量。所以svpwm 算法的基本步骤为:a) 判断所在的扇区；b) 计算相邻两开关电压矢量作用的时间；c) 根据开关电压矢量作用时间合成为三相pwm 信号；2.原理与设计过程：2.1 实验仿真系统的原理： 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为便于分析作如下的假设：1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。3）忽略铁心损耗。4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响 异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。磁链方程： （1） 电压方程： （2） 转矩方程： （3）运动方程： （4） 转角方程： （5）三相异步电动机模型由上述方程可见异步电动机三相原始动态模型相当复杂，简化的基本方法就是坐标变换。三相变量中只有两相为独立变量，完全可以也应该消去一相。所以，三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。2.2 变换模块及变换模块仿真模型三相坐标系和两相坐标系物理模型在三相静止绕组a、b、c和两相静止绕组a、b之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。 考虑变换前后总功率不变，在此前提下，可以证明，匝数比应为 由此可得令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则。同理两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵称为变换矩阵，考虑到，变换又写成，电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同。由变换矩阵可搭建如下变换模块，输入量为、和，输出量为和。图11.模型同理由矩阵模块可得如图12所示模块图12.仿真模型2.3 设计过程 坐标系下电机相关方程电压方程： （11） 磁链方程： （12） 转矩方程： （13） 运动方程： （14）由： 可得定子电流 （15）同理可得 （16）由电压方程第三行 （17） 可得 （18）同理可得 （19） 最终得到： （20）将上述各模块按照相互关系进行连接，得到异步电动机仿真模型如图所示：异步电动机仿真模型 总体仿真图如图所示。总体仿真图 2.4 svpwm相关原理与实验设计 pwm逆变器共有8种工作状态当时 （38）当时 （39）依此类推，可得8个基本空间矢量 。八个基本空间矢量基本电压空间矢量把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量pwm（svpwm，space vector pwm）控制”。交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。，当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。定子磁链矢量为：定子电压矢量为：svpwm控制主要通过八个空间矢量电压来达到控制电机的目的其中有六个有效矢量，幅值为 ，空间互差，2个零矢量。6个有效工作矢量顺序分别作用时间，并使 ，每个有效工作矢量作用，6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率 。在一个周期内，6个有效工作矢量顺序作用一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。正六边形定子磁链轨迹按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，每个扇区对应，图9.电压空间矢量的6个扇区基本电压空间矢量，的线性组合构成期望的电压矢量，期望输出电压矢量与扇区起始边的夹角。 期望输出电压矢量的合成在一个开关周期, 的作用时间，的作用时间合成电压矢量： 期望输出电压矢量的合成svpwm的实现通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使pwm输出波型对称，以减少谐波分量。2.5 svpwm实验设计：（1） 开关函数的设计与模拟（2），是有效工作矢量，和是零矢量。仿真模块（4）激励模块激励模块（5）svpwm模块空间电压矢量的角度为期望电压矢量与定子a轴的夹角。而利用matlab的极坐标转换模块得出的角度在范围内，所以应加上的角度偏移，将其折算成范围内。两个零阶保持器将空间电压矢量的角度和幅值都保持一个采样周期。开关函数生成环节将相应的开关函数序列号送入到多路选择开关，以选择八个空间电压矢量中的相应电压矢量。svpwm仿真模块（5） 构造三相电机模型 svpwm控制三相电机仿真模型 总体仿真模型（7）s-function函数的编辑，及m文件编写如下：s-function函数根据输入的时间信号t_vector和电压矢量信号v_vector,生成开关函数序列号。其基本思想如下：按照开关损耗最小原则，在每一采样周期内，如果是奇扇区，电压空间矢量的输出顺序为：，；如果是偶扇区，电压空间矢量的输出顺序为：，。m文件编写如下：functionsys,x0=vectorc(t,x0,u,flag,ts)switch flagcase 3%if flag=3t0=(ts-u(1)-u(2)/2;if u(6)=1t1=u(1);v1=u(4);t2=u(2);v2=u(5);elset1=u(2);v1=u(5);t2=u(1);v2=u(4);endif u(3)=t & tu(3)+t0/2sys=8;endif u(3)+t0/2=t & tu(3)+t0/2+t1/2sys=v1;endif u(3)+t0/2+t1/2=t & tu(3)+t0/2+t1/2+t2/2sys=v2;endif u(3)+t0/2+t1/2+t2/2=t & tu(3)+3*t0/2+t1/2+t2/2sys=7;endif u(3)+3*t0/2+t1/2+t2/2=t & tu(3)+3*t0/2+t1/2+t2sys=v2;endif u(3)+3*t0/2+t1/2+t2=t & tu(3)+3*t0/2+t1+t2sys=v1;endif u(3)+3*t0/2+t1+t2=t & tu(3)+tssys=8;end%elseif flag=1case 1sys=0;%elseif flag=0case 0sys=0;0;1;6;0;1;%elseotherwisesys=;end电机参数：实验结果（1）图9 三相交流电源输入（）图10 转速转矩仿真波形（加负载起动tl=10）实验结果（2）电机参数r1=12; %r1=1.85 ; %定子电阻r2=10.7;%2.658; %r2=4.86 %转子电阻l1=0.8097 %0.2940 %l1=0.388 l2=0.8090 %0.2898 %=0.389lm1=0.7104 %0.2838 %=0.370ls=0.8097 %0.2940 %0.388lr=0.8090 %0.2898 %0.389lm=0.7104 %0.2838 %0.370np=2j=0.01486*0.2 %0.1284*0.2 %0.01486*0.2%ts=0.001 %1kts=0.0002 %5k异步电动机输出电流仿真波形（ia,ib,ic）电机模型仿真空载起动=0，n=1500 ,=0 电压电流波形转速仿真波形4.结论 比较图10和图22可知，采用svpwm控制后系统响应速度变快，且电机启动过程中转速无超调，提高系统稳定性。参考文献： 1.李红梅，李忠杰，杜世俊.svpwm逆变器供电下异步电机动态性能仿真j.电机与控制学报,2001,5(3):145148 2.黎英,邵宗凯.基于m a t l a b 、si m u h n k 的异步电动机建模与仿真j.电气传动自动化.,1999,21(3):35373.吴秀凤，周松林.三相异步电动机的saber 仿真模型j.电气传动自动化,2009,31(1):38424. 吴守箴、藏英杰电气传动的脉