毕业设计（论文）-带转矩内环的转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真.doc

带转矩内环的转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真 摘 要因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并用MATLAB最终得到了仿真结果。关键词：矢量控制，MATLAB仿真 目录前言.1第1章 矢量控制的基本原理.21.1 坐标变换的基本思路.21.2 矢量控制系统结构.3第2章 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统.52.1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统.52.2 带转矩内环的直接矢量控制系统.6第3章 控制系统的设计与仿真.73.1 矢量控制系统的设计.73.2 矢量控制系统的仿真.9结论.20参考文献.21附 录.22前言矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。首先简单介绍了矢量控制的基本原理， 给出了矢量控制系统框图，然后着重介绍了矢量控制系统中磁链调节器的设计和仿真过程。仿真结果表明调节器具有良好的磁链控制效果。因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合、的多变量系统，需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。直流电机的数学模型就简单多了。从物理模型上看，直流电机分为空间相互垂直的励磁绕组和电枢绕组，且两者各自独立，互不影响。正是由于这种垂直关系使得绕组间的耦合十分微小、，我们可以认为磁通在系统的动态过程中完全恒定。这是直流电机的数学模型及其控制比较简单的根本原因。如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式，仿照直流电机进行控制，那么控制起来就方便多了，这就是矢量控制的基本思想。1 第1章 矢量控制的基本原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以腔制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。1.1 坐标变换的基本思路坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流、，通过三相两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流和，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流和。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图l。从整体上看，输人为A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过32变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由和输入，由输出的直流电动机。图1 异步电动机的坐标变换结构图1.2 矢量控制系统结构既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量控制系统(VectorControlSystem)，简称VC系统。VC系统的原理结构如图2所示。图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号和电枢电流的给定信号，经过反旋转变换一得到和，再经过23变换得到、和。把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。图2 矢量控制系统原理结构图在设计VC系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器与电机内部的旋转变换环节VR相抵消，23变换器与电机内部的32变换环节相抵消，则图2中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。 4 第2章 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统对解耦后的转速和磁链两个独立的线性子系统分别进行闭环控制的系统称作直接矢量控制系统。采用不同的解耦方法可以获得不同的直接矢量控制系统。2.1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统转速调节器输出带“”环节，使系统可以在有关假定条件下，简化成完全解耦的与两个子系统，这是一种典型的直接矢量控制系统。两个子系统都是单变量系统，其调节器的设计方法和直流调速系统相似。电流控制变频器可以采用电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器(图3a)，也可采用带电流内环控制的电压源型PWM变频器(图4)图3 电流控制变频器2.2 带转矩内环的直接矢量控制系统另外一种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控制内环，图4绘出了一种实际的带转矩内环的直接矢量控制系统，其中主电路选择了电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器，这只是一种示例，也可以用带电流内环的电压源型变频器。系统中还画出了转速正、反向和弱磁升速环节，磁链给定信号由函数发生程序获得。转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号，弱磁时它也受到磁链给定信号的控制。图4 带转矩内环的直接矢量控制系统第3章 控制系统的设计与仿真3.1 矢量控制系统的设计以典型I型系统来设计为了将系统开环传递函数表示成典型I型系统的形式，磁链调节器设计为一个PI调节器与一个惯性环节串联，即其中、待定。于是磁链闭环的开环传递函数为。当取=时，整理可得（7），显然这是典型I型系统的开环传递函数形式。为了便于仿真，假设电机参数如下：定子互感和转子互感：L_m=34.7e-3定子电阻：R_s=0.087转子电阻：R_r=0.228定子漏感和转子漏感：L_lr=L_ls=0.8e-3极对数：n_p=2转动惯量：J=1.662转子磁链：Psi_r=1代入上述数值到G(s)可得。易知该I型系统的阻尼比和振荡频率有如下关系：（8）。若今要求磁链调节曲线超调量、调节时间。根据自动控制理论，一旦超调量和调整时间确定了，典型I型系统的特征参数和可由确定，于是可解得=0.6901、=62.6483，再将和代入（8）式解得、=0.0116，=202.77， =0.2316图5 转子磁链的开环传递函数波特图3.2 矢量控制系统的仿真在MATLAB下作系统仿真模型，如图6所示。图6 MATLAB下作系统仿真模型各个子模块的仿真模型如图711所示:图7电流滞环脉冲发生图8按转子磁链定向的转子磁链电流模型图9 磁链调节器的模型图10 转速调节器的模型图11 转矩调节器的模型仿真结果如图1222: 图12 A相电流波形 图13 iSq 图形 图14 iSd图形 图15 转速输出图形 图16 经2r/3s变换的三相电流给定波形 图17 转速调解器输出 图18 转矩调节器输出 图19 磁链调节器ApsiR输出 图20 定子磁链轨迹 图21 转矩转速曲线 图22 电动机输出转矩下面对本例做出简单的分析与说明：带转矩内环的转速，磁链闭环矢量控制系统的主电路采用电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转矩内环，转速调节器ASR的输出是转矩调节器ATR的给定Te*,而转矩的反馈信号Te，则通过矢量控制方程计算得到。电路中的磁链调节器ApsiR用于对电动机的定子磁链的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节，ATR和ApsiR的输出分别是定子电流的转矩分量i*st和励磁分量i*sm。i*st ,i*sm经过2r/3s变换后得到三相定子电流的给定值i*sA,i*sB,i*sC,并通过电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流。带磁链和转矩闭环的矢量控制系统仿真模型如图6所示。期中直流电源DC，逆变器inverter,电动机motor和电动机测量模块组成了模型的主电路，逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节器ASR,ATR和ApsiR均是带输出限幅的PI调节器。转自磁链观测采用二相同步旋转坐标系上的磁链模型，函数模块Fcn用于对转矩的计算，dq0-to-abc模块用于2r/3s的坐标变换。调节器的参数见附录，模型的仿真算法为ode23tb.在给定转速为1400r/min，空载起动，在0.6s是加载60Nm，系统的仿真结果如前图所示。在波形中可以看到，在矢量控制下，转速上升平稳，加载后稍有下降但随即恢复，在0.35s达到给定转速时和0.6s加载时，系统调节器和电流，转矩都有相应的响应。由于ATR和ApsiR都是带限幅的PI调节器，在起动中俩个调节器都处于饱和限幅状态，因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变，定子的给定值i*sA,i*sB,i*sC也不变，所以在起动的过程中，定子电流基本保持不变实现了恒电流起动。由图可以看出，在起动阶段，磁场的建立过程比较平滑，磁链呈螺旋形增加，同时电动机转矩不断上升；而不带磁链调节器时，起动初期磁链轨迹波动较大，也引起了转矩的大幅度波动。从转矩转速曲线也可以看到，带磁链调节器的系统起动转矩较大。 19 结论由于磁链具有难观测的特点，所以采用MATLAB仿真研究是一个很好且很方便的方法。但是MATLAB毕竟是软件模拟实现，仅仅从原理上证实了设计的准确性，我们还必须搭建实际系统并进行调试才能最终确定合适的调节器模型参数。参数选择见附录。从仿真结果上看，在0.35s时转速达到额定值，在0.6s时给电机加上负载，其转速有所下降，但很快就能恢复，说明该电机的调速性能还是不错的。从转速的上升时间来看，它的响应时间也能满足要求。20参考文献1陈伯时电力拖动自动控制系统(第3版)机械工业出版社2