（电机与电器专业论文）基于matiabsimulink的异步电动机变频调速系统的仿真研究.pdf

太辣琏王夫学矮 学位话支 a b s t r a c t v e c l o r - c o n t o r lw v fs y s t e mo fa s y n c h o m o u sm o t o ri sah i 曲一p e r f o r m a n c e s p e e d c o n t r o ls y s t e ma n dh a sb e e nu s e di nal o to f s i t u a t i o n so f h i g hp r e c i s i o na mh i | 垂 p e f f o r m e n c d 1 nt h eb a s eo fv e c t o r - c o n t r o l ，s o m ec o n t r o lm e t h o d sa r ed e v e l o p i n g ， b r e x a m p l es p e e d s c n s o r c s s sc o n t r o la n ds e l f - a d a p t a t i o nc o n t r 0 1 t h i st h e s i sm a k eas t u d y o f tv e c t e r - c o n t o r lv 1 n fs y s t e mo f a s y n c h r o n o u sm o t o r , i nt h ec o u r s eo f s t u d y , m a k i n g u s eo f t h em a t s e m a i c a lm o d e lo f a s y n e h o m o u sm o t o ri nm t a x e s t h e nb o t ho p e n l o o p c o n t r o ls y s t e ma n d c l o s e l o o pv e e t o r - c o n t m ls y s t e ma r er e s p e c t i v e l ys i m u l a t e dw i t h s i m u l a t i o nb l o c ks i m u l i n ki nm a t l a b i nt h ec o u r s eo f o p e n - l e o pc o n t r o ls y s t e m ， t h es i m u h t i o nm o d e lo fa s y m c h o m o u sm o t o ri so b t a i n e da n dr e a l i z e di ns i m u l i n k t h i ss i m u l a t i o nm o d e l s l r u c r l r ei ss i m p l ea n di t ss t a t i ca n dd y n m r j ep e r f o r m a n c ei s g o o d i nt h ep r o c e s so f c l o s e l o o pv e c t o r - c o n t r o ls y s t e m t h ea u t h o rd e s i g n e dam o d e l 西 c u r r e n td e l a y l o o pp w mv e c t o r 吣o n l r o lv v v fs y s t e mw h i c hi n c l u d e ss p e e da n d m a g r ) e t i cd o u b l ec l o s e - l o o p sa n dr e a l i z e d i ti ns 1 m u l i n k t h i sp a p e ra l s ou s e k n o n - l i n e a rf e e d b a c kd e e o u p l i n gt h e o r yt od e e o u p l et h ev e c t o r - c o n t r o lc l o s e l o o ps y s t e m i n t ol i n e a rd e c o u p l i n go fr o t o rs p e e da n dr o t o rf l u xl i n k a g es u b s y s t e m s t h es p e e d r e g u l a t o ra t df l u xl i n k a g er e g u l a t o ro f t h e s et w ol i n e a rs u b s y s t e m sc a r lb ed e s i g n e dw i t h c l a s s i c a ll i n e a rt h e o r y t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sp r o v e dt h i st w ov v v fs y s t e m sh a s b e t t e rs t a t i ca n dd ，n a n i cp e r f o r m a n c e s s o m es h n u t a t i o nm o d e l sa r ea l s ou s e di no t h e r v v v fc o n t r o ls t r a t e g ys y s t e m s k e y w o r d s ：a s y l r t l l o l x m f l l o i o f s p e e da d j 删tb y 抒。q 恻c o n v e r s i o n v e c t o r - - c o n r o lm a l h m l a l k a ls i m u l a t i o n 托磐妇d e c o u n n g 太麒删t 文学坝i 学位论义 第一章概论 随着交流传动系统的1 毛速发展，交流调速系统j f ：以良好的动玲、静 念性能广泛应用1 一t 业生产的各个领域，扣破丫过去传动领域内直流调 速系统所占的统治地位。二十一世纪将是交流u 目速占统治的时代。 七十年代初，矢量控制技术提出以后，交流电机控制系统的性能不 断得到改善。目前，p w m 供电的交流电机调速系统在中小功率电气传 动领域中得到广泛的应用。 第一节交流调速系统的发展概况 由于控制理论上的突破和电力电子技术的迅猛发展，变频调速装置 和交流调速的发展十分迅速。其发展概况简述如下1 1 i t ”】1 2 8 】： 大容量交流调速系统的发展概况 1 9 8 0 年8 月东芝公司为日本大同特殊钢公司星崎钢厂二重式可轧机 提供的晶闸管交一交变频器供电的笼型异步电动机传动系统投产，额定 功率1 8 0 0 k w ，在世界上率先采用矢量变换控制原理实现了大容量交流 电动机传动，揭开了大容量、高性能交流传动系统工业应用的序幕。1 5 年来，大容量交流传动系统的容量不断扩大，性能不断提高，其发展方 向是多品种、数字化控制、提高性能指标和扩大单机容量。大容量、高 性能交流传动系统主要有下列六种类型： 晶闸管无环流交一交变频器供电的同步电动机传动系统 晶闸管无环流交一交变频器供电的异步电动机传动系统 晶闸管有环流交一交变频器供电的同步电动机传动系统 品j 研管有环流交一交变频器供电的异步电动机传动系统 晶闸管交一直一交电流型变频器供电的无换向器电动机传动系统 太原删t 人擎坝j 学位绝文 一g t o 交一直一交电压型p w m 变频器供电的异步电动机传动系统 一 一 允环流交一变变频器供电的交流传动采统适用，一低速大容量场 合，像卡j 车协l 、厚板轧机、钢管轧机、矿井提卅机、选矿机、水泥窑设 备_ 及船舶主推动器等。采用晶闸管多重化技术，单机容量可以超过 1 0 0 0 0 k w 。例如被称为世界上最大的轧钢机婀比利时s i d m a r 初车b 机， 由法国a l s t h o 公司提供的无环流交一交变频器同步电动机传动系统，主 传动为2 + 1 2 0 0 0 k w ，额定电压为5 9 0 0 v ，额定转速为5 8 5 r m i n ，弱磁 运行最高转速为1 2 0 f f m i n ，最高工作频率为1 2 h z ，采用矢量变换控制， 从零速到最高速的加速时间仅为1 2 s 。 2 有环流交一交变频器供电的交流传动系统适用于中高速、大容量、 性能要求很高的场合，像带钢冷连轧机、可逆冷轧机、卷取机、热轧厂 精轧机等。与无环流系统相比，有环流交一交变频器俨、反向两组晶闸 管交替工作过程中无零电流死区，响应速度快，转矩脉动小、最高速度 高。如新日铁八幡钢厂冷轧机交流传动系统采用了笼型异步电动机，单 机容量为6 4 0 0 k w ，采用4 0 0 0 v 1 5 0 0 a 晶闸管组成的交一交变频器和矢 量变换控制。 3 无换向器电动机是一台同步电动机和晶闸管变流器的总称。无换 向器电动机采用自控式变频，变频器可以采用交一交变频器，也可以采 用交直一交电流型变频器。由于交一直一交电流型变频器所用晶闸管 数少，耐压要求低，所以得到了广泛应用。采用交一直一交电流型自控 式变频器供电的无换向器电动机传动系统适用丁高速、大容量场合，像 风机、泉类、压缩机以及人型同步电动机的变频起动等。例如s i e m e n s 公司为美国r a c o o n 电站4 2 5 m v a 大型扬水发电机配套的2 0 m v a 无换向 器电动机运行方式的起动发备早在1 9 7 9 年投入运行。 太臆理1 人擘顺1 学仃葩史 gr o 电j 1 i 犁p w m 变频器供电的锌步电动机传r 巩系统适蹦 二从 一 低速到高速的中大容量、r 瓤。忖能的应用场俞，像造纸机、海洋石油钻机、 冷轧机及船舶推进等。其装置容量及性能已经达到： 容量范围：5 0 0 8 0 0 0 k w 变频范闭：o 5 0 h z 凋速范罔：1 ：1 0 0 0 速度控制精度：0 0 l ( 最高转速时) 控制技术：p w m 方式，矢量控制，多c p u 全数字化控制 例如，f 本淀洲制铁公司采用的| 二 立公_ 亓_ jg t o 电压型变频器一笼型 异步龟动机轧机传动系统，采用4 5 0 0 v 3 0 0 0 ag t o 、p w m 方式、全数 字化矢量控制，变流器容量为6 2 1 0 k v a ，电动机功率为3 9 0 0 k w ( 六极) ， 7 最高转速为1 0 0 0 r r a i n ，可以四象限运行。 在控制技术方面，新的大容量交流传动系统大都采用多微处理机 ( c p u ) 全数字化控制。多c p u 及高速数字信号处理器d s p 的应用大 人提高了计算和处理速度，不但能够快速完成多任务，而且促使诸如状 态观测器、参数估计器、仿真器、非线性解耦等现代控制理论和技术的 实用化，大大提高了系统的控制性能。 二中、小容量变频装置的发展概况 习惯i ：把6 0 0 k w 以下的变频涮速系统划分为中、小容量范i 划。中、 小容量变频装置发展的特点是通用化、系列化和规模化生产。 1 本是世 界上变频器产量最大的国家，中、小容量变频器在中国的市场也最大。 以富士、二肯公司最早，其后很多公司的产品也先后进入中国市场。欧 美不少j 家的产品也进入了中国市场，如美国的a b 公口 ，英国的c t 公司，德陶的s i e m e n s 公司，敞洲的a b b 公司、a e g 公司等。t 扣、小 1 太j 糸腿f 人学坝r 学位论文 棒量变频器儿乎全都采_ ；| ：极铃；整流，二臼关断器利：逆变的交一赢交电 压型变频控制方式，输出i l i 弦彼电流。最新的产品全都采用微机全数字 化控制。通用化是中、小容量变频器最突出的特点，其表现为： 1 输出频率范围宽日前通用蝴器的输出频率可达4 0 0 h z 或更 高，不但能用j 二工频电动机的阔速，而目可用于- 1 1 频电动机的凋速控制。 2 高精度和高分辨率最新的变频器其频率分辨率和控制精度可以 达到0 0 0 2 h z ，以适应精调速场合的需要。 3 转差补偿功能由于采用了3 2 位微机或d s p 高速数字化控制， 能够进行瞬州转矩检测和运算，根据负载转矩的大小对转差进行补偿， 使异步电动机在转速_ _ _ r 环的情况卜- 也能够得到硬特性，以满足要求稳速 运行的需要。 4 转矩提升功能瞬时转矩检测和控制可使起动时电动机的转矩增 加到额定转矩的15 0 ，以适应像窑炉、起重机等要求大起动转矩设备 的需要。 5 转矩限定功能通过对转差的控制可将电动机的转矩限定在预置 的某一个值，因而在运行中不会因负载突变导致变频器过电流而跳闸。 6 自动加、减速利用转矩限定功能，在加、减速过程中可以根据 负载转矩的大小自动调整加、减速时问，以免瞬时转差过大或制动过程 泵升电压过高而跳闸。 7 避丌某一频率在起动过程或稳定运行时，可以通过预置而避开 在某一频率上运行，以免产生机械共振。 8 瞬h - i 停电自动再起动短时问的供电电源故障，由于存在机械惯 性，在电源愀复后电动机的转速可能尚未降到零。变频器可以根据电源 恢复时电动机的实际转速计算 j 对应的输出频率，以此频率为起始频率 太缘删r 更笋帧_ ：学惶毒龟复 睡电动秽重耨起动著女g 速至9 搏电魏麓运孚予姣念，以适应不竞竣：箨电设器 熬震鬟。 9 透信与联瓣功瑟最巍敷变鞭嚣均设有r s - 4 8 5 、r s 一4 8 2 等通僚 接r ，以备联网运行。 1 0 ，参数预置功能为满足不j 司川p 的需要，各种运行参数均可预 先i 嶷臀。象v f 曲线、转矩提升曲线、转矩限定曲线等，一般有几十种 1 j 丁供选择。起、制动时问的选择范围宽达o 2 3 6 0 0 s ，起、制动曲线可 以选择线性加减速，也可选择指数曲线或s 曲线加减速。转差补偿的程 度，即桃摄特性豹硬度也可以颈蕾。缎变频嚣可预置的参数有十几穆 之多，遨焉可班瀵足吾类舞动系统瓣要求。 邋瘸纯静勇一表现为系绞结旃熬模块仡，帮遥遂更换不嚣懿控鞠穰 缀可以使通用变频器增加用途而不增翻成本。 = = if j ，l _ _ i 、小容量变频器j f 朝着小型化、低噪声、智能化和高性能 的方向发展。i g b t 的开关频率可以超过2 0 k h z ，可以使变频器输出电流 的谐波很小并实现静音。专用集成电路、现场可编程门列阵以及计算机 一电路一体化的智能功率模块器件的成用，使变频器的体积大大减小。 一 一 已制成了将控制器、驱动电路、功率变流器集成为一体的微型变频器， 始翻率富公司静k s t 系列强三菱公镯麓f r 2 系剐交颓器。美国一家 公霹激逶攫塞弱交频谖速窀动辊已蹙交颓瓣装入篷动撬中，成袁囊委懿 簿能电动极。 第二节异步电动机的控制策略 肄步电动机是工业领域中最常用的电机，有优f 直流电机的许多优 点i ，如结构简单、牢固、成本低、舄维护等。但二一：相异步电动机是一个 多变量、非线形、强耦合的系统。要获墩满意的调速性能指标采取良 太原删j 火学琐1 学位论文 好的控制策略是关键。近年来，髓着电力电子技术，计算机技术，自动 。 一 挎制技术的迅速饯展，在电机调速领域已成功的实现了各利先进的方法。 史献i3 i 中提m 的控带呼乃法史现了澍异步电动机磁镪利转矩控制的解耦， 从而可以用直流电机的控制策略，使交流凋速系统的各项性能指标完全 可以与直流调速系统相媲荚，其优点是转矩可以连续平滑调节，调速范 宽。在异步电动机的转了磁场定向矢晕：控制方法中，磁通和电磁转矩 足分别控制的。精度在很大程度上取决j 二能甭精确地检测或估计出异步 电动机的转予磁场的位置和大小。由于异步电动机的转子参数随温度的 改变而变化的范围是相当大的，这样很容易影响了磁通观测器的精度， 为了解决参数变化引起的控制误差，需实时辩识转子时间常数。在改善 控制系统性能酌同时4 1 【”，整个控制系统变得相当复杂，必须采用高速 微处理器才能实现。因此，希望采用简单实用的办法，使异步电动机控 制系统达到满意的动静态性能是目前各国学者竞相研究的课题【6 l 。已经 得到应用的异步电动机控制策略有： 一异步电机的矢量控制 1 9 7 2 年，德国学者b l a s c h e k e 提出了一种精确的控制方案，现在称 为矢量控制。它根据交流电机的动态数学模型，利用坐标变换的手段， 将交流电动机的定子电流分解为励磁电流分量i m 和转矩电流分量i t ，即 模仿自然解耦的直流它励电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分 别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。采用由转子磁链 ( 即轴方向) 的同步旋转坐标系时，定产电流即被分解为励磁分量和转 矩分量，得到类似直流电机的模型。通过控制定子电流矢量在旋转坐标 系韵位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现 像氲流i 乜动机邡样对磁场和转矩的解祸摔制。 6 太原理1 天学嘭 i - 学位论文 二异步电机直接转矩控制 矢量变换控制理沦构提“ 和应用成功，j ：创了用交流调速系统取代 直流调速系统的时代，激发了人们研究一岛性能交流凋速系统的兴趣与热 情。8 0 年代掀起了交流凋速热，矢量控制理论进一一步简化与合理，些 新的控制策略和力法相继提出并被采用，1 9 8 5 年另一位德国学者 d e p e n b r o c k 提了种异步电动机的卣接自控制理论( d i r e c t s e l f - c o n t r 0 1 ) 通常称为直接转矩控制法。它和以往采用的解耦控制法不 同，是种快速的转差控制方法。它是在定予坐标系下，根据空间矢量 的概念，对定于磁链方向，简单地通过检测到的定子电压，电流等量， 直接就在定于坐标系下计算与控制电动机的磁链与转矩，获得转矩的高 动态性能，由j i 磁链控制选用了定子磁链，因而避开了转子励磁时问常 数，故参数鲁棒性好。转矩与定子磁链闭环均采用双位式砰一砰控制， 一方面避免了控制信号的旋转坐标变换，使控制结构简单，另一方面可 以获得快速的动念响应。但同时带来了转矩脉动，渊速范围受限的缺点。 它还有一个特点是逆变器采刷不同的丌关元件，控制方法有所彳；同。逆 变器方式采用电压空阳j 矢量控制，性能较优越。 除此之外，近几年还发展了一些新的控制方法，如非线性控 制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。今后的研究方向有： ( 1 ) 算法简单但有较高动态性能的新型控制策略“1 ； ( 2 ) 能抑制参数变化和扰动的新型非线性控制策略：交流电机是一个 非线性多变量系统，只有应用非线性控制理论才能真f f 解决交流电机的 控制问题。这几年来，交流电机的各种非线性控制策略己成为研究热点。 虽然存理论 ：成果很多，但由于电机参数受温度等原因的影响不可避免 的要变化，i 划此至今尚来肜成能真f i 有效地抑制参数变化和扰动的新型 7 太艇删1 人学坝 。学位论文 非线性：控制策璐。 ( 3 ) 具有智能控制方法的新型传动控制策略及其分析与发“耻论：智 能控制山r 能摆j 搅对控制对象的依携而对电机参数的变化小加考虑而引 起了人们的青睐。但是没有必要完全脱离经典的控制方法而采用纯粹韵 错能控制，1 应陔住经腆控制的方法h 增加定的智能控制手段，以消 除参数变化弄扰动的影响。 ( 4 ) 高动惫性能的无速度传感器或位置传感器控制策略：f i ；面所述的 控制方法都需要速度闭环控制，速度反馈信号来自于速度传感器。但是 速度传感器需要精确的安装和妥善的维护，另外，低速时也影l i 向转速信 号。冈此，取消速度传感器仍能获得高的动态性能便成为众所瞩目的研 究课题。 在控制技术方面，初期的交流调速系统均采用模拟控制器，因为要 完成诸如矢量变换的复杂的运算，所以电路十分复杂。从8 0 年代开始， 控制器经历了8 位微机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字信号处理器 蔓个阶段的发展，实现了系统的全数字化控制不但使控制电路大大简 化，改善了系统的可靠性、可使用性、可维修性，而且使交流调速系统 一 的功能更加完善，使用更加方便，以致进入9 0 年代后交流电动机及其控 制系统币在取代直流电动机成为电力传动系统的主流。 第三节仿真工具语言m a t l a b 简介 八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究 和设计的有利工具。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起实 恸：的电机及其传动、控制的仿真模型，冉以这个模型在计算机内人为模 拟的环境或条什卜的运行研究，替代真实f _ i 机庄实际场合下的运行实验， 既可得到l j j 靠的数据，又节约了研究的时削及费用。一般析言，时控制 r 系统进仃仿挺，首先成建。系统模型，然后根 l e 模型编制仿真l 序，利 一 一 一 川引算机对其进行数据求解并将结果加以矬示，硅然，通常在仍真模型 hf 分耗费时削与精力的是编制与修改仿真程序，而m a t l a b 的出 现为系统仿真提供，了强自j 的支持，足个一l f j ；苦先进而使刚便利时优 秀镪妊姆：铃。 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公一j 自1 9 8 4 年推出的一种使用简便的 工程计算语言，它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合 到了个交互的工作上不境中，在这早可以实现工程计算、算法研究、建 模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序丌发( 包括 图形用户界面设定) 等等功能，而且，m a t l a b 提供的工具箱为各行各 业的用户提供了丰富而实用的资源。 m a t l a b 语言具有以下特点： 1 功能强大 m a t l a b 不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在 计算结果的分析和数据可视化方面也有着其他类似软件难以匹敌的优 势。此外，m a t l a b 的n o t e b o o k 为用户提供了把数学和文字进行统一 处埋的功能，而m a t l a b 的s i m u l i n k 功能则将其应用扩展到各行各 业的仿真领域。不仅如此，公司更推出了针对各专业应用的m a t l a b 工具箱。 2 界面友好、编程效率高 m a t l a b 是种以矩阵计算为基础的程芋设计语言，其指令表达方 式j 标准敦科书的数学表达式非常接近。用，1 不需要有较高的汁算机编 稃基础，只要按照讣算要求输入表达式，m a t l a b 将为用户计算 f j 结果。 此外使用语占设计一的程序，其编译和执行速度远远超过了传统的 9 太原艘f 人学倾i 学位论殳 c 利f o r t r a n 爵苦设h 二的程序，可以税，m a t l a b 在工程计算方面的编 泽效率远远高r 其它缩程语言。 3 扩展。眺强 m a l l l a b 的黾雯特点之一就是其可扩展性，这个特点使得用户能够 自由地”发自一己的应用程序，这些年来，n ：多使用m a t l a b 的数学家、 工程师和科学家己经丌发出相当多的不同应用领域的应用程序。 m a t l a b 的这些特点使它获得了对应用学科，特别是对边缘学科和 交叉学利的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、发 训、仿真以及教学等不可缺少的基础软件。m a t l a b 在国外的高校已成 为大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本程序设计语言。而在国外的 研究设计单位和工业部门，更是早已成为研究和解决工程计算问题的 种标准软件。而在我困。，m a t l a b 的应用是近儿年的事情。在交流调速 这一领域，近一两年来应用m a t l a b s i m u l i n k 语言进行仿真的文献 很多 3 1 1 3 3 心l 【3 7 】 3 8 】 3 9 】 4 0 】，以上这些文献中应用m a t l a b 进行仿真得到 的结果和实际结果的吻合都是比较好的，这就为进一步的工业设计奠定 了理论上的基础。这也就是本课题采用m a t l a b 语言作为仿真丁具的 原因。 m a t l a b 提供的s i m u l i n k 是一个用来对动态系统建模。仿真和 分析的软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系 统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。它具有相对独屯 的功能和使1 i j ；j 方法。s i m u l i n k 的出现使得仿真工作以结构图的形式加 以进行。它提供各种功能模块，包括了连续系统( c o n t i n o u s l 、离散系统 ( d i s c r e t e ) 、非线性系统( n o n l i n e a r ) 几类基本系统构成模块，还包括连接、 运算类模块：函数与表( f u n c t i o n s & f a b l e s ) 、数学运算模块( m a t h ) 、信号 i 【j 太原堙t 人学坝i 学位论文 弓系统( s i g n a l s & s y s t e m s ) 。而输入源模块( s o u r c e s ) 和接收模块( s i n k s ) 9 1 1 j 为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。便于用户对模型进行仿真和 分析。用户只要从模块库中拖放合适的模块组合在起，( 也町以足自己 的系统) ，就可以直接对它进行仿真。可以选择合适的输入源模块作信号 输入，用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性。各种数值算法， 仿真步长等重要参数可通过方便易用的对话框确定，十分简捷，同时可 以借助模拟示波器将仿真动态结果加以显示，省去了以往仿真研究中的 大量手工编程过程，避免了编程错误造成的数值不稳定计算结果错误 等不陔发生的意外事件出现，大大提高了算法研究与实际应用的效率和 可靠性。它与传统的用微分方程和差分方程的仿真软件包相比，具有更 直观，方便，灵活等优点。同时，s i m u l i n k 的仿真精度是比较高的， 得出盼结果是可信的。 第四节本课题的任务和所做工作 本文用m a t l a b 语言分别对异步电动机开环控制和闭环矢量控制 的变频调速系统进行了仿真研究。为了对开环和闭环矢量控制的性能进 行比较，采用了同一台型号为1 9 f 的异步电动机。仿真分为两个步骤： ( 1 ) 异步电动机与s p w m 逆变器组成的开环控制系统的仿真。开环控制中 向异步电动机供电的是s p w m 逆变器。在这步的仿真中，首先推导出 异步电动机在按磁场定向二：相同步旋转m t 坐标系下的仿真模型，仿真 结果证明，这个数学模型结构简单，具有良好的静态、动态性能。接着 构造 “异步电动机和s p w m 逆变器在s i m u l i n k 中的仿真模型从而进 行仿真。( 2 ) 转速、磁链闭环电流滞环型p w m 逆变器矢量控制变频调速 系统的仿真。在这一个步骤中，首先没计了一个转速、磁链闭环的矢量 控制变频调速系统。接着是使这个系统在s i m u l i n k 中实现并进行仿真。 太原删丁大学顺 学位论义 这个闭叫、系统是。个比较复杂的系统，它不仅仅由异步电动机和电流滞 珥掣p w m 逆变器组成，还包括磁通观洲器、坐标变挟j 转速调节器、 磁链酬育器等其它虾。霄。其叶丁，两个凋节器的参数朐确定是比较困难的， 凼为这个闭环的矢量控制系统是一个多变量、非线性的系统。本文应用 非线性反馈解耦理论对这个矢量控制的闭环系统进行了解耦，将它分解 成两个线性独立的子系统，从而按照直流渊速系统的工程设计方法进行 对涮节器进行最计。山于时阳j 所限，本文仅对此进行了初步探讨，有待 于以后进行进步的研究。 太缘瑾下走掌燧 学蕴沦室 第二章必量变换控制的变频调速系统 第一节异步电视广义派薅漠型 一。舅步电动橇在三鞠黪壹a b c 坐标系下瓣基本方程式 本文蘩分析的三穗嚣步电动枫是理想化的，稚傲以下缓漤条佟：( 1 ) 电机定转予- 相绕组完全对称；( 2 ) 电桃定转予袭面光滑，无齿糟效应； ( 3 ) 电机气隙在空间中f 弦分布：( 4 ) 铁心涡流，饱和及磁滞损耗忽略不计。 壤转予铡参数辑算到定予侧，援冀岳熬每璜艇数都糖等。为了寿镤起见， 辑算盾黪转子铡参数不热撇。异步毫动穰静数学模型由电压方程、磁链 方程、转矩方程和运动方糕组成：一 1 f 乜压方程1 i r j + d v d t a b c l l ：。氐r 。+ 孥 ( 2 叫 式中f 。= i f 。，毛，f c 扎k = 也，毛，f c ， 2 + 磁链方程鸭 va b ( = l # i b c + l ”l 。k 、l ，村= l 。i 。b c + l 。i 。b c ( 2 2 ) 其中l ，为定严电感幼阵，l 。为转子电感触终，l ，为定于与转产之 闻靛蔓薅短痒。囱予气骧均匀，三稠绕组完全对豫，霞薅定、转子蚤凄 自感及稽闯互感具有简单的致的形式。如忽略漏感引起的榴削甄感部 分，则帼m j 感等 ：自感峙一列廊 ：磁场部分电感艟的半。劂此定，转 r 电感矩阵点寰艏白以p 形式： 蠢琢蠖l + 大学赣l ，拿垃论盅 卜 l ；：il 8 a | l 。 l 。l n l 。l l 。十l ， 一；l 。 一j l 。1 l 。2 l b 。l b b l b 。 = l 一l 。i l 。l 十l i ， l 。l ( 2 4 ) l l 。 l 曲 l 。jl 一 l 川一 l 。l 。十l ， 若定予秘转子绕组产生戆磁矮均镞正弦分 密，粼定、转予绕缀瓣麓 五：感将随蹲绕维轴线闯的夹角0 作余弦变化。如鬃两绕组轴线重台时 ( 0 = o ) 瓦感域人，为l 。l 。则定、转子间互感矩阵可表达为f 式： 隅。 l ，：毛。嚣 乞船 乙r 。 l m lf c 。s e e 。s ( 0 - - 1 2 。) c 。s ( o + 】2 。) 1 l 聋o 。l c o s ( o 1 2 0 。) c 。s 8 c o s ( o 1 2 0 ； l “lc o s ( o 1 2 0 。) c o s ( o 十1 2 0 4 ) c o s o ( 2 5 ) 卤方稷【三一3主1s塔峨捌暮晕制萎掣割三、(i副毒挺寒拿呈摹颦青黑一露誊，薯窖 ? 二韭 第三节j 系统中的主要单元及其在s i m u l t n k 中的实现 一坐标变换的仿真模型 坐标变擞韵仿真模型已在第三章详细描述。这罩就省略了。 二电流滞环型p w m 逆变器的仿真模型1 2 0 i 顾私思义电流滞环型p w m 逆变器是按p w m 规律工作的，其实并 小是这样，只是因为逆变器输出的电压波形是p w m 状，所咀称之为 p w m 逆变器。当p w m 逆变器用于。些动态性能要求较高的调速系统 时往往要求能实时控制电动机i 相定子电流的瞬时值，以保持与给定的 l i i 弦波电流一致。电流跟踪控制就是把电动机的三相定了电流与给定正 弦波电流相比较。当定子电流i ，大于给定电流i 。，时，通过逆变器使其减 小反之则要增大逆变器的输给电动机的电流为此就要通过对电流的闭 环控制强迫电动机的定子电流的频率、幅值都随给定值变化，从而提高 电压型逆变器的电流响应速度，以便其具有较好的动态性能。 在实际系统中，不可能使电机电流的频率、幅值都随给定值完全一 致。电流跟踪就是把二者经比较后的偏差限制在一定的容许范围内。频 率 呻副直给定的f 弦参考信号i 。，与实际相电流检测信号i ；相比较，其 偏差经过具有滞环特性的高增益放大器，即滞环比较器d h c ，控制逆变 器该相卜卜两个桥臂电力晶体管的导通和关断。 电流滞虾型p w m 逆变器的原理图为图4 6 ： 太碡理i 工大学硕一：学位论文 图4 - 6 电流滞环型p w m 逆变器的原理图 图4 = 71 滞环型逆交器单相半桥电路的结构图 ：滞环比较器的环宽为2 i , a x ，其中i 。：是设定的最大电流偏差。 当实际相电流i 。超过给定电流i 。，且偏差达到i 一时，滞环比较器的 输出使该项上桥臂的晶体管v d l 关断，经过延时后，下轿臂晶体管v d 2 导通，结果改项输出电压由+ u 。2 切换到u ；2 ，因面电流开始下降。 当实际电流降到比给定值低i 时，下桥臂晶体管v d 2 关断，上桥臂 晶体管v d l 导通，电流再上升。如此上下两管反复通断，迫使实际电 太原州 _ 人学删l 学位论义 流不断跟踪给定电流的波形，仅在允许偏差范围内稀有波动。 电流偏一差甘勺允许范围司用f 式表示： j i ；一i 。j ! ai ， ( 41 ) 在这个闭环系统中所采用的电流滞坏型p w m 逆变器是由和图4 _ 7 相 州的t 个甲斗日半桥电路组成。2aj 。是环宽，环宽对跟踪的性能有比较 大的影响。环宽太宽时，跟踪误筹增大，丌关频率低，环宽太窄时，跟 踪误差碱小，开关频率太高，甚至会超过晶体管的允许频率。鉴于这些 考虑，在这个系统中，i 取为0 1 。 由此原理，得出电流滞环型逆变器在s i m u l i n k 中的仿真模型图 为； l 眦 富p 囔卜壤季 m 幽48 电流滞环型逆变器在s i m u l i n k 中的仿真模犁 图4 - 8 中，输入i n l 、i n 3 、l n 5 是i 相定子电流的给定值：输入i n 2 、 i n 4 、l n 6 是j i 相定子电流的实际值；输出o u t l 、o u t 2 、o u t 3 是送入电动 机的三三相定f 脉冲电压。 4 2 a 原删r 人掌蛳1 学化论史 三转子磁链观测器的仿真模型 舀这个脚】环尉速系统要用到磁链反馈，凼此需要测舌j 实际转f 磁链 的幅值及相位。因为实际测量遇到许多工艺和技术问题，所以，现在都 一 采用削接观测的卉法，即检测出电压、电流或转速等容易测得n 勺物理量， 利用转子磁链观测器，计算磁链的幅值及相位 2 4 心j 【3 6 】【4 8 1 。本文中采用 按磁场定向二相旋转坐标系上的转子磁链观测器。其运算框图如图： 蚓4 - 9 按磁场完向一二相旋转坐标系上的转子磁链观测器运算框图 三相定子电流经三相- - n 变换变成斗目静止坐标，再经同步旋转 变换并按转子磁场定向，得到m t 坐标上的电流。利用矢量控制7 程： 扎2 品v ： 净z ， 晾碰 一大学倾f 学位论义 ( i ) 。= 粤 【4渤i 1 v ， 由这两个方程得到v ：和( ! ) 。信号，由i 信号与丈测转矩信号o ) ，j i w d i ：i 得到定子频率信号( 1 ) ，再经积分，即得转子磁链妁相位信号( p ，这个相 位信号也就是同步旋转变换的旋转相位角。 由按磁场定向二相旋转坐标系上的转予磁链模型运算框图可得其 在s i m u l i n k 中的仿真模犁图为： 图4 - 1 0 转子磁链观测器在s i m u l i n k 中的仿真模型图 图4 - 1 0 中，输入i n l 是电流t 。；i n 2 是转子转速国。：i n 3 是电流i 。l ： 输出o u t l 、o u t 2 是s i n q ) 、c o s _ ( p ：输出o u t 3 是同步旋转磁场的转速( 1 ) ： 输出o u l 4 是转子磁链v ：。常数c 是一个很小的数，为了防i j ：在运算1 v 时出现v ，= 0 的情况。 四调节器的设计 现代的电力拖动自动控制系统中，除电动机外，都是由惯性很小的 晶体管或其它电力电f 器件组成的，调节器可以实现比较精确的比例、 微分、积分控制规律使系统简化为近似的低阶系统，如果事先列。这些典 磐磐 圆 印 靴卜土一 兮唔 一爿产黔 太原理t 人学硼上学位论文 型低阶系统作深入的研究，弄清楚它们的参数和系统牲能的关系，。；成 简单的公式或制成简单的图表，则在没计实际系统日寸j 只要毹把它校砥 或简化为典型系统的形式，就可以利用现成的公式或图表来进行参数计 算，设计过程就简单得多。本文利用调节器的工程设计方法列调节器的 参数进行设计，这个过程分为两步： 第一步先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的 稳态精度。 第二步再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。 对于矢量控制系统中调节器的设计，如果在下列假定条件下( 1 ) 忽 略异步电机中旋转电动势对动态的影响：( 2 ) 假设每个环节输入输出关 系都是线性的；( 3 ) 认为在动态过程中币，不变。求得近似的动态结构国， 也就是说，近似的看成是一个线性单变量系统，再仿照直流双闭环调速 系统的工程设计方法进行设计，但这样误差较大，因此，要求误差小的 话，只有应用多变量的非线性系统理论才能解决。 1 ：典型系统及调节器的结构的选择 一般来说，控制系统的开环传递函数都可以表达为 w ( s ) ：堕! ! 型型业 一s r ( l s + 1 ) ( l s 十1 ) 分母中的s 项表示系统含有r 个积分环节。根据r = o ，l ，2 等不 同数值，分别称为0 型、i 型、i i 型、等系统。自动控制理论证明，0 型系统在稳态时是有差的，而i i i 型及其以上的系统很难稳定。因此，通 常为了保证稳定性和一定的稳定精度，多用i 型和1 1 型系统。 ( 1 ) 典型i 型系统 典型i 性系统的开环传递函数为： 太原型f 人学坝f 学位论立 它的闭环结构图为 吣，= 志 图4 1 1 一i 型系统的闭环结构幽 ( 2 ) 典型i i 型系统 典型i i 型系统的开环函数为： w f s l = 鉴 s ( y s + 1 1 它的闭环结构图为： ( 4 4 ) ( 4 5 ) 图4 1 2i i 犁系统的闭环结构图 2 调节器的设计1 2 1 i | 2 2 1 1 2 3 1 1 3 4 1 调节器参数对系统性能的影响很大，所以首先应确定转速调节器和 4 6 太原理t 人学坝i 学位论史， 磁链凋节器的结构。转速环应该校n ：成典毽i i 性系统，这首先是基于稳 态无静差的要求。因为转速环后自一个积分环常，为了实现转速无静差， 还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要i i 型系统。在从 动态性能上看，调速系统首先要有较好的抗扰性能，典型i i 型系统恰好 能满足这个要求。至于典型i i 型系统阶跃响应超调量大的问题，那是线性 条件下的汁算数据，实际系统的转速调节器在突加给定后很快会饱和，这 个非线性作用会使超调量大大降低，因此，转速环按典型i i 型系统设计。 磁链环的重要作用就是保持磁链在动态过程中不超过允许值，因而在突 加控制作用时不希望有超调，或者超训量越小越好。从这个观点出发， 应该把磁链环校正成典型i 型系统。 调节器的结构选择好后j 便陔确定调节器的参数了。 由于这个闭环控制系统的非线性、多变量的特点，需要采用非线性 化理论对这个闭环系统进行解耦h 1 j 【4 7 】1 4 6 】，一个非线性系统可以用下述 状卷方程和输出方程来描述，即： p ”专( 。) + g ( 。) “( 4 - 6 ) y = h ( x 1 式中。x n 维状态向量j f ( x ) 一1 1 维非线性函数； g ( x ) 一m 维非线性函数： u m 维控制输入； y m 维输出变量： h ( x ) 一m 维输出函数； p 一微分算子。 如果式( 4 - 6 ) 满足下列两个条件： 太噱蛙工人学娥1 学位诧芟 ( 1 ) 如果n 维向量 g ( x ) ，a d ，g ( x ) 一a d ? ! g ) 各元素之n ； j 是线性无 关的，即这夼n 维向量的秩为n ： ( 2 ) ( n 1 1 ) 维向量k ( x ) ，a d ，g ( x ) ，a d ? g ( x 妇的秩为n - l ，则可以通 过状态变换和非线性反馈将陔系统分解为m 个相互之刚没有耦合的线 性于系统，既实现了非线性系统的线性化，又实现了解耦。 对于这个转速、磁链闭环控制的电流滞环型p w m 变频调速系统来 浇，包括两个闭环，如果能通过f i 述方法对这个系统实行解耦，将这个 系统分解为相互之间没有耦合的速度子系统和磁链子系统。那么，就可 以分g t 进行速度调节器和磁链调节器的参数计算了。 由式i 2 2 2 ) 第四式可得： i 。z = f q 2 一i l m i 。一( 4 - 7 ) 对于笼型异步电动机轴方向的转子回路电压平衡方程式为： 0 = r 2 i 。：+ p v2 ( 4 - 8 ) 将 4 7 ) 代入( 4 8 ) 中得到： 叭一寺忖导。 c a 。， 为了简单起见，现假设( 2 2 4 ) 中的t 。= 0 将式( 2 - 2 3 ) 代入式( 2 2 4 ) 中得到： 旷挚i v2(4-10) 鲫2 r k n 2 式( 4 9 ) 和( 4 1 0 ) 组成了这个闭环调速系统的数学模型。可以看出，这是 一个其有耦合的非线性方程组，写成式( 4 6 ) 的标准形式有： a 原理t 犬学填一 ? 学位论义 由于 x v ：r f c x ，一= 。一：j 叫： 1 出，可鲁v ：鲁 u = d 。i 。 oo l 01 甜据心卜l 等。”到 所以k c x ，a a ，s 似，= l i n j , ；l , 霉1 的秩是z k ( x ) 】= 韵秩是1 斟 故式( 4 9 ) 、( 4 一1 0 ) 能够通过状态变换和非线性反馈分解为两个独立 的子系统。取新的状态变量为： z = k ；z ： 1 = bv ；r n ：l 。 则 胆1 。邓弘百。1 悼 眨刊；= 2 t y2 p v 2 = 一i 2 2 鲁v ：k l 令输入u 改为v = v lv ，】1 = h ：i 。v ：i 。】7 则式f 4 11 ) 变为： 监兰l riijiiiijiiiiil o ，一t 一 一一 盘一 太掀型t 人学硕学位论文 n ：l 。 d z t = 1 一v 11 儿一 、一2