交流异步电机矢量控制系统仿真与实验研究

研究 开发 交流异步电机矢量控制系统仿真与实验研究 机床电器 2 0 0 8 4 交流异步 电机矢量控制 系统仿真 与实验研究 胡学芝 黄石理工学院 4 3 5 0 0 3 摘要 建立了三相异步电动机在旋转坐标系下的数学模型 论述了空间矢量脉宽调制技术原理 利用 M a t l a b软 件对电压源型 S V P WM交流调速系统进行了仿真 给出了仿真结果 在此基础上用 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7为控制芯片搭建了 实验平台并进行了实验研究 给出了实验结果 关键词 S V P WM Ma t l a b 矢量控制 转子磁链定向 中图分类号 T M3 4 3 2 T P 3 9 1 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 0 4 2 0 2 0 0 8 0 4 0 0 0 5 0 4 Re s e a r c h o n t he s i m u l a t i o n a n d e x pe r i me nt o f AC a s y nc h r o no u s m o t o r v e c t o r c o n t r o l s y s t e m HU Xue z h i H u a n g s h i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 4 3 5 0 0 3 Abs t r ac t Th e ma t he ma t i c a l mo de l o f t h r e e ph a s e a s y n c h r o no us mo t o r i n r o t a t i n g c o o r di n a t e s y s t e m i s e s t a b l i s he d a n d P WM t e c h n o l o g y o f s p a c e v e c t o r i s d i s c u s s e d T h e s i m u l a t i o n o f v o l t a g e s o u r c e S V P WM F r e q u e n c y v a r y i n g a n d s p e e d a d j U S t i n g s y s t e m b a s e d o n Ma t l a b i S ma d e t h e r e s ul t s a r e g i v e n Ba s e d o n t h e o ry a nd r e s e a r c h t h e e x p e rime n t s y s t e m i s c o ns t m c t e d wi t h TMS 3 20LF 24 0 7A a s t he p r o c e s s o r a n d t he e x pe rime nt i s do n e t he n t he r e s u l t i s g i v e n Ke y wo r ds S VPW M Ma t l a b v e c t o r c o n t r o l r o t a t i ng c o o r di na t e s y s t e m 0 引言 随着现代电力 电子技术和微处理器的发展 电机 控制技术 得到 了快速发展 交流调速 系统利 用 F O C 磁场定向矢量控制 和 D T C 直接转矩控制 的性能 可以和直流传动相媲美 目前 在交流调速方案中应 用适合于电机控制的 D S P作为控制芯片 可使系统朝 着高可靠 高性能和维护方便 的全数字化方 向发展 系统具有控制精度高 实时性强 硬件简单 软件编程 容易等优点 本文论述了 S V P WM调制原理 推导 了 S V P WM技术的有关公式 说明了其算法 然后建立异 步电机在旋转坐标系下的矢量模型 并用 Ma t l a b软件 对矢量控制系统进行 了仿真 并以 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7主 控芯片构建了实验系统进行了实验 给出了实验结果 1 电压 空 间矢量 控 制 原 理及 S V P WM 波形的产生 在 目前的 P WM调制方法中 空问矢量调制法可 以获得更高的直流电压利用率和更低 的输 出谐波 因 而受到广泛的应用 另外 由于目前 2 0 0 0系列 D S P内 部都有空问矢量发生器 从而使得这一调制方法应用 更为方便 当由于硬件生成 的是五段式调制法 相对 于七段式的调制方法有更高的电压谐波 因此 下面介 绍一种软件生成空间矢量调制的方法 图 1 画出了几个基本 的空间矢量 以及扇 区分布 图中所示的是两相固定坐标 可 以从旋转坐标 由 经坐标变换得来 具体变换公式如下所示 0 是转子轴 d与 O L 坐标之间的电角度 0 1 川 5 3 图 1空间矢量 图 为了便于计算扇区 定义下列各量 2 一 一 一 2 维普资讯 机床电器 2 0 0 8 4 研究 开发 交流异步电机矢量控制系统仿真与实验研究 如果 0 则 A 1 否则 A 0 如果 0 则 B 1 否贝 0 B 0 如果 0 贝 0 C 1 否贝 0 C 0 则扇区 计算式为 令 N A 2 B 4 C 3 X 3 u 8 y c4 每 则每个扇区中电压矢量的作用时间如表 1 所示 表 1 不同扇区 中电压矢量的作用时 间 另外定义 PW MPRD 1一 2 一 一 1 t o o 4 t 2 D S P内相应的寄存器设置如表 2 表 2 D S P内比较寄存器的设置 扇区 1 2 3 4 5 6 C MP R1 o n a o n a n b 叽 C MP R2 a 衄 衄 b 彻 b 删 a 0 n c 0 n CMP R3 一 c 皿 a 0 n b 0 a 0 n 2 异步电机矢量控制系统数学模型 在推导异步电机数学模型时作如下假设 a 电机三相绕组对称 空 间互差 1 2 0 电角度 所 产生的磁动势沿气 隙四周正弦分布 b 忽略磁路饱和 绕组的 自感和互感是线性的 c 忽略铁耗的影响 在以上条件下 列出系统在 A B C坐标系下的方 程 再经过坐标变换 转换成 坐标系下的数学模 型 在 坐标系下 坐标轴 以同步转速 J 旋 转 且 轴沿着转子总磁链矢量 沙 的方 向 轴垂直 于矢量 砂 即 砂 砂 以 砂 0 因转子绕组短路 故 U m 2 u 0 这样异步电机在 坐标系下的数 学模型为 2 1 电压方程 Uml Uf 1 0 0 6 R Ls p c o L s Lm p一 o Lm 一 J 1 R1 p J l L m p 0 R2 0 J 0 J LT R2 8 2 2 磁链方 程 1 1 沙以 沙也 Lm Lm L L 2 3 转矩方程 2 4 转差频率 与转矩间关系为 J p j 9 1 0 1 1 式中 为定子和转子等效 电阻 P为微分算 子 P 为电机极对数 u u 为定子在 一 轴上 的 电压分量 i i 以 为定子和转子电流在 一 轴 上的电流分量 为电磁转矩 转差频率为 C O C O 1 一 C O J 1 1 2 由以上数学模型组成 S V P WM矢量控制系统框图 如图2所示 图 2矢量控制调速系统框图 图2中标有 号的控制量为指令值 其它为实际 值 本次搭建成系统中图 2所示转速调节器和电流调 节器均为 P I 调节器 3 控制系统仿真分析 根据上述 的模型 利用 Ma t l a b s i m u l i n k建立 了矢 量控制变频调速仿真模型如图3示 仿真参数为 感应 电动机参数设置如下 电压 3 8 0 V 5 0 H z 2对极 R 0 4 3 5 Q L1 2 mH 0 81 6 Q Lh 2 mH L 6 9 1 m H 0 0 1 9 k g I n 逆变器 的直流 电源 为 41 0 V 调节器 A S R A T R A p s i R均用 P I 调节器 其仿真 模型如图4示 所选参数为 A S R G 6 0 G 0 8 积分器限幅为 7 5 一7 5 积分器 限幅为 9 5 一9 5 A T R G 4 5 G 1 2 积分器限幅为 6 0 一6 0 积 分器限幅为 4 0 一 4 0 A p s i R G 1 8 G a in 1 1 0 0 积 分器限幅为 1 5 一1 5 积分器限幅为 1 4 一1 4 维普资讯 研究 开发 交流异步电机矢量控制系统仿真与实验研究 机床电器 2 0 0 8 4 图 3 矢量控制仿真模型 1 n l l nte gra tO r 图 4 P I 调节器仿真结构 图 系统首先须检测起动性能 观察转速及启动电流 是否满足要求 图 5为空载起动过程 中的转速波形 图6为动态过程的定子电流波形 由于 A T R和 A p s i R 都是带限幅的 P l 调节器 在启动过程 中两个调节器都 处于饱和限幅转态 因此定子 电流的转矩和励磁分量 都保持不变 定子电流给定值也不变 故在启动过程中 基本达到了恒流启动 没有电流冲击 在 图5中可见 系统先空载起动 0 5 2 S 达到稳定转速 由图 6知 系 统起动电流为稳态电流的2倍左右 由仿真曲线可见 系统动态性能好 响应快 稳态精度高 电流波形好 f 图5 空载起动时的转速波形 在检测感应电动机恒定负载下变频调速特性时 感应电动机空载起动 在 0 7 S 加载 4 5 N m恒定负 载 感应电动机在 1 2 S 转速达到稳定约1 4 5 0 r m i n 继续运 行一段 时间后于 1 6 2 S改变给定 的转速为 1 0 0 0 r mi n 实现感应电动机在恒定负载下的变频调 速 图 7为带负载调 速时的转速波形 图 8为带载调 速时的电流波形 S O 4 o 3 O 20 l o 0 一 1 0 2 0 O 4 O 5 0 5 0 4O 3 0 2 0 g 1 0 0 1o r 30 4 O 50 0 O 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 ti me s 图 6 空载起 动时的定子 电流波形 f r 一 一 图7 带恒定负载调速时的转速波形 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 l 4 1 6 l 8 2 t i m e s 图 8 带载起 动时的电流波形 4 系统实验分析 基于前面的分析 搭建 了实验平台并进行 了实验 实验电机的额定转速为1 4 4 0 r m i n 频率 5 0 H z 额定 电流9 A 图9是空载启动时定子电流和转速曲线的波 形 图中波形 1 为定子电流波形 波形 2为速度波形 示波器定标 时间 2 5 0 m s 格 速度 4 0 0 r m i n 格 定 子电流 2 A 格 由图可见 启动时间大约需 1 2 5 S 启 动电流 比稳态时大约大 2 倍 1 维普资讯 机床电器 2 0 0 8 4 研究 开发 交流异步电机矢量控制系统仿真与实验研究 定子 电流 转速曲线 上 一H I f 蝌 1 l 图9 空载启动时定子电流和转速曲线的波形 5 结束语 本文建立了矢量控制系统在 坐标系上的数 学模型 对 S V P WM矢量控制原理进行了详尽 的分析 利用 S V P WM控制 实现转子磁链定 向控制 最后建立 了矢量控制的仿真模 型 模型 中采用了速度 P I 调节 器 磁链 电流 P I 调节器和转矩 电流 P I 调节器三个调 节器 分别对转速 磁链电流和转矩电流进行控制 仿 真结果表明 本文所用 的变频调速矢量控制算法是成 功的 从起动过程的曲线可见 系统动态性能优良 响 应时间快 从负载突变时的响应曲线可知 系统具有 良 好的抗干扰性能 从发展趋势看矢量控制变频调速系 统完全可达到或超过直流电机的控制指标和性能 在 矢量控制系统中 由于励磁电流环采用了闭环控制 保 证了异步电动机有合适的磁场 因此 矢量控制是有很 好应用前景的交流调速控制方式 参考文献 1 朱涛 等 基于交流异步电动机 的矢量控制的高性能 主轴驱动系统 J 电气传动 2 0 0 1 5 2 尹忠刚 等 基于空间电压矢量的变频器能量回馈系统 研究 J 电力电子技术 2 0 0 7 7 3 冯垛生 曾岳南 无速度传感器矢量控制原理与实践 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 1 4 张伟 无转速传感器异步电机矢量控制系统控制方 法的研究 D 杭州 浙江大学 博士学位论文 2 0 0 1 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 2 6 作者简介 胡学芝 女 教授 主要从事电力电子及电机控制 方 向的教学及科研工作 2 0 0 8 2 0 0 9年 国内外机 电展会信息 仅供参考 序号 展 会 名 称 地 点 时 间 联 系 电 话 1 第十四届韩国国际电力工业博览会 S I E F 2 0 0 8 韩 国国际展览 中心 1 0月 1 0 1 3日 0 2 0 6 1 0 o 4 2 5 0 0 2 0 6 1 0 o 4 2 1 0 2 第五届 中国一东盟博览会 南 宁国际会展中心 1 0月 2 2 2 5日 0 7 7 1 5 3 0 8 8 8 1 0 7 7 1 5 3 0 3 1 1 5 3 美 国芝加哥国际线圈 电机 及电器制造展 美 国芝加哥 1 0月 2 8 3 0日 0 1 0 6 8 2 2 8 1 7 4 0 1 0 5 8 6 8 4 4 4 9 4 中国环渤海国际城市智能化和工控 自动化展览会 天津国际展览中心 1 0月 2 9 3 1日 0 2 2 8 4 3 3 6 0 3 8 0 2 2 8 4 3 3 5 9 3 8 5 中国国际工业博览会 工业 自动化展 上海新国际博览 中心 1 1 月 o 4 0 8日 0 2 1 2 2 0 6 8 3 9 1 0 2 1 6 2 8 9 5 7 0 3 6 第十二届国际电力设备及技术展览会 北京中国国际展览中心 1 1 月1 2 1 4日 0 1 0 6 440 3 9 7 1 0 1 0 6 440 3 9 9 1 7 第八届 中国国际电力电工高低压电器展览会 北京 中国国际展览中心 1 1月2 5 2 7日 0 1 0 8 5 8 6 3 2 4 5 0 1 O一8 5 8 6 3 2 4 5 8 美 国国际电力设备展览会 美 国奥兰多展 中心 1 2月0 2 0 4日 0 2 1 6 4 8 6 6 6 5 6 8 4 0 2 1 5 1 6 8 5 3 1 9 9 中国国际机器人展览会暨公开赛 上海光大会展中心 1 2月 0 9 1 1日 0 2 1 5 1 6 9 3 5 7 5 0 2 1 5 8 7 8 9 8 8 6 1 0 第 四届 中国国际工厂控制及 自动化技术设备展览会 苏卅I 国际博览中心 1 2月 1 1 1 3日 0 5 1 2 6 7 4 8 7 5 8 6 0 5 1 2 6 7 5 0 5 9 0 6 1 1 第五届 昆山 国际工业 自 动化及仪器仪表展览会 昆山花桥国际展览中心 1 2月1 8 2 0日 0 5 1 2 6 8 8 3 5 1 6 6 0 5 1 2 6 8 8 3 5 1 0 6 1 2 第十八届埃及国际电力及能源展览会 开罗国际会议中心 1 2 月2 0 2 3日 0 2 0 6 2 9 8 9 4 8 8 0 2 0 6 2 9 8 9 4 8 0 1 3 2 0 0 9年第 1 8届印度国际工程技术展 班加罗尔国际展览 中心 0 2月 2 3 2 6日 0 2 1 6 8 6 2 5 4 7 3 0 2 1 6