异步电机矢量控制.doc

基于MatlabSimulink异步电机矢量控制系统仿真XXX（江南大学物联网工程学院 无锡中国 214122）摘要：在分析了交流异步电动机数学模型和矢量控制理论的基础上，利用Matlab仿真软件对异步电机转差频率间接矢量控制系统进行了建模和仿真研究给出了整个系统的仿真模型和仿真波形图，通过仿真结果。验证了所采用的矢量控制方法和仿真方法是正确和有效的关键词：交流异步电动机；转差频率；矢量控制；计算机仿真中图分类号：TM30 文献标识码：AAbstract：Based on the mathematical model of AC asynchronism motor and vector control theory ，a vector control system based on slip frequency indirect vector control system was modeledThis paper gives a whole system simulation model and waveformsInvestigated with simulation，the results prove that the control method is correctKey words：AC asynchronism motor；slip frequency；vector control；computer simulation1 引 言因其结构简单、可靠性、高性能、优良输出、转矩大等特点，交流异步电机应用广泛，且随着交流异步电机应用领域的不断拓宽，对电机控制系统的设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短等特点。因此如何建立有效的交流异步电机控制系统的仿真模型，成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。本文在分析交流异步电机数学模型的基础上， 借助于Matlab 强大的仿真建模能力，利用Simulink 中内含的功能元件，提出了一种基于Matlab/Simulink 建立交流异步电机转差频率间接矢量控制系统仿真模型的新方法。其基本思想是将交流感应电机控制系统的功能单元模块化，在Matlab/Simulink中建立独立的功能模块：由给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节组成，方法简捷，效果理想。仿真结果证明了该种新型建模方法的快速性和有效性。2 交流异步电机的数学模型异步电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。假设条件：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（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。 2.1电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为式中：uA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和转子相电压的瞬时值；A, iiB, iC, ia, ib, ic 定子和转子相电流的瞬时值；YA, YB, YC, Ya, Yb, Yc 各相绕组的全磁链；Rs, Rr定子和转子绕组电阻。上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“ ”均省略，以下同此。2.2 磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为或写成 式中，L 是66电感矩阵，其中对角线元素 LAA， LBB， LCC，Laa，Lbb，Lcc 是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。 实际上，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：一类是穿过气隙的相间互感磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。 电磁转矩方程 （2-1）式中 电机极对数，q 角位移运动方程 （2-2）式中 Te 电磁转矩；负载转矩；电机机械角速度；J 转动惯量。3 交流异步电动机矢量控制原理31矢量控制系统的基本思路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 iA、 iB 、iC ，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 ia、ib ，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 im 和 it 。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通 F r 就是等效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图3-1。图3-1 异步电动机的坐标变换结构图3/2三相/两相变换; VR同步旋转变换;j M轴与a轴（A轴）的夹角从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速 w ，是一台异步电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由 im 和 it 输入，由 w 输出的直流电机。既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。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叫作矢量控制系统（Vector Control System），控制系统的原理结构如下图2-2所示。图3-2 矢量控制系统原理结构图3.2基于转差频率间接矢量控制调速系统的工作原理制不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标变换，只要在保证转子磁链转差频率矢量控大小不变的前提下，通过检测定子电流和转子转速,经过数学模型的运算就可以实现间接的磁场定向控制。当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有 ，代入转矩方程和状态方程中可得如下方程 （3-1）上式可解得 （3-2） （3-3） （3-4）上式（3-4）可解得 （3-5） （3-6）上式（3-6）可解得 （3-7）其中和分别为定，转子自感，为微分算子,为转子总磁链，为转差角频率，为转矩。基于转差频率的异步电动机矢量控制研究的结构原理图如下图3-3所示。该系统主电路采用了SPWM电压型逆变器，转速采用转差频率间接矢量控制，即异步电动机定子角频率由转子角频率和转差角频率组成（）。这样，在转速变化过程中，电动机的定子电流频率始终能随转子的实际转速同步变化，使转速的调节更为平滑。图3-3 矢量控制研究的结构原理图4 基于MATLAB 的交流异步电机系统模型的建立在 Matlab6.5 的Simulink 环境下利用SimPowerSystem Toolbox2.3 丰富的模块库，本文在分析了交流异步电机数学模型和转差频率间接矢量控制的的基础上，建立了交流异步电机控制系统的仿真模型。整体设计框图如图4-1所示，基于转差频率的异步电动机矢量控制系统的控制部分由给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节组成。图4-1 电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型已知的模型参数为：转子磁链模型的计算参数设置：异步电动机为3*746KW,220V，50HZ二对极（），定子绕组电阻，转子绕组电阻，转子绕组漏感，J=，逆变器直流电源为510V，定子绕组电感为，漏磁系数为0.056,。其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6的放大倍数分别为35、0.15.、0076、2、9.55、1/9.55。根据相关公式计算得到：仿真定转速为1400r/min时的空载启动过程，在启动后0.45s时加载T1=65N*M。该系统较复杂，容易出现收敛问题，经试用各种计算方法，最终选用步长算法ode5，步长取e-5。5 仿真结果及各模块具体分析51 转速模块图5-1图5-1中可以看到，转速随时间的变化逐渐增大。当t=O.36 s时，转速达到额定转速1400 rmin左右，而当t=O5 s时，由于此时电动机开始加载，所以使得转速有所波动，随后趋于稳定。52 转矩模块图5-2图5-2中，在加载后电动机转矩也随之增加，达到给定值Te=80 Nm。5.3 电流模块图5-3-1图5-3-2图5-3显示，电机空载起动达到稳定转速时，电流值下降为起动电流20A。而电动机加载后，电流迅速上升，随后维持在左右。54 坐标变换模块和函数模块变换后图5-4图5-4反应了系统坐标变换模块和函数运算模块变换后输出信号波形，经2r3s变换后的三相调制信号的幅值在调节过程是逐步增加的，信号幅值的提高，保证了电动机电流在起动过程中保持不变。55 定子磁链轨迹5-5-15-5-25-5-3图5-5-1与图5-5-3分别反映了电动机在起动过程中定子绕组产生的旋转磁场和电动机的转矩一转速特性，图5-5-1可以看出，定子磁链的轨迹一开始并不规则，而且在不断变化，但是随着时间的变化，磁链轨迹开始呈现规则图形，保持稳定，这是因为电动机在零状态起动时，电动机磁场有一个建立过程，在建立过程中磁场变化是不规则的，随着时间的推移，磁场逐渐规则如图5-5-1所示。而磁场的变化则会影响转矩的变化，图5-5-3所示转矩在一开始即电动机零状态起动时，大幅度变化，当磁场变化逐渐规则时，转矩变化也开始在小范围内波动，几乎保持稳定。电动机的转矩一转速特性反映了通过矢量控制能使电动机保持恒转矩起动，并且调节ASR的输出限幅可以改变最大输出转矩。6 心得体会这次仿真中我根据转差频率矢量控制的基本概念和系统原理图，建立了交流异步电动机专差频率矢量控制系统的仿真，并进行了仿真实验。经过不断的尝试发祥为了减少仿真需要的时间，可以在仿真中减小了电动机的转动惯量，但是过小转动惯量容易使系统发生振荡，要通过调节参数来观测参数变化对系统的影响。仿真结果表明，转差频率矢量控制系统具有良好的控制性能。参考文献：1 陈伯时电力拖动自动控制系统 M北京：机械工业出版社，20032 刘军华转差率控制的异步电动机调速系统的设计J电气传动