异步电机仿真.doc

武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书目录摘要11.任务及要求：22坐标变换33.电机模型推导44.仿真模型框图64.1 坐标系下异步电机的仿真模型64.2各元件的参数图74.3三相异步电机的仿真模型94.4各模块的原理图94.5仿真的初始数据105.矢量控制系统设计115.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想115.2 MATLAB系统仿真系统设计125.3 PI调节器设计136.仿真结果147.实验结论178.参考文献18摘要 由于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。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。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。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。本次设计做的是异步电机矢量控制的电机模型部分，利用MATLIB的进行仿真。关键词：异步电机 矢量控制 电机模型 仿真异步电机矢量控制Matlab仿真实验题目：异步电机矢量控制Matlab仿真实验电机参数如下：电机额定值：三相200V， 50Hz，2.2KW，1430r/min,14.6N.mRs=0.877 Rr=1.47，Ls=165.142mH ，Lr= Ls， Lm=160.8mH Np=2 J=0.015kg.m2仿真的结果包括：1）电机定子侧的电流 2）电机输出转矩Te 3）电机的转子速度Wr 4）转子磁链2坐标变换异步电机的数学模型比较复杂，坐标变换的目的就是要简化数学模型。异步电机数学模型是建立在三相静止的ABC坐标系上的，如果把它变换到两相坐标系上，由于两相坐标轴互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦合，仅此一点，就会使数学模型简单了许多。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，如图21所示。 图21 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 a、b 轴上的投影都应相等， （2-1） （2-2）写成矩阵形式，得 （2-3）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 （2-4） 代入式（23），得 （2-5） 如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有 iA + iB + iC = 0，或 iC = - iA - iB 。则可以化简并整理后得 （2-6） （2-7） 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵。3.电机模型推导 选取状态变量 X= 输入变量 U= 输出变量 Y= dq坐标系中磁链方程如下： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）电压方程为 （3-5） （3-6） （3-7） （3-8）考虑到笼型转子内部是短路的，则，电压方程可改写成： （3-9） （3-10） （3-11） （3-12）由以上式子可以得出： （3-13） （3-14） （3-15） （3-16） （3-17）式中电动机漏磁系数，经计算整理后可以得到dq坐标系下异步电机的状态方程为： （3-18） （3-19） （3-20） （3-21） （3-22）转子电磁时间常数，输出方程 Y= 若令，dq坐标系蜕化成坐标系即可得坐标系中的状态方程： （3-23） （3-24） （3-25） （3-26） （3-27）输出方程 Y= 其中状态变量 X= 输出变量 U= 电磁转矩 4.仿真模型框图4.1 坐标系下异步电机的仿真模型 根据以上推导的在坐标系下的状态方程可以做出以为状态变量的动态结构图，对其进行仿真可以的到其仿真模型，模型图如图3-1所示：图4-1 坐标系异步电机仿真模型4.2各元件的参数图图4-2 累加器的参数框图图4-3 放大器的参数框图图4-4 积分器的参数框图图4-5 乘法器的参数框图4.3三相异步电机的仿真模型图4-6 三相异步电机的仿真模型4.4各模块的原理图图4-7 3/2变换的原理图图4-8 2/3变换的原理图4.5仿真的初始数据图4-9 异步电机模型的参数图5. 矢量控制系统设计5.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 图5-1为电流闭环控制后的系统结构图，转子磁链环节为稳定的惯性环节，对转子磁链可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通道存在积分环节，为不稳定结构，必须加转速外环使之稳定。常用的电流闭环控制有两种方法：一个是将定子电流两个分量的给定置和施行2/3变换，得到三相电流给定值。采用电流滞环控制型PWM变频器，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制。另一个是将检测到得三相电流施行3/2变换和旋转变换，达到mt坐标系中的电流和。采用PI调节器软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为定子电压给定值和，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压和，再经过SVPWM控制逆变器输出三相电压，其系统结构图如图5-2所示。本次MATLAB仿真系统设计也是采用的这种控制方法。图5-1 电流闭环控制后的系统结构图图5-2 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图5.2 MATLAB系统仿真系统设计 本次MATLAB系统结构仿真模型如图4-3所示，其中SVPWM用惯性环节等效代替，若采用实际的SVPWM方法仿真，将大大增加仿真计算时间，对计算机的运行速度和内存容量要求较高，转速，转子磁链和两个电流调节器均采用带有积分和输出限幅的PI调节器，转子磁链幅值和角度由电动机模型直接得到。矢量控制系统仿真模型图如图5-3所示。图4-3 矢量控制系统仿真模型图由图中可知ASR为转速调节器，APsirR为转子磁链调节器，ACMR为定子电流励磁分量调节器，ACTR为定子电流转矩分量调节器，对转子磁链和转速而言，均表现为双闭环控制的系统结构，内环为电流恒定，外环为转子磁链或转速环。其中系统中的K/P模块是计算转子磁链幅值和角度的，其内部结构图如图5-4所示。图4-4 转子磁链和角度计算结构图5.3 PI调节器设计本次仿真设计中的调节器都是采用PI调节器，其传递函数为； (5-1) 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。同时其传递函数也可写为： (5-2)其PI调节器的MATLAB仿真结构图如图5-5所示。而且此PI调节器是带了限幅的。根据MATLAB的仿真图形，不断改进PI调节器和Kp和Ki。转速调节器ASR，其结构图如图5-5所示，其中Kp取5，Ti取10，积分限幅取-100100，转速给定根据电动机的额定转速1430 r/min，可以得到其转速给定为149.75。 图5-5 ASR调节器 磁链调节器 APsirR,其结构图与转速调节器结构相同，其中磁链给定为1.2。两个电流调节器MATLAB仿真模型如图5-6所示。只是参数不同，ACMR的Kp取5，Ti取10；ACTR的Kp取5，Ti取15。 图5-6 电流调节器ACMR和ACTR仿真结构图6.仿真结果图6-1 电机定子侧的电流仿真 图6-2 电机定子侧的电流仿真放大波形图 图6-3 电机的转子速度仿真 图6-4 电机的转子磁链仿真图6-5 电机输出转矩Te仿真图7.实验结论通过这次设计，学会了很多。了解了异步电机数学模型的推导过程，最后得出电机模型的输出模型。在定子侧电流仿真图像中，电流的趋势是先由大逐步震荡到正弦波形，在3S是，增加一个负载，那么在瞬间，它的电流增加，由于它是一个开环电路，那么，波形反应时间比较快。在转子速度的波形仿真中，由于电路是个开环电路，速度波形开始时产生很大的震荡，其后是空载时速度稳定，在三秒时突加负载速度减小，最后稳定。转子磁链波形仿真在开始阶段，很不稳定，开环震荡比较大，一段时间之后，转子磁链稳定到一个固定值，在3S时突加负载，转子磁链瞬间增大。在本次设计中，遇到了很多问题，发现了很多不足，加深了对电机模型的认识。受益匪浅。8.参考文献1 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统运动控制系统(第四版)M.机械工业出版社.20