带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型

MATLAB期末作业带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型 姓 名 学 号 学 院 专业班级 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型文章摘要：本文对按转子磁链定向的矢量调速系统进行了计算机仿真研究，运用MATLAB的SIMULINK和POWER SYSTEM等工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真的方法，实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模和仿真，重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置，给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果。仿真结果非常接近实际情况，说明了仿真模型的正确性。关键词：交流异步电动机、仿真建模，MATLAB、矢量控制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。矢量控制技术有按转子磁链定向和按定子磁链定向的控制等策略。按转子磁链定系那个控制给出了交流电动机的基本解耦控制方法。在设计调速系统过程中，利用MATLAB仿真技术是一种重要手段。基于MATLAB安转子磁链定向矢量控制的交流调速系统仿真，正确的应用坐标变换模块是建立转子磁链模型的基础。同事，转子磁链、转矩解耦环节的模型也是放在的关键因素。本文在调速系统数学模型的建立以及正确的设置调节器参数的基础上对此系统进行仿真，仿真结果验证了模型机参数设置的正确性。1.坐标变换的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。3. 建立转子磁链定向的交流电动机数学模型 上面的定性分析是矢量控制的基本思路，其中的矢量变换包括三相一两相变换和同步旋转变换。实际上异步电动机具有定子和转子，定、转子电流都得变换，情况更复杂一些，要研究清楚还必须从分析动态数学模型开始。 为了提高异步电动机调速系统性能指标，目前应用最多的方案有按转子磁链定向矢量控制系统。按转子磁链定向的矢量控制时，交流电动机数学模型如下： （1） （2） （3） （4） （5） （6）由于，状态方程中的蜕化为代数方程，将它整理后可得转差公式 （7）这使状态方程又降低了一阶。由式可得 （8）则 （9_或 (10)式(9）或（10）表明，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。式（9）还表明，与之问的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数Tr为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量突变时，的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一致的。式(9)或式(10）、式（7）和式（1）构成矢量控制基本方程式，按照这组基本方程式可将异步电动机的数学模型绘成图3的结构形式，由图可见，两个子系统之间仍旧是耦合着的，由于Te同时受到和的影响。图3 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型按照矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时，可设置磁链调节器和转速调节器ASR分别控制和，如图4a所示。把ASR的输出信号除以，当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消，且变频器的滞后作用可以忽略时，此处的()便可与电机模型中的()对消，两个子系统就完全解耦了。这时，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统如图4b。应该注意，在异步电动机矢量变换模型中的转子磁链和它的相位角都是在电动机中实际存在的，而用于控制器的这两个量却难以直接测得，只能采用磁链模型计算，在图4a中冠以符号“”以示区别。因此，上述两个子系统的完全解耦只有在下面三个假定条件下才能成立：(1)转子磁链的计算值等于其实际值：(1)转子磁链的计算值等于其实际值 (2)转子磁链定向角的计算值等于其实际值；(3)忽略电流控制变频器的滞后作用。 （a）(b）图4 带除法环节的解耦矢量控制系统(a）矢量控制系统 (b）两个等效的线性子系统磁链调节器 ASR转速调节器 在按转子磁链定系那个矢量控制系统中，主要是为了转速和转子磁链解耦。提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的方法是在转速换内增设转矩控制环，如图（1）。 转矩内环之所以有助于解耦，是因为磁链对控制对象的影响相当于一种干扰作用，转矩内环可以抑制这个扰动，从而改造了转速子系统。 （1） 要实现按转子磁链定向控制的VC系统，还必须获得转子磁链信号，在实用系统中，多是借助转子磁链模型，实时计算磁链的幅值和相位。 基于MATLAB工具箱的仿真，实际上是根据系统的数学模型进行计算。正确地理解各模块的含义和性质以及参数的正确确定，是建立仿真模型的关键。4. 仿真模型（1） 主电路的建模和参数的设置在矢量控制系统调速系统中，主电路是由直流电压源、逆变器及交流电动机等组成。对于电流控制逆变器，可以采用电力电子模块组成中选取“Universal Bridge”模块。具体的参数为：电动机选择：380V、50Hz、两对磁极逆变器电源为510V定子绕组自感转子绕组自感漏磁系数转子时间常数设置如图所示 （2） 控制电路建模和参数的设置 滞环脉冲发生器建模。滞环脉冲发生器作用是给定电流IA、IB、IC同输出电流IA。、IB、IC相比较，电流偏差超过一定范围时，滞环脉冲发生器控制逆变器上（下）桥臂功率器动作，使得输出电流尽可能接近给定电流。为了保证同一桥臂上下轮流动作，上臂桥采用Relay模块，滞环宽度取12.为了加快仿真，下桥臂采用Data Type Conversion 、Logical Operator等模块组成。滞环脉冲发生器及封装后的子系统如图所示。 （a）滞环脉冲发生器的模型 Relay 的参数设置 （b）滞环脉冲发生器封装后的子系统 图 滞环脉冲发生器模型及封装后的子系统转子磁链模型。在建立转子磁链模型时，需要用坐标变换，但在MATLAB模块库中， 没有两相静止坐标与两项旋转坐标的变换模块，只有三相坐标到两相坐标变换模块，通过角度是否变化确定了变换方式。在三相静止坐标到两相旋转坐标变换的数学模型为：C3s/2r= * (8)但MATLAB模块中三相坐标变换模块abc-dp0 Transformation的数学模型为: C3s/2r= * (9)从（8）（9）式中可以看出两者是差别的，因此不能直接应用MATLAB中坐标变换模块。但如果把模块abc-dp0 Transformation 的旋转角度加上900，同时矩阵幅值乘以时，两者就完全相同。同样，两相坐标变换到三相坐标，在应用dp0-abc Transformation 模块时角度和幅值上也应当进行适当的调整。 转子磁链模型及封装后子系统如下图所示： （a）电流变换与磁链观测模型 （b）电流变换与磁链预测模型封装后子系统 图 电流变换与磁链观测模型及子系统（3） 矢量控制系统的仿真 在MATLAB下作系统仿真模型，如图所示系统仿真参数设置：仿真中所选的算法为ode23 tb,Start设为0，Stop设为3.0s。ASR的设置： ATR的参数设置： ApsiR的参数设置： 在给定转子为1400r/min，空载启动，在0.6s时家在60N .m，系统的仿真结果如图所示。期中图a-c分别为电动机转速、电路、转矩的曲线，图d-f分别为三个调节器的输出信号波形。在波形可以看到，在矢量控制下，转速上升平稳，加载后略有下家但很快就恢复。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。（4） 仿真结果 （a） (d) (b) (c) (f) (g)