异步电动机矢量控制系统的仿真

1、异步电动机矢量控制系统仿真1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真1.1异步电动机矢量控制原理异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控1制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统如图1所示。MATLAB foncLlDllFlux-cunX矩调节SSout!nl CU12ut32ri3sP1DLEJP1P1D> pi n ?APJCPIu* a 0?讪 aITLUIgUlWjr i.Scope图1矢量变换控

2、制系统仿真原理图如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的 M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。(1)(2)cu' - a. 4-ta上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量； 是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率；1 是转子速度；是转子磁场定向角度； 是转子时间常数；和：分别是电机互 感和转子自感。图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速"相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号;，电机的激磁电流给定信 号，根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激

3、磁分量给定信号：，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电 磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr 一起产生转差频率信号'，和 r相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号：。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，和定子三相电流实测信号、 和 相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。1.2异步电机转差型矢量控制系统建模在MATLAB/SIMULIN环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统2，电流控制变频模型如图2所示。图2电流控制变频模型图整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成， 元件的直观连

4、接和实际的 主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、磁场定向模块、滞环电流调节器、IGBT逆变器元件、异步电动机元件以及测量 和显示模块。这些元件都有设置对话框，用户可以方便的选择元件类型和设置参 数。在整个控制系统的仿真模型中，交流异步电机的模型是最重要的元件，在 Powerlib中给出了各种电机模型，这大大减少了交流调速系统的建模难度。控制系统采用转速电流双闭环控制，其中的磁场定向模块提供矢量控制 坐标变换需要的磁链位置角，电机模型如图3所示。图3 矢量控制电机模型仿真框图1.3异步电机转差型矢量控制系统仿真由于系统中包含非线性Powerlib模块（电机、逆

5、变器）,因此仿真采用变步长 算法,这样异步电机非线性部分和逆变器的过零点才能精确的计算出来 ，但是这 样会增加仿真步数减少仿真速度。由于在仿真初始化过程中，Power2sys函数将逐个检查模型中的各个模块是否为 Powerlib模块,这样对一个复杂系统在一定 程度上会降低仿真速度。为此我们可以人为迫使Power2sys不去检查那些常规模 块,方法是在常规模块以及包含常规模块的子系统的模块名字前加一个“$”符号,这样可以提高仿真速度。仿真过程中由于初始值选择不当或者系统中存在分式 ， 会出现奇异点使仿真过程停止，可以在分母中加上一个很小地值或选择适当的初 值避免奇异点的出现。图2中的电压测量单元

6、和电机输出测量单元是 Simulink模块和Powerlib 模块间的接口模块，分别把电机定子电压信号和电机输出信号反馈回Simuli nk模块。电压控制信号作为Simulink模块的信号送入到Powerlib模块一异步电机时，是通过可控电流源（IGBT逆变器）作为中间环节。仿真时要注意二者之间 的联系，防止仿真出错停止，转子磁链观测模型如图4.图4转子磁链观测模型4.4仿真结果在MATLAB/SIMULINK6.环境下对所建立的交流异步电机转差型矢量控制系 统采用变步长方法进行仿真，其中交流异步电机参数如下：R S=1.898Q, LS=0.196H,Rr=1.45 Q ,Lr=0.196H

7、 丄m=0.187H, PN=3kWN=380，=0.0067kg -m2 f=50Hz，pn=2。为了验证所设计的交流异步电机矢量控制系统模型的静、动态性能，系统空载启动，待进入稳态后，在t=0.2s时转速突加为180r/min,t=0.4s 时又突减为 120r/min。待系统稳定后，t=0.6s时突加负载5Nm t=0.8s时突减负载，重新 回到空载状态。在经过一系列转速突变和负载扰动仿真后，得到电机各个量响应输出波形如图712。图4电磁转矩波形图5 电机转速波形图6定子三相电流波形-201111'1-0D.10?0 J 0.4050.7 0B 0.9*猪图7 dq坐标系下转子两

8、相电流波形0 I Q2 0l30 4 OJJ Cl E O T 0 80.9图8 dq坐标系下转子磁链波形0.000.1 X ft J d 40.5 d &0 ? 。倉 c s图9 dq坐标系下定子磁链波形由仿真波形可以看出，在'-的参考转速下，系统空载启动，转速很快达到给定值，电流和转矩波形较为理想。t=0.2s时转速突加到180r/min，电流和电磁转矩相应增加，随即又到达稳定状态。t=0.4s时转速突然下降，电流和转矩也立即跟随变化。t=0.6s时突加负载扰动，转矩马上突变，电流也相 应增加，而转速几乎没有变化。t=0.8s时突减负载，转矩和电流同时变化，转 速仍然稳定在给定的120r/min上。定转子磁链响应也随着变化过程增大和减小。 可见，整个过程中转速给定和负载扰动频繁突变，而转速能很好的跟随给定值， 且响应时间短，过渡过程快，有很好的跟随和抑制扰动的性能。 整个变化过程中 电磁转矩也能够瞬间响应，并很快达到稳定。在稳态时的转