电拖课程课设-异步电动机矢量控制系统建模与仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目录 TOC o 1-3 h z u 异步电动机矢量控制系统建模与仿真1 异步电动机矢量控制原理矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止的三项坐标系上的定子交流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流，并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，以达到直流电机的控制效果。交流电动机是个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机数学模型的多变量非线性数学模型时，作如下假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差电角度

2、，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，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心饱和；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；2 异步电机的坐标变换2.1 三相-两相变换在三相静止绕组、和两相静止绕组、之间的变换，称作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。图2-2中绘出了、和、两个坐标系，为方便起见，取轴和轴重合。当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影都应相等: （2-1） （2-2）图2-1 三相、两相静止坐标系与磁通势空间矢量是三相坐标系变换到两相坐标系的电流变换阵，根据变换前后产生相同的磁动势的原则和变换

3、前后功率不变的原则，可以得到： （2-3）如果从两相坐标系变换到三相坐标系，简称2/3变换: （2-4）考虑到实际异步电机的三相绕组为不带中线的对称绕组，没有零轴电流，并且满足,于是三相坐标系与两相坐标系之间的电流变换可进一步简化为： （2-5） （2-6）2.2 静止两相-旋转正交变换图2-2 两相静止和旋转坐标系与磁动势空间关系在图2-3中，两相交流电流和两个直流电流，产生同样的以同步转速旋转的合成磁动势。由图2-3可见，之间有下列关系: （2-7）两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为： （2-8）两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵是: （2-9）3 异步电动机按转子磁链定

4、向的矢量控制系统3.1 按转子磁链定向矢量控制的基本思想通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。3.2 以-is-r 为状态变量在mt坐标系中的状态方程旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同步旋转的坐标系。令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系。将静止正交坐标系中的转子磁链旋转矢量写成复数形式 （3-1）图3-2 静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系由于m轴与转子磁链矢量

5、重合： （3-2）为了保证m轴与转子磁链矢量始终重合，还必须使 （3-3）将式（3-2）和式（3-3）可得到mt坐标系中的状态方程： （3-4）于是求得: （3-5）导出mt坐标系的旋转角速度: （3-6）mt坐标系中的电磁转矩表达式: （3-7）通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当。 3.3 以-is-r 为状态变量的mt坐标系上的异步电动机动态结构图根据mt坐标系中的状态方程,可以

6、画出mt坐标系中的异步电动机动态结构图如下:图3-3 按转子磁链定向的异步电动机动态结构图3.4 转速闭环后的矢量控制原理框图按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值。在按转子磁链定向坐标系中计算定子电流励磁分量和转矩分量给定值，经过反旋转变换2r/2s和2/3变换得到三相电流。通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机所需的三相定子电流。图3-4 矢量控制系统原理框图3.5 转速闭环后的矢量控制系统结构图转子磁链环节为稳定的惯性环节，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

7、在积分环节，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：第一种是将定子电流励磁分量和转矩分量给定值施行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。第二种是将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流反馈值，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为mt坐标系中定子电压给定值。反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值，再经SVPWM控制逆变器输出三相电压。本次设计利用的是第二种方法。矢量控制系统的结构图如下所示：图3-5 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其中，ASR是转速调节

8、器，AR是转子磁链调节器，ACMR是定子电流励磁分量调节器，ACTR是定子电流转矩分量调节器。异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从其动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。4 异步电动机矢量控制系统仿真4.1 仿真模型的参数计算已知异步电动机

9、的额定数据： ， ， ，根据已知条件计算如下： 转差率：同步转速：可得转差角频率：并且有： 电流矢量幅值：由按转自磁链定向的动态模型得：稳定运行时有：，故 ： 可得：转子磁链：4.2 矢量控制系统的仿真模型根据mt坐标系上的异步电动机动态结构图（3-3）和矢量控制系统结构图（3-5），利用MATLAB搭建仿真模型如下：图4-1 矢量控制系统仿真模型其中mt坐标系下的AC Motor的仿真模型如下：图4-2 mt坐标系下异步电动机的仿真模型由图中可知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

10、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。4.3 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； (4-3-1) 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： (4-3-2)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。最终得到的各种调节如下。1）磁链调节器APsirR，其结构图如图4-3-1所示。其中Kp=15，Ki=50,输出限幅值-1010。其中磁链给定为2.235。图4-3-1 APsirR调节器2）转速调节器 ASR,其结构图如图4-3-2所示。其中Kp=15，Ki=10

11、,输出限幅值-8080。其中转速根据电机的额定转速1450 r/min得到对应w给定为151.84。图4-3-2 ASR调节器3）两个电流调节器ACMR和ACTR，分别如图4-3-3和4-3-4所示。其结构图和上面一样，就是参数不同。ACMR和ACTR的Kp，Ki分别为5,15和5,15。输出限幅值为-300300和-500500。图4-3-3 电流调节器ACTR仿真结构图图4-3-4 电流调节器ACMR仿真结构图4.4 仿真结果分析4.4.1 mt坐标系中的电流曲线在t=3s时加入负载，以阶跃函数来模拟负载的加入，其波形如图4-4所示：图4-4 在t=3s时加入负载波形此时示波器scope的

12、输出波形如图4-4-1所示：图4-4-1 定子电流励磁分量和定子电流转矩分量波形图由仿真结果可知：在mt坐标系下的异步电动机，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦。t=3s时加入负载，定子电流的转矩分量此时从0增大到8.5左右，而励磁分量则保持7.5左右，在负载加入时收到小扰动随即恢复原值，不随负载转矩变化而变化。仿真结果与理论计算结果基本一致。4.4.2 转子磁链和转速曲线不加负载和在3秒时加入负载的转子磁链和转速变化波形如图4-4-2所示：图4-4-2 转子磁链及转速变化波形由仿真结果可以观察到，转子磁链建立后，基本保持为2.2左右，在t=3s时加入负载后变化很小，随即恢复原值，不随转矩

13、的变化而变化，与给定转子磁链2.235基本一致，实现了转子磁链和电磁转矩的解耦。而转速闭环控制也使得转速能够保持在151.8左右，与给定转速基本一致。4.4.3 电磁转矩曲线不加负载和在t=3s时加入负载的波形如图4-4-3所示：图4-4-3 电磁转矩变化波形由仿真结果可知，在t=3s时负载的扰动下，又很快的回到稳态，转矩响应快，且无静差。5 总结与体会在这次的课程设计中，我更加巩固理解了异步电动机的矢量控制方法。我最先将课本上的异步电动机mt坐标系下矢量控制的章节认真复习了一遍，然后根据任务书上的要求，结合课本上的模型与结构图，画出mt坐标系上的异步电动机动态结构图，转速闭环后的矢量控制系统

14、结构图和原理框图，以及计算搭建仿真模型时要用到参数。然后就是利用Matlab环境下的Simulink搭建异步电动机矢量控制系统的仿真模型。在仿真中，我遇到了一些问题。仿真模型搭建好了之后却不能运行，软件提示是一个积分环节出错。通过与同学讨论学习与向老师请教，得知在AC Motor的仿真模型中的除法环节的分母上利用加法器加了一个很小的常数。这样可以使转子磁链为零时分母不为零。经过修改后仿真模型可以运行了。同时调配参数花费了比较多的时间， 对于最后的仿真结果，例如转子磁链的波形就不够理想，还是有扰动，所以还需要调节参数来完美波形。通过查阅资料了解到，用粒子群优化算法（PSO）可以整定PI调节器参数以得到较好的结果，希望再以后的学习中能应用到该算法。通过这次的课程设计，我收获很大，不仅将课本抽象的知识具体化了，更通过实践让我对矢量控制以及优化算法产生了极大的兴趣，为以后的学习做了铺垫。参考文献1 阮毅，陈