矢量控制仿真补充

1、1矢量控制的发展与现状1.1矢量控制产生的背景精细化学品中含有多种脂类和蛋白质类粘稠状高分子化合物，生产过程中， 由1.2矢量控制技术的发展矢量控制概念的提出在电机控制方面的研究是突破性的。限于当初的技术条 件系统的整体结构得到大大简化，为设计某些结构复杂高性能的矢量控制系统 提供了有效的技术保障。综上所述，没有电力电子技术的巨大发展，就不可能将 1.3矢量控制技术的研究现状发达国家的科技人员在矢量控制领域的研究走在前沿，其研究成果为矢量控 制的发展作出巨大贡献。欧洲是矢量控制技术的发源地，其研究水平一直处于世 界先进行列。上世纪八九十年代欧洲在电气工程方面的论文集中，与矢量控制相 关的论文占

2、很大一部分，其中Siemens公司和一些德国高校研究人员做出的贡献尤 为突出，他们主要的贡献在于微型处理器的应用取得较大突破，使矢量控制真正 进入实用化阶段。亚洲范围内日本在矢量控制领域一直处于领先水平，早在70年 代初欧洲的相关研究成果就被带入日本国内，并有大量译文在刊物上发表，此后 各科研机构在此基础上逐步探索，形成了具有自身优势的控制理论，主要集中在 解耦控制、速度与磁链观测及参数自设定等方面，并有大量相关论文、专利出现。 大约在此后十年内，安川电机、三菱电气及东芝等日本著名企业在相关领域的技 术研究和产品开发积累了丰富经验，并取得较大优势。到目前为止，矢量控制相关技术研究已取得巨大成就

3、，具体来说主要体现在 如下几个方面：（1）为降低电机布线复杂度、提高系统稳定性，近年对无速度传感器控制的 研究逐渐增多；（2）电机运行过程中环境因素造成电机参数改变，为减少由此引起的误差， 电机参数识别与跟踪的研究越来越引起技术人员的兴趣；（3）随着高铁、动车的飞速发展，市场对大容量异步电机的需求量增多，因 此国家对大容量电机矢量控制系统的研究力度明显加大。在矢量控制技术研究方面，欧、美、日走在了世界的前列，在上述三个发展 方向上，这三个国家或地区各有优劣。欧洲的优势在于大容量电机控制方面的研 究，许多著名企业很早将大量精力投入于大功率电机车控制领域，且其相关产品 的性价比逐渐提高，在国际市场

4、中有很强的竞争力；日本在研究无速度传感器方 面较为先进，开发的通用变频器在电机车等领域逐步得到应用；美国在电机参数 识别方面研究比较深入，已将人工神经元网络控制、自适应控制及模糊控制等新 技术应用在人工智能及国防科技等领域，并获得了大量的技术积累和实际成果。 矢量控制技术的发展在我国大约有三十年的历史，起初由于科技水平和整体工业 水平较薄弱，这些因素制约了矢量控制技术的发展，改革开放后，随着国际交流 的加深，大量国际著名企业开始将目光投向中国市场，在将相关产品带入中国的 同时，矢量控制技术的研究也逐渐趋于火热，其研究成果在在电气传动领域得到 了广泛的推广。近年我国矢量控制的研究取得较大的进步，

5、具体主要表现在自适 应控制、无速度传感器和大功率牵引电机等方面的研究，但大多工作任处于计算 机仿真阶段，离实际应用还有大量工作要做。1.4本论文的研究背景和研究内容为了提高精细化学品生产过程中电机性能、安全性和能源利用率，研究高效、 高性能的控制系统很有必要，根据生产过程中的实际需求，本文分析比对各类矢 量控制系统，提出了一种可行、有效的矢量控制方案，设计满足生产要求的控制 系统仿真模型。主要完成下列几方面的工作：（1）分析矢量控制原理，并由此建立异步电机在不同坐标系下的数学模型；（2）对各矢量控制方案进行分析比较，研究其各自特点和优劣，根据生产过 程中电机的实际情况，选用按转子磁链定向电流解

6、耦型直接矢量控制方案；（3）根据选定的控制方案，结合实际要求建立电机控制系统仿真模型，并利 用MATLAB/Simulink工具对本控制系统进行仿真，根据所得波形图分析仿真结果， 验证控制方案的是否满足化工生产的实际需求。2坐标变换及异步电机的模型结构2.1坐标变换的基本原理化工生产中对电机控制的实时性要求，使得直接求解异步电机模型中的非线 性方程几乎是不可能的，为减少运算量、提高运算的速度，必须对模型进行简化， 其有效途径就是坐标变换。图2.1图2.1直流电动机的物理模型电机控制原理与方法。矢量控制的基本思路就是利用这个转换原理，具体转 换方式是通过坐标变换来完成，坐标变换的基本原则是：转换

7、前后线圈所产生的 磁动势完全相同。2.2三相一两相静止变换（3s/2s变换）具体是将三相静止绕组A、B、C转换为两相静止绕组a、0，此类变换称为2.3两相静止-两相旋转变换（2s/2r变换）另一种常用的坐标系是两相旋转坐标系，坐标系以一定转速旋转，根据旋转图2.3两相静止坐标系与两相旋转坐标系磁动势（电流）的空间矢量C =2s/2rC =2s/2rcos甲 sin甲sin 甲 cos 甲(2-12)2.4异步电机模型结构异步电机的数学模型较复杂，对其分析前，要选择好合适的坐标，目前常用 的是三相运动参量坐标系。三相运动参量坐标系中，异步电机的每相绕组的运动 抗）带来的影响。2.4.1三相静止坐

8、标系的模型为方便电机模型分析，不论电机转子为何种类型，都可一律看作为三相绕组 各相对称轴用a、b、c表示，其参考方向按逆时针旋转，转子a轴与定子A轴的图3.1三相异步电动机的物理模型(3-1)(3-2)本文选用两相旋转电流模型。3.4几种不同的磁链控制和解耦方法的比较差型矢量控制系统的磁场定向仍然摆脱不了参数（Tr、Lmd）变化对系统性能的影 响，但向精度欠佳。3.编写程序构造新的专用工具包。图7.5环脉冲发生器及电流控制逆变器组合模型及子系统滞环脉冲发生器由三个滞环控制器Relay和三个逻辑非运算器Logical operator 组成，模块输入为三相给定电流值和三相实测电流值，输出为6路逆

9、变器PWM控制 信号，其中1、3、5路与2、4、6路控制信号为相反信号。该模块由Simulink Library 中的模块Relay和Logical operator来构建，Relay根据输入信号的变化在逻辑1和0之 间跳变，当给定电流比实际电流大，且差值大于Relay的滞环宽度时，对应相正向 导通，Relay输出1，负向关断Logical operator输出0。当实际电流高于给定电流， 且差值大于滞环宽度时，对应相负向导通，正向关断。减小滞环宽度可以使输出 值与给定值更吻合，不过增加了开关频率，受IGBT开关频率的限制滞环宽度不能 取得太小，此外滞环宽度取值太小，系统采样周期也要减小，这将

10、给系统的实时 运行带来不利。功率变换单元为电流控制逆变器，采用电力系统模块中的万能桥Universal Bridge组成，其结构如图7.6所示，电力电子器件选用I GBT/Diodes，采用三桥臂六 IGBT结构。滞环脉冲信号为6路PWM控制的输入端，直流母线电压经逆变器的 UC+、UC-输入，电压值为620V。图7.6 IGBT-Diodes型万能桥内部结构7.6电机相关参数设置7.6.1电机指定测量信号输出设置电机指定信号输出选择定子电流（ia、ib、ic）、转子机械角速度（可）以及 转矩Te。如图7.7所示。际 Block Parameters: ITIachines Measureme

11、nt De mux图际 Block Parameters: ITIachines Measurement De mux图7.7电机指定信号输出设置7.6.2电机参数设置电机转子类型参数设置为鼠笼式，采用静止参考坐标系，输出功率（标称值） 为Pn=18 KW；电压Vn=380 V；频率为fn=50 Hz；定子电阻Rs=0.087 Q；定子漏 感 L1s=0. 8 mH；转子电阻 Rr=0.228 Q；转子漏感 L1r=0.8 mH；互感 Lm=0.1557 H； 转动惯量J=1.55 kgm2；摩擦系数F=0.1 N-m-s；极对数p= 2。具体设置如图7.8所 示。图7.8电机参数设置7.7系

12、统仿真结果仿真模型采用转子磁场直接定向矢量控制系统，为方便仿真，创建图形用户 界面(GUI)，为使仿真模型运行速度加快，反馈环节传递函数采用一阶延迟环节 1/Z，速度采样周期Ts=2x10-6s；仿真时长2s，采用固定步长，求解器选择disrete (no contiuous states)，步长大小选择auto，周期采样时间模式为SingleTasking；空载或 负载可通过“Manual Switch”单元进行选择；系统中各模块连接如下：图7.9图7.9采用转子磁场直接定向矢量控制系统仿真模型7.7.1无转矩内环的仿真波形无转矩内环的仿真模型见图7.10，定子线电压（V）、三相定子电流（A

13、）、转 速（r/min）及转矩（Nm）波形图如7.11所示。空载启动，0.8s时给系统突然增加 一负载Tm=100Nm，从图7.11可看出，不带转矩内环的转矩波形启动时波动很大， 虽然定子电流的转矩分量变化不大，但转矩有明显波动，转子磁链的变化会对转 矩调节带来扰动，说明子系统未完全解耦；定子电流变化不大，但转矩波动很大， 电机效率较低。Subsystem 0AfiRis_abcis_qdSubsystemlSI Unitszdq0_to_abc TransformationDiscrete, Ts = 2e-006 s.Machines MeasurementDSubsystem 0AfiR

14、is_abcis_qdSubsystemlSI Unitszdq0_to_abc TransformationDiscrete, Ts = 2e-006 s.Machines MeasurementDemux图7.10无转矩内环转子磁场直接定向矢量控制系统仿真模型iabc C |Time offset: 0图7.11无转矩内环时，定子线电压、三相定子电流、转速及转矩波形图7.7.2带转矩内环的仿真波形矩波形图图7.16 n =50 rad/s、T商140Nm时，定子电流转矩分量波形图8结论本文分析比较了各矢量控制技术的技术特点，针对精细化学品生产的特点， 选择中小功率异步电机，设计了高精度、高

15、效率矢量控制方案，利用MATLAB与 Simulink搭建模型并进行仿真，得出仿真结果。综合起来，本文重要完成了以下工 作：对国内外文献所介绍的各个方案进行了深入的分析比较，决定采用按转子磁场 定向，带转矩内环控制直接矢量控制系统，根据其数学模型，设计了转速调节器、 转矩调节器、磁链调节器、磁链电流模型等。矢量控制中对转子磁链的观测尤为 重要，本文采用旋转坐标系下的电流型观测器，提高了中小型电机的观测精度；系统选用电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器作为主电路控制器，能对电流实 施闭环控制，保证实际需要的正弦波电流，使电机的合成电磁转矩接近恒定值， 脉动分量较少。采用MATLAB/Simuli

16、nk对设计矢量控制方案进行建模仿真，仿真结果表明本文 设计的矢量控制方案符合化工生产设计要求，实现了定子电流转矩分量和励磁分 量的完全解耦，系统对外来扰动响应迅速，对转速、转矩及磁链有优异的控制功 能，具有良好的动静态性能。本论文设计的控制方案在一定程度上具有可行性，但由于本人能力水平有限， 并受到时间和实验条件的限制，但在很多方面还不够深入和完善。（1）磁链观测模型精度与速度还需要进一步提高，采用更加精确、快速的观测模 型，提高磁链的观效果；（2）电机参数的变化对控制精度有很大影响；可进一步研究参数在线辨识技术；（3）实验仅处在仿真阶段，若在实际中应用，考虑到具体设备情况，需进一步优 化各子系统的参数设置、速度传感器的使用以及处理环境因素对系统的影响，如 PI控制放大系数、各单元上下限的选择问题；速度传感器的安装、维护问题；受非 线性因素和参数改变而引起的控制性能恶化等问题。因此在理论研究与实际应用 方面还有巨大的发展空间，如参数优化方案、自适应模糊控制及无速度传感器控 制技术等方面。矢量控制系统硬件电路设计设计3.1主电路电流检