带转矩内环的转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真

带转矩内环的转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真摘要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。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并用MATLAB最终得到了仿真结果。关键词：矢量控制，MATLAB仿真目录--—1—前言第1章矢量控制的基本原理………………..2坐标变换的基本思路…………..2矢量控制系统结构第2章转速、磁链闭环控制的矢量控制系统TOC\o"1-5"\h\z2.1带磁链除法环节的直接矢量控制系统5带转矩内环的直接矢量控制系统6第3章控制系统的设计与仿真73.1矢量控制系统的设计73.2矢量控制系统的仿真9结论20参考文献21附录22#仿真结果如图12—22:图12A相电流波形ISQtuKing10.50-0.5-1-1.50D.10.2030.40.5O.G0.70.80.9It/G图13iSq图形IIInilIlli图14iSd图形图15转速输出图形EO2r^3szhuanhuaniatu图17转速调解器输出BD50403D20100U.20.30.40.50.60.70.00.91/s图18转矩调节器输出图19磁链调节器ApsiR输出图20定子磁链轨迹16C01财12U010008C0600400200004jCOAUIDij143图21转矩一转速曲线图22电动机输出转矩下面对本例做出简单的分析与说明：带转矩内环的转速，磁链闭环矢量控制系统的主电路采用电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转矩内环，转速调节器ASR的输出是转矩调节器ATR的给定Te*而转矩的反馈信号Te，则通过矢量控制方程计算得到。电路中的磁链调节器ApsiR用于对电动机的定子磁链的控制，并设置了电流变换和磁链观测环节，ATR和ApsiR的输出分别是定子电流的转矩分量i*st和励磁分量i*sm。%,i*sm经过2r/3s变换后得到三相定子电流的给定值smi*sA，i*sB，i*sc,，并通过电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流。带磁链和转矩闭环的矢量控制系统仿真模型如图6所示。期中直流电源DC,逆变器inverter,电动机motor和电动机测量模块组成了模型的主电路，逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节器ASR,ATR和ApsiR均是带输出限幅的PI调节器。转自磁链观测采用二相同步旋转坐标系上的磁链模型,函数模块Fcn用于对转矩的计算,dq0-to-abc模块用于2r/3s的坐标变换。调节器的参数见附录,模型的仿真算法为ode23tb.在给定转速为1400r/min,空载起动，在0.6s是加载60N・m,系统的仿真结果如前图所示。在波形中可以看到,在矢量控制下,转速上升平稳,加载后稍有下降但随即恢复,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。由于ATR和ApsiR都是带限幅的PI调节器,在起动中俩个调节器都处于饱和限幅状态,因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变,定子的给定值i*sA,i*sB,i*sc也不变，所以在起动的过程中，定子电流基本保持不变实现了恒电流起动。由图可以看出,在起动阶段,磁场的建立过程比较平滑,磁链呈螺旋形增加,同时电动机转矩不断上升；而不带磁链调节器时,起动初期磁链轨迹波动较大,也引起了转矩的大幅度波动。从转矩—转速曲线也可以看到,带磁链调节器的系统起动转矩较大。结论由于磁链具有难观测的特点，所以采用MATLAB仿真研究是一个很好且很方便的方法。但是MATLAB毕竟是软件模拟实现，仅仅从原理上证实了设计的准确性，我们还必须搭建实际系统并进行调试才能最终确定合适的调节器模型参数。参数选择见附录。从仿真结果上看，在0.35s时转速达到额定值，在0.6s时给电机加上负载，其转速有所下降，但很快就能恢复，说明该电机的调速性能还是不错的。从转速的上升时间来看，它的响应时间也能满足要求。参考文献陈伯时．电力拖动自动控制系统（第3版）．机械工业出版社．2004．李德华．电力拖动控制系统（运动控制系统）．电子工业出版社．2006胡寿松．自动控制原理简明教程（第二版）．科学出版社．2008．黄忠霖.自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社．2．冯垛生，曾岳南．无速度传感器矢量控制原理与实践．2006．李发海，王岩.电机与拖动基础（第三版）.清华大学出版社.2005.附录仿真参数一览表：电动机选择：380V、50Hz、两对磁极R二0.4350sL二0.002mH1sR=0.8160rL=0.002mH1rL二0.069mHmJ=0.19kg-m2逆变器电源为510V定子绕组自感L二L+L二0.069+0.002二0.071mHsm1s转子绕组自感L二L+L二0.069+0.002二0.071mHrm1r漏磁系数b二1-L2/LL二0.056msr转子时间常数T二L/R二0.071/0.816