机械毕业设计1712转速磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及MATLAB仿真

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，非线性，MATLAB仿真Speedandfluxvectorcontrolsystemforclosed-loopcontroltheoryanalysisandMATLABsimulationABSTRACTBecauseasynchronousmotor'sphysicalmodelisahigherorder,themisalignment,theclosecouplingmany-variablesystem,needstouseagroupofnonlinearsimultaneousequationtodescribe,thereforecontrolsextremelyinconveniently.Thereasonthatasynchronousmachine'sphysicalmodeliscomplex,thekeyliesduringeachmagneticfluxthecoupling.Ifbecomestheasynchronousmotormodeldecouplinghasthesimplemodelwhichthefluxlinkageandtherotationalspeedcontrolseparately,maysimulatedirectcurrentmotor'scontrolmodeltocontrolthemotor.Thedirectvectorcontrolisonesuperioralternatingcurrentmachinecontrolmode,itsimulatesdirectcurrentmachine'scontrolmodetoenablethealternatingcurrentmachinealsotoobtainthecontroleffectwhichcomparesfavorablywiththedirectcurrentmachine.Thisarticlehasstudiedinthevectorcontrolsystemthefluxlinkageregulator'sdesignmethod.AndobtainedthesimulationresultfinallywithMATLAB.KEYWORDS:VectorControl,Misalignment,MATLABsimulation目录前言1第1章矢量控制的根本原理21.1坐标变换的根本思路21.2矢量控制系统结构3第2章按转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制4第3章转速、磁链闭环控制的矢量控制系统73.1带磁链除法环节的直接矢量控制系统73.2带转矩内环的直接矢量控制系统8第4章控制系统的设计与仿真94.1矢量控制系统的设计94.2矢量控制系统的仿真11结论16参考文献17附录18前言矢量控制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。首先简单介绍了矢量控制的根本原理，给出了矢量控制系统框图，然后着重介绍了矢量控制系统中磁链调节器的设计和仿真过程。仿真结果说明调节器具有良好的磁链控制效果。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拟简单的根本原因。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，这就是矢量控制的根本思想。第1章矢量控制的根本原理矢量控制实现的根本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而到达控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以腔制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。1.1坐标变换的根本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那么，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，他所看到的就好似是一台直流电动机。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3／2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1.2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。图中的给定和反应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2／3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，2／3变换器与电机内部的3／2变换环节相抵消，那么图2中虚线框内的局部可以删去，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。第2章按转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制上节的定性分析是矢量控制的根本思路，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。如前所述，取d轴为沿转子总磁链矢量的方向，称作M(Magnetization)轴，再逆时针转就是q轴，它垂直于矢量，又称T(Torque)轴。这样的两相同步旋转坐标系称作M、T坐标系，即按转子磁链定向(FieldOrientation)的旋转坐标系。当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有2-1代入转矩方程式和状态方程式，并用m、t代替d、q，即得2-22-32-42-52-62-7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2-8这使状态方程又降低了一阶。由式可得2-9那么2-10或2-11式2-10或2-11说明，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2-10还说明，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2-10或式2-11、式2-8和式(2-2)构成矢量控制根本方程式，按照这组根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——转速调节器第3章转速、磁链闭环控制的矢量控制系统对解耦后的转速和磁链两个独立的线性子系统分别进行闭环控制的系统称作直接矢量控制系统。采用不同的解耦方法可以获得不同的直接矢量控制系统。3.1带磁链除法环节的直接矢量控制系统在前述的图4a中，转速调节器输出带“÷”环节，使系统可以在有关假定条件下(见上节指出的三个假定条件)简化成完全解耦的与两个子系统(模型在图中略去未画)，这是一种典型的直接矢量控制系统。两个子系统都是单变量系统，其调节器的设计方法和直流调速系统相似。电流控制变频器可以采用电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器(图5a)，也可采用带电流内环控制的电压源型PWM变频器(图5b)图5电流控制变频器3.2带转矩内环的直接矢量控制系统另外一种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的方法是在转速环内增设转矩控制内环，图6绘出了一种实际的带转矩内环的直接矢量控制系统，其中主电路选择了电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器，这只是一种例如，也可以用带电流内环的电压源型变频器。系统中还画出了转速正、反向和弱磁升速环节，磁链给定信号由函数发生程序获得。转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号，弱磁时它也受到磁链给定信号的控制。图6带转矩内环的直接矢量控制系统第4章控制系统的设计与仿真4.1矢量控制系统的设计以典型I型系统来设计为了将系统开环传递函数表示成典型I型系统的形式，磁链调节器设计为一个PI调节器与一个惯性环节串联，即其中、、待定。于是磁链闭环的开环传递函数为。当取=时，整理可得…〔7〕，显然这是典型I型系统的开环传递函数形式。为了便于仿真，假设电机参数如下：定子互感和转子互感：L_m=34.7e-3定子电阻：R_s=0.087转子电阻：R_r=0.228定子漏感和转子漏感：L_lr=L_ls=0.8e-3极对数：n_p=2转动惯量：J=1.662转子磁链：Psi_r=1代入上述数值到G(s)可得。易知该I型系统的阻尼比和振荡频率有如下关系：…〔8〕。假设今要求磁链调节曲线超调量、调节时间。根据自动控制理论，一旦超调量和调整时间确定了，典型I型系统的特征参数和可由确定，于是可解得=0.6901、=62.6483，再将和代入〔8〕式解得、=0.0116，=202.77，=0.2316。在MATLAB下作开环转子磁链的开环传递函数G(s)〔〔7〕式〕的波德图如图7。图中可以看出相角裕量约为.满足工程设计要求。图7转子磁链的开环传递函数波德图4.2矢量控制系统的仿真在MATLAB下作系统仿真模型，如图8所示。图8MATLAB下作系统仿真模型各个子模块的仿真模型如图9~13所示。图9电流滞环脉冲发生图10按转子磁链定向的转子磁链电流模型图11磁链调节器的模型图12转速调节器的模型图13转矩调节器的模型仿真结果图14转速仿真结果图15电机三相电流波形图16转速调节器输出结果图17电流调节器输出波形图18转矩调节器输出波形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适宜的调节器模型参数。参数选择见附录。从仿真结果上看，在0.35s时转速到达额定值，在0.5s时给电机加上负载，其转速有所下降，但很快就能