矢量控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計.doc

武漢理工大學(xué)電力拖動與控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書矢量控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計 初始條件：根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計對應(yīng)的simulink仿真模型，電機參數(shù)為：額定功率power=2.2KW,線電壓,額定頻率；定子電阻,漏感;轉(zhuǎn)子電阻,漏感;互感,轉(zhuǎn)動慣量,極對數(shù),其余參數(shù)為0。要求完成的主要任務(wù): （1）用MATLAB建立矢量控制系統(tǒng)仿真模型；（2）根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；（3）根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈。 摘 要因為異步電動機的物理模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，需要用一組非線性方程組來描述，所以控制起來極為不便。異步電機的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個磁通間的耦合。如果把異步電動機模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡單模型，就可以模擬直流電動機的控制模型來控制交流電動機。直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機控制方式，它模擬直流電機的控制方式使得交流電機也能取得與直流電機相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。并用MATLAB最終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：矢量控制 非線性 MATLAB仿真 矢量控制系統(tǒng)仿真1設(shè)計條件及任務(wù)1.1設(shè)計條件 根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計對應(yīng)的simulink仿真模型，電機參數(shù)為：額定功率power=2.2KW,線電壓,額定頻率；定子電阻,漏感;轉(zhuǎn)子電阻,漏感;互感,轉(zhuǎn)動慣量,極對數(shù),其余參數(shù)為0。1.2設(shè)計任務(wù)（1）用MATLAB建立矢量控制系統(tǒng)仿真模型；（2）根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；（3）根據(jù)仿真結(jié)果分析起動時轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈。2 異步電動機矢量控制原理及基本方程式2.1矢量控制基本原理 矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則,將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流通過坐標變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流,并分別加以控制,從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,以達到直流電機的控制效果。所謂矢量控制，就是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中，用直流電動機的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈,然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中的控制量經(jīng)變換得到三相坐標系的對應(yīng)量，以實施控制。其中等效的直流電動機模型如圖2-1所示，在三相坐標系上的定子交流電流,通過3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標系上的交流和再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系上的直流電流和。m繞組相當于直流電動機的勵磁繞組，相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。 圖2-1 異步電動機矢量變換及等效直流電動機模型圖2-2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流分量產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比與轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實現(xiàn)了定子電流的兩個分量的解耦。簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2-3所示。圖2-3簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)2.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基本方程異步電動機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程。分別如下: （2-1） （2-2） （2-3） 當兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時,應(yīng)有 （2-4） （2-5）得到dq坐標系的狀態(tài)方程 （2-6）得到旋轉(zhuǎn)角速度： （2-7）得到電磁轉(zhuǎn)矩表達式： （2-8） 得到轉(zhuǎn)子磁鏈表達式： （2-9） 式中: 為同步轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 為電壓；為磁鏈；為電流；電阻；為電感；為極對數(shù)； 為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)且；為電動機漏磁系數(shù)且；為微分因子。表示定子；表示轉(zhuǎn)子；表示軸；表示軸；表示同軸定、轉(zhuǎn)子間的互感。3 坐標變換3.1坐標變換原理 由于異步電動機三相原始動態(tài)數(shù)學(xué)模型相當復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應(yīng)用中必須予以簡化，由于直流電動機的主磁通基本上由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電動機的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電動機的物理模型等效地變換成類似直流電動機的模式，分析和控制就可以大大簡化。所以，三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相等。其中圖3-1和圖3-2 分別為三相坐標系和兩相坐標系物理模型和靜止兩相正交坐標系和旋轉(zhuǎn)正交坐標系的物理模型。 圖3-1 三相坐標系和兩相坐標系物理模型 圖3-2 靜止兩相正交坐標系和旋轉(zhuǎn)正交坐標系的物理模型 三相繞組A、B、C和兩相繞組之間的變換，稱作三相坐標系和兩相正交坐標系間的變換，簡稱3/2變換。圖3-3中繪出ABC和兩個坐標系中的磁動勢矢量，將兩個坐標系原點重合，并使A軸和軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為，兩相繞組每相有效匝數(shù)為按磁動勢相等的原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組在，軸上的投影都應(yīng)相等。圖3-3 三相坐標系和兩相正交坐標系中的磁動勢矢量因此， （3-1） （3-2）寫成矩陣形式，得 （3-3）根據(jù)變換前后總功率不變，得。考慮到，最終得到坐標變換式為 （3-4）相應(yīng)的逆變換為 （3-5）從靜止兩相正交坐標系到旋轉(zhuǎn)正交坐標系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動勢相等。其靜止兩相正交坐標系和旋轉(zhuǎn)正交坐標系中的磁動勢矢量圖如圖3-4所示。圖3-4 靜止兩相正交坐標系和旋轉(zhuǎn)正交坐標系中的磁動勢矢量旋轉(zhuǎn)正交變換為 （3-6）靜止兩相正交坐標系到旋轉(zhuǎn)正交坐標系的變換陣為 （3-7） 對(3-6)式進行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的變換矩陣為： （3-8） 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣與電流旋轉(zhuǎn)變換陣相同。3.2建立坐標變換模型3.2.1 2r/3s變換模型根據(jù)式子（3-3）和（3-8）可以建立3s/2r的電路模型結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。圖3-5 dqo_to_abc模塊 2r/3s變換為 （3-9）3.2.2 3s/2r變換模型 如圖3-6為3s/2r變換模型電路圖。圖3-6 abc_to_dq03s/2r變換為 （3-10）4 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式思想 圖4-1為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個是將定子電流兩個分量的給定置和施行2/3變換，得到三相電流給定值，再經(jīng)過PWM控制逆變器輸出三相電壓，采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標系中完成電流閉環(huán)控制，如圖4-2。另一個是將檢測到得三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換得到ist和ism。本次MATLAB仿真系統(tǒng)設(shè)計也是采用的這種控制方法。圖4-1 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)和磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的電氣原理圖4.2 MATLAB系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設(shè)計本次MATLAB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖4-3所示，其中SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若采用實際的SVPWM方法仿真，將大大增加仿真計算時間，對計算機的運行速度和內(nèi)存容量要求較高，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈和兩個電流調(diào)節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，兩相磁鏈有電動機模型直接得到，其中轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值也直接有電動機模型直接得到。圖4-3 矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖由圖中可知ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，APsirR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，ATR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器。三個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。4.3 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計本次仿真設(shè)計中的調(diào)節(jié)器都是采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為； （4-1） 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。其PI調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-3，而且此PI調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MATLAB的仿真圖形，不斷改進PI調(diào)節(jié)器和Kp和Ki，最終得到的各種調(diào)節(jié)如下：（1） 磁鏈調(diào)節(jié)器APsirR，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。其中G1=1.8，G2=100,輸出限幅值-1313。其中磁鏈給定為1.5。圖4-3 APsirR調(diào)節(jié)器（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR,其結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。其中G1=3.8，G2=0.8,輸出限幅值-7575。其中轉(zhuǎn)速根據(jù)電機的額定轉(zhuǎn)速1400 r/min。圖4-4 ASR調(diào)節(jié)器（3）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR 其結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示。其中G1=4.5，G2=12,輸出限幅值-6565。圖4-5 ATR調(diào)節(jié)器5仿真結(jié)果5.1 電機定子側(cè)的電流仿真結(jié)果 電機定子電流和仿真結(jié)果如圖5-1所示，（上）圖為，（下）圖為。系統(tǒng)在t=0.6s時突加負載。由仿真結(jié)果可知:空載起動時，定子電流勵磁分量基本穩(wěn)定不變，突加負載后，雖有微小波動但基本保持穩(wěn)定；空載起動時，轉(zhuǎn)矩分量迅速上升至幅值，并以此幅值起動電機，電機起動后隨即減小至0，突加負載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運行。圖5-1 電機定子側(cè)的電流Ism圖5-2電機定子側(cè)的電流Ist5.2 電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果 電機的轉(zhuǎn)子速度Wr（上）和轉(zhuǎn)子磁鏈Psir（下）仿真結(jié)果圖4-4所示?？梢?，電機起動后，轉(zhuǎn)速成線性上升，當上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出由于積分作用還維持在幅值。轉(zhuǎn)速超調(diào)后使得ASR退飽和從而穩(wěn)定在給定值。突加負載后，轉(zhuǎn)速下降，但由于采用的是PI調(diào)節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉(zhuǎn)速很快上升繼續(xù)保持在給定值，其仿真圖如圖5-2所示。又圖中可知在電機啟動時，轉(zhuǎn)速剛開始是以一個較大的線性速度增加，當達到1400r/min時，就基本保持穩(wěn)定不變，當突增額定負載時，但由于采用的是PI調(diào)節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉(zhuǎn)速很快上升繼續(xù)保持在給定值。圖5-3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n仿真圖圖5-4 轉(zhuǎn)子磁鏈Psir仿真圖心得體會 這次課設(shè)經(jīng)過同組人的共同努力終于順利完成了。這此課設(shè)題包括兩個部分，電機模型部分和矢量控制部分。我主要負責矢量控制部分，包括調(diào)節(jié)器的設(shè)計，仿真模型框圖設(shè)計。剛拿到這個課題的時候，完全不知道如何入手，后來我們重新學(xué)習(xí)了相關(guān)理論知識才慢慢有了思路。做課設(shè)的過程是個自我探索、自我學(xué)習(xí)的過程，在此期間，我們不僅學(xué)到了專業(yè)的知識，也提升了自己的學(xué)習(xí)能力。這次課設(shè)收獲很大，不僅深入了解了異步電動機矢量控制，也再一次熟悉了Matlab這個常用軟件。調(diào)配參數(shù)費了很多時間，總是得不到理想的仿真結(jié)果，其中需要自己學(xué)習(xí)很多東西，并在很短的時間內(nèi)融會貫通，考驗了自己的學(xué)習(xí)能力。我明白了堅持不懈的真正含義，是次難忘的課設(shè)。通過以上仿真過程可以看出,采用MATLAB 環(huán)境下的SIMULINK仿真工具,可以快速地完成一個電動機控制系統(tǒng)的建模、仿真，且無須編程,仿真直觀、方便、靈活。異步電動機矢量控制MATLAB仿真實驗對于開發(fā)和研究交流傳動系統(tǒng)有著十分重要的意義，并為系統(tǒng)從設(shè)計到實現(xiàn)提供了一條捷徑。參考文獻1陳伯時電