帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真

1、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及matlab仿真 09電氣工程及其自動(dòng)化2班 p091812901王志興 2011/12/15 摘 要因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。如果把異步電動(dòng)機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡(jiǎn)單模型，就可以模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制模型來控制交流電動(dòng)機(jī)。直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)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(jì)方法。并用

2、matlab最終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：矢量控制，matlab仿真 目錄前言.1第1章 矢量控制的基本原理.21.1 坐標(biāo)變換的基本思路.21.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).3第2章 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng).52.1 帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng).52.2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng).6第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真.73.1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).73.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真.9結(jié)論.20參考文獻(xiàn).21附 錄.22前言矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)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(jì)方法。首先簡(jiǎn)單介紹了矢

3、量控制的基本原理， 給出了矢量控制系統(tǒng)框圖，然后著重介紹了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和仿真過程。仿真結(jié)果表明調(diào)節(jié)器具有良好的磁鏈控制效果。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就簡(jiǎn)單多了。從物理模型上看，直流電機(jī)分為空間相互垂直的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，且兩者各自獨(dú)立，互不影響。正是由于這種垂直關(guān)系使得繞組間的耦合十分微小、，我們可以認(rèn)為磁通在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程中完全恒定。這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制比較簡(jiǎn)單的根本原因。如果能將交流電機(jī)的物理模

4、型等效變換成類似直流電機(jī)的模式，仿照直流電機(jī)進(jìn)行控制，那么控制起來就方便多了，這就是矢量控制的基本思想。1 第1章 矢量控制的基本原理矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以腔制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。1.1 坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的目的是將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，這樣變換后，分析

5、和控制交流電動(dòng)機(jī)就可以大大簡(jiǎn)化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流、，通過三相兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流和，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，得到圖l。從整體上看，輸人為a，b，c三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過32變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，便得到一臺(tái)由和輸入，由輸出的直流電動(dòng)機(jī)。圖1 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖1.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，

6、那么，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動(dòng)勢(shì))的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)(vectorcontrolsystem)，簡(jiǎn)稱vc系統(tǒng)。vc系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的給定和反饋信號(hào)經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換一得到和，再經(jīng)過23變換得到、和。把這三個(gè)電流控制信號(hào)和由控制器得到的頻率信號(hào)加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。圖2 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)vc系統(tǒng)時(shí)，

7、如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，并認(rèn)為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)vr相抵消，23變換器與電機(jī)內(nèi)部的32變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖2中虛線框內(nèi)的部分可以刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了?？梢韵胂螅@樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 4 第2章 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)對(duì)解耦后的轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)分別進(jìn)行閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱作直接矢量控制系統(tǒng)。采用不同的解耦方法可以獲得不同的直接矢量控制系統(tǒng)。2.1 帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出帶“”環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)可以在有關(guān)假定條件下，簡(jiǎn)化成完全解耦的與兩個(gè)子系統(tǒng)，這是一種

8、典型的直接矢量控制系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)都是單變量系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法和直流調(diào)速系統(tǒng)相似。電流控制變頻器可以采用電流滯環(huán)跟蹤控制的chbpwm變頻器(圖3a)，也可采用帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型pwm變頻器(圖4)圖3 電流控制變頻器2.2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)另外一種提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)解耦性能的辦法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，圖4繪出了一種實(shí)際的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)，其中主電路選擇了電流滯環(huán)跟蹤控制的chbpwm變頻器，這只是一種示例，也可以用帶電流內(nèi)環(huán)的電壓源型變頻器。系統(tǒng)中還畫出了轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速環(huán)節(jié)，磁鏈給定信號(hào)由函數(shù)發(fā)生程序獲得。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出作為

9、轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，弱磁時(shí)它也受到磁鏈給定信號(hào)的控制。圖4 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真3.1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以典型i型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)為了將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表示成典型i型系統(tǒng)的形式，磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為一個(gè)pi調(diào)節(jié)器與一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，即其中、待定。于是磁鏈閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為。當(dāng)取=時(shí)，整理可得（7），顯然這是典型i型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)形式。為了便于仿真，假設(shè)電機(jī)參數(shù)如下：定子互感和轉(zhuǎn)子互感：l_m=34.7e-3定子電阻：r_s=0.087轉(zhuǎn)子電阻：r_r=0.228定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感：l_lr=l_ls=0.8e-3極對(duì)數(shù)：n_p=2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：j=1.662轉(zhuǎn)子磁鏈：p

10、si_r=1代入上述數(shù)值到g(s)可得。易知該i型系統(tǒng)的阻尼比和振蕩頻率有如下關(guān)系：（8）。若今要求磁鏈調(diào)節(jié)曲線超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間。根據(jù)自動(dòng)控制理論，一旦超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間確定了，典型i型系統(tǒng)的特征參數(shù)和可由確定，于是可解得=0.6901、=62.6483，再將和代入（8）式解得、=0.0116，=202.77， =0.2316圖5 轉(zhuǎn)子磁鏈的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖3.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真在matlab下作系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。圖6 matlab下作系統(tǒng)仿真模型各個(gè)子模塊的仿真模型如圖711所示:圖7電流滯環(huán)脈沖發(fā)生圖8按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型圖9 磁鏈調(diào)節(jié)器的模型圖10 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模

11、型圖11 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的模型仿真結(jié)果如圖1222: 圖12 a相電流波形 圖13 isq 圖形 圖14 isd圖形 圖15 轉(zhuǎn)速輸出圖形 圖16 經(jīng)2r/3s變換的三相電流給定波形 圖17 轉(zhuǎn)速調(diào)解器輸出 圖18 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出 圖19 磁鏈調(diào)節(jié)器apsir輸出 圖20 定子磁鏈軌跡 圖21 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線 圖22 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下面對(duì)本例做出簡(jiǎn)單的分析與說明：帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速，磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的主電路采用電流滯環(huán)控制型逆變器。在控制電路中，在轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器atr的給定te*,而轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)te，則通過矢量控制方程計(jì)算得到。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器aps

12、ir用于對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)，atr和apsir的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i*st和勵(lì)磁分量i*sm。i*st ,i*sm經(jīng)過2r/3s變換后得到三相定子電流的給定值i*sa,i*sb,i*sc,并通過電流滯環(huán)控制pwm逆變器控制電動(dòng)機(jī)定子的三相電流。帶磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。期中直流電源dc，逆變器inverter,電動(dòng)機(jī)motor和電動(dòng)機(jī)測(cè)量模塊組成了模型的主電路，逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生。三個(gè)調(diào)節(jié)器asr,atr和apsir均是帶輸出限幅的pi調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)自磁鏈觀測(cè)采用二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈模型，函數(shù)模塊f

13、cn用于對(duì)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，dq0-to-abc模塊用于2r/3s的坐標(biāo)變換。調(diào)節(jié)器的參數(shù)見附錄，模型的仿真算法為ode23tb.在給定轉(zhuǎn)速為1400r/min，空載起動(dòng)，在0.6s是加載60nm，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如前圖所示。在波形中可以看到，在矢量控制下，轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，加載后稍有下降但隨即恢復(fù)，在0.35s達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)和0.6s加載時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流，轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的響應(yīng)。由于atr和apsir都是帶限幅的pi調(diào)節(jié)器，在起動(dòng)中倆個(gè)調(diào)節(jié)器都處于飽和限幅狀態(tài)，因此定子電流的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量都保持不變，定子的給定值i*sa,i*sb,i*sc也不變，所以在起動(dòng)的過程中，定子電流基本保持不變實(shí)現(xiàn)了恒電流起動(dòng)

14、。由圖可以看出，在起動(dòng)階段，磁場(chǎng)的建立過程比較平滑，磁鏈呈螺旋形增加，同時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不斷上升；而不帶磁鏈調(diào)節(jié)器時(shí)，起動(dòng)初期磁鏈軌跡波動(dòng)較大，也引起了轉(zhuǎn)矩的大幅度波動(dòng)。從轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線也可以看到，帶磁鏈調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。 19 結(jié)論由于磁鏈具有難觀測(cè)的特點(diǎn)，所以采用matlab仿真研究是一個(gè)很好且很方便的方法。但是matlab畢竟是軟件模擬實(shí)現(xiàn)，僅僅從原理上證實(shí)了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，我們還必須搭建實(shí)際系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試才能最終確定合適的調(diào)節(jié)器模型參數(shù)。參數(shù)選擇見附錄。從仿真結(jié)果上看，在0.35s時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，在0.6s時(shí)給電機(jī)加上負(fù)載，其轉(zhuǎn)速有所下降，但很快就能恢復(fù)，說明該電機(jī)的調(diào)速性能還是不錯(cuò)的。從轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間來看，它的響應(yīng)時(shí)間也能滿足要求。20參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)機(jī)械工業(yè)出版