異步電機矢量控制Matlab仿真實驗..（精編版）

1、基于 matlab/simulink異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真一 理論基礎(chǔ)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量，以實施控制。其中等效的直流電動機模型如圖1-1 所示，在三相坐標系上的定子交流電流ia 、ib、ic ，通過

2、3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標系上的交流is 和 is ，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ism 和 ist 。圖 1-1 異步電動機矢量變換及等效直流電動機模型從圖 1-1 的輸入輸出端口看進去，輸入為 a、b、c三相電流， 輸出為轉(zhuǎn)速， 是一臺異步電動機。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2 變換和旋轉(zhuǎn)變換2s/2r ，變成一臺以ism 和 ist為輸入、為輸出的直流電動機。m繞組相當于直流電動機的勵磁繞組，ism 相當于勵磁電流，t 繞組相當于電樞繞組，ist相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦，電流的微分方程中仍存在

3、非線性和交叉耦合。采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這一現(xiàn)象，使實際電流快速跟隨給定值，圖1-2 是基于電流跟隨控制變頻器的矢量控制系統(tǒng)示意圖。圖 1-2 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ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，轉(zhuǎn)子磁鏈r僅由定子電流分量 ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩et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1-3 所示。圖 1-3 簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)二設(shè)計方法1.電流模型設(shè)計轉(zhuǎn)子磁鏈在實用的系統(tǒng)中多采用按模型計算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與空

4、間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電動機數(shù)學模型中推導出來，也可以利用專題觀測器或狀態(tài)估計理論得到閉環(huán)的觀測模型。在計算模型中，由于主要實測信號的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。本設(shè)計采用在 坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。由實測的三相定子電流通過3/2 變換得到靜止兩相正交坐標系上的電流is和 is，在利用 坐標系中的數(shù)學模型式計算轉(zhuǎn)子磁鏈在 軸上的分量srrrsrrritrlmtrdtditrlmtrdtd11(2-1-1) 也可表述為：)(11)(11rrsmrrrrsmrrtilsttilst(2-1-2) 然后，采用直角坐標- 極坐標變換，就可得到轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的幅值r和空間位置，考慮到矢

5、量變換中實際使用的是的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式22rrr(2-1-3) rrsin(2-1-4) rrcos(2-1-5) 圖 2-1-1 在坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型2 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計圖 3-1 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)子磁鏈可以采用閉環(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)使之穩(wěn)定。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*smi和*sti施行 2/3 變換，得到三相電流給定值。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。另一個是將檢測到得三相電

6、流施行3/2 變換和旋轉(zhuǎn)變換，達到mt 坐標系中的電流smi和sti。采用 pi 調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值*smu和*stu，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標系的定子電壓*u和*u，再經(jīng)過 svpwm 控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2 所示。本次matlab 仿真系統(tǒng)設(shè)計也是采用的這種控制方法。圖 3-1 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 3-2 定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本次 matlab系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖3-3 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

7、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，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度由電動機模型直接得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖3-3 所示。圖 3-3 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，acmr 為定子電流勵磁分量調(diào)節(jié)器，actr 為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，對轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈或轉(zhuǎn)速環(huán)。其中系統(tǒng)中的k/p 模塊是計算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-4 所示。圖 3-4 轉(zhuǎn)子磁鏈和角度計算結(jié)構(gòu)圖在此次設(shè)計中，由于電動機模型是根

8、據(jù)兩相靜止 坐標系下的數(shù)學模型建立，在仿真設(shè)計中加入了靜止兩相 旋轉(zhuǎn)正交變換 （2s/2r 變換）和旋轉(zhuǎn) 靜止兩相正交變換 （2r/2s 變換） ， 其 matlab仿真結(jié)構(gòu)圖分別如圖3-5 和圖 3-6 所示。圖 3-5 2s/2r 變換結(jié)構(gòu)圖圖 3-6 2r/2s 變換結(jié)構(gòu)圖本次仿真設(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；iiacri(1)( )kswss(3-1)ik 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。同時其傳遞函數(shù)也可寫為：( )iasrpkwsks(3-2)其 pi 調(diào)節(jié)器的 matlab 仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-7 所示。而且此pi 調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)m

9、atlab的仿真圖形，不斷改進pi 調(diào)節(jié)器和 kp 和 ki 。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-7 所示，其中kp 取5，ti 取 10，積分限幅取 -100100，轉(zhuǎn)速給定根據(jù)電動機的額定轉(zhuǎn)速1430 r/min，可以得到其轉(zhuǎn)速給定為。圖 3-7 asr 調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器apsirr ,其結(jié)構(gòu)圖與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)相同，其中磁鏈給定為。兩個電流調(diào)節(jié)器ma tlab 仿真模型如圖3-8 所示。只是參數(shù)不同，acmr 的 kp 取 5，ti 取 10；actr 的 kp 取 5，ti 取 15。圖 3-8 電流調(diào)節(jié)器acmr 和 actr 仿真結(jié)構(gòu)圖三 仿真結(jié)果電機定子側(cè)的電流仿真結(jié)果電機定子側(cè)的

10、電流 （isa&isb）仿真結(jié)果如圖4-1 所示。系統(tǒng)在 t=3s 時突加負載。 由仿真結(jié)果可知 :空載起動時，定子電流基本穩(wěn)定不變，成正弦變化。在t=3s 突加負載后，電流仍成正弦變化，幅值變大，但基本保持穩(wěn)定。0123456-20-15-10-5051015202.82.933.13.23.33.4-20-15-10-505101520圖 4-1 電機定子側(cè)的電流（isa&isb）電機定子測電流（ia&ib&ic ）仿真結(jié)果如圖4-2 所示，空載啟動時電流成交流變化，并且幅值逐漸變大，然后趨于穩(wěn)定，電機在恒定幅值穩(wěn)定運行。當t=3s 突加負載后，電流幅值突然

11、加大，然后有一定的回落直到穩(wěn)定運行，此時電流仍成交流變化，幅值大于空載運行時。012345678910-20-10010202.82.852.92.9533.053.13.153.23.253.3-20-15-10-505101520圖 4-2 電機定子側(cè)的電流（ia&ib&ic ）電機輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果電機輸出轉(zhuǎn)矩te 的仿真結(jié)果如圖4-3 所示。結(jié)果表明，電機在空載啟動時，輸出轉(zhuǎn)矩會有一個突變到較大值，隨著電機的啟動輸出轉(zhuǎn)矩減小直至為0 并穩(wěn)定運行。在突加負載后，通過系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使得電機輸出轉(zhuǎn)矩突增并超過給定負載轉(zhuǎn)矩一定值，以保證電機正常運行，逐漸穩(wěn)定后輸出轉(zhuǎn)矩回落到給定

12、值，輸出轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機穩(wěn)定運行。圖 4-3 電機輸出轉(zhuǎn)矩te 仿真圖電機的轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果電機的轉(zhuǎn)子速度wr 和轉(zhuǎn)子磁鏈psir 仿真結(jié)果分別如圖4-4 和 4-5 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。轉(zhuǎn)子磁鏈 psir 建立后，幾乎為恒值，在突加負載后，磁鏈有一個小幅度的上升，但在電流環(huán)的pi調(diào)節(jié)作用下，磁鏈psir 很快恢復到給定值，并在此狀態(tài)穩(wěn)定運行。012345678910-10-50510152025圖4-4 電機的轉(zhuǎn)子速度wr 仿真結(jié)果00.511.522.533.544.5502040608010012014016001234567891000.5