matlab期末作業(yè)轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的matlab仿真(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的matlab仿真一、概要：1. 矢量變換控制技術(shù)的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)。交流電動機是個多變量、非線性、強耦合的被控對象，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實現(xiàn)交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速取代直流調(diào)速成為可能。目前對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)工藝已較多地采用了矢量控制型的變頻調(diào)速裝置。實踐證明，采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直流調(diào)速系統(tǒng)?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由

2、交流電動機、電力電子功率變換器、控制器和檢測器四大部分組成。根據(jù)被控對象交流電動機的種類不同，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電機調(diào)速系統(tǒng)和同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，矢量控制是目前交流電動機的先進(jìn)控制方式，本文對異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的基本原理和概念做了簡要介紹，并結(jié)合Matlab的Simulink軟件包構(gòu)建了異步電動機轉(zhuǎn)差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了試驗驗證和仿真結(jié)果顯示，同時對不同參數(shù)下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析。該方法簡單、控制精度高，能較好地分析交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的各項性能。2.由于交流異步電動機屬于一個高階、非線性、多變量、強耦合系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，將其簡化

3、成單變量線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)不到理想性能。為了實現(xiàn)高動態(tài)性能，提出了矢量控制的方法。矢量變換控制技術(shù)的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)。一般將含有矢量變換的交流電動機控制稱之為矢量控制。交流電動機是個多變量、非線性、強耦合的被控對象，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實現(xiàn)交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速取代直流調(diào)速成為可能。目前對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)工藝已較多地采用了矢量控制型的變頻調(diào)速裝置。實踐證明，采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越

4、性高于直流調(diào)速系統(tǒng)。3.Matlab是一種面向工程計算的高級語言，其Simulink環(huán)境是一種優(yōu)秀的系統(tǒng)仿真工具軟件，使用它可以大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了一個矢量控制的交流電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，包含了給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運算、二相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)，并給出了仿真結(jié)果。關(guān)鍵字 matlab 異步電動機 矢量控制 轉(zhuǎn)差頻率二、異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電動機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型時，常作如下的假設(shè)：1） 忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差120°電角度，所產(chǎn)生的

5、磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。2） 忽略勵磁飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的。3） 忽略鐵心損耗。4） 不考慮頻率變化和溫度變化對繞組的影響。無論電動機轉(zhuǎn)子是繞線形還是籠形，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。這樣，電機繞組就等效成圖1所示的三相異步電動機的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標(biāo)軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。這時，異步電動機的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組

6、成。圖1 三相異步電動機的物理模型.電壓方程1)三相定子繞組的電壓平衡方程組 （2-1）2）三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程 （2-2）式中， 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值； ， 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；， 各相繞組的全磁鏈； ， 定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。上述各量都已折算到定子側(cè)，為了簡單起見，表示折算的上角標(biāo)“”均省略，以下同此。 2.磁鏈方程 每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表達(dá)為： =+p （2-3） 實際上，與電機繞組交鏈的磁通只有兩類：一類是穿要過氣隙的相間互感磁通；另一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，前者是主要的。定子各相漏

7、磁通所對應(yīng)的電感稱為定子漏感，由于繞組的對稱性，各相漏感值均相等；同樣，轉(zhuǎn)子各相漏磁通則對應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于定子互感，與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大磁通對應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感。由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為 = 。 對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各相自感： =+ （2-4）轉(zhuǎn)子各相自感： =+=+ （2-5） 兩相繞組之間只有互感?；ジ杏蟹譃閮深悾? 定子三相繞組彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常值; 2 定子任一相之間的位置是變化的，互感是角位移的函數(shù)?，F(xiàn)在先討論第一類

8、，三相繞組軸線彼此在空間的相位差是120度。在假定氣隙磁通為正玄分布的條件下，互感值應(yīng)為： = - （2-6）于是定子各繞組之間的互感： = - （2-7）轉(zhuǎn)子各繞組之間的自感： = -= - （2-8）至于第二類與電機交鏈的磁通，即定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互間位置的變化，可分別表示為：= （2-9）當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時，兩者之間的互感值達(dá)到最大值，就是每相的最大互感。 將式到式都代入式，即得完整的磁鏈方程，顯然這個矩陣是比較復(fù)雜的，為了方便起見，可以將它寫成分塊矩陣的形式如下： （2-10）式中 （2-11） （2-12） （2-13） （2-14）值得注意的是， 和 兩個矩陣互

9、為轉(zhuǎn)置，且均與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，它們的元素都是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。為了把變參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成常參數(shù)矩陣須利用坐標(biāo)變換。后面將詳細(xì)討論這一問題。將磁鏈方程代入電壓方程，即得展開后的電壓方程： （2-15）其中，項屬于電磁感應(yīng)電動勢中的脈變電動勢，項屬于電磁感應(yīng)電動勢中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢。 3.轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，電磁轉(zhuǎn)矩等于機械角位移變化時磁共能的變化率（電流約束為常值），且機械角位移=，于是 = = （2-16）用三相電流和轉(zhuǎn)角表示的轉(zhuǎn)矩方程 （2-17）應(yīng)該指出，上述公式是在線性磁路，磁動勢在空間按正玄分部的假定條件下得出來的，但對定轉(zhuǎn)子電流對時間的波形未作任何假定

10、，式中的電流都是實際瞬時值。因此上述電磁轉(zhuǎn)矩公式完全適用于變壓變頻器供電的含有電流諧波的三相異步電動機調(diào)速系統(tǒng)。4電力拖動系統(tǒng)運動方程若忽略電力拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)的運動方程式為： （2-18）式中 - 負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J - 機組的轉(zhuǎn)動慣量。5. 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的關(guān)系: （2-19）以上各式便構(gòu)成恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電動機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型三、轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)原理矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過坐標(biāo)變換，將交流電機模型轉(zhuǎn)換成直流電機模型。根據(jù)異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動機的動態(tài)方程式相同的形式，

11、因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應(yīng)有和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制的思想。因為進(jìn)行變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng)，或稱矢量控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)主電路采用了SPWM電壓型逆變器，這是通用變頻器常用的方案。系統(tǒng)的控制部分由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運算、二相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。其中給定環(huán)節(jié)有定子電流勵磁分量im*和轉(zhuǎn)子速度n*。放大器G1、G2和積分器組成了帶限幅的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流電壓模型轉(zhuǎn)換由函數(shù)Um*、Ut*模塊實現(xiàn)。函數(shù)運算模塊ws*根據(jù)定子電

12、流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計算轉(zhuǎn)差s，并與轉(zhuǎn)子頻率想加得到定子頻率1，再經(jīng)積分器得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角。模塊sin、cos、dq0/abc實現(xiàn)了二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換。dq0/abc是輸出是PMW發(fā)生器的三相調(diào)制信號，因為調(diào)制信號幅度不能大于1，在dq0/abc輸出后插入衰減環(huán)節(jié)G4。在模型調(diào)試時，可以先在此處判斷輸出和PMW發(fā)生器的三相調(diào)制輸入信號幅值小于1的要求，計算G4的衰減系數(shù)。該系統(tǒng)的主要特點：（1）主電路SPWM電壓型逆變器，開關(guān)器件采用IGBT,這是通用變頻器常用的方案；（2）轉(zhuǎn)速采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，即，在轉(zhuǎn)速變換過程中，異步電動機的定子電流頻率始終跟隨轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速而

13、同步升降，從而使轉(zhuǎn)速 調(diào) 節(jié)吏加平滑。圖2 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)原理框圖圖中：、分別為轉(zhuǎn)子角頻率給定和轉(zhuǎn)子角頻率負(fù)反饋；、分別為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量；為轉(zhuǎn)差角；為轉(zhuǎn)差角頻率；、分別為定子角頻率和轉(zhuǎn)子角頻率正反饋；、分別為定子電壓的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型是通過檢測定子三相電流和轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)子磁鏈，三相定子電流經(jīng)3s/2r變換得到定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。并由異步電動機的矢量控制方程式： (6)通過矢量控制方程（6），可以計算電動機轉(zhuǎn)差和定子頻率（），電動機轉(zhuǎn)子磁鏈。從矢量控制方程式中可以看到，在保持轉(zhuǎn)子磁鏈不變的控制下，電動

14、機轉(zhuǎn)矩直接受定子電流的轉(zhuǎn)矩分量控制，并且轉(zhuǎn)差可以通過定子電流的轉(zhuǎn)矩分量計算，轉(zhuǎn)子磁鏈也可以通過定子電流的勵磁分量來計算。在系統(tǒng)中以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，并通過計算得到轉(zhuǎn)差。如果采取磁通不變的控制，則，由式（6）可得：，。由于矢量控制方程得到的是定子電流的勵磁分量，而本系統(tǒng)采用了電壓型逆變器，需要相應(yīng)的將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，其變換關(guān)系為 (7) (8)式中，、為定子電壓的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；為漏磁系數(shù)，。 、經(jīng)過二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系/三相靜止坐標(biāo)系的變換（2r/3r），得到SPWM逆變器的三相電壓控制信號，并控制逆變器的輸出電壓。四、基于Simulink的轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控

15、制系統(tǒng)模型的建立根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理，先行設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運算、二相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)。1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊仿真模型如圖3所示：圖3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊其中給定環(huán)節(jié)有定子電流勵磁分量im*和轉(zhuǎn)子速度n*。放大器G1、G2和積分器組成了帶限幅的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。根據(jù)角頻率，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩電流的給定值。2. 函數(shù)運算模塊函數(shù)運算模塊的仿真模型如圖4所示：圖4函數(shù)運算模塊它是根據(jù)定子電流的勵磁分量 和，通過函數(shù)f（u）計算得到轉(zhuǎn)差，然后經(jīng)過和轉(zhuǎn)子頻率相加得到定子頻率，根據(jù)定子頻率和矢量轉(zhuǎn)角的關(guān)系，對 進(jìn)行積分，最終得到定

16、子電壓矢量轉(zhuǎn)角 (theta) 。3. 坐標(biāo)變換模塊圖5二相/三相坐標(biāo)變換模塊其中，dq0 - to -abc 模塊的搭建主要是根據(jù)坐標(biāo)變換公式，利用Simulink里的數(shù)學(xué)函數(shù)模塊搭建而成，其主要功能是實現(xiàn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換，其輸出是三相PWM變換器的三相調(diào)制信號，最后觸發(fā)逆變器的功率管得到拖動異步電動機所需的三相交流電源，完成閉環(huán)的控制過程。4. 轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖6轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)仿真模型5. 模型參數(shù)在本例中，需要設(shè)置的參數(shù)是定子電阻Rs，轉(zhuǎn)子電阻Rr，主電感L，轉(zhuǎn)子側(cè)漏感Lm和極對數(shù)Np，需要輸入的量是定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電角速度（機械角

17、速度和極對數(shù)的乘積）。異步電動機為3*746KW,220V，50HZ二對極（），定子繞組電阻，轉(zhuǎn)子繞組電阻，轉(zhuǎn)子繞組漏感，互感，J=，逆變器直流電源為510V，定子繞組電感為，漏磁系數(shù)為0.056,。根據(jù)相關(guān)公式計算得到：W*s = 0.815*u2/0.07131/u1仿真定轉(zhuǎn)速為1400r/min時的空載啟動過程，在啟動后0.45s時加載T1=65N*M。該系統(tǒng)較復(fù)雜，容易出現(xiàn)收斂問題，經(jīng)試用各種計算方法，最終選用步長算法ode5，步長取e-5。 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制仿真模型放大器參數(shù)放大器放大倍數(shù)放大器放大倍數(shù)G135G42G20.15G59.55G30.0076G69.556.仿真結(jié)果：模

18、型仿真的結(jié)果如下所示： a) 轉(zhuǎn)速響應(yīng) b)轉(zhuǎn)子A、B、C相電流響應(yīng) c) 定子A、B、C相電流響應(yīng) d) 電磁轉(zhuǎn)矩特性 e) 轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡 f)定子磁鏈軌跡圖7 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果7.仿真結(jié)果分析1）從以上仿真結(jié)果，可以看出在起動和加載過程中，電動機的轉(zhuǎn)速、電壓、定子電流和轉(zhuǎn)矩的變化過程。從圖7 (a)可以看出隨著頻率的增加轉(zhuǎn)速逐步提高，在t=0.39 s的加載過程中，由于此時電動機開始加載，所以使得轉(zhuǎn)速有所波動，隨后趨于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速有一定的波動，調(diào)整后穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速1 400r/min(實際值略有偏差)。同時由(b)、(c)可以看出，電動機起動后，逆變器輸出電壓逐步提高，在加載后，定

19、轉(zhuǎn)子電流保持固定值不變。圖(c)顯示，電機空載起動達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，電流值基本保持不變20A。而電動機加載后，電流迅速上升，隨后維持在Is=35A左右。圖(d)中，在加載后電動機轉(zhuǎn)矩也隨之增加，達(dá)到給定值Te=80 N·m。從圖(e)和(f)中可以看出電動機在零狀態(tài)起動時，電動機磁場有一個建立的過程，在建立過程當(dāng)中磁場變化是不規(guī)則的，反應(yīng)了系統(tǒng)坐標(biāo)變換模塊和函數(shù)運算模塊變換后輸出信號波形，經(jīng)2r3s變換后的三相調(diào)制信號的幅值在調(diào)節(jié)過程是逐步增加的，信號幅值的提高，保證了電動機電流在起動過程中保持不變。這也引起轉(zhuǎn)矩的大幅度變化，但最終呈規(guī)則的圓形變化。2)根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的基本概念和

20、系統(tǒng)的原理框圖，建立轉(zhuǎn)差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了試驗驗證。實驗中發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)K1、積分系數(shù)K2與坐標(biāo)變換模塊輸出信號的放大系數(shù)需要配合調(diào)節(jié)，當(dāng)偏差較大時，調(diào)節(jié)K1，以快速減少偏差；當(dāng)偏差達(dá)到要求后，調(diào)節(jié)K2，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。同時要配合調(diào)節(jié)坐標(biāo)變換模塊輸出信號的放大系數(shù)，這樣才能保證PWM發(fā)生器輸出正確的三相調(diào)制信號波形。此外由于在模型中，為了減小仿真時間，采用減小電動機轉(zhuǎn)動慣量的方法，但過小的轉(zhuǎn)動慣量容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，通過模型可以調(diào)節(jié)參數(shù)來觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。從試驗和仿真結(jié)果可以看出轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)控制性能，充分驗證了在異步電動機矢量變換數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立仿真模型的具有