異步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真

1、異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真1.異步電機矢量控制系統(tǒng)的原理及其仿真1.1異步電動機矢量控制原理異步電機矢量變換控制系統(tǒng)和直接轉矩控制系統(tǒng)都是目前已經獲得使用的高性能異步電機調速系統(tǒng)，對比直接轉矩控制系統(tǒng)，矢量變換系統(tǒng)有可以連續(xù)控1制，調速范圍寬的優(yōu)點，因此矢量變換控制系統(tǒng)為現(xiàn)代交流調速的重要方向之一。本文采用的是轉子磁場間接定向電流控制型交流異步電機矢量控制系統(tǒng)如圖1所示。MATLAB foncLlDllFlux-cunX矩調節(jié)SSout!nl CU12ut32ri3sP1DLEJP1P1D> pi n ?APJCPIu* a 0?訕 aITLUIgUlWjr i.Scope圖1矢量變換控

2、制系統(tǒng)仿真原理圖如果把轉子磁鏈方向按空間旋轉坐標系的 M軸方向定向，則可得到按轉子磁場方式定向下的三相鼠籠式異步電動機的矢量控制方程。(1)(2)cu' - a. 4-ta上列各式中，是轉子勵磁電流參考值；是轉差角頻率給定值；是定子電流的勵磁分量； 是定子電流的轉矩分量；是定子頻率輸入角頻率；1 是轉子速度；是轉子磁場定向角度； 是轉子時間常數；和：分別是電機互 感和轉子自感。圖4所示控制系統(tǒng)中給定轉速和實際電機轉速"相比較，誤差信號送入轉速調節(jié)器，經轉速調節(jié)器作用產生給定轉矩信號;，電機的激磁電流給定信 號，根據電機實際轉速由弱磁控制單元產生，再利用式（1）產生定子電流激

3、磁分量給定信號：，定子電流轉矩分量給定信號則根據式（2）所示的電機電 磁轉矩表達式生成。、和轉子時間常數Lr 一起產生轉差頻率信號'，和 r相加生成轉子磁場頻率給定信號，對積分則得到轉子磁場空間角度給定信號：。和經坐標旋轉和2/3相變換產生定子三相電流給定信號、和，和定子三相電流實測信號、 和 相比較，由滯環(huán)控制器產生逆變器所需的三相PWM信號。1.2異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)建模在MATLAB/SIMULIN環(huán)境下利用電氣系統(tǒng)模塊庫中的元件搭建交流異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)2，電流控制變頻模型如圖2所示。圖2電流控制變頻模型圖整個仿真圖由電氣系統(tǒng)模塊庫中的元件搭建組成， 元件的直觀連

4、接和實際的 主電路相像似，其中主要包括：速度給定環(huán)節(jié)，PI速度調節(jié)器、坐標變換模塊、磁場定向模塊、滯環(huán)電流調節(jié)器、IGBT逆變器元件、異步電動機元件以及測量 和顯示模塊。這些元件都有設置對話框，用戶可以方便的選擇元件類型和設置參 數。在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，交流異步電機的模型是最重要的元件，在 Powerlib中給出了各種電機模型，這大大減少了交流調速系統(tǒng)的建模難度?？刂葡到y(tǒng)采用轉速電流雙閉環(huán)控制，其中的磁場定向模塊提供矢量控制 坐標變換需要的磁鏈位置角，電機模型如圖3所示。圖3 矢量控制電機模型仿真框圖1.3異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)仿真由于系統(tǒng)中包含非線性Powerlib模塊（電機、逆

5、變器）,因此仿真采用變步長 算法,這樣異步電機非線性部分和逆變器的過零點才能精確的計算出來 ，但是這 樣會增加仿真步數減少仿真速度。由于在仿真初始化過程中，Power2sys函數將逐個檢查模型中的各個模塊是否為 Powerlib模塊,這樣對一個復雜系統(tǒng)在一定 程度上會降低仿真速度。為此我們可以人為迫使Power2sys不去檢查那些常規(guī)模 塊,方法是在常規(guī)模塊以及包含常規(guī)模塊的子系統(tǒng)的模塊名字前加一個“$”符號,這樣可以提高仿真速度。仿真過程中由于初始值選擇不當或者系統(tǒng)中存在分式 ， 會出現(xiàn)奇異點使仿真過程停止，可以在分母中加上一個很小地值或選擇適當的初 值避免奇異點的出現(xiàn)。圖2中的電壓測量單元

6、和電機輸出測量單元是 Simulink模塊和Powerlib 模塊間的接口模塊，分別把電機定子電壓信號和電機輸出信號反饋回Simuli nk模塊。電壓控制信號作為Simulink模塊的信號送入到Powerlib模塊一異步電機時，是通過可控電流源（IGBT逆變器）作為中間環(huán)節(jié)。仿真時要注意二者之間 的聯(lián)系，防止仿真出錯停止，轉子磁鏈觀測模型如圖4.圖4轉子磁鏈觀測模型4.4仿真結果在MATLAB/SIMULINK6.環(huán)境下對所建立的交流異步電機轉差型矢量控制系 統(tǒng)采用變步長方法進行仿真，其中交流異步電機參數如下：R S=1.898Q, LS=0.196H,Rr=1.45 Q ,Lr=0.196H

7、 丄m=0.187H, PN=3kWN=380，=0.0067kg -m2 f=50Hz，pn=2。為了驗證所設計的交流異步電機矢量控制系統(tǒng)模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載啟動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.2s時轉速突加為180r/min,t=0.4s 時又突減為 120r/min。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，t=0.6s時突加負載5Nm t=0.8s時突減負載，重新 回到空載狀態(tài)。在經過一系列轉速突變和負載擾動仿真后，得到電機各個量響應輸出波形如圖712。圖4電磁轉矩波形圖5 電機轉速波形圖6定子三相電流波形-201111'1-0D.10?0 J 0.4050.7 0B 0.9*豬圖7 dq坐標系下轉子兩

8、相電流波形0 I Q2 0l30 4 OJJ Cl E O T 0 80.9圖8 dq坐標系下轉子磁鏈波形0.000.1 X ft J d 40.5 d &0 ? 。倉 c s圖9 dq坐標系下定子磁鏈波形由仿真波形可以看出，在'-的參考轉速下，系統(tǒng)空載啟動，轉速很快達到給定值，電流和轉矩波形較為理想。t=0.2s時轉速突加到180r/min，電流和電磁轉矩相應增加，隨即又到達穩(wěn)定狀態(tài)。t=0.4s時轉速突然下降，電流和轉矩也立即跟隨變化。t=0.6s時突加負載擾動，轉矩馬上突變，電流也相 應增加，而轉速幾乎沒有變化。t=0.8s時突減負載，轉矩和電流同時變化，轉 速仍然穩(wěn)定在給定的120r/min上。定轉子磁鏈響應也隨著變化過程增大和減小。 可見，整個過程中轉速給定和負載擾動頻繁突變，而轉速能很好的跟隨給定值， 且響應時間短，過渡過程快，有很好的跟隨和抑制擾動的性能。 整個變化過程中 電磁轉矩也能夠瞬間響應，并很快達到穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)時的轉