三相異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要本文對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究，運(yùn)用Matlab/Simulink和SimPowerSystem工具箱及面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，實(shí)現(xiàn)了帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真；重點(diǎn)介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置，給出了矢量交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果非常接近實(shí)際情況，說(shuō)明了仿真模型的正確性。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；交流調(diào)速；矢量控制專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)目錄1概述交流調(diào)速技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面應(yīng)用很廣，對(duì)于提高電力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能有著重要的意義，由于電力傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和被控對(duì)象的特殊性，使得對(duì)它的建模與

2、仿真一直是研究的熱點(diǎn)。對(duì)其仿真研究不能像控制系統(tǒng)那樣可用各環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)來(lái)表示，這樣會(huì)有很多重要環(huán)節(jié)被忽略，完全體現(xiàn)不了交流調(diào)速系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)狀態(tài)。對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真力求達(dá)到與實(shí)際系統(tǒng)相一致，Matlab提供的Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱（SimPowerSystems）能很好地滿(mǎn)足這一要求。以往對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究主要集中在電機(jī)的建模和仿真，最近，許多對(duì)復(fù)雜電力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真方法已提出，主要有運(yùn)用仿真工具箱對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真和將電力傳動(dòng)系統(tǒng)的功能單元模塊化的仿真建模。由于三相異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合非線(xiàn)性系統(tǒng)，存在著高性能上難以控制的問(wèn)題。

3、矢量控制技術(shù)有按轉(zhuǎn)子磁鏈定向和按定子磁鏈定向的控制等策略。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制給出了交流電動(dòng)機(jī)的基本解耦控制方法。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)過(guò)程中，利用Matlab按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)仿真，正確的應(yīng)用坐標(biāo)變換模塊是建立轉(zhuǎn)子磁鏈模型的基礎(chǔ)。同時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩解耦環(huán)節(jié)的模型也是仿真的關(guān)鍵因素。2總系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文采用定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制由于此方案具有電流勵(lì)磁分量與和轉(zhuǎn)矩分量的反饋形成雙反饋，具有良好的性能，因此采用此方案。三相異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)模塊（Field-OrientedControl Induction Motor Drive）圖標(biāo)如圖2-1所示：

4、圖2-1 磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)系統(tǒng)模塊的原理如圖2-2所示：圖2-2 磁場(chǎng)定向矢量控制交流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)主電路有三相不控橋、直流母線(xiàn)、三相逆變器和異步電機(jī)組成，逆變器由轉(zhuǎn)速控制器和磁場(chǎng)定向控制器控制，直流母線(xiàn)上有濾波電容和制動(dòng)單元。磁場(chǎng)定向控制器用于完成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)觀測(cè)、定向、坐標(biāo)變換、PWM調(diào)整和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生和分配，是系統(tǒng)的重要控制單元。模塊輸入有SP、Mec-T、A、B、C 5個(gè)端口，其中輸入SP用于設(shè)定轉(zhuǎn)速，設(shè)定的轉(zhuǎn)速一般是階梯函數(shù)，為了避免給定突變時(shí)可能帶來(lái)的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，模塊有加減速的限制。輸入Mec-T用于設(shè)定機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速符號(hào)相反，則加速轉(zhuǎn)矩取決于電

5、磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和。A、B、C是三相電源輸入端。模塊輸出有三路，Motor、Conv.和Ctrl。Motor端口可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)測(cè)速模塊motor demux觀測(cè)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、整流輸出電流和逆變器輸入電流等。Conv.端口輸出變流器參數(shù)，包括直流母線(xiàn)電壓、整流器輸出電流和逆變器輸入電流等，這些參數(shù)也可以通過(guò)多路測(cè)量器multimeter來(lái)觀測(cè)。Ctrl端輸出控制器參數(shù)，包括轉(zhuǎn)矩給定、實(shí)際速度與速度給定之間的偏差等。模塊的對(duì)話(huà)框如下圖2-3所示，對(duì)話(huà)框有3頁(yè)：Asynchronous Machine、Converter and DC bus 也設(shè)置不控整流器、逆變器和直流母線(xiàn)濾波電容和制動(dòng)單元參

6、數(shù)，Controller參數(shù)也包括轉(zhuǎn)速控制器和磁場(chǎng)定向控制器的參數(shù)，系統(tǒng)的控制有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩種方式可以選擇。a)b)c)a)電機(jī)參數(shù)頁(yè) b) Converter and DC bus參數(shù)頁(yè) c)控制器參數(shù)頁(yè)圖2-3 磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)對(duì)話(huà)框Application Libraries 模型庫(kù)中交流調(diào)速系統(tǒng)的組成基本相同，主電路實(shí)AC/DC/AC結(jié)構(gòu)，主電路的整流器、逆變器和異步電機(jī)模型都取自Simpowersystems模型庫(kù)中，因此對(duì)話(huà)框中的參數(shù)也與模型庫(kù)相應(yīng)模塊的參數(shù)相同。直流母線(xiàn)的濾波電容和制動(dòng)單元結(jié)構(gòu)和參數(shù)與直流PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路中的相同。各種系統(tǒng)的不同在于采用不同電動(dòng)電動(dòng)機(jī)和控制策略。

7、在磁場(chǎng)定向矢量控制中控制策略體現(xiàn)在定向控制器中，各種系統(tǒng)也有基本相同的轉(zhuǎn)速控制器，因此在以下調(diào)速系統(tǒng)介紹中重點(diǎn)介紹體現(xiàn)控制策略的模塊。系統(tǒng)中的控制器模塊計(jì)算都是離散的，并且轉(zhuǎn)速控制器和反映控制策略的模塊有不同的采樣時(shí)間（在對(duì)話(huà)框中設(shè)定）。3子系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)速控制器磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)模型見(jiàn)附錄，模型由二極管整流器、三相逆變器、異步電動(dòng)機(jī)組成的主電路和轉(zhuǎn)速控制器（Speed Controller），定向控制器（F.O.C）等組成。其中轉(zhuǎn)速控制器結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)省略。轉(zhuǎn)速給定經(jīng)過(guò)加減速限制環(huán)節(jié)（Rate Limiter），使階躍輸入時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速給定的上升和下降斜率，轉(zhuǎn)速反饋N經(jīng)過(guò)低通

8、濾波器(Low Pass filter)得到轉(zhuǎn)速偏差（）。Proportional gain、Integral gain 和Discrete-Time Integrator模塊組成帶限制的離散PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)了選擇開(kāi)關(guān)，根據(jù)對(duì)話(huà)框中設(shè)定的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)速控制器的輸出。加減速斜率、PI調(diào)節(jié)器比例和積分系數(shù)、低通濾波器截止頻率（Cutoff Frequency）等參數(shù)都在對(duì)話(huà)框中設(shè)置。圖3-1轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速控制器中有一個(gè)磁通表，磁通表使電動(dòng)機(jī)在基速以下保持額定磁通，基速以上進(jìn)行弱磁控制，磁通表是一個(gè)LOOK UP模塊，其設(shè)定見(jiàn)表3-1，在2000 r/min以下保持額定磁通n

9、f,在2500r/min以上開(kāi)始弱磁，額定磁通nf在定向控制器對(duì)話(huà)框中設(shè)定。 表3-1 磁通表轉(zhuǎn)速(r/min)0500100015002000250030003500磁通/Wbnfnfnfnfnf0.9nf0.72nf0.51nf3.2 定向控制器用于限制開(kāi)關(guān)頻率，改善脈沖波形。定向控制器（F.O.C）是矢量控制的核心模塊，模塊的功能是：1）將輸入的定子三相電流經(jīng)過(guò)3s/2r變換（ABC-DQ模塊）得到dq坐標(biāo)系上的兩相電流isd、isq。2）由磁通觀測(cè)器計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈： （3-1）由模塊Teta Calculation計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角： （3-2）3）由磁通調(diào)節(jié)器Flux-PI模塊計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈給

10、定值Phir*，由勵(lì)磁電流模塊i*dCalculation計(jì)算定子電流勵(lì)磁分量i*d： （3-3）4）根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Torque*和轉(zhuǎn)子磁鏈Phir計(jì)算定子電流轉(zhuǎn)矩分量isq： （3-4）5）根據(jù)定子電流勵(lì)磁分量isd和定子電流轉(zhuǎn)矩分量isq經(jīng)過(guò)2r/3s變換（DQ-ABC模塊）得到三相定子電流的給定值i*abc。6）三相定子電流的給定值i*abc與定子電流的實(shí)際值iabc經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器（Current Regulation）得到6個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Pulses，電流調(diào)節(jié)器由3個(gè)滯環(huán)控制器組成，并經(jīng)過(guò)3個(gè)邏輯非模塊得到6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)見(jiàn)圖3-2。滯環(huán)控制器的環(huán)寬由對(duì)話(huà)框中電流控制器參數(shù)設(shè)定。電流調(diào)節(jié)器

11、之后的pulse droping模塊內(nèi)有3個(gè)D觸發(fā)，其中D觸發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-2電流調(diào)節(jié)器圖3-3 D觸發(fā)器模塊4三相異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)仿真磁場(chǎng)定向矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示，模型由磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)模塊（filed-oriented control induction motor drive），三相電源（460V、60Hz），速度給定（peed reference），負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定（Torque reference）和檢測(cè)單元（demux），Machine terminal voltages等模塊組成。 圖4-1 磁場(chǎng)定向控制異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速

12、系統(tǒng)仿真模型 其中demux為子系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示： 圖4-2 demux內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.1參數(shù)給定（1） 電動(dòng)機(jī)參數(shù)和控制參數(shù) 電動(dòng)機(jī)功率149.2KVA,電壓460V/60Hz，定子電阻14.85,電感0.3027H，互感10.46H。轉(zhuǎn)子電阻9.295。電感0.3027H。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.13.1 kg.m2,摩擦系數(shù)0.08，極對(duì)數(shù)2。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和定向控制器參數(shù) 轉(zhuǎn)速控制器和定向控制電流控制器參數(shù)見(jiàn)表4-1： 表4-1定向控制系統(tǒng)控制參數(shù)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)類(lèi)型Regulation typeSpeed Regulation低通濾波器截止頻率Hz1000采樣時(shí)間s5TsPI調(diào)節(jié)

13、器比例系數(shù)300積分系數(shù)2000升降速限制上升加速度（r/min）/s900下降加速度-900轉(zhuǎn)矩輸出限制PostiveN*m1200Negtive-1200電動(dòng)機(jī)磁通初始值Wb0.73額定值初始值轉(zhuǎn)子滑差1轉(zhuǎn)子初始位置Deg0定向控制器磁通控制器比例系數(shù)100積分系數(shù)30電流控制器滯環(huán)寬A10最大開(kāi)關(guān)頻率Hz20000磁通輸出限制正向限制Wb2負(fù)向限制-2低通濾波器截止頻率Hz100采樣時(shí)間STs(3) 仿真參數(shù) 仿真參數(shù)如圖4-3所示，仿真算法采用混合步長(zhǎng)（Fixed-step）并采用離散算法(dicrete)，仿真時(shí)間為3s。圖4-3 仿真參數(shù)設(shè)置4.2系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為：?jiǎn)?dòng)時(shí)t

14、=0s時(shí)n*=500r/min,t=1s時(shí)n*=0,起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0,t=0.5s時(shí)加載TL=795NM,t=1.5s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=-795NM。即電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，0.5時(shí)加載電動(dòng)機(jī)為正傳電動(dòng)狀態(tài)，1s時(shí)電動(dòng)機(jī)減速，1.5s時(shí)轉(zhuǎn)速基本下降到0，同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變負(fù)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的反轉(zhuǎn)矩抵消負(fù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速保持為0。從圖4-4中可以看到，在突加轉(zhuǎn)速給定起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按規(guī)定的加速度上升，在0.6s時(shí)轉(zhuǎn)速基本達(dá)到500r/min，在0.61s間保持勻速旋轉(zhuǎn)，對(duì)于2對(duì)極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min。然后電動(dòng)機(jī)按固定的減加速度下降， 1.5s時(shí)轉(zhuǎn)速下降到0，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩抵消了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，保持轉(zhuǎn)速為0電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為21.46r/min，考慮異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速為0，達(dá)到了控制要求。圖4-4 系統(tǒng)仿真圖總結(jié)本文在三相異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用Matlab模塊庫(kù)中交流電動(dòng)機(jī)本體模塊、坐標(biāo)變換模塊等來(lái)進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果表明，波形符合理論分析，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。采用該調(diào)速系統(tǒng)模型，可以快速驗(yàn)證控制策略的正確性。不僅可以節(jié)省控制方案的設(shè)計(jì)周期，更充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，通過(guò)修改不同參數(shù)，來(lái)分析系統(tǒng)性能指標(biāo)，為分析和設(shè)計(jì)交流異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工具。