運動控制系統(tǒng)課程設計(異步電機矢量控制Matlab仿真實驗)

1、目錄1 異步電動機矢量控制原理22 坐標變換32.1 坐標變換基本思路32.2 三相兩相坐標系變換（3/2變換）42.3 旋轉變換53 轉子磁鏈計算64 矢量控制系統(tǒng)設計74.1 矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式思想74.2 matlab系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設計84.3 pi調節(jié)器設計95 仿真結果105.1 電機定子側的電流仿真結果105.2 電機輸出轉矩仿真結果11心得體會13參考文獻14異步電機矢量控制matlab仿真實驗1 異步電動機矢量控制原理矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉磁動勢為準則,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坐標系上的直流電流,并分別加

2、以控制,從而實現(xiàn)磁通和轉矩的解耦控制,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子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，在按轉子磁鏈定向坐標系中，用直流電動機的方法控制電磁轉矩與磁鏈,然后將轉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，再通過與轉子磁鏈同步的旋轉變換，可以等效成同步旋轉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在三相坐標系上的定子交流電流,通過3/2

3、變換可以等效成兩相靜止正交坐標系上的交流和再通過與轉子磁鏈同步的旋轉變換，可以等效成同步旋轉正交坐標系上的直流電流和。m繞組相當于直流電動機的勵磁繞組，相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，相當于與轉矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結構圖如圖1-2所示。圖1-2矢量控制系統(tǒng)原理結構圖 通過轉子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵磁分量和轉矩分量，轉子磁鏈僅由定子電流分量產(chǎn)生，而電磁轉矩正比與轉子磁鏈和定子電流轉矩分量的乘積，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速系統(tǒng)如圖1-3所示。圖1-3簡化后的等效直流調速系統(tǒng)2 坐標變換2.1 坐標變換基本思路異步電動機三相原始動態(tài)模型相

4、當復雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐標變換。矢量變換是簡化交流電動機復雜模型的重要數(shù)學方法，是交流電動機矢量控制的基礎。坐標變換的目的是將交流電動機的物理模型變換成類似直流電動機的模式，這樣變換后，分析和控制交流電動機就可以大大簡化。以產(chǎn)生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標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系上的交流電流和，再通過同步旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉，他所看到的就好像是一臺直流電動機。把上述等效關系用結構圖的形式畫出來，得到圖2-l。從整體上看，輸

5、人為a，b，c三相電壓，輸出為轉速，是一臺異步電動機。從結構圖內部看，經(jīng)過3/2變換和按轉子磁鏈定向的同步旋轉變換，便得到一臺由和輸入，由輸出的直流電動機。圖2-1 異步電動機的坐標變換結構圖2.2 三相兩相坐標系變換（3/2變換）在交流電動機中三相對稱繞組通以三相對稱電流可以在電動機氣隙中產(chǎn)生空間旋轉的磁場，在功率不變的條件下，按磁動勢相等的原則，三相對稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉磁場可以用兩相對稱繞組來等效，三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系的變換則建立了磁動勢不變情況下，三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動勢之間的關系。圖1繪出了abc和兩個坐標系中的磁動勢矢量，按照磁動勢相等的等效原則，三相合成磁動

6、勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在、軸上的投影都應相等，于是得：寫成矩陣形式： (2-1)按照變換前后總功率不變，可以證明： (2-2)則兩相對稱繞組的電流與三相對稱繞組的電流之間的變換關系為: (2-3) 2.3 旋轉變換 兩相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系的變換(簡稱2s/2r 變換)，兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉磁動勢。如果令兩相繞組轉起來，且旋轉角速度等于合成磁動勢的旋轉角速度,則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉磁動勢。從兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換,稱為兩相旋轉兩相靜止變換，簡稱2s/2r 變換。其變換關系為:1-2 (2-4) (2-4)式中，為d-q

7、 坐標系d 軸與坐標系軸之間的夾角。兩相旋轉到兩相靜止坐標系的變換矩陣為： (2-5) 對(2-5)式進行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉的變換矩陣為： (2-6) 電壓和磁鏈的旋轉變換陣與電流旋轉變換陣相同。 3 轉子磁鏈計算 按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關鍵是的準確定向，也就是說需要獲得轉子磁鏈矢量的空間位置。根據(jù)轉子磁鏈的實際值進行控制的方法，稱作直接定向。 轉子磁鏈的直接檢測比較困難，現(xiàn)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、電流或轉速等信號，借助于轉子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與空間位置。轉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

8、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。本設計采用在坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型。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)學模型式計算轉子磁鏈在軸上的分量 (3-2) 也可表述為： (3-2) 然后，采用直角坐標-極坐標變換，就可得到轉子磁鏈矢量的幅值和空間位置，考慮到矢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 (3-3) (3-4) (3-5)圖3-1 在坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型4 矢量控制系統(tǒng)設計4.1 矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式思想 圖4-1為電流閉環(huán)控制

9、后的系統(tǒng)結構圖，轉子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結構，必須加轉速外環(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和施行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流施行3/2變換和旋轉變換，達到mt坐標系中的電流和。采用pi調節(jié)器軟件構成電流閉環(huán)控制，電流調節(jié)器的輸出為定子電壓給定值和，經(jīng)過反旋轉變換得到靜止兩相坐標系的定子電壓和，再經(jīng)過svpwm控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結構圖如圖4-2所示。本次ma

10、tlab仿真系統(tǒng)設計也是采用的這種控制方法。圖4-1 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結構圖圖4-2 定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結構圖4.2 matlab系統(tǒng)仿真系統(tǒng)設計本次matlab系統(tǒng)結構仿真模型如圖4-2-1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，對計算機的運行速度和內存容量要求較高，轉速，轉子磁鏈和兩個電流調節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的pi調節(jié)器，兩相磁鏈由電動機模型直接得到，其中轉子磁鏈的幅值由兩相磁鏈計算得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖4-3所示。圖4-3 矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖 由圖中可知asr為轉速調節(jié)器，a

11、psirr為轉子磁鏈調節(jié)器，acmr為定子電流勵磁分量調節(jié)器，actr為定子電流轉矩分量調節(jié)器，對轉子磁鏈和轉速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結構，內環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉子磁鏈或轉速環(huán)。其中系統(tǒng)中的k/p模塊是計算轉子磁鏈幅值和角度的，其內部結構圖如圖4-4所示。圖4-4 轉子磁鏈和角度計算結構圖在此次設計中，由于電動機模型是根據(jù)兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型建立，在仿真設計中加入了靜止兩相旋轉正交變換（2s/2r變換）和旋轉靜止兩相正交變換（2r/2s變換），其matlab仿真結構圖如圖4-5所示。圖4-5 2s/2r變換結構圖4.3 pi調節(jié)器設計本次仿真設計中的調節(jié)器都是采用pi調節(jié)器，其

12、傳遞函數(shù)為； （4-3-1） 電流調節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。同時其傳遞函數(shù)也可寫為： (4-3-2)其pi調節(jié)器的matlab仿真結構圖如圖4-6所示。而且此pi調節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)matlab的仿真圖形，不斷改進pi調節(jié)器和kp和ki。最終得到的各種調節(jié)如下。1磁鏈調節(jié)器apsirr，其結構圖如圖4-6所示。其中kp=10，ki=15,輸出限幅值-55。其中磁鏈給定為1.2。圖4-6 apsirr調節(jié)器2 轉速調節(jié)器 asr,其結構圖如圖4-7所示。其中kp=15，ki=10,輸出限幅值-8080。其中轉速根據(jù)電機的額定轉速1400 r/min得到對應w給定為146.

13、6。圖4-7 asr調節(jié)器3 兩個電流調節(jié)器acmr和actr，其結構圖和上面一樣，就是參數(shù)不同。acmr和actr的kp，ki分別為5,15和5,15。輸出限幅值為-300300。圖4-8 電流調節(jié)器acmr和actr仿真結構圖5 仿真結果5.1 電機定子側的電流仿真結果 電機定子側的電流（isa&isb）仿真結果如圖5-1和5-2所示。由仿真結果可知:空載起動時，定子電流基本穩(wěn)定不變，成正弦變化。在t=4.6s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。圖5-1 電機定子側的電流仿真 圖5-2 電機定子側的電流仿真放大波形圖5.2 電機輸出轉矩仿真結果電機輸出轉矩te的仿真結果

14、如圖5-3所示。結果表明，電機在空載啟動時，輸出轉矩會有一個突變到較大值，隨著電機的啟動輸出轉矩減小直至為0并穩(wěn)定運行。在突加負載后，通過系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使得電機輸出轉矩突增并超過給定負載轉矩一定值，以保證電機正常運行，逐漸穩(wěn)定后輸出轉矩回落到給定值，輸出轉矩等于負載轉矩，電機穩(wěn)定運行。圖5-3 電機輸出轉矩te仿真圖 圖5-4 轉子磁鏈psir仿真結果 圖5-4 電機的轉子速度wr仿真結果心得體會這次課設經(jīng)過同組人的共同努力終于順利完成了。這此課設題包括兩個部分，電機模型部分和矢量控制部分。我主要負責矢量控制部分，包括調節(jié)器的設計，仿真模型框圖設計。剛拿到這個課題的時候，完全不知道如何入手，

15、后來我們重新學習了相關理論知識才慢慢有了思路。做課設的過程是個自我探索、自我學習的過程，在此期間，我們不僅學到了專業(yè)的知識，也提升了自己的學習能力。這次課設收獲很大，不僅深入了解了異步電動機矢量控制，也再一次熟悉了matlab這個常用軟件。調配參數(shù)費了很多時間，總是得不到理想的仿真結果，其中需要自己學習很多東西，并在很短的時間內融會貫通，考驗了自己的學習能力。我明白了堅持不懈的真正含義，是次難忘的課設。通過以上仿真過程可以看出,采用matlab 環(huán)境下的simulink仿真工具,可以快速地完成一個電動機控制系統(tǒng)的建模、仿真，且無須編程,仿真直觀、方便、靈活。異步電動機矢量控制matlab仿真實驗對于開發(fā)