基于MATLAB_SIMULINK的異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、第27卷第2期湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版V o1.27,N o.22000年4月Journal of H unan U n iversity(N atural Sciences Editi onA p r.2000文章編號:100022472(2000022*基于M AT LAB SI M U L I NK的異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真楊洋,張桂香(湖南大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,湖南長沙410082摘要:從異步電機矢量控制數(shù)學(xué)模型入手,介紹一種基于M A TLAB S I M UL I N K的異步電機按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)仿真模型該模型可通用于異步籠型電機,使用時只需輸入不同電機參數(shù)即可通

2、過仿真實驗驗證了模型的正確性關(guān)鍵詞:異步電機;矢量控制;M A TLAB S I M UL I N K;仿真中圖分類號:TM921.51文獻標(biāo)識碼:ASi m ulati on of V ector Control Inducti on M otor A djusting Syste m Based on M A TLAB S I M UL I N KYAN G Yang,ZHAN G Gui2x iang(Co llege of M echan ical and A utomo tive Engineering,H unan U n iv,Changsha410082,Ch inaAbstr

3、act:A si m ulati on model of vecto r con tro l inducti on mo to r adjusting syste m w ith the reference fra m e fixed to the ro to r is established.T he model can be conven ien tly used by inputting p roper mo to r para m eters.Si m ulati on s show the validity of the model.Key words:inducti on mo t

4、o r;vecto r con tro l;M A TLAB S I M UL I N K;si m ulati on0引言矢量控制理論的提出使異步電機調(diào)速性能達到甚至超過直流電機調(diào)速性能成為可能,而且運用矢量控制已成為當(dāng)今交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流在進行復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計時,采取計算機仿真方法來分析和研究交流調(diào)速系統(tǒng)性能是非常有效和必要的傳統(tǒng)的計算機仿真軟件包用微分方程和差分方程建模,直觀性、靈活性差,編程量大,操作不便M A TLAB是一個高度集成的軟件系統(tǒng),集科學(xué)計算、圖象處理、聲音處理于一體,具有極高的編程效率M A TLAB提供的S I M UL I N K是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真

5、和分析的軟件包,它具有模塊化、可重栽、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點,可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性S I M UL I N K提供有Sink s(輸出方式、Source(輸入源、收稿日期:2000202229作者簡介:楊洋(1970-,女,湖南長沙人,湖南大學(xué)碩士生.D iscrete (離散時間環(huán)節(jié)、L inear (線性環(huán)節(jié)、N on linear (非線性環(huán)節(jié)、Connecti on s (連接與接口、Ex tra (其他環(huán)節(jié)子模型庫用戶可以方便定制和創(chuàng)建自己的模型、模塊在多種矢量控制方法中,按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制運用較為普遍,本文將結(jié)合這種矢量控制和S I M UL I N

6、 K 的特點,介紹一種異步電機按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)的建模仿真方法模型將為同類調(diào)速系統(tǒng)提供有效、可靠的研究分析依據(jù)1異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型異步電機的矢量控制相當(dāng)于把直流電機換向器的功能通過控制的方法來實現(xiàn),從而達到磁通和轉(zhuǎn)矩單獨控制的目的根據(jù)感應(yīng)電機的坐標(biāo)變換理論,在三相坐標(biāo)系下的定子輸入的電流通過3s 2r 交換,由三相靜止坐標(biāo)變換為兩相垂直的靜止坐標(biāo),再通過從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M ,T 軸的變換,并且使得M 軸沿轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?最終獲得等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流i m 1,i t 1,這樣異步電機通過坐標(biāo)變換,變成一臺由i m 1,i t 1輸入的直流

7、電機矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)想就是模仿直流電機的控制方法,求得直流電機的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,重新獲得三相輸入電流(或電壓,就能控制異步電機了根據(jù)異步電機理論,經(jīng)坐標(biāo)變換后,籠型異步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上按轉(zhuǎn)子磁場定向的電壓矩陣方程(轉(zhuǎn)子短路,u m 2=u t 2=0為u m 1u t 10=R 1+L s p -1L s L m p -1L m 1L s R 1+L s p 1L m L m p L m p 0R 2+L r p 0s L m 0s L r R 2i m 1i t 1i m 2i t 2(1電機轉(zhuǎn)子磁鏈與電流的關(guān)系為L m i m 1+L r i m 2=2(2L m i t

8、 1+L r i t 2=0(3將(2代入(1中第3行中,得:i m 2=-p 2R 2(4再代入(2解出i m 1:i m 1=-T 2p +1L m 2或得:2=L m T 2p +1i m 1(5由式(1第4行可得:i t 2=-L m L r i t 1(6而由式(3第4行s =-R 22i 2(7可將(6代入(7,并考慮到T 2=L r R 2,則s =-L m i t 1T 22(8電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為:T e =Mp L m L r i t 12(9電機運動方程為:T e -T l =J N pd d t (10其中,R 1,R 2為定轉(zhuǎn)子電阻;T 2為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù),T 2=

9、L r R 2;L m 為定轉(zhuǎn)子等效繞組間15第2期楊洋等:基于M A TLAB S I M UL I N K 的異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真的互感,L m =(3 2L m 1;U m 1,U m 2為M T 軸坐標(biāo)系中M 、T 軸定子電壓;L s 為定子等效繞組的自感,L s =L m +L 11;i m 1,i t 1,i m 2,i t 2為M T 軸坐標(biāo)系中M 、T 軸定向轉(zhuǎn)子電流;L r 為轉(zhuǎn)子等效繞組的自感,L r =L m +L 11;T e 電磁轉(zhuǎn)矩;1為定子轉(zhuǎn)速;N p 為極對數(shù);s 為轉(zhuǎn)差;J 為轉(zhuǎn)動慣量;為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;2為轉(zhuǎn)子總磁鏈由上述式子可知,由于M T 坐標(biāo)按轉(zhuǎn)子磁

10、場定向,在定子電流的兩個分量之間實現(xiàn)了解耦,i m 1唯一決定磁鏈2,當(dāng)磁通不變時,i t 1則只影響轉(zhuǎn)矩,與直流電機中的勵磁電流和電樞電流相對應(yīng)式(5,(8,(9,(10就是矢量控制的基本數(shù)學(xué)模型根據(jù)這些推導(dǎo)的式子,可以畫出異步電機變壓變頻矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(圖1圖1中異步電機矢量變換數(shù)學(xué)模型如圖2圖2的模型中除根據(jù)(5,(9式繪得分解成磁通和轉(zhuǎn)速的直流電機模型外,由轉(zhuǎn)子頻率和轉(zhuǎn)差頻率相加,得到定子頻率信號,再經(jīng)積分,即獲得轉(zhuǎn)子磁鏈的相位信號5,這是坐標(biāo)變換所不可缺的參數(shù)如果將式(1展開,并代入式(2,(3,我們可以寫出異步電機按轉(zhuǎn)子磁場定向情況下的狀態(tài)變量方程X =A (1X +B U(1

11、1式中X =i m 1i t 12,A (=Z1L m R 2L r -1-R 1L r L m 1R 2L mL r 0-R 2L r ,B =L r 00L r 00,U =u m 1u t 1,Z =R 1L 2r +R 2L 2m L r ,=L s L r -L 2m 從狀態(tài)方程可以看出這是一個線性時變系統(tǒng),雖然S I M UL I N K 中提供有狀態(tài)方程模塊,但主要是針對定常系統(tǒng)的,所以在S I M UL I N K 中用狀態(tài)方程仿真電機系統(tǒng)較為不便如希望用狀態(tài)方程仿真,可直接在M A TLAB 中用M 文件編程建立仿真系統(tǒng),只不過系統(tǒng)模型不如S I M UL I N K 所建的

12、直觀本文主要的目的是在S I M UL I N K 下建立仿真模型,圖1和圖2的模型,可毫不費力地利用S I M UL I N K 提供的庫模塊來構(gòu)建,這是后一節(jié)的重點圖1異步電機變壓變頻矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖A 7R 為磁通調(diào)節(jié)器,A SR 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器25湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版2000年 圖2異步電機矢量變換數(shù)學(xué)模型2異步電機矢量控制系統(tǒng)的SI M UL I NK 仿真模型圖1中,包含了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊(2r 3s block ,電流控制型變頻器模塊(CSI block ,以及異步電機矢量變換模型(I nducti on m otor block ,這些模塊可以由SI M UL I NK 調(diào)用庫

13、模型分別建立,然后封裝成Subsyste m 這里的坐標(biāo)變換(2 3和圖2中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(3 2互為反變換而電流控制型P WM 變壓變頻器的模型在M AT LAB 5.2中的POW ERS Y S 庫中可以找到這三個主要模塊構(gòu)造好后,其它環(huán)節(jié)也一樣可以通過SI M UL I NK 模塊庫調(diào)入,輸入不同參數(shù),然后如圖3連接,整個仿真模型就建好了圖中異步電機矢量變換模塊展開內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4系統(tǒng)中還包括兩個P I 調(diào)節(jié)器,對應(yīng)于圖1中A 7R ,ASR ,這兩個調(diào)節(jié)器也是定制好Subsyste m 后再封裝而成圖3異步電機矢量控制變壓變頻調(diào)速SI M U L I NK 仿真模型3仿真實驗選用的仿真電機參數(shù)為:N p =2,R 1=4.258,T no m =8.84N m ,R 2=3.248,L 1=0.666H ,L 2=0.671H ,L m =0.651H ,J =0.02N m 2.對圖3所示模型進行仿真35第2期楊洋等:基于M A TLAB S I M UL I N K 的異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真 圖4異步電機矢量變換仿真模塊(1仿真實驗1轉(zhuǎn)速輸入設(shè)定為一階躍函數(shù),初值為100rad s (角頻率 ,1s 后躍變?yōu)?00rad s 磁通設(shè)為一