按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)仿真

1、按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)仿真1. 矢量控制技術(shù)概述異步電機的動態(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)，其控制十分復(fù)雜。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。將異步電動機的異步電動定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。圖1 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)節(jié)磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 幾個關(guān)鍵問題：l 轉(zhuǎn)子磁鏈函數(shù)發(fā)生器根據(jù)電機的調(diào)速范

2、圍和給定的轉(zhuǎn)速信號，在恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)恒磁通調(diào)速、轉(zhuǎn)子磁通保持額定磁通；在恒功率范圍內(nèi)弱磁調(diào)速，轉(zhuǎn)子磁通隨轉(zhuǎn)速指令的增大而減小。轉(zhuǎn)子磁鏈函數(shù)發(fā)生器用來產(chǎn)生磁鏈大小信號。這里采用下面的曲線。轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值一般為1。l 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測與定向轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測模型主要有二種：（1） 在兩相靜止坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型電機的定子電壓和電流由傳感器測得后，經(jīng)過3S/2S變換，再根據(jù)異步電機在兩項靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，計算轉(zhuǎn)子磁鏈的大小。（2） 按磁場定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型 三相定子電流 iA 、 iB 、iC 經(jīng)3/2變換變成兩相靜止坐標(biāo)系電流 isa 、 isb ，再經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)變換并按轉(zhuǎn)子磁鏈定向

3、，得到M，T坐標(biāo)系上的電流 ism、ist，利用矢量控制方程式可以獲得 yr和 ws 信號，由ws 與實測轉(zhuǎn)速 w 相加得到定子頻率信號w1，再經(jīng)積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角j ，它也就是同步旋轉(zhuǎn)變換的旋轉(zhuǎn)相位角。l 電磁轉(zhuǎn)矩的觀測根據(jù)異步電機在不同坐標(biāo)系下的模型，可以得到多種電磁轉(zhuǎn)矩的表達形式，由這些表達形式可以得到轉(zhuǎn)矩觀測器的表達：3. 建模與仿真利用Simulink/Powersystem工具箱，搭建按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的模型如圖：圖2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)節(jié)磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)磁鏈閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)包括轉(zhuǎn)矩環(huán)和磁鏈環(huán)，控制部分生成觸發(fā)脈沖

4、加至逆變器六個開關(guān)器件。電機中模型，從Machines Measurement Demux端口引出轉(zhuǎn)子磁鏈MT分量、定子三相電流、，電磁轉(zhuǎn)矩作為反饋信號。設(shè)有三個PI調(diào)節(jié)器：圖3 三個調(diào)節(jié)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：通過轉(zhuǎn)速反饋信號與speed_ref給定的轉(zhuǎn)速相比較的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出轉(zhuǎn)矩指令信號T*。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)矩指令信號與電磁轉(zhuǎn)矩相比較的偏差通過PI調(diào)節(jié)器，運算出勵磁電流分量Iq*磁鏈調(diào)節(jié)器APISR：前一級pis genenrater是一個函數(shù)發(fā)生器，由speed_ref給定的轉(zhuǎn)速計算出轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號pis*，再用通過磁鏈調(diào)節(jié)器APISR運算出轉(zhuǎn)矩電流

5、分量Id*。Transformation dq0_to_abc模塊將上一級得到的勵磁電流分量Iq*、轉(zhuǎn)矩電流分量Id*變換到定子三相坐標(biāo)系上，得到定子電流給定信號Iabc*。Regulator Current模塊是自定義封裝模塊，實現(xiàn)滯環(huán)調(diào)節(jié)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4，使用時只需指定滯環(huán)環(huán)寬。滯環(huán)寬度的大小影響逆變器的開關(guān)頻率。圖4 Regulator Current的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)4. 仿真結(jié)果分析根據(jù)采用固定步長的ode3仿真算法，最大步長取1e-5。電機空載啟動，啟動過程充分利用電機的過載能力，以最大加速度加速，啟動時間只需0.1s,快速性很好。圖5 轉(zhuǎn)速波形圖6 電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖7 ASR輸出

6、的電磁轉(zhuǎn)矩指令Te*啟動后在1.5s加75%額定負載，轉(zhuǎn)速稍微有降落，但是能遵循給定值。在2s進行減速，由電磁轉(zhuǎn)矩的圖6可以看出，減速過程的快速性也很優(yōu)良。在3s進行加速，加速過程良好。圖8 勵磁電流分量Id圖9 轉(zhuǎn)矩電流分量Iq圖8和圖9還給出了電機在調(diào)速過程中的勵磁電流分量Id*和轉(zhuǎn)矩電流分量Iq*的，由圖8可見，勵磁電流分量Iq在整個調(diào)速過程中沒有發(fā)生改變，保證了電機內(nèi)部磁場在穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)發(fā)揮了最大的效率，而轉(zhuǎn)矩電流分量Id在加載、加速、減速過程中都隨著指令信號改變而改變，動態(tài)的控制電機電磁轉(zhuǎn)矩。圖10 調(diào)速過程中的電流波形圖11 加載時三相電流波形圖12 減速時三相電流波形5. 結(jié)論 利用MATLAB/SIMULINK/POWERSYS提供的電