2022年转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理研究及MATLAB仿真.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 转速、磁链闭环掌握的矢量掌握系统原理分析及MATLAB仿真摘 要由于异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合的多 变量系统,需要用一组非线性方程组来描述,所以掌握起来极为不 便；异步电机的物理模型之所以复杂,关键在于各个磁通间的耦 合；假如把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别掌握的简洁模 型,就可以模拟直流电动机的掌握模型来掌握沟通电动机；直接矢量掌握就是一种优越的沟通电机掌握方式,它模拟直流 电机的掌握方式使得沟通电机也能取得与直流电机相媲美的掌握效；并 用 果；本文讨论了矢量掌握系统中磁链调剂器的设计方法 MATLAB最终得到了仿真结果；关键词： 矢量掌握,非线性, MATLAB仿真Speed and flux vector control system for closed-loop control theory analysis and MATLAB simulation ABSTRACT I / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - Because asynchronous motor's physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonlinear simultaneous equation to describe, therefore controls extremely inconveniently. The reason that asynchronous machine's physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separately, may simulate direct current motor's control model to control the motor. The direct vector control is one superior alternating current machine control mode, it simulates direct current machine's control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares favorably with the direct current machine. This article has studied in the vector control system the flux linkage regulator's design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB. KEY WORDS: Vector Control, Misalignment, MATLABsimulation II / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录前 言1第1章矢量掌握的基本原理 21.1 坐标变换的基本思路 21.2 矢量掌握系统结构 3第2章按转子磁链定向的矢量掌握方程及解耦掌握 4第3章转速、磁链闭环掌握的矢量掌握系统 73.1 带磁链除法环节的直接矢量掌握系统 73.2 带转矩内环的直接矢量掌握系统 8第4章掌握系统的设计与仿真 94.1 矢量掌握系统的设计 94.2 矢量掌握系统的仿真 11结 论16参考文献 17附录18III / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 前 言矢量掌握是一种优越的沟通电机掌握方式,它模拟直流电机的掌握方式使得沟通电机也能取得与直流电机相媲美的掌握成效；本文讨论了矢量掌握系统中磁链调剂器的设计方法；第一简洁介绍了矢量掌握的基本原理,给出了矢量掌握系统框图,然后着重介绍了矢量掌握系统中磁链调剂器的设计和仿真过程；仿真结果说明调剂 器具有良好的磁链掌握成效；由于异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合、的 多变量系统,需要用一组非线性方程组来描述,所以掌握起来极为 不便；异步电机的物理模型之所以复杂,关键在于各个磁通间的耦 合；直流电机的数学模型就简洁多了；从物理模型上看,直流电机 分为空间相互垂直的励磁绕组和电枢绕组,且两者各自独立,互不 影响；正是由于这种垂直关系使得绕组间的耦合非常微小、,我们 可以认为磁通在系统的动态过程中完全恒定；这是直流电机的数学 模型及其掌握比较简洁的根本缘由；假如能将沟通电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模 式,仿照直流电机进行掌握,那么掌握起来就便利多了,这就是矢 量掌握的基本思想；1 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第1章 矢量掌握的基本原理矢量掌握实现的基本原理是通过测量和掌握异步电动机定子电流矢量,依据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行掌握,从而达到掌握异步电动机转矩的目的；详细是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流重量 励磁电流 >和产生转矩的电流重量 转矩电流 >分别加以腔制,并同时掌握两重量间的幅值和相位,即掌握定子电流矢量,所以称这种掌握方式为矢量掌握方式；1.1 坐标变换的基本思路坐标变换的目的是将沟通电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式,这样变换后,分析和掌握沟通电动机就可以大大简化；以产生同样的旋转磁动势为准就,在三相坐标系上的定子沟通电流、,通过三相两相变换可以等效成两相静止坐标系上的沟通电流 和,再通过同步旋转变换,可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 和；假如观看者站到铁心上与坐标系一起旋转,他所看到的就似乎是一台直流电动机；把上述等效关系用结构图的形式画出来,得到图l ；从整体上,是一台异步电动看,输人为A,B, C 三相电压,输出为转速机；从结构图内部看,经过32 变换和按转子磁链定向的同步旋转变换,便得到一台由和i输入,由ti输出的直流电动机；AAi等效直流BBi3/2iVRmi电动机模型CCi异步电动机2 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 1 异步电动机的坐标变换结构图 1.2 矢量掌握系统结构既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么,仿照直流电动机的掌握策略,得到直流电动机的掌握量,再经过相应的坐标反变换,就能够掌握异步电动机了；由于进行坐标变换的 是电流 代表磁动势 >的空间矢量,所以这样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量掌握系统VectorControlSystem>,简称VC 系统；VC 系统的原理结构如图2 所示；图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的掌握器,产生励磁电流的给定信号 和电枢电流的给定信号,经过反旋转变换 一得到 和,再经过23 变换得到、和；把这三个电流掌握信号和由掌握器得到的频率信号 加到电流掌握的变频器上,所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流；给定信号控i* ti1 VR*i2/3i*电流掌握i ABiCi3/2iti等效直A *iiiVRim流电动制*B Ci变频器+机模型器m-1异步电动机反馈信号图 2 矢量掌握系统原理结构图在设计 VC 系统时,假如忽视变频器可能产生的滞后,并认为在掌握器后面的反旋转变换器与电机内部的旋转变换环节VR相抵消,23 变换器与电机内部的32 变换环节相抵消,就图2 中虚线框内的部分可以删去,剩下的就是直流调速系统了；可以想象,这样的矢量掌握沟通变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美；3 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第2章按转子磁链定向的矢量掌握方程及解耦掌握上节的定性分析是矢量掌握的基本思路,其中的矢量变换包括三相一两相变换和同步旋转变换；实际上异步电动机具有定子和转子,定、转子电流都得变换,情形更复杂一些,要讨论清晰仍必需从分析动态数学模型开头；如 前 所 述 , 取 d 轴 为 沿 转 子 总 磁 链 矢 量 的 方 向 , 称 作MMagnetization> 轴,再逆时针转 就是 q 轴,它垂直于矢量,又称 TTorque>轴；这样的两相同步旋转坐标系称作 M、T 坐标系,即按转子磁链定向 FieldOrientation> 的旋转坐标系；当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时,应有 2-1 代入转矩方程式和状态方程式,并用m、t代替 d、q,即得 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 由于,状态方程中的蜕化为代数方程,将它整理后可得转差公式4 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2-8 这使状态方程又降低了一阶；由式 可得2-9 就 2-10 或 2-11 式 2-10 或 2-11 说明,转子磁链 仅由定子电流励磁重量 产生,与转矩重量 无关,从这个意义上看,定子电流的励磁重量与转矩重量是解耦的；式 2-10 仍说明,与 之问的传递函数是一阶惯性环节,其时间常数 Tr 为转子磁链励磁时间常数,当励磁电流重量 突变时,的变化要受到励磁惯性的阻止,这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一样的；式 2-10 或式 2-11 、式 2-8 和式 2-2> 构成矢量掌握基本方程式,依据这组基本方程式可将异步电动机的数学模型绘成图 构形式,由图可见,两个子系统之间仍然是耦合着的,由于3 的结 Te 同时r受到和的影响；AisiismTrLm1pBi3/2siVRistnL p LmTT L-npCireJP图 3 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型依据矢量掌握系统原理结构图仿照直流调速系统进行掌握时,可设置磁链调剂器和转速调剂器 ASR分别掌握和,如图 4a5 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 所示；把ASR的输出信号除以,当掌握器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消,且变频器的滞后作用可以忽视时,此处的 ÷>便可与电机模型中的 ×>对消,两个子系统就完全解耦了；这时,带除法环节的矢量掌握系统可以看成是两个独立的线性子系统如图 4b；应当留意,在异步电动机矢量变换模型中的转子磁链 和它的相位角 都是在电动机中实际存在的,而用于掌握器的这两个量却难以直接测得,只能采纳磁链模型运算,在图 4a 中冠以符号“” 以示区分；因此,上述两个子系统的完全解耦只有在下面三个假定条件下才能成立： 1> 转子磁链的运算值等于其实际值：1>转子磁链的运算值 等于其实际值 2> 转子磁链定向角的运算值 等于其实际值；3>忽视电流掌握变频器的滞后作用；*-ART e *nLrmi*C2r/3si* A电流Ai异步电rsmBi动机矢Bi掌握量变换*ASRstiCi变频Ci模型器（图 3）-pLr.ra）* r-AR* T e-Ti* smn pT rL mrp1*ASR磁链检测信号模型LJPb）图 4 带除法环节的解耦矢量掌握系统a）矢量掌握系统 b）两个等效的线性子系统6 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 磁链调剂器 ASR转速调剂器第3章转速、磁链闭环掌握的矢量掌握系统对解耦后的转速和磁链两个独立的线性子系统分别进行闭环控制的系统称作直接矢量掌握系统；采纳不同的解耦方法可以获得不同的直接矢量掌握系统；3.1 带磁链除法环节的直接矢量掌握系统在前述的图 4a 中,转速调剂器输出带“ ÷” 环节,使系统可以在有关假定条件下 见上节指出的三个假定条件 >简化成完全解耦的 与 两个子系统 模型在图中略去未画 >,这是一种典型的直接矢量掌握系统；两个子系统都是单变量系统,其调剂器的设计方法和直流调速系统相像；电流掌握变频器可以采纳电流滞环跟踪掌握的 CHBPWM 变频器 图 5a>,也可采纳带电流内环掌握的电压源型 PWM变频器 图 5b> 图 5 电流掌握变频器7 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2 带转矩内环的直接矢量掌握系统另外一种提高转速和磁链闭环掌握系统解耦性能的方法是在转 速环内增设转矩掌握内环,图 6 绘出了一种实际的带转矩内环的直 接矢量掌握系统,其中主电路挑选了电流滞环跟踪掌握的 CHBPWM变频器,这只是一种示例,也可以用带电流内环的电压源型变频器；系统中仍画出了转速正、反向和弱磁升速环节,磁链给定信号由函数发生程序获得；转速调剂器ASR的输出作为转矩给定信号,弱磁时它也受到磁链给定信号的掌握；图 6 带转矩内环的直接矢量掌握系统第4章 掌握系统的设计与仿真4.1 矢量掌握系统的设计I以典型I型系统来设计为了将系统开环传递函数表示成典型型系统的形式,磁链调剂器设计为一个PI 调剂器与一个惯性环节串联,即8 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其 中、待定；于是磁链闭环的开环传递函数为=时,整理可得；当取 <7）,明显这是典型I 型系统的开环传递函数形式；为了便于仿真,假设电机参数如下：定子互感和转子互感： L_m=34.7e-3 定子电阻： R_s=0.087 转子电阻： R_r=0.228 定子漏感和转子漏感： L_lr=L_ls=0.8e-3 极对数： n_p=2 转动惯量： J=1.662 转子磁链： Psi_r=1 代入上述数值到 Gs>可得；易知该 I 型系统的阻尼比和振荡频率有如下关系： <8）；如今要求磁链调剂曲线超调量、调剂时间；依据自动掌握理论,一旦超调量和调整时间确定了,典型 I 型系统的特征参数 和 可由9 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 确定,于是可解得 =0.6901 、=62.6483 , 再 将和代 入 <8 ） 式 解 得、=0.0116 ,=202.77,=0.2316；Gs><<7）式）的 . 满意工在 MATLAB下作开环转子磁链的开环传递函数波德图如图7；图中可以看出相角裕量约为程设计要求；图 7 转子磁链的开环传递函数波德图 4.2 矢量掌握系统的仿真在 MATLAB下作系统仿真模型,如图 8 所示；10 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 8 MATLAB 下作系统仿真模型各个子模块的仿真模型如图 913所示；图 9 电流滞环脉冲发生11 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 10 按转子磁链定向的转子磁链电流模型图 11 磁链调剂器的模型图 12 转速调剂器的模型12 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 13 转矩调剂器的模型仿真结果图 14 转速仿真结果13 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 15 电机三相电流波形图 16 转速调剂器输出结果14 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 17 电流调剂器输出波形图 18 转矩调剂器输出波形15 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 结 论由于磁链具有难观测的特点,所以采纳MATLAB仿真讨论是一个很好且很便利的方法；但是 MATLAB究竟是软件模拟实现,仅仅从原 理上证明了设计的精确性,我们仍必需搭建实际系统并进行调试才能最终确定合适的调剂器模型参数；参数挑选见附录；从仿真结果上看,在 0.35s 时转速达到额定值,在 0.5s 时给电机 加上负载,其转速有所下降,但很快就能复原,说明该电机的调速性能仍是不错的；从转速的上升时间来看,它的响应时间也能满意 要求；16 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 参考文献1 陈伯时电力拖动自动掌握系统 社 2004 第 3 版>机械工业出版2 李德华电力拖动掌握系统 运动掌握系统 >电子工业出版社 2006 3 裴润,宋申明自动掌握原理社 20064 黄忠霖自动掌握原理的 社2007 上册 >哈尔滨工业高校出版 MATLAB实现国防工业出版5 冯 垛 生 , 曾 岳 南 无 速 度 传 感 器 矢 量 控 制 原 理 与 实 践2006附录仿真参数一览表：电动机挑选： 380V、50Hz、两对磁极逆变器电源为 510V 定子绕组自感17 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 转子绕组自感漏磁系数转子时间常数PI 调剂器参数积分器限幅 调剂器 比例放大倍数积分器放大倍数上限 下限调剂器输出限幅上限下限转速调剂器3.80.880-8075-75转矩调剂器4.51260-6060-60磁链调剂器1.810015-1513-1318 / 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 21 页