带转矩内环的转速_磁链闭环矢量控制系统仿真模型精品资料.doc

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1、 MATLAB期末作业带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型 姓 名 学 号 学 院 专业班级 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型文章摘要：本文对按转子磁链定向的矢量调速系统进行了计算机仿真研究，运用MATLAB的SIMULINK和POWER SYSTEM等工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真的方法，实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模和仿真，重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置，给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果。仿真结果非常接近实际情况，说明了仿真模型的正确性。关键词：交流异步电动机、仿真建模，MATLAB、矢量控制因为异步电动机的物理模型是

2、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，所以控制起来极为不便。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单多了。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十分微小、，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控制比较简单的根本原因。如果能将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式，仿照直流电机进行控制，那么控制起来就方便多了，这就是矢量控制的基本思想。矢量控制技术有按转子磁链定向和按定子磁链定向的控制等策略。按转子

3、磁链定系那个控制给出了交流电动机的基本解耦控制方法。在设计调速系统过程中，利用MATLAB仿真技术是一种重要手段。基于MATLAB安转子磁链定向矢量控制的交流调速系统仿真，正确的应用坐标变换模块是建立转子磁链模型的基础。同事，转子磁链、转矩解耦环节的模型也是放在的关键因素。本文在调速系统数学模型的建立以及正确的设置调节器参数的基础上对此系统进行仿真，仿真结果验证了模型机参数设置的正确性。1.坐标变换的思路坐标变换的目的是将交流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，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流、，通过三相两相变换

4、可以等效成两相静止坐标系上的交流电流和，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。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图l。从整体上看，输人为A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电动机。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，便得到一台由和输入，由输出的直流电动机。图1 异步电动机的坐标变换结构图2. 矢量控制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，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行

5、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控制系统(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控制器，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。把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。图2 矢量控制系统原理结构图在设计VC系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制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

6、机内部的32变换环节相抵消，则图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，这样的矢量控制交流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. 建立转子磁链定向的交流电动机数学模型 上面的定性分析是矢量控制的基本思路，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，情况更复杂一些，要研究清楚还必须从分析动态数学模型开始。 为了提高异步电动机调速系统性能指标，目前应用最多的方案有按转子磁链定向矢量控制系统。按转子磁链定向的矢量控制时，交流电动机数学模型如下： （1） （2） （3） （4） （5） （6）

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 （7）这使状态方程又降低了一阶。由式可得 （8）则 （9_或 (10)式(9）或（10）表明，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。式（9）还表明，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，当励磁电流分量突变时，的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一致的。式(9)或式(10）、式（7）和式（1）构成矢量控制基本方程式，按照这组基本方程式可将异步电动机的数学模型绘成图3的结构形式，由图可见，两个子系统之间仍旧是耦合着的，

8、由于Te同时受到和的影响。图3 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型按照矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时，可设置磁链调节器和转速调节器ASR分别控制和，如图4a所示。把ASR的输出信号除以，当控制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略时，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，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统如图4b。应该注意，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，而用于控制器的这两个量却难以直接测得，只能采用磁链模型计算，在图4a中冠以符号“”以示区别。因此，上述两

9、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)转子磁链的计算值等于其实际值：(1)转子磁链的计算值等于其实际值 (2)转子磁链定向角的计算值等于其实际值；(3)忽略电流控制变频器的滞后作用。 （a）(b）图4 带除法环节的解耦矢量控制系统(a）矢量控制系统 (b）两个等效的线性子系统磁链调节器 ASR转速调节器 在按转子磁链定系那个矢量控制系统中，主要是为了转速和转子磁链解耦。提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的方法是在转速换内增设转矩控制环，如图（1）。 转矩内环之所以有助于解耦，是因为磁链对控制对象的影响相当于一种干扰作用，转矩内环可以抑制这个扰动，从而改造了转速子系统。 （1

10、） 要实现按转子磁链定向控制的VC系统，还必须获得转子磁链信号，在实用系统中，多是借助转子磁链模型，实时计算磁链的幅值和相位。 基于MATLAB工具箱的仿真，实际上是根据系统的数学模型进行计算。正确地理解各模块的含义和性质以及参数的正确确定，是建立仿真模型的关键。4. 仿真模型（1） 主电路的建模和参数的设置在矢量控制系统调速系统中，主电路是由直流电压源、逆变器及交流电动机等组成。对于电流控制逆变器，可以采用电力电子模块组成中选取“Universal Bridge”模块。具体的参数为：电动机选择：380V、50Hz、两对磁极逆变器电源为510V定子绕组自感转子绕组自感漏磁系数转子时间常数设置如

11、图所示 （2） 控制电路建模和参数的设置 滞环脉冲发生器建模。滞环脉冲发生器作用是给定电流IA、IB、IC同输出电流IA。、IB、IC相比较，电流偏差超过一定范围时，滞环脉冲发生器控制逆变器上（下）桥臂功率器动作，使得输出电流尽可能接近给定电流。为了保证同一桥臂上下轮流动作，上臂桥采用Relay模块，滞环宽度取12.为了加快仿真，下桥臂采用Data Type Conversion 、Logical Operator等模块组成。滞环脉冲发生器及封装后的子系统如图所示。 （a）滞环脉冲发生器的模型 Relay 的参数设置 （b）滞环脉冲发生器封装后的子系统 图 滞环脉冲发生器模型及封装后的子系统转

12、子磁链模型。在建立转子磁链模型时，需要用坐标变换，但在MATLAB模块库中， 没有两相静止坐标与两项旋转坐标的变换模块，只有三相坐标到两相坐标变换模块，通过角度是否变化确定了变换方式。在三相静止坐标到两相旋转坐标变换的数学模型为：C3s/2r= * (8)但MATLAB模块中三相坐标变换模块abc-dp0 Transformation的数学模型为: C3s/2r= * (9)从（8）（9）式中可以看出两者是差别的，因此不能直接应用MATLAB中坐标变换模块。但如果把模块abc-dp0 Transformation 的旋转角度加上900，同时矩阵幅值乘以时，两者就完全相同。同样，两相坐标变换到三

13、相坐标，在应用dp0-abc Transformation 模块时角度和幅值上也应当进行适当的调整。 转子磁链模型及封装后子系统如下图所示： （a）电流变换与磁链观测模型 （b）电流变换与磁链预测模型封装后子系统 图 电流变换与磁链观测模型及子系统（3） 矢量控制系统的仿真 在MATLAB下作系统仿真模型，如图所示系统仿真参数设置：仿真中所选的算法为ode23 tb,Start设为0，Stop设为3.0s。ASR的设置： ATR的参数设置： ApsiR的参数设置： 在给定转子为1400r/min，空载启动，在0.6s时家在60N .m，系统的仿真结果如图所示。期中图a-c分别为电动机转速、电路

14、、转矩的曲线，图d-f分别为三个调节器的输出信号波形。在波形可以看到，在矢量控制下，转速上升平稳，加载后略有下家但很快就恢复。在0.35s达到给定转速时和0.6s加载时，系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。（4） 仿真结果 （a） (d) (b) (c) (f) (g) (e) (h) (i)结束语本文在按转子磁链定向电动机数学模型基础上，利用MATLAB进行仿真。 仿真结果表明，波形基本符合理论分析，系统能够稳定运行。采用这种调速系统，哪呢个够快速验证控制策略的正确性。运用MATLAB 仿真是一种非常有效的的手段，以后应该尽量学习好这种软件，在以后的学习中更好的运用。参考文献洪乃刚 编 电

15、力电子、电机控制系统的建模和仿真机械工业出版社陈伯时电力拖动自动控制系统(第3版)机械工业出版社附录资料：MATLAB函数和命令的用法Binocdf二项式累积分布函数语法格式Y = binocdf(X,N,P)函数功能Y = binocdf(X,N,P) 计算X中每个X(i)的二项式累积分布函数，其中，N中对应的N(i)为试验数，P中对应的P(i)为每次试验成功的概率。Y, N, 和 P 的大小类型相同，可以是向量、矩阵或多维数组。输入的标量将扩展成一个数组，使其大小类型与其它输入相一致。The values in N must all be positive integers, the va

16、lues in X must lie on the interval 0,N, and the values in P must lie on the interval 0, 1.The binomial cdf for a given value x and a given pair of parameters n and p is The result, y, is the probability of observing up to x successes in n independent trials, where the probability of success in any g

17、iven trial is p. The indicator function I(0,1,.,n)(i)ensures that x only adopts values of 0,1,.,n.示例若一个棒球队在一个赛季要比赛162场，每场比赛取胜的机会是50-50，则该队取胜超过100 场的概率为： 1-binocdf(100,162,0.5)ans = 0.0010433相关函数binofit | binoinv | binopdf | binornd | binostat | cdf附：二项式分布(binomial distribution )定义二项分布的概率密度函数为where k

18、 is the number of successes in n trials of a Bernoulli process with probability of success p.The binomial distribution is discrete, defined for integers k = 0, 1, 2, . n, where it is nonzero.背景The binomial distribution models the total number of successes in repeated trials from an infinite populati

19、on under the following conditions:Only two outcomes are possible on each of ntrials.The probability of success for each trial is constant.All trials are independent of each other.The binomial distribution is a generalization of the Bernoulli distribution; it generalizes to the multinomial distributi

20、on.参数Suppose you are collecting data from a widget manufacturing process, and you record the number of widgets within specification in each batch of100. You might be interested in the probability that an individual widget is within specification. Parameter estimation is the process of determining th

21、e parameter, p, of the binomial distribution that fits this data best in some sense.One popular criterion of goodness is to maximize the likelihood function. The likelihood has the same form as the binomial pdf above. But for the pdf, the parameters (nandp) are known constants and the variable isx.

22、The likelihood function reverses the roles of the variables. Here, the sample values (the xs) are already observed. So they are the fixed constants. The variables are the unknown parameters. MLE involves calculating the value of p that give the highest likelihood given the particular set of data.The

23、 function binofit returns the MLEs and confidence intervals for the parameters of the binomial distribution. Here is an example using random numbers from the binomial distribution with n=100 and p=0.9. r = binornd(100,0.9)r = 85 phat, pci = binofit(r,100)phat = 0.85pci = 0.76469 0.91355The MLE for p

24、arameterp is0.8800, compared to the true value of0.9. The 95% confidence interval forp goes from 0.7998 to0.9364, which includes the true value. In this made-up example you know the true value ofp. In experimentation you do not.示例The following commands generate a plot of the binomial pdf for n = 10

25、and p = 1/2.x = 0:10;y = binopdf(x,10,0.5);plot(x,y,+) 相关内容Discrete Distributions附：二项式分布（网上）定义若某事件概率为p，现重复试验n次，该事件发生k次的概率为:P=C(k,n)pk(1-p)(n-k)C(k,n)表示组合数，即从n个事物中拿出k个的方法数。二项分布的概念考虑只有两种可能结果的随机试验，当成功的概率（）是恒定的，且各次试验相互独立，这种试验在统计学上称为贝努里试验（Bernoullitrial）。如果进行n次贝努里试验，取得成功次数为X（X=0,1,n）的概率可用下面的二项分布概率公式来描述：P

26、=C(X,n) X(1-)(n-X)式中的n为独立的贝努里试验次数，为成功的概率，（1-）为失败的概率，X为在n次贝努里试验中出现成功的次数，C(X,n)表示在n次试验中出现X的各种组合情况，在此称为二项系数（binomialcoefficient）。内容简介二项分布，伯努里分布：进行一系列试验,如果1. 在每次试验中只有两种可能的结果,而且是互相对立的；2. 每次实验是独立的，与其它各次试验结果无关；3. 结果事件发生的概率在整个系列试验中保持不变，则这一系列试验称为伯努力试验。在这试验中，事件发生的次数为一随机事件,它服从二次分布。二项分布可以用于可靠性试验。可靠性试验常常是投入n个相同的

27、式样进行试验T小时，而只允许k个式样失败，应用二项分布可以得到通过试验的概率。一个事件必然出现，就说它100%要出现。100%=1，所以100%出现的含义就是出现的概率P=1。即必然事件的出现概率为1。若掷一枚硬币，正面向上的结果的概率为0.5。反面向上的结果的概率也是0.5。则出现正面向上事件或者反面向上事件的概率就是0.5+0.5=1，即二者必居其一。若掷两次硬币，由独立事件的概率乘法定理那么两次都是正面（反面）向上的概率是0.50.5=0.25。另外第一个是正第二个是反的出现概率也是0.50.5=0.25。同理第一个反第二个正的出现概率也是0.50.5=0.25。于是一正一反的概率是前面

28、两个情况的和，即0.25+0.25=20.25=0.5。它们的合计值仍然是1。binopdf二项分布的概率密度函数语法格式Y = binopdf(X,N,P)函数功能Y = binopdf(X,N,P) 计算X中每个X(i)的概率密度函数，其中，N中对应的N(i)为试验数，P中对应的P(i)为每次试验成功的概率。Y, N, 和 P 的大小类型相同，可以是向量、矩阵或多维数组。输入的标量将扩展成一个数组，使其大小类型与其它输入相一致。N中的值必须是正整数，0 P 1 。对于给出的x和两个参数n和p，二项分布概率密度函数为其中 q = 1 p。 y为n次独立试验中成功x次的概率，其中，每次试验成功

29、的概率为p。指示器函数 I(0,1,.,n)(x) 确保x 取值为 0, 1, ., n。 示例一个质量检查技术员一天能测试200块电路板。假设有 2% 的电路板有缺陷，该技术员在一天的测试中没有发现有缺陷的电路板的概率是多少？binopdf(0,200,0.02)ans =0.0176质量检查技术员一天中最大可能检测出有缺陷的电路板是多少块？defects=0:200;y = binopdf(defects,200,.02);x,i=max(y);defects(i) ans =4相关函数binocdf | binofit | binoinv | binornd | binostat | p

30、dfdlmread将以ASCII码分隔的数值数据文件读入到矩阵中语法格式M = dlmread(filename)M = dlmread(filename, delimiter)M = dlmread(filename, delimiter, R, C)M = dlmread(filename, delimiter, range)函数功能M = dlmread(filename)读取有分隔符的ASCII数值数据文件filename，并把数据给到矩阵M中。文件名(filename)以字符串形式用单引号括起来。 dlmread 从文件的格式中推断分隔符。M = dlmread(filename,

31、delimiter)指定分隔符delimiter。使用 t 代表制表符 tab 作为分隔。M = dlmread(filename, delimiter, R, C)R和C指定了数据读取数据，其左上角的值位于文件中的第R行，第C列。R和C从0开始，所以R=0, C=0 指向文件中的第一个值。M = dlmread(filename, delimiter, range)读取由range = R1 C1 R2 C2指定的区域块， (R1,C1)是左上角，(R2,C2)是右下角。也可以使用电子表格表示法来指定，如range = A1.B7。备注 All data in the input file

32、must be numeric. dlmread does not read files that contain nonnumeric data, even if the specified rows and columns contain only numeric data. 若没有指定分隔符，当从文件格式中推断分隔符时，连续的空格符当作一个分隔符对待。若指定了分隔符，则重复的分隔符将分别作为单独的分隔符对待。 If you want to specify an R, C, or range input, but not a delimiter, set the delimiter arg

33、ument to the empty string, (two consecutive single quotes with no spaces in between, ). For example,M = dlmread(myfile.dat, , 5, 2)In this case, dlmread treats repeated white spaces as a single delimiter. Dlmread将用0填充没有边界的区域。有多行的数据文件，若以非空格分隔符结束，例如分号，则导入后会多产生全0的一列在最后。 Dlmread在导入任何复数时，将其作为一个整体导入到一个复数单

34、元中。下面是有效的复数格式：i|jExample: 5.7-3.1ii|jExample: -7j嵌入了空格的复数是不正确的格式，空格将被认为是分隔符。示例例1Export a 5-by-8 test matrix M to a file, and read it with dlmread, first with no arguments other than the filename:M = gallery(integerdata, 100, 5 8, 0); dlmwrite(myfile.txt, M, delimiter, t)dlmread(myfile.txt)ans = 96 7

35、7 62 41 6 21 2 42 24 46 80 94 36 20 75 85 61 2 93 92 82 61 45 53 49 83 74 42 1 28 94 21 90 45 18 90 14 20 47 68Now read a portion of the matrix by specifying the row and column of the upper left corner:dlmread(myfile.txt, t, 2, 3)ans = 92 82 61 45 53 42 1 28 94 21 90 14 20 47 68This time, read a dif

36、ferent part of the matrix using a range specifier:dlmread(myfile.txt, t, C1.G4)ans = 62 41 6 21 2 80 94 36 20 75 93 92 82 61 45 74 42 1 28 94例2Export matrix M to a file, and then append an additional matrix to the file that is offset one row below the first:M = magic(3);dlmwrite(myfile.txt, M*5 M/5,

37、 )dlmwrite(myfile.txt, M/3, -append, . roffset, 1, delimiter, )type myfile.txt40 5 30 1.6 0.2 1.215 25 35 0.6 1 1.420 45 10 0.8 1.8 0.4 2.6667 0.33333 21 1.6667 2.33331.3333 3 0.66667When dlmread imports these two matrices from the file, it pads the smaller matrix with zeros:dlmread(myfile.txt) 40.0

38、000 5.0000 30.0000 1.6000 0.2000 1.2000 15.0000 25.0000 35.0000 0.6000 1.0000 1.4000 20.0000 45.0000 10.0000 0.8000 1.8000 0.4000 2.6667 0.3333 2.0000 0 0 0 1.0000 1.6667 2.3333 0 0 0 1.3333 3.0000 0.6667 0 0 0替代作为dlmread的替代，可使用导入向导。选择菜单 “File | Import Data” 激活导入向导。相关函数dlmwrite | textscanfprintf写数据到

39、文本文件或输出到命令窗口语法格式fprintf(fileID, format, A, .)fprintf(format, A, .)count = fprintf(.)函数功能fprintf(fileID, format, A, .) fileID为文件句柄，指定要写入的文件；format是用来控制所写数据格式的格式符；A是用来存放数据的矩阵。applies the format to all elements of array A and any additional array arguments in column order, and writes the data to a text

40、 file. fprintf uses the encoding scheme specified in the call to fopen.fprintf(format, A, .) 将A中的数据按格式format输出到命令窗口。count = fprintf(.) 返回fprintf写的字节数。输入参数fileID取值为下面中的一种： 从文件打开时所得到的文件句柄，为一个整数值。 1 为标准输出设备（屏幕）。 2 for standard error.fileID缺省时，输出到屏幕，即1为默认值。format单引号括起来的是 “转换控制字符串 ”，指定输出的格式。由下面给出的各部分的组合而

41、成： 百分号后紧跟的格式字符，如%s 。 输出区域的宽度，精度，和其它选项（附加格式说明符）。 要原样输出的文本（普通字符）。 转义字符，包括：单引号% 百分号反斜线a响铃b退格符fForm feedn换行r回车t水平制表符v垂直制表符xN十六进制数, NN八进制数, N转换字符和可选的操作符按以下顺序排列（包括空格）：下表列出可用的转换字符和限定类型字符。数据类型转换说 明Integer, signed%d 或 %i十进制整数%ld 或 %li64-bit base 10 values%hd 或 %hi16-bit base 10 valuesInteger, unsigned%u十进制整数

42、%o八进制整数(octal)%x十六进制整数 (hexadecimal), 使用字母 af%X十六进制整数 (hexadecimal), 使用字母AF%lu%lo%lx or %lX64-bit values, 十、八、十六进制整数%hu%ho%hx or %hX16-bit values, 十、八、十六进制整数Floating-point number%f定点表示法%e指数表示法，如 3.141593e+00%E同 %e，但用E，如 3.141593E+00%g%e 或 %f的紧凑格式，没有尾部的0%G%E 或 %f的紧凑格式，没有尾部的0%bx or %bX%bo%bu双精度的十六、八、十进制数值如：%bx prints pi as 400921fb54442d18%tx or %tX%to%tu单精度的十六、八、十进制数值如：%tx prints pi a