异步电动机矢量控制系统的仿真研究 - 图文

异步电动机矢量控制系统的仿真研究

摘要：矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，它可以使交流电机取得同直

流电机相媲美的控制效果。本文研究了按磁场定向的直接矢量控制系统的仿真建模方法，并在MATLAB下的SIMULINK环境里运行得到仿真结果，最后对仿真结果进行分析。

关键词：矢量控制，交流电机，MATLAB仿真 0 引言

交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广泛，随着电力电子技术的发展及交流电动机本身具有的优越性，让交流调速有了更加广泛的应用前景。由于交流异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统以及电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。上世纪70年代，许多专家学者经过潜心研究，并在实践中不断改进，终于形成了目前所普遍应用的异步电动机矢量控制变频调速系统。为此，建立异步电动机矢量控制系统的仿真模型，可以有效地节省控制系统的设计时间; 及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出，同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同工况下的动静态特性。MATLAB 的Simulink 环境下的电力系统工具箱（powerlib）能很好地满足这一要求。

本文将在分析异步电动机矢量控制方法的基础上，使用MATLAB 的SIMULINK 建立异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型，利用仿真模型，进行控制系统的仿真实验。

1 矢量控制基本原理

电机调速的关键是控制转速，转速是通过转矩来改变的，直流电机之所以有良好的调速性能就是因为它的转矩容易控制，而影响交流电机转矩的因素很多。其转矩公式为：

T?Cm?mI2cos?2

（1）

式中， ?m为气隙有效磁通；I2为转子电流；?2为转子阻抗角；Cm为电磁常数。

I2和?m两个变量既不成直角又不是独立变量。因此转矩的这种复杂关系成

为异步电机难以控制的根本原因。矢量控制原理的基本出发点就是以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制，这样，通过坐标变换得到的电机模型就可以等效为一台直流电动机，从而能够像控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通的控制。

图1.矢量控制系统结构框图

2 矢量控制的基本方程

2.1 按转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统的数学模型

按转子磁链?r定向就是把M轴的取向与?r轴一致，所以转子磁链?r在T轴上的分量就全部为零，全部由M绕组电流产生。定子电流矢量在M轴上的分量isM就是励磁电流分量，在T轴上的分量isT就成了转矩分量。下面求出异步电动机矢量控制系统的数学模型的电压方程。?r在M-T坐标轴上的分量：

?rM=?r=LmdisM?LrdirM （2）

（3）

?rT?LmdisT?LrdirT?0而电磁转矩方程为：

TE?npLmd(isTirM?isMirT) （4）

结合上述两式(2)、(3)代化简得电压方程:

?usM?u?sT?0??0Lmdp??sLmd???RS?Lsdp??sLsd????sLsdRS?Lsdp?sLmdLmdp??????Lmdp??slLmdRr?Lrdp??slLrd?????LLp?LR?Lp??slmdmdslrdrrd??isM?i?sT?irM??irT??? （5） ???其中，?slLmd??s??r为异步电动机的转差角频率。 再将式(2)、(3)代入式(4)可得转矩方程为：

TE?npLmd(isTirM?isMirT) ?npLmdLmdLrd?risT （6）

?GiM?risT式中，GiM?npLmdLmdLrd为转矩系数。

这样就可以看出异步电动机的电磁转矩模型就与直流电动机的电磁转矩模型一致了。

由于要对异步电动机进行控制，而直接能够测得的被控制量就是定子电流，所以要求出定子电流矢量的表达式。根据上述各式可以求出:

isM?Trp?1LmdLrdLmdLrdRr ?r （7）

Tr?rLmdisT?irT?（8） ?sl

其中，Tr?为转子电路的时间常数。

由式(7)可以看出转子磁链?r唯一由定子电流矢量的励磁电流分量irM产生，与转矩电流分量isT无关，这样就实现了磁通和转矩电流的完全解耦。所以，采用转子磁场定向是最佳的方法，转子磁场定向控制是目前主要采用的方法。由式(8)我们可以看出，当转子磁场恒定时，电动机的转矩电流分量isT与转差角频率?sl成正比。

3 坐标变换的基本思路

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iA、iB、iC，通过三相——两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i?和i?，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id和iq。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3／2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由im和it输入，由?输出的直流电动机。

3s/2r变换：

??1?2??03??1?2??1232121?2???iA?3???? ??iB? （9）2??i?1??C?2????i??i????i0??????旋转变换为：

?isM??cos?????i?sT???sin?sin???i??（10） ?.?? cos???i??

图2. 异步电动机的坐标变换结构图

4 转子磁链观测模型

矢量控制是以转子磁链的矢量?r来定向的，首先需要确定?r的瞬时空间位置。在控制系统中，为了对运行参数的指令值和实际检测值进行数学运算，还需要知道?r的大小。因此，转子磁链准备的检测和运算，是进行矢量变换控制的前提。

转子磁链观测器的设计一般要满足以下两点要求:

（1）模型算法稳定，模型的估计值对实际值的收敛速度要快，符合实际应用要求。

（2）对电动机参数的变换具有自适应和自校正的功能，对测量时信号的噪声干扰有滤波、抑制的功能。

本次仿真采用基于静止坐标系（???）转子磁链电流观测模型，

图3. 静止坐标系上转子磁链电流观测模型

5 MATLAB环境下系统仿真

MATLAB 软件是目前国际上流行的一种仿真工具，它具有强大的矩阵分析运算和编程功能 。MATLAB 提供的动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种，在Simulink 中对系统进行建模非常简单，仿真过程是交互的，可以随意改变仿真参数。利用Power System Block工具箱可以方便的对电力电子与电力传动系统进行仿真。根据上述分析，并结合以上推导的矢量控制的基本公式以及该系统的动态结构原理图，可得出在,Simulink环境下的仿真模型。如图所示，它由几个主要的子系统构成，每个子系统在设计时都已封装。

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