电机分析论文-基于MATLAB交流异步电机矢量控制系统建模与仿真

1、sdrs + lsp-lsln,p-ct>sglsrs + lsp'l。l cprdl,npr,+lrp-咕r,_仍alfflpslrr,+lri基于matlab交流异步电机矢量控制系统建模与仿真李书圣，电气1302班，130301208摘要:在分析异步电机的数学模型及矢:w:控制原理的基础上,利用matlab建立异步电机矢量 控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强， 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。v,/vsc,yrq_mlfn 0 lrhdlrd(2.2)(2.6)lblsd关键词：交流异步电机，矢量控制，matlab1、引言

2、本文研宄交流异步电机矢:k控制调速 系统的建模与仿真。利用matlab中的电气 系统模块构建异步电机矢量控制仿真模型， 并对其动、静态性能进行仿真试验。仿真试 验结果验证了矢量控制方法的有效性、可行 性。2、参数由于交流异步电机在a-b-c坐标系下的 数学模型比较复杂，需要通过两次坐标变换 来简化交流异步电机的数学模型。一次是三 相静止坐标系和两相静止坐标系之间的变 换（简称3s/2s变换），另一次是两相静止和 两相同步旋转平标系之间变换（简称2s/2r 变换）。通过这两次变换，就可以得到在任意 旋转坐标系d-q坐标系下交流异步电机的数 学模型。在d-q坐标系下的数学模型如下：电压方程：（2.

3、 1）（2）磁链方程:转矩方程:(2.3)运动方程:（2.4）三相静止坐标系和两相静止坐标系 a-b-c与两相同步旋转坐标系d-q之间正变 换3s/2r变换，反变换2r/3s分别为：isd i 21 cos 3 cos（沒-2;r/3） cos（权+ 2;r/3） sin sin（汐一 2;r/3） sin（沒+ 2;z73）（2.5）cos 汐一 sin 沒+ 2- / 3） - sin（沒 + 2;z7 3）子旋转坐标系d_q坐标系磁链定 向在同步旋转坐标系m-t坐标系的m轴时 （此时d-q与m-t两坐标系重合，即d=m,q=t),应有:下标r一一表示定子、转子； 下标t/、9一一表示6/

4、轴、9轴;(2.7)巾此可得交流异步电机矢量解耦控制 的控制方程：k = la"(1 + 7»(2.8)3te=-npllnisqvrl lr(2.9)lsd=mt處/lm(2. 10)，ln,isq!(try/r)(2. 11)d = npcor + a)s)dt(2. 12)lr = l，lm,ls = l'alm，tr = lrirr(2. 13)式(2. 1) 式(2. 13)中：rs、rr一一定子电阻、转子电阻；as、llt.、l/n、ls、lr定子侧电感、转子侧电感、定转子互感、定子绕组电 感、转子绕组电感；叫、叫.定子频率的同步转速、转差转速、转子转速

5、； e一一转子磁链角；w、/、v 一电压、电流、磁链；极对数；tf一一转子时间常数；j一一机组转动惯量；te、ttn一一电磁转矩、负载转矩；f一一阻转矩摩擦系数；p一一微分算子，p = d/dt；由式(2.8)和式(2.9)可以看出，转子磁链.只由走子电流励磁分量u决定，当转子磁链.达到稳态并保持不变时，电磁转矩7；只有定子电流转矩分量决定，此吋磁链.与电磁转矩7；分别由幻、&独 立控制，实现了磁链和转矩的解耦。只要根据被控系统的性能要求合理确定就可以实现转矩7；的瞬时控制和转速69,.的高精度跟踪。一、异步电机矢量控制仿真模型3. 1.矢量控制simulink仿真主电路图3. 1为矢

6、量控制主电路，交流电机模 块选项可设置在任意坐标系，包括两相静止 坐标系、转子坐标系和同步旋转坐标系下的 绕线式或鼠笼式的异步电机。本文选择在同 步旋转坐标系下建立鼠笼式电机的数学模 型,模块的a、b、c是异步电机三相定子绕 组输入端，与1gbt逆变器的输出端相连，构成巾电压型逆变器变频驱动的异步电机子 模块。逆变器模块由6个tgbt功率管构成 通用桥路，由sim power systems中的power electronics库的igbt模块构成，逆变器的 输入pulses端为6路pwm控制信号，完成 功率变换及调节功能,直流母线电压vdc巾 逆变器模块的“ + ”、两端输入，它的 输出为三

7、相abc交流电压。电机模块本文仿真过程中测取了转子转速崎、电磁转矩7；、电机定子电流/、（，等，这5个参数与定子线电压起送给示波器模块动态显示之。为了使仿真模型运行速度加快，反馈 环节的传递函数采用一阶延迟环节1 / z。图3. 1.三相异步电机矢量控制主电路 图3. 2为矢璧控制模块，工作原理为:转速参考值叫*与光电编码器实测的转速 叫.之差aq.输入到转速控制器asr，经h算法得到转矩指令值7；。定子电流的励磁 分量匕由匕计算模块给出，转矩分量&巾 转矩指令值7；和磁链估算值久计算出。匕 和&经过逆旋转变换2r/2s和两相一三相 变换2s/3s,获得定子电流指令值（；、，与

8、霍尔传感器检测出的三相实测电流么、ib、ic作为电流滞环控制器acr的输入，产生pwm逆变器的触发信号，送给tgbt逆变器 控制交流电机调速运行。图3. 2.矢量控制模块3. 2.电流滞环控制器acr模块图3.3力acr模块，其工作原理：由三 个滞环控制器和3个逻辑非运算器组成。输 入为三相给定电流和三相实测电賦、lb、ic，输出为6路igbt的6相脉冲控制信号。当实际电流低于给定电流且大 于滞环宽度d时，输出为1，逆变器对应相正 相导通，负相关断：当实际电流高于给定电 流且偏差小于滞环宽度d吋，输出为0,对 应相负相导通，正相关断。滞环宽度d取为3.3.转速控制器asr模块图3. 4为ask

9、模块，其工作原理为：根据电机实际反馈转速与参考转速的差值，采 川pt控制器产生转矩命令。积分器是采用 梯形法得到的离散吋间积分器，图5中的saturation元件用于对输出转矩限幅7二。本文仿真中，&p、乂、7二,分别取为13、26、300，采样周期7；取2奶。pt控制算法如下：teta(z>(z>krsin(u)mux复甬器1f(u)la>f(u)ibl1>>f图3. 5. abc-dq变换模块 图3. 6. dq-abc变换模块xt)labc*3. 5.转子磁链v,计算模块与转子转向角沒t； = kp(o； -eo,k.yo)；-cot yit计算模块

10、(3. 1)式屮，仏一一p1算法的比例系数、积分系数。阁3. 4. asr模块转子磁链.汁算模块的作用是根据式(2.8)由定子电流的励磁分量/计算转子磁通.;转子换向角沒计算模块的作用是根据式(2. 11)和式(2. 12)计算汐角，也就是 d轴的位置。图3. 7、图3. 8分别为转子磁链.计算模块、转子换向角沒计算模块的3.4. abc-dq变换模块与dq-abc变换模块结构。根裾公式(2.5)、(2.6)可以得到如 图3. 5abc-dq变换模块和图3. 6的dq-abc 变换模块。离故传递函数iq阁3. 7.转子磁链.计算模块3.6. c/计算模块与匕计算模诀。计算模诀作用是根据式(2.

11、 9)由转矩(a)转速(b)三相电流(c)电磁转矩图4. 1.全部吋间的仿真波形给定值7；和转子磁通.來计算出定子电流的转矩分量给定值，匕计算模块的作 川是根据式(2. 10)由转子磁通来计算定子 电流的励磁分量给定值0。图3. 9、图3. 10 分别为计算模块、匕计算模块的结构。1/lm图3. 9. 计算模块图3. 10. 0计算模块二、仿真结果及分析图4. 1所示为电机仿真波形，电压波形 太密故不给山。仿真前1.2s，给定转速逐渐增加直到 100,电机在轻载下启动。负载转矩逐渐从0 增加到50。1. 2s吋转速给定变为50。在1. 3s 时稳定在50。在1.6s时负裁转矩增加为100。在图

12、4. 1 u)中，启动时转速很好的跟 随给定。图(c)中的转矩接近理想启动转 矩形状，具有较岛的启动转矩，因此具有较 好的启动性能。(d)稳态转矩图4. 2.稳态仿真波形放大在阁4. 2 （a）屮，稳态转速脉动很小， 稳态误差为0.2。图（b）中的电流基波为正 弦。图（b）脉动很小，且图（b）和（c） 中波形脉动频率很高，因此电流滞环宽度还 太窄。图（d）屮转矩脉动约为100,均值约 为50,此模型具有较大的转矩脉动。此模型 转速调节具有较好的稳态性能。阁4. 3.转速突变时转速波形阁4. 4.转矩突变转速波形在图4. 3中，转速突降到50,调节吋间 约为0.08s，无超调。可见具有较好的动态 性能。图4. 4屮负载转矩突增为100时，转 速降低约0.3,负载特性较硬。同时此波形 也说明转矩调节积分系数偏小，不能在短时 间内恢复到稳态转速。三、总结此次仿真实验主要完成了一种交流异 步电机的matlab矢量控制模型的设计，并 对此模型的稳态性能、动态性能等进行了仿 真观察分析。通过此次仿真实验，加深了对 交流异步电机动态模型的理解，同时对 matlab有了