异步电机矢量控制Matlab仿真实验

1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 三相电流闭环控制的矢量控制系统仿真 初始条件： 异步电动机工作在额定电压和额定频率下，仿真电动机参数： , ，,， ，,。 要求完成的主要任务: （1）熟悉并掌握三相电流闭环控制的矢量控制系统的原理。（2）建立系统仿真模型，得出相应仿真曲线。 教材p182（3）参考文献不少于5篇，其中英文文献不少于1篇（4）图形下面应该有图序、图名，表格上面应该有表序、表名时间安排：2013年12月26日至2014年1月5日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容12.26指导老师就课程设计内

2、容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求12.2712.29开始查阅资料，完成方案的初步设计12.301.2由指导老师审核仿真模型，学生修改、完善并对仿真结果进行分析1.31.4撰写课程设计说明书1.5上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要11 矢量控制基本原理22 电机模型推导：33 仿真模型框图5 3.1 异步电机的仿真模型5 3.2各元件的参数设置图6 3.3 坐标变换原理图的分析及计算8 3.4 各个模块原理图的分析9 3.4.1 转子磁链的计算9 3.4.2 逆变器的原理图10 3.4.3

3、 电流跟随器原理图11 3.5仿真的初始数据114 矢量控制系统设计12 4.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想12 4.2 MATLAB系统仿真系统设计13 4.3 PI调节器设计145. 仿真结果及分析165.1 仿真结果165.2 仿真结果分析216.个人总结227.参考文献23摘要 矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。本文介绍了矢量控制的

4、基本思想，矢量控制系统的原理及模型的建立，异步电机模型的搭建与仿真。采用电流闭环控制策略实现按转子磁链定向矢量控制，并用MATLAB搭建了带转速闭环、磁链闭环矢量控制调速系统的Simulink模型，最终得到了较好的仿真结果。关键词： 电流闭环 矢量控制思想三相电流闭环控制矢量控制系统仿真1 矢量控制基本原理矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按

5、转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流,通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流和再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流和。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，相当于与转矩成正比的电枢电流。其中矢量控制系统原理结构图如图1-2所示。 图1-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型图1-2矢量控制系统原理结构图 通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励

6、磁分量和转矩分量，转子磁链仅由定子电流分量产生，而电磁转矩正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。简化后的等效直流调速系统如图1-3所示。图1-3简化后的等效直流调速系统2 电机模型推导： 选取状态变量 X= 输入变量 U= 输出变量 Y= dq坐标系中磁链方程如下： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）电压方程为 （2-5） （2-6） （2-7） （2-8）考虑到笼型转子内部是短路的，则，电压方程可改写成： （2-9） （2-10） （2-11） （2-12）由以上式子可以得出： （2-13） （2-14） （2-15） （2-16） （2-17）

7、 式中电动机漏磁系数，经计算整理后可以得到dq坐标系下异步电机的状态方程为： （2-18） （2-19） （2-20） （2-21） （2-22）转子电磁时间常数，输出方程 Y= 若令，dq坐标系蜕化成坐标系即可得坐标系中的状态方程： （2-23） （2-24） （2-25） （2-26） （2-27）输出方程 Y= 其中状态变量 X= 输出变量 U= 电磁转矩 3 仿真模型框图3.1 异步电机的仿真模型 根据以上推导的状态方程可以做出以为状态变量的动态结构图，对其进行仿真可以的到其仿真模型，如图3-1所示，该仿真模型将3/2变换和2/3变换集成在电机模型里面，从而得到和实际电机有一样的输入输

8、出，输入三相交流电压，输出三相电流和转速，转矩。这种做法有利于后面的系统仿真，因为逆变器的输出是三相电压，而电流跟随器的反馈信号则来自于电机的定子侧三相电流。图3-1 异步电机仿真模型3.2各元件的参数设置图图3-2 累加器的参数框图 图3-3 放大器的参数框图图3-4 积分器的参数框图图3-5 乘法器的参数框图3.3 坐标变换原理图的分析及计算 三相绕组A、B、C和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称3/2变换。异步电动机定子绕组是静止的，只要进行3/2变换就行了(称为abc>变换)。转子绕组是旋转的，必须通过3/2变换和旋转到静止的变换(abc>dq

9、)，才能变换到静止两相正交坐标系。三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵及其反变换矩阵分别如下：利用上式，再通过Matlab画图得到3/2变换(abc>)的原理图如下： 图3-6 3/2变换的原理图利用上式，再通过Matlab画图得到2/3变换(>abc)的原理图如下：图3-7 2/3变换的原理图从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系dq的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵(>dq)及为： 旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵(dq>)为：图

10、3-8 2s/2r变换的原理图 图3-9 2r/2s变换的原理图 两种坐标变换电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同。3.4 各个模块原理图的分析3.4.1 转子磁链的计算 转子磁链的直接检测比较困难，多采用按模型计算的方法。利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型如下。其中为转子磁链，为定子频率信号，经过积分即为转子磁链的相位角。通过反解可以由转子两相电流求得磁链和

11、相位角。图3-10 转子磁链计算原理图3.4.2 逆变器的原理图图3-11 逆变器原理图3.4.3 电流跟随器原理图图3-12 电流跟随器原理图3.5仿真的初始数据 根据电机内部参数初始化电机模型。图3-13 异步电机模型的参数图4 矢量控制系统设计4.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 图4-1-1为电流闭环控制后的系统结构图，转子磁链环节为稳定的惯性环节，对转子可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通道存在积分环节，为不稳定结构，必须加转速外环。常用的电流闭环控制有两种方法：一个是将定子电流两个分量的给定置和施行2/3变换，得到三相电流给定值。采用电流滞环控制型PWM变频器，

12、在三相定子坐标系中完成电流闭环控制。另一个是将检测到得三相电流施行3/2变换和旋转变换，达到mt坐标系中的电流和 采用PI调节器软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为定子电压给定值和，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压和，经过2/3变换得到三相电流给定值、。再经过电流跟随器PWM控制输出三相电压，其系统结构图如图4-1-2所示。本次MATLAB仿真系统设计也是采用的这种控制方法。图4-1 电流闭环控制后的系统结构图图4-2 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图4.2 MATLAB系统仿真系统设计本次MATLAB系统结构仿真模型如图4-3所示，转速，转子磁链和两个电流调节器均采用带有积

13、分和输出限幅的PI调节器。两个调节器输出的两相电流经过反旋转变换和2/3变换得到三相电流，得到的三相电流和电机定子三相反馈电流完成电流闭环控制，再将输出输给逆变器，从而控制电机，实现三相电流闭环矢量控制。图4-3 三相电流闭环矢量控制系统仿真模型图 图中Speed Regulator为转速调节器，Flux Regulator为转子磁链调节器，其中dq>abc和abc>dq变换的MATLAB结构图如图4-4和图4-5所示。图4-4 dq>abc变换结构图图4-5 abc>dq变换结构图4.3 PI调节器设计本次仿真设计中的调节器都是采用PI调节器，其传递函数为； （4-1

14、） 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。同时其传递函数也可写为： (4-2) 转速调节器Speed Regulator,其结构图如图4-3-2所示。图4-6 转速调节器图4-7 转速调节器中的PI环节图4-8 转速调节器中的PI参数设定磁链调节器Flux Regulator，其结构图如图4-9所示。图4-9 磁链调节器图4-10 磁链调节器中的PI环节图4-11 磁链调节器中的PI参数设定5. 仿真结果及分析5.1 仿真结果 给定转速为1350r/min,磁链为0.95，负载为零的情况下的仿真波形如下。图5-1 电机定子侧的电流仿真图 图5-2 电机的输出转矩仿真图 图5-3 电

15、机的转子速度仿真图 图5-4 电机的转子磁链仿真图改变给定转速，其余参数不变，1000r/min，其仿真结果如下。 图5-5 电机的转子速度仿真图 图5-6 电机定子侧的电流仿真图 改变给定磁链，其余参数不变，磁链给定0.8，其仿真结果如下。 图5-7 电机的转子磁链仿真图图5-8 电机定子侧的电流仿真图改变负载转矩，其余参数不变，TL=10，其仿真结果如下。图5-9 电机的输出转矩仿真图图5-10 电机定子侧的电流仿真图图5-5 电机的转子速度仿真图5.2 仿真结果分析由可知，电流闭环矢量控制系统可以使电机转速完全跟随给定转速，转子磁链完全跟随给定磁链，和理论分析一样。由可知，改变给定转速后

16、，电机转速马上跟随给定改变，体现了转速闭环的特点，系统稳定性高，进一步验证了实验结果的正确性，由于给定磁链未改变，电机定子输出电流也维持不变，体现了电流闭环的特点。由可知，改变给定磁链后，电机转子磁链马上跟随给定改变，体现了磁链闭环的特点，系统稳定性高，进一步验证了实验结果的正确性，由于给定磁链改变(减小)，电机定子输出电流有相应改变(减小)，体现了电流闭环的特点。由可知，改变给定负载转矩后，电机输出转矩马上跟随给定改变，与理论分析一直。由于负载增加，电机定子输出电流和转速有一点点减小，但是偏离给定值不大，符合理论计算。仿真中无论怎么调整PI参数，电流文波一直很大，无法消除，最后进行理论分析得

17、出本文所采用的电流闭环矢量仿真系统的缺点就是电流文波大。 因此，本次三相电流闭环控制的矢量控制系统仿真结果正确，和理论分析计算一致。6.个人总结 这次课设在组长柯志雄的带领和老师的指导下，我们最后还是做出来了。虽然拿到题目的时候感觉很难，不知该如何入手，而且在矢量控制这方面是和以前我们的电机课学习的控制方法是完全不同的，但个人觉得这是我们重新学习矢量控制这个知识点的机会，所以我们翻阅了相关资料，相互讨论了几个方案，经过反复的推敲，最后确定了仿真图。而且这个课设还给我一个重新学习matlab的机会，虽然以前的基础强化训练中有学过，但还是用的不好，经过这次的反复画图，仿真调试，我觉得能够大概熟练得使用这个非常好用的软件了。这个课设真的花费了很长一段时间，我觉得这是值得的，知识只有反反复复的学习才能掌握。通过这次课设，我觉得我提升很大，不仅是知识上的，更多的是团队的合作的默契。7.参考文献1 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统(第四版)M.