电力拖动与控制系统课程设计-异步电动机矢量控制系统设计

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书目录1异步电动机的动态数学模型11.1异步电动机数学模型简述11.2异步电动机三相数学模型11.3三相-两相变换21.4静止两相-旋转正交变换31.5异步电动机按转子磁链定向的数学模型42异步电动机按转子磁链定向矢量控制72.1矢量控制的基本思想72.2电流闭环控制方式83调节器的设计93.1调节器限幅值的计算93.2磁链调节器AR的设计93.3转速调节器ASR的设计10总结12参考文献13武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要目前广泛研究应用的异步电机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电机矢量控制

2、调速法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有优秀的动态性能和低速性能，还有其调速范围宽的优点。在给出异步电动机的矢量控制原理的同时，一并给出了矢量变换实现的步骤，解释了三相异步电动机数学模型的解耦方法。在论述了三相异步电功机的磁场定向原理之后，又介绍了转子磁链计算方法并设计了转子磁链观测器。详细分析了转矩调节器，转速调节器和磁通调节器的工作原理，并根据各个调节器的原理对各个调节器进行了相应的设计。关键词： 异步电机 矢量控制 DSP处理器 1异步电动机的动态数学模型1.1异步电动机数学模型简述电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。由于异步

3、电动机变压变频调速时需要进行电压和频率的协调控制，有电压和频率两种独立的输入变量、磁通无法单独控制以及三相定子和转子绕组的交叉耦合，其动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。1.2异步电动机三相数学模型在研究异步电动机数学模型时，做如下假设：忽略空间谐波、忽略磁路饱和、忽略铁心损耗。由此可以得到异步电动机的动态数学模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程。其表示如下：磁链方程：=电压方程：=+转矩方程：运动方程：=Te-TL上述模型是异步电动机的原始模型，由上述模型可见，非线性耦合在电压方程、磁链方程与转矩方程中都有体现。既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。对

4、于无中性线Y/Y 联结绕组电动机，三相变量只有两项是独立的，定子约束条件为： 以及转子约束调件为： 上述条件告诉我们原始数学模型可以用两相模型代替。1.3三相-两相变换不同坐标系下电动机模型的等效原则是：不同坐标系下绕组所产生的合成磁动势相同。可以将三相绕组A、B、C 进行两相绕组 、 之间的变换，即3/2 变换。如图1-1 所示，按照磁动势相等的原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，两套绕组磁动势在 、 轴上的投影相等得到。图1-1=得到三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵：C3/2=1.4静止两相-旋转正交变换从静止两相正交坐标系 到旋转正交坐标系dq 的变换，称做静止两相-旋转正

5、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，按照图1-2 所示的坐标进行变换。图1-2求得其变换矩阵为：C2r/2s1.5异步电动机按转子磁链定向的数学模型旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同步旋转的坐标系，若令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系，此时d轴改称m轴，q轴改称t轴。此时异步电动机的数学模型为：电压方程：磁链方程：由于m轴与转子磁链矢量重合，因此为了保证m轴与转子磁链矢量始终重合，还必须使转矩方程：Te=运动方程：=Te-TL 如果用状态方程表示mt坐标系中异步电动机的数学

6、模型可以得到以下方程组：通过按转子磁链定向，将定子电流分解成励磁分量ism和转矩分量ist，转子磁链仅由定子电流励磁分量ism产生，而电磁转矩Te正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积ist，实现了定子电流两个分量的解耦，还降低了微分方程组的阶次。因此，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的异步电动机的数学模型与直流电动机动态模型相当，如图1-3所示。图1-32异步电动机按转子磁链定向矢量控制2.1矢量控制的基本思想按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系

7、的控制量反变换的带三相坐标系的对应量，以实施控制。在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC通过3/2 变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流电流is、is，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ism、ist.。如上所述，以ism和ist.为输入的电动机模型就是等效直流电动机模型，如图2-1所示。图2-1从图2-1中的输入输出端口看进去，输入为ABC 三相电流，输出为转速 ，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2 变换和旋转2s/2r，变成一台以ism 和 ist 为输入、 为输出的直流电动机。m 绕组相当于直流电动机的励磁绕组， ism 相当于励磁电

8、流，t 绕组相当于电枢绕组， ist 相当于与转矩成正比的电枢电流。图2-2图2-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。首先在按转子磁链定向坐标系中计算定子电流励磁分量和转矩分量给定值i*sm和i*st，经过反旋转变换2r/2s得到is*和is*，再经过2/3变换得到i*A、i*B、i*C，然后通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机所需的三相定子电流。2.2电流闭环控制方式图2-3电流闭环控制后的系统结构图如图2-3所示，常用的电流闭环控制有两种方法：将定子电流两个分量给定值i*sm和i*st进行2/3变换，得到三相电流给定值i*A、i*B和i*C，采用电流滞环控制型PWM变频器，在

9、三相定子坐标系中完成电流闭环控制。或者是将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流ism 和 ist，采用PI调节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u*sm和u*st，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值us*和us*，再经过SVPWM控制逆变器输出三相电压。3调节器的设计3.1调节器限幅值的计算利用异步电动机mt坐标系的状态方程可以算出额定状态下的和，并且也可以算出。其中转子电磁时间常数s，。额定状态下，异步电动机满足下列条件：得取和，因此磁链调节器输出限幅值，转速调节器ASR输出限幅值。3.2磁链调节器AR的设计磁链调节器AR按照典型

10、型系统设计图3-1调节器采用PI调节器，其传递函数可以写成：磁链环开环传递函数为：其中转子电磁时间常数s，电流闭环控制等效惯性时间常数，令，便校正成典型型系统，所以：，其中按照工程设计方法，一般取，则3.3转速调节器ASR的设计转速调节器ASR按照典型型系统设计图3-2调节器采用PI调节器，其传递函数可以写成：转速环开环传递函数为：按跟随和抗扰性都较好的原则，取h=5，则， 图3-3图3-3为转速闭环后系统原理框图，从图中可以看出原本复杂的异步电动机变成了等效的直流电动机，控制简单，调速性能好。总结本设计首先分析了异步电机调速的发展历程，然后对于异步电机变频调速的发展方向进行了分析，论述了交流

11、调速技术近年来的发展方向以及成果。阐述了选择异步电机矢量控制作为研究课题的意义。本文对异步电机矢量控制的原理进行了详细的阐述，论述了矢量控制实现的具体理论依据，并对异步电机进行了数学模型的构建、对坐标变化理论（包括3-2变换和2-3变换及旋转和反旋转变换等）进行了细致的解释。给出了异步电机矢量控制的具体算法按转子磁链定向矢量控制系统。对转子磁链计算有了进一步的详述。硬件部分，对系统的总体结构进行了设计，并将系统功能分为了几个功能模块，对每个模块进行了设计。并对各个模块的功能进行了阐述。通过本次课程设计，不仅让我对电力拖动与控制系统这门课程的理论知识得到了再一次的巩固，同时也让我知道了如何连贯地运用这些知识。参考文献1 顾绳谷，电机及拖动基础 M .4版.北京：机械