交流异步电动机的矢量控制系统设计原理

1、交流异步电动机的矢量控制系统设计原理本文主要利用电机矢量控制系统原理，提出了一种异步电机矢量控制系统及其 控制策略总体设计方案，采用 Simuli nk工具构建了矢量变频调速系统数学模型，详细介绍了各个子模块的构建方法和功能。通过仿真可得系统的动态及稳 态性能，表明系统具有较高的响应能力和鲁棒性，为矢量控制技术提供了一种 前期检验方法和研究手段。0引言异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法，由于其交流调速时的优越性被广 泛应用到异步电机调速系统中。基于Simulink 的交流异步电机仿真可以验证系 统设计方案的有效性，在实验室应

2、用过程中可能遇到系统设计难题。本文以双闭环矢量控制系统为研究对象，在 Simu-li nk 中进行仿真来验证 控制系统的有效性。通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性，从而证 实了本设计方案的可行性。1矢量控制原理矢量控制系统，简称 VC系统，坐标变换是核心思想。矢量控制的基本思 想是以产生同样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 交流电流等效成两相静止坐标系上的 交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效 成同步旋转坐标系上的直流电流，等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制， 达到 直流电机的控制效果，得到直流电动机的控制量。便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得与

3、直流调速系统接近的动、静态性能。矢量控制中矢量变换包括三相-两相变换和同步旋转变换，将d轴沿着转子 总磁链矢量© r的方向称为M轴，将q轴逆时针转90 °，即垂直于矢量© r的 方向称为T轴，经过变换电压-电流方程改写为式（1 ），磁链方程为式（2）:u*r0oj少J(h0,Rr +%典J()厶"()()(J()()5iW化简可得转矩方程为:T = n十申(3 )rp I *r r由式（2）可得转子磁链© r仅由定子电流励磁分量isM产生，与转矩分量 isT无关，而isM和isT是相互垂直的，这两者是解耦的。矢量控制变频调速 系统结构如图1所示

4、，从图1上可以看出系统采用了转速、磁链的闭环控制。图 中标*的量为给定量，其余为实 际测量值。国I电机矢量控制调速系统结构图2基于Simulink的异步电机矢量控制系统仿真模型2.1系统总体模型根据矢量控制系统原理，利用Matlab/Simli nk软件中的电气系统工具箱SimPowerSystems对系统进行仿真。整体系统的仿真模型如图2所示2.2仿真模型中主要部分2.2.1 异步电动机与逆变模块异步 电动 机选用SimPowerSystem 模块库中的Asyn-chronous Machine SI Uints,选择在同步旋转坐标系的笼式异步电动机数学模型。模块的 A,B,C是异步电动机定

5、子绕组输入端，与IGBT逆变器的输出相连。逆变部分由 SimPowerSystem模块库中的 Power Electronic 下的 Universal Bridge模块形成，逆变器的输入pulse端为PWM控制信号（6路），输出为三相ABC 交流电压。2.2.2矢量控制模块矢量控制模块的内部结构如图3所示。子模块输入角速度给定和实际角速 度值求偏差，并送入转速调节器（PI调节器）；磁链给定的偏差信号用来作为磁 链调节器（PI调节器）的输入，dq-abc、各计算环节及abc-dq实现转速和磁 链的解耦控制，pulses generator单元产生脉冲信号控制IGBT逆变器达到变 频调速的目的。

6、转子磁链相位角和励磁、转矩电流计算均根据矢量控制原理采用 Simulink 下的Fun模块设置函数，本文不再给出它们的具体仿真模型。CDflu、rcuLb?icz>iMfcukuluLui州ciHHh'ilLirphiF1罚T"Id-ii|M Idx'T<*inLak -dqfllu v.ik'U.alj>CD|mlMhr hlplurlqCfc!图3矢莹控制模块仿真模型223脉冲发生器模块脉冲发生器模块由滞环控制器和逻辑非运算器组成。 模块的输入信号是三相 给定电流和三相实测电流，输 出信号是由六路IGBT逆变器逆变来的六相脉冲 信号。模块

7、将给定信号和实际测量信号进行比较， 当实测电流小于给定电流且偏 差大于滞环宽度时，输出为1,逆变器相正向导通，负向关 断；当实际电流大于 给定电流且偏差小于滞环宽度时， 输出为0,逆变器相负向导通，正向关断。采用 逆变器通与断来调节逆变器输出线电压的频率，实现变频调速。电流滞环控制器模型如图4所示。4fMOTkdibljl il t1I1-BIL* -+dFl.hila Tyjw tjjnvrnwn陆11 El T)屮> ISni-lh 1hn ill1 t|H TiWii T、神I <uiiTr-.il in II epi呵Oh labc1r1iirirL-wIwuk'd

8、ll卜w<rr-+1(jinx pi-ii'ii 41l：“血和7川 5fuhc图4 电猊滞环控制模型224 abc-dq,dq-abc坐标变换模块abc-dq变换模块实现三相定子坐标到dq坐标的变换，变换模块模型如图 5所示；dq-abc变换模块实现dq坐标到三相定子坐标的变换，变换模块仿真 模型如图6所示。采用三相到两相或两相到三相变换表达式设置变换模块中相应的函数表达式。仿真采用的 Simu- link/ User-Defined Function/MatlabFcn模块实现不同形式的函数运算。3仿真结果及分析3.1参数设置在启动仿真之前，首先要设置交流异步电机参数:额定线

9、电压220 V、交变频率50 Hz、磁极对数2,转动惯量J = 1.662;阻 尼系数D = 0.1;定子内阻Rs = 0.087 Q,定子漏感Ls = 0.8 mH;转子内阻 Rr = 0.028 Q,转子漏感 Lr = 0.8 mH;定转子互感 Lm = 34.7 mH.逆变器参数：逆变器设置为三电平桥式电路IGBT，逆变器直流电源VDC =780 V,给定磁通值© *r = 0.96 Wb;转速控制器（PI调节器）参数kp = 13,ki=26,限幅为300;电流控制器的滞环宽度H = 20 A.负载转矩为10 N-m,给定 角速度为20 rad/s.3.2仿真分析通过选择适当的PID参数，采用不同的PID参数对电机的空载、负载及正 常运行过程进行仿真，本仿真采用试凑的方法完成两个调节器PID参数选择。结果得系统响应平稳、动静态性能都较好，转速超调小且稳态误差小。仿真结果 验证了该建模方法的有效性和正确性。4结语异步电机矢量控制系统一直都是系统原理和系统设计方案