基于MATLAB_SIMULINK的异步电机矢量控制调速系统仿真

1、第27卷第2期湖南大学学报(自然科学版V o1.27,N o.22000年4月Journal of H unan U n iversity(N atural Sciences Editi onA p r.2000文章编号:100022472(2000022*基于M AT LAB SI M U L I NK的异步电机矢量控制调速系统仿真杨洋,张桂香(湖南大学机械与汽车工程学院,湖南长沙410082摘要:从异步电机矢量控制数学模型入手,介绍一种基于M A TLAB S I M UL I N K的异步电机按转子磁场定向的矢量控制系统仿真模型该模型可通用于异步笼型电机,使用时只需输入不同电机参数即可通

2、过仿真实验验证了模型的正确性关键词:异步电机;矢量控制;M A TLAB S I M UL I N K;仿真中图分类号:TM921.51文献标识码:ASi m ulati on of V ector Control Inducti on M otor A djusting Syste m Based on M A TLAB S I M UL I N KYAN G Yang,ZHAN G Gui2x iang(Co llege of M echan ical and A utomo tive Engineering,H unan U n iv,Changsha410082,Ch inaAbstr

3、act:A si m ulati on model of vecto r con tro l inducti on mo to r adjusting syste m w ith the reference fra m e fixed to the ro to r is established.T he model can be conven ien tly used by inputting p roper mo to r para m eters.Si m ulati on s show the validity of the model.Key words:inducti on mo t

4、o r;vecto r con tro l;M A TLAB S I M UL I N K;si m ulati on0引言矢量控制理论的提出使异步电机调速性能达到甚至超过直流电机调速性能成为可能,而且运用矢量控制已成为当今交流变频调速系统的主流在进行复杂的系统设计时,采取计算机仿真方法来分析和研究交流调速系统性能是非常有效和必要的传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模,直观性、灵活性差,编程量大,操作不便M A TLAB是一个高度集成的软件系统,集科学计算、图象处理、声音处理于一体,具有极高的编程效率M A TLAB提供的S I M UL I N K是一个用来对动态系统进行建模、仿真

5、和分析的软件包,它具有模块化、可重栽、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可大大提高系统仿真的效率和可靠性S I M UL I N K提供有Sink s(输出方式、Source(输入源、收稿日期:2000202229作者简介:杨洋(1970-,女,湖南长沙人,湖南大学硕士生.D iscrete (离散时间环节、L inear (线性环节、N on linear (非线性环节、Connecti on s (连接与接口、Ex tra (其他环节子模型库用户可以方便定制和创建自己的模型、模块在多种矢量控制方法中,按转子磁场定向的矢量控制运用较为普遍,本文将结合这种矢量控制和S I M UL I N

6、 K 的特点,介绍一种异步电机按转子磁场定向的矢量控制系统的建模仿真方法模型将为同类调速系统提供有效、可靠的研究分析依据1异步电机矢量控制系统的仿真模型异步电机的矢量控制相当于把直流电机换向器的功能通过控制的方法来实现,从而达到磁通和转矩单独控制的目的根据感应电机的坐标变换理论,在三相坐标系下的定子输入的电流通过3s 2r 交换,由三相静止坐标变换为两相垂直的静止坐标,再通过从两相静止坐标系到两相旋转坐标系M ,T 轴的变换,并且使得M 轴沿转子总磁链矢量的方向,最终获得等效成同步旋转坐标系下的直流电流i m 1,i t 1,这样异步电机通过坐标变换,变成一台由i m 1,i t 1输入的直流

7、电机矢量控制系统的构想就是模仿直流电机的控制方法,求得直流电机的控制量,经过相应的坐标反变换,重新获得三相输入电流(或电压,就能控制异步电机了根据异步电机理论,经坐标变换后,笼型异步电机在同步旋转坐标上按转子磁场定向的电压矩阵方程(转子短路,u m 2=u t 2=0为u m 1u t 10=R 1+L s p -1L s L m p -1L m 1L s R 1+L s p 1L m L m p L m p 0R 2+L r p 0s L m 0s L r R 2i m 1i t 1i m 2i t 2(1电机转子磁链与电流的关系为L m i m 1+L r i m 2=2(2L m i t

8、 1+L r i t 2=0(3将(2代入(1中第3行中,得:i m 2=-p 2R 2(4再代入(2解出i m 1:i m 1=-T 2p +1L m 2或得:2=L m T 2p +1i m 1(5由式(1第4行可得:i t 2=-L m L r i t 1(6而由式(3第4行s =-R 22i 2(7可将(6代入(7,并考虑到T 2=L r R 2,则s =-L m i t 1T 22(8电机的电磁转矩公式为:T e =Mp L m L r i t 12(9电机运动方程为:T e -T l =J N pd d t (10其中,R 1,R 2为定转子电阻;T 2为转子励磁时间常数,T 2=

9、L r R 2;L m 为定转子等效绕组间15第2期杨洋等:基于M A TLAB S I M UL I N K 的异步电机矢量控制调速系统仿真的互感,L m =(3 2L m 1;U m 1,U m 2为M T 轴坐标系中M 、T 轴定子电压;L s 为定子等效绕组的自感,L s =L m +L 11;i m 1,i t 1,i m 2,i t 2为M T 轴坐标系中M 、T 轴定向转子电流;L r 为转子等效绕组的自感,L r =L m +L 11;T e 电磁转矩;1为定子转速;N p 为极对数;s 为转差;J 为转动惯量;为转子转速;2为转子总磁链由上述式子可知,由于M T 坐标按转子磁

10、场定向,在定子电流的两个分量之间实现了解耦,i m 1唯一决定磁链2,当磁通不变时,i t 1则只影响转矩,与直流电机中的励磁电流和电枢电流相对应式(5,(8,(9,(10就是矢量控制的基本数学模型根据这些推导的式子,可以画出异步电机变压变频矢量控制系统结构图(图1图1中异步电机矢量变换数学模型如图2图2的模型中除根据(5,(9式绘得分解成磁通和转速的直流电机模型外,由转子频率和转差频率相加,得到定子频率信号,再经积分,即获得转子磁链的相位信号5,这是坐标变换所不可缺的参数如果将式(1展开,并代入式(2,(3,我们可以写出异步电机按转子磁场定向情况下的状态变量方程X =A (1X +B U(1

11、1式中X =i m 1i t 12,A (=Z1L m R 2L r -1-R 1L r L m 1R 2L mL r 0-R 2L r ,B =L r 00L r 00,U =u m 1u t 1,Z =R 1L 2r +R 2L 2m L r ,=L s L r -L 2m 从状态方程可以看出这是一个线性时变系统,虽然S I M UL I N K 中提供有状态方程模块,但主要是针对定常系统的,所以在S I M UL I N K 中用状态方程仿真电机系统较为不便如希望用状态方程仿真,可直接在M A TLAB 中用M 文件编程建立仿真系统,只不过系统模型不如S I M UL I N K 所建的

12、直观本文主要的目的是在S I M UL I N K 下建立仿真模型,图1和图2的模型,可毫不费力地利用S I M UL I N K 提供的库模块来构建,这是后一节的重点图1异步电机变压变频矢量控制系统结构图A 7R 为磁通调节器,A SR 为转速调节器25湖南大学学报(自然科学版2000年 图2异步电机矢量变换数学模型2异步电机矢量控制系统的SI M UL I NK 仿真模型图1中,包含了坐标转换模块(2r 3s block ,电流控制型变频器模块(CSI block ,以及异步电机矢量变换模型(I nducti on m otor block ,这些模块可以由SI M UL I NK 调用库

13、模型分别建立,然后封装成Subsyste m 这里的坐标变换(2 3和图2中的坐标转换(3 2互为反变换而电流控制型P WM 变压变频器的模型在M AT LAB 5.2中的POW ERS Y S 库中可以找到这三个主要模块构造好后,其它环节也一样可以通过SI M UL I NK 模块库调入,输入不同参数,然后如图3连接,整个仿真模型就建好了图中异步电机矢量变换模块展开内部结构如图4系统中还包括两个P I 调节器,对应于图1中A 7R ,ASR ,这两个调节器也是定制好Subsyste m 后再封装而成图3异步电机矢量控制变压变频调速SI M U L I NK 仿真模型3仿真实验选用的仿真电机参数为:N p =2,R 1=4.258,T no m =8.84N m ,R 2=3.248,L 1=0.666H ,L 2=0.671H ,L m =0.651H ,J =0.02N m 2.对图3所示模型进行仿真35第2期杨洋等:基于M A TLAB S I M UL I N K 的异步电机矢量控制调速系统仿真 图4异步电机矢量变换仿真模块(1仿真实验1转速输入设定为一阶跃函数,初值为100rad s (角频率 ,1s 后跃变为300rad s 磁通设为一