电力电子电机控制系统仿真技术洪乃刚PPT

1、第7章交流电动机矢量控制系统(kn zh x tn)仿真 交流电动机动态控制需要建立电机的动态数学模型(mxng)，Simulink中的交流电动机模型(mxng)就是建立在矢量坐标变换基础上的动态模型(mxng)，在矢量控制系统中坐标变换和磁链观察都是矢量控制系统的重要方面。本章首先介绍Simulink中的坐标变换模块和磁链观察器建模的方法，然后介绍矢量控制系统的建模和仿真。共三十八页7.1 三相坐标系/二相坐标系的变换(binhun)7.1.1 坐标系变换(binhun)原理 坐标变换包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换（简称(jinchng)3s/2s变换）、两相静止坐标系和两相旋转坐

2、标系的变换（简称(jinchng)2s/2r变换）。 共三十八页 三相坐标系上的三相对(xingdu)称绕组A,B,C通以三相对(xingdu)称电流产生旋转磁动势F，F 的旋转速度 为三相电流的频率。二相旋转坐标系上的二相绕组d,q通以二相对称电流也产生旋转磁动势，对dq坐标系的旋转速度为 ， 为电流的频率，因为dq坐标系本身是旋转的，其旋转速度为 ，因此相对静止坐标系的旋转速度为 如果二相坐标系上电流产生的磁动势与三相坐标系上电流产生的磁动势F大小相等旋转速度也相同， ，这时二相旋转坐标系绕组可以等效于三相静止坐标系上的绕组，即三相绕组可以用二相绕组来代替，坐标变换揭示了三相绕组电压（电流

3、）与二相绕组电压（电流）之间的关系。 共三十八页一 三相二相的坐标变换(binhun)，即abc-to-dq0 Transformation模块的表达式为：式中为转子(zhun z)旋转的角频率 （7.1） 共三十八页设将代入式6.11得 在二相旋转(xunzhun)坐标系上频率(pnl)为 电压幅值为（7.2） 共三十八页二 .二相三相(sn xin)的坐标变换关系，即dq0-abc transformation模块的表达式为： 在图7.1中三相静止坐标系与二相静止坐标系的夹角 ，令dq坐标系的旋转速度 ，初始角 ，则dq坐标系就和二相静止坐标系重合，因此在式7.1和式7.4中令 ，式7.1

4、就是(jish)3s/2s的变换，式7.4就是(jish)2s /3s的变换。 （7.4） 共三十八页7.1.2 坐标系变换(binhun)模块和使用一 坐标系变换(binhun)模块 模块的abc端输入或输出三相信号，dq0端输入或输出二相信号和0轴信号，这些信号可以(ky)是电压，电流或磁链。 Sin-cos端输入坐标轴旋转角的正弦和余弦信号。 共三十八页二 坐标系变换模块(m kui)的使用 观察三相电压经3s/2s和3s/2r变换(binhun)及其反变换(binhun)的波形,三相电压为220V 50HZ。共三十八页（1） 3s/2s变换(binhun) 设定三相源ua,ub,uc参

5、数，50 Hz，初始相位0。角频率给定w*模块，f = 0，这意味着d-q坐标系的d轴与静止坐标系A轴重合，d-q坐标系不旋转，这时d-q坐标系蜕化(tuhu)为静止的-坐标系，abc-to-dq0模块现在进行的是3s/2s变换。启动仿真得到波形 共三十八页（2）3s/2r变换(binhun) 设定三相源ua,ub,uc参数，50 Hz，初始相位(xingwi)0。 角频率给定w*模块 f = 50 Hz， 二相电压频率为即在dq坐标系上二相电压已经是直流 是直流 共三十八页7.2异步电动机磁链观察(gunch) 异步电动机定子绕组输入的电流包含转矩分量和励磁分量两部分，对电机磁场控制，需要知

6、道磁场的大小和位置(wi zhi)，由于受到技术条件的限制，磁场一般采用计算的方法，即采用磁链模型进行观测。本节通过建立磁链模型，观察磁链计算的效果。共三十八页7.2.1转子磁链观察(gunch)的电流模型一 在二相静止(jngzh)坐标系上的转子磁链电流模型共三十八页二按转子磁链定向二相旋转(xunzhun)坐标系上的 转子磁链电流模型由异步电机的矢量(shling)控制方程式： 计算转子磁链r 共三十八页由矢量控制(kngzh)方程计算转子磁链r共三十八页7.2.2 转子(zhun z)磁链的电压模型 共三十八页7.2.3转子磁链模型(mxng)仿真一 转子磁链观察建模共三十八页 转子磁链

7、电流模型结构(jigu)（二相同步旋转坐标系） 共三十八页转子(zhun z)磁链电压模型计算流程 共三十八页转子磁链电压(diny)模型结构 共三十八页二 转子(zhun z)磁链模型仿真例7.2转子磁链模型的计算(j sun)参数设置如下：电动机参数：380V50HZ 二对极，Rs=0.435 Lls=0.002 h，Rr=0.816 Llr=0.002 h，Lm=0.069h，J=0.19 kg.m2。逆变器直流电源510V。定子绕组自感Ls= Lm Lls=0.0690.002=0.071h，转子绕组自感 Lr= Lm Llr=0.0690.002=0.071 h; 漏磁系数 转子时间

8、常数共三十八页 电流(dinli)模型50Hz 调制度0.9 电压模型(mxng)50Hz 调制度0.9 共三十八页7.3 转差频率控制异步电动机 矢量控制系统建模和仿真(fn zhn)7.3.1 转差频率控制原理共三十八页 转差频率控制(kngzh)的矢量控制(kngzh)系统仿真模型 共三十八页给定环节有定子电流励磁分量(fn ling)im* 和转子速度n*电流/电压转换函数模块um*、ut* 函数运算模块ws*根据定子电流(dinli)的励磁分量和转矩分量计算转差（si1t/ Tr i1m），S与转子频率相加得到定子频率1 ，再经积分器得到定子电压矢量的转角(theta)并计算sin、

9、cos。dq0/abc模块将二相电压信号变换为三相PWM调制信号， 共三十八页转速(zhun s)响应 逆变器调制(tiozh)频率17.3.3 模型仿真结果共三十八页定子(dngz)电流 转矩转速(zhun s)特性 共三十八页定子(dngz)磁链轨迹 转子(zhun z)磁链轨迹 共三十八页7.4 带转矩内环的转速(zhun s)、磁链闭环 矢量控制系统仿真共三十八页7.4.2电流(dinli)滞环控制型逆变器一 电流(dinli)滞环控制器原理 逆变器输出电流与给定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关(kigun)状态，使逆变器输出电流增加或减小，将输出电流与给定电流的偏差控制在一定

10、范围内 共三十八页三相电流滞环控制变流器模型(mxng) 共三十八页三 三相(sn xin)滞环控制逆变器仿真 例7.4 设逆变器直流电源100V, 负载R=0.5,L=0.5mh, 仿真三相滞环控制逆变器在三相电流给定为20A ，50Hz时的输出(shch)电流波形。共三十八页三相电流(dinli)跟踪逆变器电流(dinli)波形 共三十八页7.4.3 带转矩内环的转速、磁链闭环 矢量(shling)控制系统建模和仿真共三十八页例7.5仿真图7.22带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统(kn zh x tn)，电动机参数同例7.2，滞环控制器参数同例7.4。模型参数(cnsh)参考值表7.

11、5，模型算法Ode23tb经2r/3s变换的三相电流给定波形 共三十八页转速(zhun s)响应 电流(dinli)响应 共三十八页 定子(dngz)磁链轨迹 转矩转速(zhun s)曲线 共三十八页小 结 本章介绍了坐标变换，磁链观察和交流电动机矢量控制系统的建模和仿真，坐标变换包括3S/2S,3S/2r变换及其反变换，两种变换使用同一模块，不同在二相坐标系的旋转速度。 磁链观察是高性能交流调速系统的基础，磁链观察建立在电动机模型基础上，分别有电流模型和电压模型，前者依据异步电动机二相静止坐标系模型，后者依据二相旋转坐标系模型，本章在带转矩内环的转速磁链闭环矢量控制系统中介绍了电流模型的使用。电动机仿真模块带有定子和转子的磁链输出，仿真时也可以直接使用。 调节器参数(cnsh)设计是交流调速系统中的一项难题，仿真提供了参数(cnsh)选择的一种方法，对系统的设计和分析有很大帮助。 共三十八页内容摘要第7章交流电动机矢量控制系统仿真。设定三相源ua,ub,uc参数，50 Hz，初始相位0。本节通过建立磁链模型，观察磁链计算的效果。给定环节有定子电流励磁分量im* 和转子速度n*