异步电机矢量控制M精编b仿真实验Word文档格式.docx

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从内部看，经过3/2变换和旋转变换2s/2r，变成一台以ism和ist为输入、ω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。

按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。

采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值，图1-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。

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磁分量ism和转矩分量ist，转子磁链

仅由定子电流分量ism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

二．设计方法

1.电流模型设计

转子磁链在实用的系统中多采用按模型计算的方法，即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。

转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。

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。

本设计采用在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型。

由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流isα和isβ，在利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在αβ轴上的分量

（2-1-1）

也可表述为：

（2-1-2）

然后，采用直角坐标-极坐标变换，就可得到转子磁链矢量的幅值

和空间位置

，考虑到矢量变换中实际使用的是

的正弦和余弦函数，故可以采用变换式

（2-1-3）

（2-1-4）

（2-1-5）

图2-1-1在

坐标系上计算转子磁链的电流模型

2矢量控制系统设计

图3-1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，对转子磁链可以采用闭环控制，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，必须加转速外环使之稳定。

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，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

。

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

，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压

，再经过SVPWM控制逆变器输出三相电压，其系统结构图如图3-2所示。

本次MATLAB仿真系统设计也是采用的这种控制方法。

图3-1电流闭环控制后的系统结构图

图3-2定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图

本次MATLAB系统结构仿真模型如图3-3所示，其中SVPWM用惯性环节等效代替，若采用实际的SVPWM方法仿真，将大大增加仿真计算时间，对计算机的运行速度和内存容量要求较高，转速，转子磁链和两个电流调节器均采用带有积分和输出限幅的PI调节器，转子磁链幅值和角度由电动机模型直接得到。

矢量控制系统仿真模型图如图3-3所示。

图3-3矢量控制系统仿真模型图

由图中可知ASR为转速调节器，APsirR为转子磁链调节器，ACMR为定子电流励磁分量调节器，ACTR为定子电流转矩分量调节器，对转子磁链和转速而言，均表现为双闭环控制的系统结构，内环为电流恒定，外环为转子磁链或转速环。

其中系统中的K/P模块是计算转子磁链幅值和角度的，其内部结构图如图3-4所示。

图3-4转子磁链和角度计算结构图

在此次设计中，由于电动机模型是根据两相静止αβ坐标系下的数学模型建立，在仿真设计中加入了静止两相——旋转正交变换（2s/2r变换）和旋转——静止两相正交变换（2r/2s变换），其MATLAB仿真结构图分别如图3-5和图3-6所示。

图3-52s/2r变换结构图

图3-62r/2s变换结构图

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；

（3-1）

—电流调节器的比例系数；

—电流调节器的超前时间常数。

同时其传递函数也可写为：

（3-2）

其PI调节器的MATLAB仿真结构图如图4-7所示。

而且此PI调节器是带了限幅的。

根据MATLAB的仿真图形，不断改进PI调节器和Kp和Ki。

转速调节器ASR，其结构图如图4-7所示，其中Kp取5，Ti取10，积分限幅取-100~100，转速给定根据电动机的额定转速1430r/min，可以得到其转速给定为。

图3-7ASR调节器

磁链调节器APsirR,其结构图与转速调节器结构相同，其中磁链给定为。

两个电流调节器MATLAB仿真模型如图3-8所示。

只是参数不同，ACMR的Kp取5，Ti取10；

ACTR的Kp取5，Ti取15。

图3-8电流调节器ACMR和ACTR仿真结构图

三．仿真结果

电机定子侧的电流仿真结果

电机定子侧的电流（Isa&

Isb）仿真结果如图4-1所示。

系统在t=3s时突加负载。

由仿真结果可知:

空载起动时，定子电流基本稳定不变，成正弦变化。

在t=3s突加负载后，电流仍成正弦变化，幅值变大，但基本保持稳定。

图4-1电机定子侧的电流（Isa&

Isb）

电机定子测电流（Ia&

Ib&

Ic）仿真结果如图4-2所示，空载启动时电流成交流变化，并且幅值逐渐变大，然后趋于稳定，电机在恒定幅值稳定运行。

当t=3s突加负载后，电流幅值突然加大，然后有一定的回落直到稳定运行，此时电流仍成交流变化，幅值大于空载运行时。

图4-2电机定子侧的电流（Ia&

Ic）

电机输出转矩仿真结果

电机输出转矩Te的仿真结果如图4-3所示。

结果表明，电机在空载启动时，输出转矩会有一个突变到较大值，随着电机的启动输出转矩减小直至为0并稳定运行。

在突加负载后，通过系统的闭环控制，使得电机输出转矩突增并超过给定负载转矩一定值，以保证电机正常运行，逐渐稳定后输出转矩回落到给定值，输出转矩等于负载转矩，电机稳定运行。

图4-3电机输出转矩Te仿真图

电机的转子速度及转子磁链仿真结果

电机的转子速度Wr和转子磁链Psir仿真结果分别如图4-4和4-5所示。

可见，电机起动后，转速成线性上升，当上升到给定值时，转速调节器ASR的输出由于积分作用还维持在幅值。

转速超调后使得ASR退饱和从而稳定在给定值。

突加负载后，转速下降，但由于采用的是PI调节器，它具有消除静差的作用，所以转速很快上升继续保持在给定值。

转子磁链Psir建立后，几乎为恒值，在突加负载后，磁链有一个小幅度的上升，但在电流环的PI调节作用下，磁链Psir很快恢复到给定值，并在此状态稳定运行。

图4-4电机的转子速度Wr仿真结果

图4-5转子磁链Psir仿真结果

参考文献

[1]陈伯时．电力拖动自动控制系统（第4版）．机械工业出版社．2004．

[2]李德华．电力拖动控制系统（运动控制系统）．电子工业出版社．2006

[3]裴润，宋申明．自动控制原理（上册）．哈尔滨工业大学出版社．2006．

[4]黄忠霖．自动控制原理的MATLAB实现．国防工业出版社．2007．

[5]冯垛生，曾岳南．无速度传感器矢量控制原理与实践．2006.