异步电机矢量控制MATLAB仿真实验

学号：课程设计题目异步电机矢量控制MATLAB仿真实验(矢量控制部分)学院自动化学院专业自动化专业班级姓名指导教师曹雪莲2015年1月7日目录摘要........................................................................................................................11异步电动机矢量控制原理.................................................................................22坐标变换.............................................................................................................32.1坐标变换的基本思路..............................................................................32.2三相—两相变换（3/2变换）...............................................................42.3静止两相-旋转正交变换（2s/2r）........................................................53转子磁链计算.....................................................................................................64矢量控制系统设计.............................................................................................74.1按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式..........................74.2MATLAB系统仿真系统设计.................................................................84.3PI调节器设计........................................................................................105仿真结果...........................................................................................................125.1电机定子侧的电流仿真结果................................................................125.2电机输出转矩仿真结果........................................................................135.3电机的转子速度及转子的磁链仿真结果............................................13心得体会..............................................................................................................15参考文献..............................................................................................................16附录......................................................................................................................17武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书1摘要随着电力电子技术和自动化技术的不断发展，促进了交流异步电动机取代直流电机成为工业传动的主体，而矢量控制理论是实现这一转变的关键技术之一，由于交流异步电机是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在矢量控制理论下通过坐标变换，可以消除瞬变过程中的周期性时变系统和降低方程阶数，从而简化数学模型。可以通过对磁链的控制改善电机静态和动态性能。矢量控制是在电机学、电磁学和坐标变换的基础上发展起来的一种先进的电机控制策略。建立异步电动机矢量控制系统的仿真模型，能有效节省控制系统的设计时间，及时验证控制系统算法的正确性。本文采用二相静止坐标系（-）电机模型，利用MATLAB/SIMULINK完成异步电机的矢量控制仿真。仿真结果给出了转速、转矩、定子侧电流的波形图，并根据转速、转矩、电流波形相关参数进行分析。关键词：矢量控制异步电机Matlab仿真武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书21异步电动机矢量控制原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电机转矩的目的。按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，再按转子磁链定向同步正交坐标系中，得到等效的直流电机模型，仿照直流电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中的控制量反变换到三角坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，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isα和isβ，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ism和ist。图1-1异步电动机矢量变换及等效直流电机模型m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，smi相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，sti相当于与转矩成正比的电枢电流。其中矢量控制系统原理结构图如图1-2所示。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3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smi和转矩分量sti，转子磁链r仅由定子电流分量smi产生，而电磁转矩eT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2坐标变换2.1坐标变换的基本思路异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。矢量变换是简化交流电动机复杂模型的重要数学方法，是交流电动机矢量控制的基础。坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流Ai、Bi、Ci，通过三相—两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i和i，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4坐标系上的直流电流di和qi。2.2三相—两相变换（3/2变换）在交流电动机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电动机气隙中产生空间旋转的磁场，在功率不变的条件下，按磁动势相等的原则，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效，三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换则建立了磁动势不变情况下，三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。图2-1绘出了ABC和两个坐标系中的磁动势矢量。图2-1ABC和坐标系中的磁动势矢量按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在、轴上的投影都应相等，于是得：60cos60cos3332CBAiNiNiNiN)2121(3CBAiiiN(2-1)60sin60sin332CBiNiNiN)(233CBiiN(2-2)写成矩阵形式：（2-3）321112233022abciiNiiNi武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书5按照变换前后功率不变，可以证明，匝数比为（2-4）代入式（2-1），得(2-5)则两相对称绕组的电流与三相对称绕组的电流之间的变换关系为:cBACBAiiiCiiiiii230212121232302121132（2-6）2.3静止两相-旋转正交变换（2s/2r）两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r变换)，两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,称为两相旋转－两相静止变换，简称2s/2r变换。其变换关系为:qdsrqdiiCiiii22cossinsincos(2-7)(2-5)式中，为d-q坐标系d轴与坐标系轴之间的夹角。两相旋转到两相静止坐标系的变换矩阵为：cossinsincos22srC(2-8)对(2-6)式进行逆变换可以得到两相静止到两相旋转的变换矩阵为：111222333022abciiiii3223NN武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书6cossinsincos12222srrsCC(2-9)电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同。3转子磁链计算按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是r的准确定向，也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置。根据转子磁链的实际值进行控制的方法，称作直接定向。转子磁链的直接检测比较困难，现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，也可以利用状态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α、β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，再利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在α、β轴上的分量srrrsrrriTrLmTrdtdiTrLmTrdtd11(3-1)也可表述为：)(11)(11rrsmrrrrsmrrTiLsTTiLsT(3-2)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r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22rrr(3-3)武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书7rrsin(3-4)rrcos(3-5)图3-1是在静止两相正交坐标系上计算转子磁链的电流模型结构图。图3-1在坐标系上计算转子磁链的电流模型4矢量控制系统设计4.1按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式图4-1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