定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统

基于异步电动机动态模型定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统主讲人：胡喜福异步电动机动态模型定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统非线性强耦合性非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩方程。既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。非线性变参数旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘积，这是非线性的基本因素。定转子间的相对运动，导致其夹角不断变化，使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。异步电动机三相原始模型的性质异步电动机动态模型异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，就必须从动态模型出发，分析异步电机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电机的调速方案。坐标变换异步电动机三相原始动态模型相当复杂，简化的基本方法就是坐标变换。异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手。坐标变换相关理论：课本P162—P166异步电动机在正交坐标系上的状态方程异步电动机动态数学模型，其中既有微分方程（电压方程与运动方程），又有代数方程（磁链方程和转矩方程）。讨论用状态方程描述的动态数学模型一对一联系（实体内部的联系）旋转正交坐标系上的异步电动机具有4阶电压方程和1阶运动方程，因此须选取5个状态变量。可选的状态变量共有9个，这9个变量分为5组：①转速；②定子电流；③转子电流；④定子磁链；⑤转子磁链。转速作为输出变量必须选取。其余的4组变量可以任意选取两组，定子电流可以直接检测，应当选为状态变量。剩下的3组均不可直接检测或检测十分困难，考虑到磁链对电动机的运行很重要，可以选定子磁链或转子磁链。状态变量的选取本仿真有关αβ坐标系中的状态方程。dq坐标系蜕化为αβ坐标系，当状态变量输入变量输出变量（dq坐标系中的状态方程相关内容参见课本P170）状态方程为状态变量sriψ10TrrssiiXTssLuuTU22TrrY转矩方程()pmesrsrrnLTiiL运动方程LepTTdtdnJ为状态变量的状态方程状态方程2222222()11pmpsrsrLrrmrrsrrrmrrsrrsmmsrrmsrrssrrsrsrssmmsrrmrrssrrsrsrnLndiiTdtJLJdLidtTTdLidtTTdiLLRLRLuidtLLTLLLLLdiLLRLRLidtLLTLLLLssuLαβ坐标系理论动态结构图仿真中模型结构图3/2变换模块UAUBUCαβ坐标系中的电机模型UsβUsαisαisβ2/3变换模块iAiBiC仿真模型图αβ坐标系异步电动机仿真模型仿真模型图2020年2月4日12时28分14三相异步电动机仿真模型仿真参数简述仿真电动机参数：RS=1.85Ω，Rr=2.658Ω，Ls=0.2941H,Lr=0.2898,Lm=0.2838H,J=0.1284Nm.s^2,np=2,UN=380v,fN=50Hz;Rt=(Rs*Lr*Lr+Rr*Lm*Lm)/(Lr*Lr);Tr=Lr/Rr(转子电磁时间参常数)；σ=1-(Lm*Lm)/(LsLr)(电动机漏磁系数)。仿真结果异步电机转速仿真异步电机电流的仿真结果按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式转子磁链环节为稳定的惯性环节，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，必须加转速外环使之稳定。电流闭环控制后的系统结构图电流闭环控制常用的电流闭环控制有两种方法：①将定子电流励磁分量和转矩分量给定值施行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。电流闭环控制②将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流反馈值，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为mt坐标系中定子电压给定值。反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值，再经SVPWM控制逆变器输出三相电压。（本仿真参考此种方法）控制系统仿真结构图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系统仿真模型2020年2月4日12时28分22系统仿真模型总图系统仿真模型3/2变换2/3变换系统仿真模型2S/2R2R/2S系统仿真模型ASRAPsiR系统仿真模型K/P坐标变换仿真结果展示空载启动和加载的定子电流励磁分量ism（上）转矩分量ist（下）仿真结果展示转速w仿真结果展示转子磁链Psir仿真中遇到的问题①参数的选定1、电动机动态模型中的Tr(转子电磁时间参常数)、σ(电动机漏磁系数)未知，在仔细翻阅课本后发现其公式分别在P172与P171。2、控制系统中的ASR、APsiR等模块中的参数，通过查阅文献与调试，可得之前仿真图中的结果。仿真中遇到的问题参考文献：【1】洪乃刚等编著.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：机械工业出版社，2006.【2】纪志成，薛花，沈艳霞.基于Matlab交流异步电机矢量控制系统的仿真建模[J].系统仿真学报.2004(3).仿真中遇到的问题②仿真时间非常慢，通过以下操作可解决：谢谢观看！