运动控制系统课程设计(异步电机矢量控制Matlab仿真实验)

目录1异步电动机矢量控制原理............................................22坐标变换..........................................................32.1坐标变换基本思路............................................32.2三相——两相坐标系变换（3/2变换）...........................42.3旋转变换....................................................53转子磁链计算......................................................64矢量控制系统设计..................................................74.1矢量控制系统的电流闭环控制方式思想..........................74.2MATLAB系统仿真系统设计......................................84.3PI调节器设计................................................95仿真结果.........................................................105.1电机定子侧的电流仿真结果...................................105.2电机输出转矩仿真结果.......................................11心得体会...........................................................13参考文献...........................................................14武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书异步电机矢量控制Matlab仿真实验1异步电动机矢量控制原理矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的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经变换得到三相坐标系的对应量，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动机模型在三相坐标系上的定子交流电流,,ABCiii,通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流si和si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smi和sti。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坐标系上的直流电流di和qi。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就好像是一台直流电动机。把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图2-l。从整体上看，输人为武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书321112233022abciiNiiNiA，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电动机。从结构图内部看，经过3/2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由mi和ti输入，由输出的直流电动机。3/2VR等效直流电动机模型iitiAimiBiCiABC异步电动机图2-1异步电动机的坐标变换结构图2.2三相——两相坐标系变换（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1绘出了ABC和两个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：写成矩阵形式：(2-1)233332333cos60cos6011()223sin60sin602abcabcbcbcNiNiNiNiNiiiNiNiNiNii武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书按照变换前后总功率不变，可以证明：(2-2)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(2-3)2.3旋转变换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(2-4)(2-4)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(2-5)对(2-5)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：cossinsincos12222srrsCC(2-6)电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同。111222333022abciiiii1-2武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书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srrrsrrriTrLmTrdtdiTrLmTrdtd11(3-2)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)rrsin(3-4)武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书rrcos(3-5)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矢量控制系统的电流闭环控制方式思想图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*smi和*sti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smi和sti。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*smu和*stu，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压*u和*u，再经过SVPWM控制逆变器输出三相电压，其系统结构图如图4-2所示。本次MATLAB仿真系统设计也是采用的这种控制方法。图4-1电流闭环控制后的系统结构图武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书图4-2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4.2MATLAB系统仿真系统设计本次MATLAB系统结构仿真模型如图4-2-1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，两相磁链由电动机模型直接得到，其中转子磁链的幅值由两相磁链计算得到。矢量控制系统仿真模型图如图4-3所示。图4-3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4-4所示。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书图4-4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仿真结构图如图4-5所示。4.3PI调节器设计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；iiACRi(1)()KsWss（4-3-1）iK—电流调节器的比例系数；i—电流调节器的超前时间常数。同时其传递函数也可写为：()IASRpKWsKS(4-3-2)其PI调节器的MATLAB仿真结构图如图4-6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。最终得到的各种调节如下。1磁链调节器APsirR，其结构图如