运动控制系统仿真实验报告2——异步电机矢量控制仿真

1本科生课程论文课程名称运动控制系统（2）学院机电工程与自动化专业电气工程及其自动化学号学生姓名指导教师汪飞分数2一、仿真题目矢量控制仿真对异步电动机进行矢量控制的仿真研究。电机参数如下：1.115sR，1.083rR，0.005974slLH，0.005974lrLH，0.2037mLH，20.02Kg.mJ，2pn，380NUV，50NfHz，额定频率50Hz，额定转速1460转/分，逆变器采用SVPWM控制，开关频率为5KHz。仿真条件如下：转速给定信号为阶跃给定，0.1s时转速给定为120rad/s，0.7s时转速降为80rad/s；电机空载起动，0.3s加载5N.m，0.5s减载为2N.m。仿真时间为1s，仿真步长0.02ms，（1）利用电机、SVPWM、ASR、转子磁链计算等基本模块搭建异步电动机矢量控制的仿真平台。（2）给出定子三相电流、转子三相电流、转速、电磁转矩仿真波形。（3）给出定子AB线间电压波形和经过低通滤波后的电压波形，并进行对比分析。，低通滤波器的截止频率1KHz。（4）给出电机负载，转速，定子q轴电流给定，定子q轴电流、电磁转矩仿真波形，仿照直流电动机的启动过程分析异步电动机起动、加载过程中q轴电流、电磁转矩、转速的变化规律。说明q轴电流对电磁转矩的控制规律。说明起动过程中电机是否会过流，修改哪个量可以改变电机最大起动转矩。（5）给出电机转子磁链，转子磁链幅值和角度及定子电流d轴分量仿真波形，说明矢量控制中转子磁链与d轴电流的关系，说明转子磁链的控制规律。3（6）给出加载后电机转矩、转速q轴电流、d轴电流波形，分析变化规律。二、仿真过程2.1仿真总图图1仿真总图2.2子模块图22r/2s4图3SVPWM模块图4异步电机图5ASR图6转子磁链计算52.3参数设置转速给定信号为阶跃给定，0.1s时转速给定为120rad/s，0.7s时转速降为80rad/s；电机空载起动，0.3s加载5N.m，0.5s减载为2N.m。图7转速给定信号图8电机负载图9电机参数设置6电机参数如上：1.115sR，1.083rR，0.005974slLH，0.005974lrLH，0.2037mLH，20.02Kg.mJ，2pn，380NUV，50NfHz图10仿真步长设置三、仿真结果（1）利用电机、SVPWM、ASR、转子磁链计算等基本模块搭建异步电动机矢量控制的仿真平台。如上文所示。（2）给出定子三相电流、转子三相电流、转速、电磁转矩仿真波形。7图11定子三相电流图12转子三相电流图13转速仿真波形图14电磁转矩仿真波形8（3）给出定子AB线间电压波形和经过低通滤波后的电压波形，并进行对比分析，低通滤波器的截止频率1KHz。将AB两端连接voltagemeasurement后连接示波器，以及经过4阶butterworth滤波器滤波后连接示波器，接线图与仿真结果如下图所示：图15AB间线电压测量图图16AB间线电压仿真图图17AB间线电压滤波图9SVPWM波是脉宽随时间变化而变化的，根据面积等效原则，经过低通滤波器后，滤除高频信号，输出正弦波。（4）给出电机负载，转速，定子q轴电流给定，定子q轴电流、电磁转矩仿真波形，仿照直流电动机的启动过程分析异步电动机起动、加载过程中q轴电流、电磁转矩、转速的变化规律。说明q轴电流对电磁转矩的控制规律。说明起动过程中电机是否会过流，修改哪个量可以改变电机最大起动转矩。异步电动机起动与直流调速系统相似，起动过程可分为转矩上升、恒转矩升速与转速调节三个阶段。在t=0时，突加给定，转速调节器ASR很快进入饱和，输出为限幅值，转速和电流尚未建立，给定定子频率max*1s，定子电压；当t=t1时，电流达到最大值，起动电流等于最大的允许电流，起动转矩等于系统最大的允许输出转矩；当t=t2时，转速达到给定值，ASR开始退饱和，转速略有超调后，到达稳态*。在恒转矩升速阶段内，转速调节器ASR不参与调节，保持加速度恒定，转速超调后，ASR退出饱和，进入转速调节阶段，最后达到稳态。加载过程中，在负载转矩的作用下转速下降，定子电压频率下降，但在ASR的作用下，定子电压频率上升，电磁转矩增大，定子电流增大，转速回升，到达新的稳态，保持在120rad/s，直至0.7s时转速给定改变后下降为80rad/s。电磁转矩的变化规律与定子q轴电流变化规律基本一致，电磁转矩的变化跟随定子q轴电流给定的变化。起动时电机不会过流，可以改变定子端电流给定值的大小来改变最大启动转矩。maxsgsUC10图18电机负载图19电机转速图20定子q轴电流给定图21定子q轴电流图22电磁转矩11（5）给出电机转子磁链，转子磁链幅值和角度及定子电流d轴分量仿真波形，说明矢量控制中转子磁链与d轴电流的关系，说明转子磁链的控制规律。图23转子q轴磁链图24转子d轴磁链图25转子磁链幅值图26转子磁链角度图27定子电流d轴分量12矢量控制中，通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。仿照直流电动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得到三相坐标系的对应量，以实施控制。通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量与转矩分量，转子磁链仅有定子电流励磁分量产生，电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积。（6）给出加载后电机转矩、转速q轴电流、d轴电流波形，分析变化规律。图28电磁转矩仿真波形图29转子d轴电流图30转子q轴电流加载后转子d、q轴电流减小，经电流负反馈以后稳定，转速变化引起电流波动。13四、心得体会1.在用示波器查看定子三相电流与转子三相电流时，一开始将连接Scope6的三个信号直接由定子三相电流换成转子三相电流，如下图：结果得到下图这个非常奇怪的示意图。仔细思考后，发现由于电流反馈（图中被选中的线）的存在，因此不能贸然改变接线，因此将接线改变成为下图所示的方式，即可查看正确波形。142.在仿真过程中，由于参数误输偶然得到曲线更为圆润的滤波图（左下图），这是由于截止频率选择过小引起。在仿真中，我分别尝试了巴特沃斯和切比雪夫滤波器（4阶与8阶），发现波形似乎没有特别大的区别。而后我又查询了关于二者的资料，巴特沃斯具有平坦的响应特性，而切比雪夫具有更陡的衰减特性。滤波器的阶数是指在滤波器的传递函数中有几个极点。阶数同时也决定了转折区的下降速度，一般每增加一阶(一个极点)，就会增加一20dBDec。所以具体选用何种特性，需要根据电路或系统的具体要求而定。我认为最让我有收获的是在设计过程中，加深了对电机运行原理的理解，构建仿真图让我对系统框图有了更加深刻的理解。在仿真中遇到的问题也在很大程度上培养了我动手解决问题、发散思考的能力，非常具有实践意义。