电力拖动自动控制系统-运动控制系统--课外项目学习(6学时)

课外项目学习（6学时）：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。图（1）异步电动机矢量控制仿真模型（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。解：图（2）从上到下依次为定子三相电流、转子三相电流、电磁转矩、转速仿真波形。（a）（b）（c）（d）图2矢量控制仿真波形（(a)定子三相电流、(b)转子三相电流、(c)电磁转矩、(d)转速仿真波形）（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。解：图3从上到下分别为经过低通滤波后的电压波形和定子AB线间电压波形。图3.定子AB线间电压波形((a)滤波后,(b)滤波前)图4为局部放大后的电压波形图4局部放大后的线电压波形分析：由于逆变器采用的是SVPWM的控制方式，就是交替使用不同的电压空间矢量来产生旋转磁场，其仍以脉冲波的方式实现，脉冲波幅值相同，宽度按各矢量作用时间的规律变化，所以定子AB线电压波形为脉冲波。经过低通滤波后的电压波为基波正弦波。（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。解：图5从上到下分别为负载，转速，定子q轴电流给定，定子q轴电流、电磁转矩仿真波形。（a）负载（b）转速（c）定子q轴电流给定（d）定子q轴电流（f）电磁转矩仿真波形图5（a）负载，（b）转速，（c）定子q轴电流给定，（d）定子q轴电流、（f）电磁转矩仿真波形。分析：该系统采用按照转子磁链定向矢量控制，具有转矩控制环节，在转速调节器的输出端增加除法环节，利用转矩给定和估算转子磁链得到定子电流q轴分量给定值，及时抵消转子磁链波动对电磁转矩的影响。该系统有转子磁链子系统和转速子系统，转子磁链子系统为双闭环系统，转速子系统也为双闭环系统。（1）对于转速子系统而言，启动之初，由于转速很小，所以ASR达到饱和，Te*为最大给定启动电磁转矩，在除法环节的作用下得到最大定子电流转矩分量iq*，在电流闭环控制作用下iq快速上升，电磁转矩Te也快速上升，该部分为转矩上升阶段，ASR不起作用，时间短，转速变化缓慢；第二阶段为恒转矩升速，这时转速未达到给定，所以ASR仍处于饱和，输出Te*max不变，输出iq*max不变，Temax、iqmax也基本保持不变，转速上升，此阶段ASR仍饱和；第三阶段是转速调节阶段，转速超调，ASR退饱和，ASR通过转速反馈信号调节Te*、iq*，使Te、iq下降，转速逐渐达到给定。加载过程，此前电动机处于稳定运行中，突然加载，转速会下降，ASR输出增加，电流给定iq*增加，Te、iq会增加，转速从而上升，重新回到稳定状态。附加：虽然按转子磁链定向可以实现定子d轴电流和q轴电流的解耦，但电流状态方程中仍存在非线性和交叉耦合，因此在恒转矩阶段，转矩并没有保持恒定。在转速调节阶段，由于时间短，转速未达到120rad/s就进行了加载，但从仿真波形看出其有上升趋势。iq对电磁转矩的控制规律分析：按转子磁链定向可实现定子电流两个分量的解耦，riqLLnTermp，定子电流的励磁分量id产生r，因此转矩分量iq控制Te。从图d和f可以看出，电磁转矩变化趋势与转矩分量iq一致。在启动过程中电机不会过流，因为电流分量采用了闭环控制。修改ASR的输出限幅值可以改变最大启动转矩。（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。解：图6为转子磁链分量波形，从上到下分别为alpha轴转子磁链和beta轴转子磁链。图6转子磁链的分量波形（上图为alpha轴转子磁链分量，下图为beta轴转子磁链分量）图7为转子磁链幅值波形和角度波形。图8为id仿真波形。（a）转子磁链幅值（b）转子磁链角度图7转子磁链幅值波形和角度波形图8id仿真波形分析：当转子磁链定向后，由方程1LmidrTrs可得，转子磁链与定子电流分量id呈一阶惯性关系，暂态时定子电流分量id快速上升，r相对于id有滞后，呈指数规律年上升；稳态时转子磁链正比于电流id。电流纹波是由变频器PWM控制产生的，由于一阶惯性环节的滤波作用，转子磁链波形平滑。当然在系统暂态调整过程中，dq轴会通过旋转电动势相互影响。根据状态方程LsuiwiLsLrRrLmRsLrLsLrTrLmdtdismstsmrsm1222及电压方程widdLdtdiLRiu可知，在0.7s时，转速给定下降（由图5可以看出），电机进入制动状态，ist快速下降，由电压方程可以看出，d轴电流会下降。而后在d轴电流闭环作用下增加，趋于稳定。（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。解：加载后电机转矩转速q轴电流d轴电流分析：转子磁链定向后，r仅由id产生，电磁转矩Te正比与r与iq的乘积，d轴电流代表了转子磁链r。在0.3s加载后，因转矩不能突变，转速减小，转速信号反馈至ASR的输入，转速偏差0，ASR输出增加，Te*增大，r会在转子磁链子系统的调节下保持不变，iq*上升，电磁转矩Te增加，转速上升，但由于加载后时间较短，转速来不及恢复至原来转速；