电拖课程课设——异步电动机矢量控制系统建模与仿真

武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书目录1异步电动机矢量控制原理........................................................................................12异步电机的坐标变换................................................................................................12.1三相-两相变换................................................................................................12.2静止两相-旋转正交变换................................................................................33异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统........................................................33.1按转子磁链定向矢量控制的基本思想..........................................................33.2以-is-r为状态变量在mt坐标系中的状态方程.....................................43.3以-is-r为状态变量的mt坐标系上的异步电动机动态结构图.............53.4转速闭环后的矢量控制原理框图..................................................................63.5转速闭环后的矢量控制系统结构图..............................................................64异步电动机矢量控制系统仿真................................................................................74.1仿真模型的参数计算......................................................................................74.2矢量控制系统的仿真模型..............................................................................84.3PI调节器设计................................................................................................104.4仿真结果分析................................................................................................114.4.1mt坐标系中的电流曲线.....................................................................114.4.2转子磁链和转速曲线..........................................................................124.4.3电磁转矩曲线......................................................................................135总结与体会..............................................................................................................14参考文献......................................................................................................................15武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书1异步电动机矢量控制系统建模与仿真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的三项坐标系上的定子交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。交流电动机是个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机数学模型的多变量非线性数学模型时，作如下假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120电角度，产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心饱和；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；2异步电机的坐标变换2.1三相-两相变换在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组、之间的变换，称作三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。图2-2中绘出了A、B、C和、两个坐标系，为方便起见，取A轴和轴重合。当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影都应相等:2333311coscos()3322ABCABCNiNiNiNiNiii（2-1）武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书223333sinsin()332BCBCNiNiNiNii（2-2）图2-1三相、两相静止坐标系与磁通势空间矢量3/2C是三相坐标系变换到两相坐标系的电流变换阵，根据变换前后产生相同的磁动势的原则和变换前后功率不变的原则，可以得到：3/2111222333022C（2-3）如果从两相坐标系变换到三相坐标系，简称2/3变换:2321232101323/2C（2-4）考虑到实际异步电机的三相绕组为不带中线的对称绕组，没有零轴电流，并且满足0ABCiii,于是三相坐标系与两相坐标系之间的电流变换可进一步简化为：BAiiii221023（2-5）武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书3iiiiBA2161032（2-6）2.2静止两相-旋转正交变换图2-2两相静止和旋转坐标系与磁动势空间关系在图2-3中，两相交流电流ii和和两个直流电流dqii和，产生同样的以同步转速1旋转的合成磁动势sF。由图2-3可见，ii和，dqii和之间有下列关系:iiCiiiirsqd2/2cossinsincos（2-7）两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为：2/2cossinsincossrC（2-8）两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵是:2/2cossinsincosrsC（2-9）3异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统3.1按转子磁链定向矢量控制的基本思想通过坐标变换，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。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书43.2以-is-r为状态变量在mt坐标系中的状态方程旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同步旋转的坐标系。令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系。将静止正交坐标系中的转子磁链旋转矢量写成复数形式rrjarctgjrrrrrjeeψ（3-1）tm01rrr图3-2静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系由于m轴与转子磁链矢量重合：0rmrdrrtrq（3-2）为了保证m轴与转子磁链矢量始终重合，还必须使0rqrtdddtdt（3-3）将式（3-2）和式（3-3）可得到mt坐标系中的状态方程：2221222121pmpstrLrmrrsmrrsmmsrrmsmrsmstsrrsrsstmsrrmstrstsmsrsrsnLndiTdtJLJLdidtTTdiLRLRLuiidtLLTLLLdiLRLRLuiidtLLLLL（3-4）武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书5于是求得:1()0rtmrstrdLidtT（3-5）导出mt坐标系的旋转角速度:1mstrrLiT（3-6）mt坐标系中的电磁转矩表达式:pmestrrnLTiL（3-7）通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，转子磁链仅由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，实现了定子电流两个分量的解耦。在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当。3.3以-is-r为状态变量的mt坐标系上的异步电动机动态结构图根据mt坐标系中的状态方程,可以画出mt坐标系中的异步电动机动态结构图如下:图3-3按转子磁链定向的异步电动机动态结构图武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书63.4转速闭环后的矢量控制原理框图按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值。在按转子磁链定向坐标系中计算定子电流励磁分量和转矩分量给定值，经过反旋转变换2r/2s和2/3变换得到三相电流。通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机所需的三相定子电流。图3-4矢量控制系统原理框图3.5转速闭环后的矢量控制系统结构图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常用的电流闭环控制有两种方法：第一种是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。第二种是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。本次设计利用的是第二种方法。矢量控制系统的结构图如下所示：武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书7图3-5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其中，ASR是转速调节器，AR是转子磁链调节器，ACMR是定子电流励磁分量调节器，ACTR是定子电流转矩分量调节器。异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从其动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一。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