1、基于Matlab/Simulink異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真一.理論基礎(chǔ)矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過(guò)坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。所謂矢量控制，就是通過(guò)矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動(dòng)機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中，用直流電動(dòng)機(jī)的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量經(jīng)變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。其中等效的直流電動(dòng)機(jī)模型如圖1-1所示，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流iA、iB、iC,通過(guò)3/2變換可以

2、等效成兩相靜止正交坐標(biāo)系上的交流isa和is3,再通過(guò)與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電流ism和ist。圖1-1異步電動(dòng)機(jī)矢量變換及等效直流電動(dòng)機(jī)模型從圖1-1的輸入輸出端口看進(jìn)去，輸入為A、B、C三相電流，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換2s/2r,變成一臺(tái)以ism和ist為輸入、為輸出的直流電動(dòng)機(jī)。m繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，ism相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞繞組，ist相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦，電流的微分方程中仍存在非線性和交叉耦合。采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這

3、一現(xiàn)象，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，圖1-2是基于電流跟隨控制變頻器的矢量控制系統(tǒng)示意圖。圖1-2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist,轉(zhuǎn)子磁鏈中.僅由定子電流分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Te正比與轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流的兩個(gè)分量的解耦。簡(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-3所示?？刂破髦眲?dòng)型效電模等流機(jī)圖1-3簡(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)二.設(shè)計(jì)方法1.電流模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈在實(shí)用的系統(tǒng)中多采用按模型計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電動(dòng)機(jī)數(shù)

4、學(xué)模型中推導(dǎo)出來(lái)，也可以利用專題觀測(cè)器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測(cè)模型。在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。本設(shè)計(jì)采用在a3坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過(guò)3/2變換得到靜止兩相正交坐標(biāo)系上的電流isa和isB，在利用“跳標(biāo)心dtd'rdt系中的數(shù)學(xué)模型式計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在a軸上的分量中_仍中B+Lmi丁0wrp丁1sa(2-1-1)TrTr1一一Lm-"rl'"r-.-is!Tr-Tr也可表述為:中-Ct一Trs11(Lmis：.-Tr-r：)(2-1-2)Trs1(LmisiTr'-r.)然后，

5、采用直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換，就可得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆抵泻涂臻g位置邛，考慮到矢量變換中實(shí)際使用的是中的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式(2-1-3)sinrlrcos中(2-1-4)(2-1-5)r圖2-1-1在aP坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型2矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3-1為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開(kāi)環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。常用的電流閉環(huán)控制有兩種萬(wàn)法：一個(gè)是將定子電流兩個(gè)分量的給定置ism和ist施行2/3變換，得到三相電流給定值。采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐

6、標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制。另一個(gè)是將檢測(cè)到得三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，達(dá)到mt坐標(biāo)系中的電流ism和ist。米用PI倜節(jié)器軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流倜節(jié)器的輸出為定子電壓給定值usm和ust,經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓*.*.,.、,一Uo（和up,再經(jīng)過(guò)SVPWM控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示。本次MATLAB仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是采用的這種控制方法。圖3-1電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-2定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本次MATLAB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖3-3所示，其中SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若采用實(shí)際的SVPWM方法仿真

7、，將大大增加仿真計(jì)算時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和內(nèi)存容量要求較高，轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子磁鏈和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度由電動(dòng)機(jī)模型直接得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖3-3所示。Isatisb>圖3-3矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖由圖中可知ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,APsirR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器,ACMR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器,ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈或轉(zhuǎn)速環(huán)。其中系統(tǒng)中的K/P模塊是計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。圖3-4轉(zhuǎn)子磁鏈和角度計(jì)算結(jié)構(gòu)圖在此次設(shè)

8、計(jì)中，由于電動(dòng)機(jī)模型是根據(jù)兩相靜止“跳標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型建立，在仿真設(shè)計(jì)中加入了靜止兩相一一旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）和旋轉(zhuǎn)一一靜止兩相正交變換（2r/2s變換），其MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖分別如圖3-5和圖3-6所示。出圖3-52s/2r變換結(jié)構(gòu)圖USTItela本次仿真設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)器都是采用圖3-62r/2s變換結(jié)構(gòu)圖PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為;WU(S)=Ki3s1iS(3-1)Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);%電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。同時(shí)其傳遞函數(shù)也可寫(xiě)為:(3-2)K,Wasr®=Kp,S其PI調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示。而且此PI調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MAT

9、LAB的仿真圖形，不斷改進(jìn)PI調(diào)節(jié)器和Kp和Ki。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,其結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示，其中Kp取5,Ti取10,積分限幅取-100100,轉(zhuǎn)速給定根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1430r/min,可以得到其轉(zhuǎn)速給定為149.75。SaturationCDGain1Integrator圖3-7ASR調(diào)二1.2。磁鏈調(diào)節(jié)器APsirR,其結(jié)構(gòu)圖與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)相同，其中磁鏈給定為兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器MATLAB仿真模型如圖3-8所示。只是參數(shù)不同，ACMR的Kp取5,Ti取10;ACTR的Kp取5,Ti取15。圖3-8電流調(diào)節(jié)器ACMR和ACTR仿真結(jié)構(gòu)圖仿真結(jié)果電機(jī)定子側(cè)的電流仿真結(jié)果電機(jī)定子側(cè)的電流（I

10、sa&Isb）仿真結(jié)果如圖4-1所示。系統(tǒng)在t=3s時(shí)突加負(fù)載。由仿真結(jié)果可知空載起動(dòng)時(shí)，定子電流基本穩(wěn)定不變，成正弦變化。在t=3s突加負(fù)載后，電流仍成正弦變化，幅值變大，但基本保持穩(wěn)定。20151050-5-10-15-2020151050-5-10-15-202.82.933.13.23.33.4圖4-1電機(jī)定子側(cè)的電流（Isa&Isb）電機(jī)定子測(cè)電流（Ia&Ib&Ic）仿真結(jié)果如圖4-2所示，空載啟動(dòng)時(shí)電流成交流變化，并且幅值逐漸變大，然后趨于穩(wěn)定，電機(jī)在恒定幅值穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)t=3s突加負(fù)載后，電流幅值突然加大，然后有一定的回落直到穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電流仍成

11、交流變化，幅值大于空載運(yùn)行時(shí)。2015-15-20rIr2.82.852.92.953.053.13.153.23.253.3圖4-2電機(jī)定子側(cè)的電流(la&Ib&Ic)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te的仿真結(jié)果如圖4-3所示。結(jié)果表明，電機(jī)在空載啟動(dòng)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有一個(gè)突變到較大值，隨著電機(jī)的啟動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩減小直至為0并穩(wěn)定運(yùn)行。在突加負(fù)載后，通過(guò)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩突增并超過(guò)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定值，以保證電機(jī)正常運(yùn)行，逐漸穩(wěn)定后輸出轉(zhuǎn)矩回落到給定值，輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。012345678910圖4-3電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te仿真圖電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)子磁鏈仿

12、真結(jié)果電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度Wr和轉(zhuǎn)子磁鏈Psir仿真結(jié)果分別如圖4-4和4-5所示。可見(jiàn)，電機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速成線性上升，當(dāng)上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出由于積分作用還維持在幅值。轉(zhuǎn)速超調(diào)后使得ASR退飽和從而穩(wěn)定在給定值。突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)速下降，但由于采用的是PI調(diào)節(jié)器，它具有消除靜差的作用，所以轉(zhuǎn)速很快上升繼續(xù)保持在給定值。轉(zhuǎn)子磁鏈Psir建立后，幾乎為恒值，在突加負(fù)載后，磁鏈有一個(gè)小幅度的上升，但在電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)作用下，磁鏈Psir很快恢復(fù)到給定值，并在此狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。160140120_100806040一200L00.511.522.533.544.5圖4-4910電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度Wr仿真結(jié)