摘要IV.z轉速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統原理分析及MATLAB仿真摘要因為異步電動機的物理模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，需要用一組非線性方程組來描述，所以控制起來極為不便。異步電機的物理模型之所以復雜，關鍵在于各個磁通間的耦合。如果把異步電動機模型解耦成有磁鏈和轉速分別控制的簡單模型，就可以模擬直流電動機的控制模型來控制交流電動機。直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機控制方式，它模擬直流電機的控制方式使得交流電機也能取得與直流電機相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統中磁鏈調節(jié)器的設計方法。并用MATLAB最終得到了仿真結果。關鍵詞：矢量控制，非線性，MATLAB仿真Speedandflu*vectorcontrolsystemforclosed-loopcontroltheoryanalysisandMATLABsimulationABSTRACTBecauseasynchronousmotor'sphysicalmodelisahigherorder,themisalignment,theclosecouplingmany-variablesystem,needstouseagroupofnonlinearsimultaneousequationtodescribe,thereforecontrolse*tremelyinconveniently.Thereasonthatasynchronousmachine'sphysicalmodelisple*,thekeyliesduringeachmagneticflu*thecoupling.Ifbeestheasynchronousmotormodeldecouplinghasthesimplemodelwhichtheflu*linkageandtherotationalspeedcontrolseparately,maysimulatedirectcurrentmotor'scontrolmodeltocontrolthemotor.Thedirectvectorcontrolisonesuperioralternatingcurrentmachinecontrolmode,itsimulatesdirectcurrentmachine'scontrolmodetoenablethealternatingcurrentmachinealsotoobtainthecontroleffectwhichparesfavorablywiththedirectcurrentmachine.Thisarticlehasstudiedinthevectorcontrolsystemtheflu*linkageregulator'sdesignmethod.AndobtainedthesimulationresultfinallywithMATLAB.KEYWORDS:VectorControl,Misalignment,MATLABsimulation前言-.z目錄前言1第1章矢量控制的根本原理21.1坐標變換的根本思路21.2矢量控制系統構造3第2章按轉子磁鏈定向的矢量控制方程及解耦控制4第3章轉速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統73.1帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統73.2帶轉矩內環(huán)的直接矢量控制系統8第4章控制系統的設計與仿真94.1矢量控制系統的設計94.2矢量控制系統的仿真11結論16參考文獻17附錄18-.z前言矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機控制方式，它模擬直流電機的控制方式使得交流電機也能取得與直流電機相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統中磁鏈調節(jié)器的設計方法。首先簡單介紹了矢量控制的根本原理，給出了矢量控制系統框圖，然后著重介紹了矢量控制系統中磁鏈調節(jié)器的設計和仿真過程。仿真結果說明調節(jié)器具有良好的磁鏈控制效果。因為異步電動機的物理模型是一個高階、非線性、強耦合、的多變量系統，需要用一組非線性方程組來描述，所以控制起來極為不便。異步電機的物理模型之所以復雜，關鍵在于各個磁通間的耦合。直流電機的數學模型就簡單多了。從物理模型上看，直流電機分為空間相互垂直的勵磁繞組和電樞繞組，且兩者各自獨立，互不影響。正是由于這種垂直關系使得繞組間的耦合十分微小、，我們可以認為磁通在系統的動態(tài)過程中完全恒定。這是直流電機的數學模型及其控制比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型等效變換成類似直流電機的模式，仿照直流電機進展控制，則控制起來就方便多了，這就是矢量控制的根本思想。第1章標題-.z第1章矢量控制的根本原理矢量控制實現的根本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進展控制，從而到達控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以腔制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。1.1坐標變換的根本思路坐標變換的目的是將交流電動機的物理模型變換成類似直流電動機的模式，這樣變換后，分析和控制交流電動機就可以大大簡化。以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電流、、，通過三相——兩相變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流和，再通過同步旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉，他所看到的就好似是一臺直流電動機。把上述等效關系用構造圖的形式畫出來，得到圖l。從整體上看，輸人為A，B，C三相電壓，輸出為轉速，是一臺異步電動機。從構造圖內部看，經過3／2變換和按轉子磁鏈定向的同步旋轉變換，便得到一臺由和輸入，由輸出的直流電動機。圖1異步電動機的坐標變換構造圖1.2矢量控制系統構造既然異步電動機經過坐標變換可以等效成直流電動機，則，模仿直流電動機的控制策略，得到直流電動機的控制量，再經過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電動機了。由于進展坐標變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現的控制系統就稱為矢量控制系統(VectorControlSystem)，簡稱VC系統。VC系統的原理構造如圖2所示。圖中的給定和反響信號經過類似于直流調速系統所用的控制器，產生勵磁電流的給定信號和電樞電流的給定信號，經過反旋轉變換一得到和，再經過2／3變換得到、和。把這三個電流控制信號和由控制器得到的頻率信號加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電動機調速所需的三相變頻電流。圖2矢量控制系統原理構造圖在設計VC系統時，如果忽略變頻器可能產生的滯后，并認為在控制器后面的反旋轉變換器與電機內部的旋轉變換環(huán)節(jié)VR相抵消，2／3變換器與電機內部的3／2變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖2中虛線框內的局部可以刪去，剩下的就是直流調速系統了。可以想象，這樣的矢量控制交流變壓變頻調速系統在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調速系統相媲美。REF_Ref168484390\r\h錯誤！未找到引用源。REF_Ref168484424\h錯誤！未找到引用源。-PAGE6.z第2章按轉子磁鏈定向的矢量控制方程及解耦控制上節(jié)的定性分析是矢量控制的根本思路，其中的矢量變換包括三相一兩相變換和同步旋轉變換。實際上異步電動機具有定子和轉子，定、轉子電流都得變換，情況更復雜一些，要研究清楚還必須從分析動態(tài)數學模型開場。如前所述，取d軸為沿轉子總磁鏈矢量的方向，稱作M(Magnetization)軸，再逆時針轉就是q軸，它垂直于矢量，又稱T(Torque)軸。這樣的兩一樣步旋轉坐標系稱作M、T坐標系，即按轉子磁鏈定向(FieldOrientation)的旋轉坐標系。當兩一樣步旋轉坐標系按轉子磁鏈定向時，應有2-1代入轉矩方程式和狀態(tài)方程式，并用m、t代替d、q，即得2-22-32-42-52-62-7由于，狀態(tài)方程中的蛻化為代數方程，將它整理后可得轉差公式2-8這使狀態(tài)方程又降低了一階。由式可得2-9則2-10或2-11式2-10或2-11說明，轉子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產生，與轉矩分量無關，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉矩分量是解耦的。式2-10還說明，與之問的傳遞函數是一階慣性環(huán)節(jié)，其時間常數Tr為轉子磁鏈勵磁時間常數，當勵磁電流分量突變時，的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電動機勵磁繞組的慣性作用是一致的。式2-10或式2-11、式2-8和式(2-2)構成矢量控制根本方程式，按照這組根本方程式可將異步電動機的數學模型繪成圖3的構造形式，由圖可見，兩個子系統之間仍舊是耦合著的，由于Te同時受到和的影響。圖3異步電動機矢量變換與電流解耦數學模型按照矢量控制系統原理構造圖模仿直流調速系統進展控制時，可設置磁鏈調節(jié)器和轉速調節(jié)器ASR分別控制和，如圖4a所示。把ASR的輸出信號除以，當控制器的坐標反變換與電機中的坐標變換對消，且變頻器的滯后作用可以忽略時，此處的(÷)便可與電機模型中的(×)對消，兩個子系統就完全解耦了。這時，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統可以看成是兩個獨立的線性子系統如圖4b。應該注意，在異步電動機矢量變換模型中的轉子磁鏈和它的相位角都是在電動機中實際存在的，而用于控制器的這兩個量卻難以直接測得，只能采用磁鏈模型計算，在圖4a中冠以符號“^〞以示區(qū)別。因此，上述兩個子系統的完全解耦只有在下面三個假定條件下才能成立：(1)轉子磁鏈的計算值等于其實際值：(1)轉子磁鏈的計算值等于其實際值(2)轉子磁鏈定向角的計算值等于其實際值；(3)忽略電流控制變頻器的滯后作用。a〕b〕圖4帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢量控制系統a〕矢量控制系統b〕兩個等效的線性子系統——磁鏈調節(jié)器ASR——轉速調節(jié)器第3章轉速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統對解耦后的轉速和磁鏈兩個獨立的線性子系統分別進展閉環(huán)控制的系統稱作直接矢量控制系統。采用不同的解耦方法可以獲得不同的直接矢量控制系統。3.1帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統在前述的圖4a中，轉速調節(jié)器輸出帶“÷〞環(huán)節(jié)，使系統可以在有關假定條件下(見上節(jié)指出的三個假定條件)簡化成完全解耦的與兩個子系統(模型在圖中略去未畫)，這是一種典型的直接矢量控制系統。兩個子系統都是單變量系統，其調節(jié)器的設計方法和直流調速系統相似。電流控制變頻器可以采用電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器(圖5a)，也可采用帶電流內環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器(圖5b)圖5電流控制變頻器3.2帶轉矩內環(huán)的直接矢量控制系統另外一種提高轉速和磁鏈閉環(huán)控制系統解耦性能的方法是在轉速環(huán)內增設轉矩控制內環(huán)，圖6繪出了一種實際的帶轉矩內環(huán)的直接矢量控制系統，其中主電路選擇了電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器，這只是一種例如，也可以用帶電流內環(huán)的電壓源型變頻器。系統中還畫出了轉速正、反向和弱磁升速環(huán)節(jié)，磁鏈給定信號由函數發(fā)生程序獲得。轉速調節(jié)器ASR的輸出作為轉矩給定信號，弱磁時它也受到磁鏈給定信號的控制。圖6帶轉矩內環(huán)的直接矢量控制系統第4章控制系統的設計與仿真4.1矢量控制系統的設計以典型I型系統來設計為了將系統開環(huán)傳遞函數表示成典型I型系統的形式，磁鏈調節(jié)器設計為一個PI調節(jié)器與一個慣性環(huán)節(jié)串聯，即其中、、待定。于是磁鏈閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數為。當取=時，整理可得…〔7〕，顯然這是典型I型系統的開環(huán)傳遞函數形式。為了便于仿真，假設電機參數如下：定子互感和轉子互感：L_m=34.7e-3定子電阻：R_s=0.087轉子電阻：R_r=0.228定子漏感和轉子漏感：L_lr=L_ls=0.8e-3極對數：n_p=2轉動慣量：J=1.662轉子磁鏈：Psi_r=1代入上述數值到G(s)可得。易知該I型系統的阻尼比和振蕩頻率有如下關系：…〔8〕。假設今要求磁鏈調節(jié)曲線超調量、調節(jié)時間。根據自動控制理論，一旦超調量和調整時間確定了，典型I型系統的特征參數和可由確定，于是可解得=0.6901、=62.6483，再將和代入〔8〕式解得、=0.0116，=202.77，=0.2316。在MATLAB下作開環(huán)轉子磁鏈的開環(huán)傳遞函數G(s)〔〔7〕式〕的波德圖如圖7。圖中可以看出相角裕量約為.滿足工程設計要求。圖7轉子磁鏈的開環(huán)傳遞函數波德圖4.2矢量控制系統的仿真在MATLAB下作系統仿真模型，如圖8所示。圖8MATLAB下作系統仿真模型各個子模塊的仿真模型如圖9~