異步電機矢量控制設(shè)計

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1、異步電機的矢量控制設(shè)計及仿真前言異步電機的矢量控制設(shè)計及仿真在矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之前，交流調(diào)速系統(tǒng)多為V/f比值恒定控制方法，又常稱為標量控制。采用這種方法在低速及動態(tài)（如加減速）、加減負載等情況時，系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的缺陷，所以交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性、啟動、低速時的轉(zhuǎn)矩動態(tài)相應(yīng)都不如直流調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機控制技術(shù)全面從標量控制轉(zhuǎn)向了矢量控制，采用矢量控制的交流電機完全可以和直流電機的控制效果相媲美，甚至超過直流調(diào)速系統(tǒng)。矢量變換控制(以下簡稱VC)技術(shù)的誕生和發(fā)展為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展提供了理論基

2、礎(chǔ)。交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合的被控對象，采用了參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實現(xiàn)交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程。這就使得交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為可能。實踐證明，采用矢量控制方法的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直流調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制原理的出現(xiàn)也促進了其它控制方法的產(chǎn)生，如多變量解耦控制等方法。七十年代初期，西門子公司的F.Blashke和W.Flotor提出了“感應(yīng)電機磁場

3、定向的控制原理”，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定子電流按轉(zhuǎn)子磁鏈空間方向分解成為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，這樣就可以達到對交流電機的磁鏈和電流分別控制的目的,得到了類似于直流電機的模型,然后模擬直流電機進行控制，可以獲得良好的靜、動態(tài)調(diào)速性能。本文分析異步電機的數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理的基礎(chǔ)上,利Matlab/Simulink中SimPowerSystems模塊,采用模塊化的思想分別建立了交流異步電機模塊、矢量控制器模塊、坐標變換模塊、磁鏈調(diào)節(jié)器模塊、速度調(diào)節(jié)模塊,再進行功能模塊的有機整合,構(gòu)成了按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢

4、量控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)靜差小、抗負載擾動能力強,驗證了交流電機矢量控制的可行性、有效性。1.異步電機的VC原理1.1坐標變換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(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電機、、，通過3/2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(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺直流電動機。把

5、上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速，是一臺異步電動機。從結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部看，經(jīng)過3／2變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)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結(jié)構(gòu)圖1.2矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既然異步電動機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電動機，那么，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(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，就能夠控制異步電動機了，矢量控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定

6、信號和電樞電流的給定信號，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到和，再經(jīng)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(diào)速所需的三相變頻電流。圖2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖1.3異步電動機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學(xué)模型電壓方程：（1）磁鏈方程：（2）轉(zhuǎn)矩方程：（3）運動方程：（4）兩相旋轉(zhuǎn)坐標系α-β到兩相靜止坐標系d-q變換為:（5）兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到d-q兩相靜止坐標系α-β變換為:（6）兩相靜止坐標系到三相靜止的坐標變換和變換2/3為：（7）當把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系磁鏈定向在同步旋

7、轉(zhuǎn)坐標系M-T坐標系的M軸，應(yīng)有（8）由此可得交流異步電機矢量解耦控制的控制方程：（9）（10）（11）（12）（13）式中--定子、轉(zhuǎn)子電阻--定子側(cè)電感、轉(zhuǎn)子側(cè)電感、定轉(zhuǎn)子間互感、定子繞組電感和轉(zhuǎn)子繞組電感；--定子頻率的同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速、和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；--轉(zhuǎn)子磁鏈角--電壓、電流和磁鏈；下標s、d—表示定子、轉(zhuǎn)子；下標d、q—表示d軸、q軸；np—極對數(shù)；Tr—轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；J—機組轉(zhuǎn)動慣量；Te，Tm==電磁轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩；F—阻轉(zhuǎn)矩摩擦系數(shù)；P—微分算子；由上式可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈只由定子電流勵磁分量決定，當轉(zhuǎn)子

8、磁鏈達到穩(wěn)態(tài)并不變時，電磁轉(zhuǎn)矩只由定子電流轉(zhuǎn)矩分量決定，此時磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別由勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量獨立控制，實現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。只要合理的確定兩個分量便能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的瞬時控制和轉(zhuǎn)速的高精度跟蹤。2基于Matlab/simulink異步電機VC的仿真其中矢量控制模型如下：圖1：矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖由圖中可知ASR為轉(zhuǎn)速