基于MATLAB的感应电机矢量控制系统的仿真

理上不存在 ,我们还必须再经坐标变换 , 从旋转坐标系回到 静止坐标系 ,把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给 定量 ,在定子坐标系对交流量进行控制 , 使其实际值等于给 定值 。整个矢量控制过程可用图 1表示 。
图 1 矢量控制过程框图
2. 2 感应电机解耦模型
感应电动机的解耦控制是从感应电动机的数学模型出
= 26. 526N ·m; 1. 5s后减负载 , 使得总的负载转矩 TL = 16.
526N·m。所得到的机械角速度 、电磁转矩以及解耦后的电
流 d轴和 q轴分量波形如图 4所示 。
进行调节并达到稳定 。1s后负载的加入使转速稍微下降但 很快就能跟踪上给定转速 ,电磁转矩相应的增加 。1. 5s后加 入减负载 ,使得转速稍有增加并很快调节到给定转速 , 电磁 转矩相应下降 ,同时很快稳定 。说明此调速性能的抗扰性能 好 。从图 4中还可以看出 ,在负载转矩变化过程中定子电流 的 q轴分量随着负载转矩的变化而相应的变化 ,而 d轴分量 基本保持不变 ,这是因为转子磁场定向的感应电机定子电流 的 d轴分量用于建立主磁通 ,而定子电流的 q轴分量产生的 磁通用于抵消转子电流产生的磁通 ,感应电机基本上实现了 完全解耦控制 。
2 感应电机矢量控制系统的仿真模型
感应电机矢量控制变频调速系统中 ,逆变器 、异步电动 机及矢量控制器是关键部分 。因此 ,对整个系统在数学建模 时 ,需要分别考虑异步电动机模型 、逆变器以及矢量控制技 术在 MATLAB中的实现 。 2. 1 异步电机的矢量控制理论
异步电机定子通过三相平衡电流 iA 、iB 、iC 和两相垂直的
电压解耦型的异步电动机模型方程如下所示 。方程式 ( 3) 、
( 5) 、( 6)表达了这种解耦关系 。转子磁场定向电压解耦型
的异步电动机模型可写为 [1 ] :
u sd
=ri s sd
+δL
s
·
i ds
-
ω m
rL
s
i
sq
+ 1
+1δrψ· r
(1)
usq
= rs isq
+δL
s
·
i sq
+ωm rδL s isd
第 23卷 第 4期 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2006) 04 - 0326 - 04
计 算 机 机矢量控制系统的仿真
尉冰娟 ,王明渝 ,张淑国
(重庆大学高电压电工新技术教育部重点实验室 ,重庆 400044)
摘要 :该文根据感应电机矢量控制的基本原理 ,基于 MATLAB / SIMUL INK构造了电压型 SPWM 逆变器供电的感应电机按转 子磁场定向的矢量控制系统的仿真模型 。通过仿真试验验证了模型的正确性 ,并分析验证了该文所建立的调速系统具有快 速的启动性能及良好的抗扰动性能 ,基本上实现了完全解耦控制 ;另外 ,分析了感应参数变化对调速系统的影响 ,说明转子 电阻及励磁电感等参数对获得良好的调速系统的性能的重要性 。该模型可通用于笼型异步电机 ,在使用时只需输入不同的 电机参数即可 。 关键词 :感应电机 ;矢量控制 ;仿真 ;参数变化 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 : B
达式为 :
u dx
=
-
ω m
rδL s
i
sq
=
-
ω m
rL
′s isy
(9)
udy =ωm rL ′s isx + (Ls - L ′s )ωm r | im r |
( 10)
式中 , L ′s为定子暂态电感 L ′s = (Ls - Lm2 /L r ) , | im r |为转子励
磁电流的模 。我们以此解耦分量建立感应电机的解耦电路
图如图 3所示 。图 3中包含了坐标转换模块 ,电压控制型变
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图 3 感应电机矢量控制系统仿真模型
频器模块 , SPWM模块 ,磁通模型 ,解耦模型以及速度和转矩 等的 PI调节器等模型 ,这些模块可由 SIMUL INK模型库分别 建立 ,然后封装成 Subsystem。
3 仿真实验
d和 q轴分量 ; Tr - 转子时间常数 ; Te - 电磁转矩 ;δ- 定子电
感因数 ,δ= 1 - Lm2 /L rLs;δr - 转子漏磁因数 ,δr = 1 - L r /Lm 。 在感应电动机的模型中 , 由于转子磁场定向控制的结
果
, 工程上可以认为
ψ r
=常数
, 这样感应电动机的电压方程
可写为 :
usd
= rs isd
+δL
s
·
i sd
-
ω m
rδL s
isq
(7)
usq
=
rs isq
+δL
s
·
i sq
+ωm rδLs
ω + 1 +mδr rψr
(8)
方程式 ( 7) 、( 8) 分别为异步电动机的交 、直轴电压方
程 。从异步电动机的交 、直轴电压方程可以看到 , 当转子磁
通恒定时 ,转子磁场定向的感应电机解耦电压分量的一般表
仿真实验 1:对图 3所示模型进行仿真
仿真所选的电机参数为 : P = 4KW , p = 2, Rs = 1. 37Ω, R r
= 1. 1Ω, Lm = 0. 14122H, Lds = 0. 004872611H, Ldr =
010079577471H,
ω e
= 303.
441665 rad / s,
平衡电流 αi 、βi 可产生等效的旋转磁场 。因而三相平衡电流 iA 、iB 、iC 和两相电流 αi 、βi 之间存在着确定的矢量变换关系 。 以产生同样的旋转磁场为准则 ,在三相定子坐标系下的定子 电流 iA 、iB 、iC 通过三相 /二相坐标变换可以等效成两相静止 坐标系下的交流电流 αi 、βi 。再通过按转子磁场定向的旋转 变换 ,可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流 id、iq。这样 就实现了电流励磁分量与转矩分量之间的解耦 ,从而达到对 交流电机的磁链和电流分别控制的目的 。 d - q绕组相当于 直流电机的励磁绕组和电枢绕组 。由于这些被控矢量在物
发 ,应用现代控制理论中的解耦控制方法 , 通过状态反馈 , 使
得原来复杂的多变量 、非线性 、强耦合的系统解耦线性化 , 以
实现电动机的转速与转子磁链之间的动态解耦 。对于感应
型的交流电动机 ,有定子磁场 、气隙磁场和转子磁场三种磁
场定向方式 ,但以转子磁场定向构成的系统不仅可使电动机
的转矩控制和励磁控制完全解耦且较易实现 ,转子磁场定向
的机理 ,首先要获得正弦波和三角波两种信号 ,但是在 SIM 2
UL INK中没有提供三角波的模块 ,这里通过查表的方法来产
生 。然后根据自然采样法让三角波和正弦波相比较 ,在交点
处产生方波 。这样就得到图 2所示的 SPWM 功能模块 。
图 2 SPWM 功能模块
2. 4 磁通模型 转子磁场定向参照系下的磁通模型的建立方程如方程
1 引言
70年代初提出的矢量控制方法 ,通过坐标变换和磁场定 向控制 ,把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁 场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量 ,从而实现两 者之间的解耦 ,得到类似于直流电机的转矩模型 ,并可仿照 直流电机进行快速的转矩控制和磁通控制 ,使系统动态性能 得到显著改善 ,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的 进展 。目前 ,运用矢量控制已成为当今交流变频调速系统的 主流 。MATLAB提供的 SIMUL INK是一个用来对动态系统 进行建模 、仿真和分析的软件包 ,它具有模块化 、可重栽 、可 封装 、面向结构图编程及可视化等特点 ,可大大提高系统仿
+ωm r1
+1δrψr
(2)
·
isd = im r + Tr im r
(3)
ω mr
=ωr
i
+ sq
Tr
i
m
r
(4)
Te
= 1
+1δrLm
im r isq
(5)
ψ r
= Lm
im r
(6)
式中 u, i - 电压和电流 ; L, r,ω - 电感 、电阻 、角速度和磁链 ;
下标 s, r, m - 定 、转子和磁场量 ;下标 d, q - 旋转坐标系的轴
来实现电机的矢量控制 。首先将电机的三相定子电流经过
3 /2变换转换为转子磁通空间相量 ,将直轴电流分量输入磁 通模型计算出磁通量 。用转速参考量和电机的测量转速差
经 P I调节器获得电机转矩参考量 。由于本设计中采用的是 电压控电压型逆变器 ,于是需要将电流参考量转化为电压参 考量 ,所以经过一个解耦电路和 P I调节器就获得了直轴和 交轴的电压参考 ,将电压参考量变换后就获得了电机需要的 定子电压 。转子磁场定向的感应电动机矢量控制系统原理
收稿日期 : 2005 - 03 - 18
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真的效率和可靠性 。在多种矢量控制方法中 , 按转子磁场 定向的矢量控制运用较为普遍 ,本文将结合这种矢量控制和 SIMUL INK的特点 ,介绍一种感应电机按转子磁场定向的矢 量控制系统的建模仿真方法模型 ,利用仿真模型 ,进行控制 系统的仿真实验 。为同类调速系统提供有效 、可靠的研究分 析依据 。
S im ula tion of Vector Con trol System of Induction M ach ine Ba sed on M ATLAB
W E I B ing - juan,WAN G M ing - yu, ZHAN G Shu - guo
(H igh voltage and electric engineering new technology, Key laboratory of m inistry of education, ChongqingUniversity, Chongqing 400044, China)