轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真

轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真,轉(zhuǎn)速,閉環(huán)控制,矢量,控制系統(tǒng),原理,分析,matlab,仿真 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)原理分析及MATLAB仿真 摘 要 因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，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(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。如果把異步電動(dòng)機(jī)模型解耦成有磁鏈和轉(zhuǎn)速分別控制的簡(jiǎn)單模型，就可以模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制模型來控制交流電動(dòng)機(jī)。 直接矢量控制就是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。并用MATLAB最終得到了仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：矢量控制，非線性，MATLAB仿真 Speed and flux vector control system for closed-loop control theory analysis and MATLAB simulation ABSTRACT Because asynchronous motor's physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonlinear simultaneous equation to describe, therefore controls extremely inconveniently. The reason that asynchronous machine's physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separately, may simulate direct current motor's control model to control the motor. The direct vector control is one superior alternating current machine control mode, it simulates direct current machine's control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares favorably with the direct current machine. This article has studied in the vector control system the flux linkage regulator's design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB. KEY WORDS: Vector Control, Misalignment, MATLAB simulation 4 目　錄 前　言 1 第1章 矢量控制的基本原理 2 1.1 坐標(biāo)變換的基本思路 2 1.2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 第2章 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及解耦控制 4 第3章 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 7 3.1 帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng) 7 3.2 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng) 8 第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 9 4.1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真 11 結(jié)　論 16 參考文獻(xiàn) 17 附 錄 18 前　言 矢量控制是一種優(yōu)越的交流電機(jī)控制方式，它模擬直流電機(jī)的控制方式使得交流電機(jī)也能取得與直流電機(jī)相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。首先簡(jiǎn)單介紹了矢量控制的基本原理， 給出了矢量控制系統(tǒng)框圖，然后著重介紹了矢量控制系統(tǒng)中磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和仿真過程。仿真結(jié)果表明調(diào)節(jié)器具有良好的磁鏈控制效果。 因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合、的多變量系統(tǒng)，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(jī)的物理模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵在于各個(gè)磁通間的耦合。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就簡(jiǎn)單多了。從物理模型上看，直流電機(jī)分為空間相互垂直的勵(lì)磁繞組和電樞繞組，且兩者各自獨(dú)立，互不影響。正是由于這種垂直關(guān)系使得繞組間的耦合十分微小、，我們可以認(rèn)為磁通在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程中完全恒定。這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制比較簡(jiǎn)單的根本原因。 如果能將交流電機(jī)的物理模型等效變換成類似直流電機(jī)的模式，仿照直流電機(jī)進(jìn)行控制，那么控制起來就方便多了，這就是矢量控制的基本思想。 第1章 矢量控制的基本原理 矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以腔制，并同時(shí)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(biāo)變換的基本思路 坐標(biāo)變換的目的是將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，這樣變換后，分析和控制交流電動(dòng)機(jī)就可以大大簡(jiǎn)化。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)系上的直流電流和。如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就好像是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。 把上述等效關(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(tái)異步電動(dòng)機(jī)。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(tái)由和輸入，由輸出的直流電動(dòng)機(jī)。 圖1 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)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(dòng)機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動(dòng)勢(shì))的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)(VectorControlSystem)，簡(jiǎn)稱VC系統(tǒng)。VC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(hào)經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換一得到和，再經(jīng)過2／3變換得到、和。把這三個(gè)電流控制信號(hào)和由控制器得到的頻率信號(hào)加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電動(dòng)機(jī)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 在設(shè)計(jì)VC系統(tǒng)時(shí)，如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，并認(rèn)為在控制器后面的反旋轉(zhuǎn)變換器與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR相抵消，2／3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3／2變換環(huán)節(jié)相抵消，則圖2中虛線框內(nèi)的部分可以刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了?？梢韵胂?，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 第2章 按轉(zhuǎn)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基本思路，其中的矢量變換包括三相一兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換。實(shí)際上異步電動(dòng)機(jī)具有定子和轉(zhuǎn)子，定、轉(zhuǎn)子電流都得變換，情況更復(fù)雜一些，要研究清楚還必須從分析動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型開始。 如前所述，取d軸為沿轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较颍Q作M(Magnetization)軸，再逆時(shí)針轉(zhuǎn)就是q軸，它垂直于矢量，又稱T(Torque)軸。這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系稱作M、T坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向(Field Orientation)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，應(yīng)有 2-1 代入轉(zhuǎn)矩方程式和狀態(tài)方程式，并用m、t代替d、q，即得 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 由于，狀態(tài)方程中的蛻化為代數(shù)方程，將它整理后可得轉(zhuǎn)差公式 2-8 這使?fàn)顟B(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表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無關(guān)，從這個(gè)意義上看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。 式2-10還表明，與之問的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)Tr為轉(zhuǎn)子磁鏈勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)，當(dāng)勵(lì)磁電流分量突變時(shí)，的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)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(gòu)成矢量控制基本方程式，按照這組基本方程式可將異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型繪成圖3的結(jié)構(gòu)形式，由圖可見，兩個(gè)子系統(tǒng)之間仍舊是耦合著的，由于Te同時(shí)受到和的影響。 圖3 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型 按照矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖模仿直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，可設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制和，如圖4a所示。把ASR的輸出信號(hào)除以，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對(duì)消，且變頻器的滯后作用可以忽略時(shí)，此處的(÷)便可與電機(jī)模型中的(×)對(duì)消，兩個(gè)子系統(tǒng)就完全解耦了。這時(shí)，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)如圖4b。 應(yīng)該注意，在異步電動(dòng)機(jī)矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈和它的相位角都是在電動(dòng)機(jī)中實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量卻難以直接測(cè)得，只能采用磁鏈模型計(jì)算，在圖4a中冠以符號(hào)“^”以示區(qū)別。因此，上述兩個(gè)子系統(tǒng)的完全解耦只有在下面三個(gè)假定條件下才能成立：(1)轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值等于其實(shí)際值：(1)轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值等于其實(shí)際值 (2)轉(zhuǎn)子磁鏈定向角的計(jì)算值等于其實(shí)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(tǒng) a）矢量控制系統(tǒng) b）兩個(gè)等效的線性子系統(tǒng) ——磁鏈調(diào)節(jié)器 ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器  第3章 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 對(duì)解耦后的轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)分別進(jìn)行閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱作直接矢量控制系統(tǒng)。采用不同的解耦方法可以獲得不同的直接矢量控制系統(tǒng)。 3.1 帶磁鏈除法環(huán)節(jié)的直接矢量控制系統(tǒng) 在前述的圖4a中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出帶“÷”環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)可以在有關(guān)假定條件下(見上節(jié)指出的三個(gè)假定條件)簡(jiǎn)化成完全解耦的與兩個(gè)子系統(tǒng)(模型在圖中略去未畫)，這是一種典型的直接矢量控制系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)都是單變量系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法和直流調(diào)速系統(tǒng)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(nèi)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(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng) 另外一種提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)解耦性能的辦法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，圖6繪出了一種實(shí)際的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)，其中主電路選擇了電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器，這只是一種示例，也可以用帶電流內(nèi)環(huán)的電壓源型變頻器。系統(tǒng)中還畫出了轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速環(huán)節(jié)，磁鏈給定信號(hào)由函數(shù)發(fā)生程序獲得。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，弱磁時(shí)它也受到磁鏈給定信號(hào)的控制。 圖6 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)  第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 4.1 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 以典型I型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)為了將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表示成典型I型系統(tǒng)的形式，磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為一個(gè)PI調(diào)節(jié)器與一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，即 其中、、待定。于是磁鏈閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 。當(dāng)取=時(shí)，整理可得 …（7），顯然這是典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)形式。為了便于仿真，假設(shè)電機(jī)參數(shù)如下： 定子互感和轉(zhuǎn)子互感：L_m=34.7e-3 定子電阻：R_s=0.087 轉(zhuǎn)子電阻：R_r=0.228 定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感：L_lr=L_ls=0.8e-3 極對(duì)數(shù)：n_p=2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=1.662 轉(zhuǎn)子磁鏈：Psi_r=1 代入上述數(shù)值到G(s)可得 。易知該I型系統(tǒng)的阻尼比和振蕩頻率有如下關(guān)系：…（8）。若今要求磁鏈調(diào)節(jié)曲線超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間。根據(jù)自動(dòng)控制理論，一旦超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間確定了，典型I型系統(tǒng)的特征參數(shù)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(zhuǎn)子磁鏈的開環(huán)傳遞函數(shù)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(shè)計(jì)要求。 圖7 轉(zhuǎn)子磁鏈的開環(huán)傳遞函數(shù)波德圖 4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真 在MATLAB下作系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。 圖8 MATLAB下作系統(tǒng)仿真模型 各個(gè)子模塊的仿真模型如圖9~13所示。 圖9電流滯環(huán)脈沖發(fā)生 圖10按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型 圖11 磁鏈調(diào)節(jié)器的模型 圖12 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型 圖13 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的模型 仿真結(jié)果 圖14 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果 圖15 電機(jī)三相電流波形 圖16 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出結(jié)果 圖17 電流調(diào)節(jié)器輸出波形 圖18 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形 18 結(jié)　論 由于磁鏈具有難觀測(cè)的特點(diǎn)，所以采用MATLAB仿真研究是一個(gè)很好且很方便的方法。但是MATLAB畢竟是軟件模擬實(shí)現(xiàn)，僅僅從原理上證實(shí)了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，我們還必須搭建實(shí)際系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試才能最終確定合適的調(diào)節(jié)器模型參數(shù)。參數(shù)選擇見附錄。 從仿真結(jié)果上看，在0.35s時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，在0.5s時(shí)給電機(jī)加上負(fù)載，其轉(zhuǎn)速有所下降，但很快就能恢復(fù)，說明該電機(jī)的調(diào)速性能還是不錯(cuò)的。從轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間來看，它的響應(yīng)時(shí)間也能滿足要求。 參考文獻(xiàn) [1]陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)．機(jī)械工業(yè)出版社．2004． [2]李德華．電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)(運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng))．電子工業(yè)出版社．2006 [3]裴潤(rùn)，宋申明．自動(dòng)控制原理(上冊(cè))．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社．2006． [4]黃忠霖．自動(dòng)控制原理的MATLAB實(shí)現(xiàn)．國(guó)防工業(yè)出版社．2007． [5]馮垛生，曾岳南．無速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐．2006．  附 錄 仿真參數(shù)一覽表： 電動(dòng)機(jī)選擇：380V、50Hz、兩對(duì)磁極 逆變器電源為510V 定子繞組自感 轉(zhuǎn)子繞組自感 漏磁系數(shù) 轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) PI調(diào)節(jié)器參數(shù) 20