基于MatlabSimulink的异步电机矢量控制系统仿真电气自动化专业.doc

基于 Matlab/Simulink 的异步电机矢量控制系统仿真 摘 要 在异步电机的数学模型分析中以及矢量控制系统的基础之上，利用Matlab/Simulink运用建立模块的思想分别组建了坐标变换模块、PI调节模块、转子磁链个观测模块、SVPWM等模块，然后将这些模块有机的结合，最后构成了异步电动机矢量控制的仿真模块，并且进行了仿真验证。仿真结果分别显示了电机空载与负载情况下转矩、转速的动态变化曲线，验证了该方法的有效性、实用性，为电机在实际使用中打下了坚实的基础。 本文主要研究异步电机在矢量控制下的仿真。使用Matlab/Simulink中的电气系统模块(PowerSystem Blocksets)将其重组得到新的模型并对其仿真，最后分析仿真结果得出结论。 关键词: 异步电机 矢量控制 MATLAB/SIMULINK 变频调速 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 电机及电力拖动技术的发展概况 1 1.2 异步电动机的控制技术现状 3 1.3 仿真软件的简介及其选择 5 1.4 论文的主要内容及结构安排 8 2 异步电动机的数学模型 9 2.1 异步电动机的稳态数学模型 9 2.2 异步电动机的动态数学模型 12 2.3 本章小结 14 3 矢量控制系统基本思路 15 3.1 矢量控制的基本原理 15 3.2 坐标变换 16 3.3 SVPWM调制……………………………………………………………………………………………………………….21 3.3本章小结 23 4 异步电机矢量控制系统仿真 24 4.1矢量控制系统模型 24 4.2仿真结果与分析 28 4.5本章小结 33 5结论与展望 34 5.1结论 34 5.2后续研究工作的展望 35 参考文献 36 致谢 37 20 1 绪论 交流异步电动机是一个非线性、强耦合、高阶的多变量系统。有着复杂的数学模型，可以把他化为简单的线性结构进行分析，但是因为动态稳定性的问题，致使在分析中难以得到准确的数据。直到20世纪80年代初德国西门子公司F.Blaschke等提出了矢量控制的方法[1][2]，大大提高了它稳定性。所谓矢量控制就是以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现对交流电动机转速和磁链控制的完全解耦达到与直流电动机一样的调速性能。异步电机矢量控制系统经过近几十年的发展，其控制方法已经渐渐地成熟。目前在对异步电动机进行控制时，往往需要借助仿真，才能更精准的了解控制系统，并且实现现实中对电机的控制与调速。 1.1 电机及电力拖动技术的发展概况 (1)异步电机的矢量控制 1972年，德国学者Blascheke提出了一种新的解决方案，现在称它为矢量控制。它分析电机的动态和稳态数学模型，在改变坐标的方式下，把交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，即模仿自然解耦的直流它励电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。想要的到直流电机模型，多数采用由转子磁链的同步旋转坐标系时，把定子电流分解成励磁分量与转矩分量。改变了定子电流矢量在旋转坐标系下位置和大小，与此同时通过对励磁电流分量和转矩电流分量大小控制，实现对磁场和转矩的解耦控制。 (2)异步电机直接转矩控制 矢量变换控制理论的提出，直接使交流调速取代了直流调速，提高了学者们对调速系统的研究热情。80年代开始了交流调速热，也因为矢量控制一些新的改良的调速方案相继出现。1985年另一位德国学者Depenbrock提出了种异步电动机的直接自控制理论(Direct Self-Control )通常称为直接转矩控制法。他的特点是快速控制转速转差。它是在定子坐标系下，通过矢量控制，对定子磁链方向，简单地通过检测到的定子电压，直接就在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链与转矩，获得转矩的高动态性能，由于定子磁链被磁链控制应用，因而避开了转子励磁时间常数。转矩与定子磁链闭环均采用双位式砰—砰控制，一方面避免了控制信号的旋转坐标变换，使控制结构简单，另一方面可以获得快速的动态响应。但同时带来了转矩脉动，调速范围受限的缺点。它还有一个特点是逆变器采用不同的开关元件，控制方法有所不同。逆变器方式采用电压空间矢量控制，性能较优越。 除此之外，近几年还发展了一些新的控制理论，如非线性控制、神经网络控制、滑模变结构控制、智能控制等。 (1)优势特点 1) 高效的计算能力，从复杂的计算中精简出来最优算法； 2) 强大的图形处理系统，用户可以更快的分析自己的数据； 3) 友好的人机交互界面，使用者更容易掌握； 4) 丰富的工具箱，可以给用户提供全面的辅助。 (2)编程环境 Matlab有大量的数据可以提供用户使用，同时最新版本的软件在工具箱方面也有了很大的提升。包括命令行窗口、编辑器、保存工作区、搜索路径以及用户浏览等。同时随着Matlab在市场上的推广，用户的逐渐增多，在使用中用户所反映出的问题也使Matlab的编辑环境不断升级，界面越发的人性化，人机交互界面也越发的简单，操作逐渐地简单。 (3)简单易用 Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。新版本的Matlab语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此在语法方面，更加简单易懂。使一些非计算机人员也能快捷的使用。而且语言的可移植性强，这也是MATLAB能用被广大用户以及各类科研者接受的原因。 (4)强大处理 Matla拥有700多个工程领域中需要的科学算法，是一个强大的计算合集，足以满足广大用户的需求。经过长时间经验的积累与优化，其科学的运算法已经成为很多工程领域最为常用的计算方法。通常情况下它可以代替很多的基础算法，如C和C++语言，以至于在相同的要求下使用Matlab软件可以是工作量大大减少。 (5)图形处理 Matlab从开始推广之时就有着强大编程数据可视话的功能，最主要的特点是可以将矩阵同图形的形式进行表达。最新版本的Matlab对整个的图形处理进行了全面的升级和完善，不仅在原有的可视化功能上得到了增强，而且还具备了其他一下软件所不具备的功能。同时也在Matlab的图形处理的用户界面进行了重新的布局与改善，使用户用起来得到了更多的便捷，方便了很多初学者的使用。 (6)程序接口 Matlab因为有强大的语言数据库，从而可以使用C/C++的数据库，将自己的数据自行转化为独立于Matlab运行的C/C++代码。允许用户自行编写和Matlab人机交互的语言。此外，Matlab网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。Matlab其最主要的特色在于他有一套自己的拓展系统和一组成为工具箱的程序系统，工具箱是一个程序系统，它里面划分了好多选项和分类，这些分类分别代表了绝大多数的学科和工程领域，用户在使用时可以选择自己的研究方向，可以做到省时省事省力。 (7)软件开发 1)在开发环境方面，文件和图形窗口可以被用户更好的控制； 2）在编程方面，可支持了函数嵌套、条件中断等； 3）在图形化方面，其图形标注、处理功能，比其他开发软件更为强大； 4）在输入输出方面，可以直接链接Excel和HDF5。 2 异步电动机的数学模型 2.1 异步电动机的稳态数学模型 (1)异步电动机的稳态等效电路 在异步电动机稳定时它的稳态数学模型主要是由等效电路和机械特性组成的，两者即有联系，又有区别。稳态等效电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性，而机械特性则表征了转矩与转差率的稳态关系。 异步电动机的稳态等效电路 根据电机学原理[4~6]，在下述三个假定条件下：（1）忽略空间和时间谐波；（2）忽略磁饱和；（3）忽略铁损。异步电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图2-1所示。 按照定义，转差率与转速的关系为 (2-1) 或 (2-2) 式中n1——同步转速，n1=60f1/np。f1为供电电源频率；np为电动机极对数。 图2-1 异步电动机T形等效电路 —定子每相绕组电阻和折合定子侧的转子每相绕组电阻 、—定子每相绕组漏感和折合到定子侧的转子每相绕组漏感 —励磁电感，即定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感 —定子相电压相量 —定子相电压相量幅值 —供电电源角频率 (2-8) 忽略式中分母的S项(此时的S很小)，则 (2-9) 也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 近似为一段直线，如图(2-3)所示。 当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项，则 (2-10) 即s较大时转矩近似与s成反比，这时， Te=f(s)为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图2-3所示。 异步电动机由额定电压Usn电，且无加电阻和电抗时的机械特性方程式为 (2-11) 称作固有特性或自然特性。 图2-3 异步电动机的机械特性 2.2 异步电动机的动态数学模型 异步电动机具有很多性质针对其非线性、强耦合、多变量的性质，必需以动态模型为出发点，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，才可以取得高性能的动态调速，研究好性能异步电动机的调速方案。 2.2.1 异步电动机动态数学模型的性质 机电能量转换最主要条件之一就是电磁耦合，通过电流与磁通的乘积产生转矩，再由转速与磁通的乘积得到感应电动势，无论是哪一种电机皆是如此，但是因为交流电机与直流电机的工作原理上的差异，它们在表达式上也存在很大的差别。 励磁绕组和电枢绕组在他励式直流电动机中是相互独立的，励磁电流和电枢电流单独可控，若忽略对励磁的电枢反应或通过补偿绕组抵消之。则励磁和电枢绕组各自产生的磁动势在空间相差m/2，无交叉耦合。气隙磁通由励磁绕组单独产生，而电磁转矩和磁通与电枢电流的乘积是真比关系。忽略弱磁调速的情况下，可以在电枢合上电源以前建立磁通，并维持励磁电流恒定，这时的磁通就是不参加系统的动态过程。因此，电枢电流就可以控制电磁转矩。 而交流电动机的数学模型则不同，不能简单的采用同样的方法来分析与设计交流调速系统，这是由于以下几个原因: (1)异步电动机的动态数学模型不仅仅是由输入的电枢电压和输出的转速两个变量组成，还要加入输入变量频率和输出变量磁通，因此异步电动机是一个多变量的系统。 (2)在控制异步电动机时，我们不能对单独的控制其磁通，并不像直流电动机一样可以保持恒定的磁通。 (3)三相异步电动机定子三相绕组在空间互差120°，转子也可等效为空间互差120°的三相绕组，各绕组间存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。 总之，异步电动机的动态数字模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 2.2.2 异步电动机的三相数学模型 在研究异步电动机数学模型时，作如下的假设: (1) 不考虑空间谐波，假设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的动势沿气隙按正弦规律分布； (2) 不考虑磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的; (3) 不考虑铁损; (4) 不考虑绕组因为频率变化和温度变化所带来的影响。 无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以将其等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是连接，以下均以Y 连接进行讨论。若三相绕组