畢業設計-感應電動機磁場定向矢量控制系統的設計與仿真(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 制，而在高速運行時轉換為直接矢量控制。 直接轉矩控制策略 (DTC) 在 1986年，德國的 Depenbrock教授和日本的高橋熏分別提出異步電動機直接轉矩 (DTC)方法 [20]。該方法只是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，強調對電機的轉矩進行直接控制，其磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。直接轉矩控制的一個顯著特點是定子磁場定向，一般采用電壓模型來估計定子磁鏈。目前在低速時一般采用電流模型來觀測定子磁鏈，電流模型雖然穩定性比電壓模型好些，而且不受轉子電阻變化的影響，但仍然存在著因轉子參數誤差和轉速測量誤差引起的磁鏈觀測誤差，為了有效解決上述問題，文獻提出了一個定子磁鏈自適應觀測方法，能有效地辨識對磁鏈估計帶來直接影響的兩個參數：定子電阻和轉子電阻，從 而真正有效地估計定子磁鏈。為了正確辨識定子磁鏈，文獻 [20]提出了一種在線辨識定子電阻的方法，它從電動機的數學模型出發，經過各種數學變換和運算，計算出 Rs。 高動態性能的交流傳動系統都需要轉速閉環控制，所需要的轉速反饋信號來自與電機同軸的速度傳感器。為了獲得準確而且可靠的轉速信號，速度傳感器必須經過精確的安裝和妥善的維護，在條件不好的工業現場上常常不章 1章 緒論 7 易做到。此外，在低速時要獲得準確無干擾的轉速信號也并非易事。因此，取消速度傳感器而仍能獲得良好的控制性能，便成為眾所矚目的研究與開發課題。 論文研究的主 要內容和結構安排 本文以異步鼠籠感應電動機為研究對象，從電動機調速的實質出發，分析了異步電動機的數學模型，以及矢量控制的原理，建立了異步電動機的矢量調速控制系統。并進行了仿真分析。主要研究內容包括： 異步電動機的矢量調速控制原理。本文分析了異步電動機在不同坐標系下的數學模型，著重分析了按轉子磁場定向的矢量控制原理。 為了更好的了解矢量控制的原理，本文進行了坐標變換的仿真分析。 異步電動機矢量調速控制系統的主電路。本文闡述了異步電動機矢量調速系統的主電路結構，并具體分析了電流追蹤型逆變器的 PWM控 制原理 。 轉子磁鏈的觀測。為了做到磁場的準確定向，本文采用了兩相旋轉坐標系下轉子磁鏈觀測的電流模型，為方便進一步的研究，搭建了轉子磁鏈觀測器的仿真模型，并進行仿真分析。 異步電動機矢量調速控制系統的仿真研究和分析。本文使用MATLAB中的 SIMULINK仿真環境建立了異步電動機矢量調速控制系統的仿真模型，并進行了仿真驗證和分析。 燕山大學本科生畢業設計（論文） 8 第 2章 異步電動機矢量調速原理 引言 矢量控制系統是建立在異步電動機的動態數學模型基礎之上的，因此必須首先分析異步電動機的動態數學模型。本章采 用的是異步鼠籠電動機，首先介紹了異步電動機的矢量調速控制系統，在此基礎之上闡述了按轉子磁場定向矢量控制的實現。 異步電動機矢量調速的實質 電動機調速系統的主要目的就是控制和調節電動機轉速，然而轉速是由電動機轉矩來改變的，所以，我們先從電動機轉矩來分析電動機控制的實質和關鍵。 任何一個機電傳動、伺服系統，在工作中都要服從運動的基本方程式： eL pJ dwTT n dt? (21)? 其中， J為機械轉動慣量， ω為轉子的角速度， Te為電磁轉矩， TL為負載轉矩。 由 (21)式可知，電動機所產生的電磁轉矩 Te，除用以克服負載的制動轉矩 TL外，其余部分就是用來產生轉子角加速度的動態轉矩。若要對一個機電系統的動態性能進行有效的控制，就必須控制系統的動態轉矩 TeTL。在負載轉矩 TL的變化規律已知的條件下，這就必須對電動機的瞬時電磁轉矩進行有效的控制。因此，歸根結底，要提高調速系統的動態性能就是要看控制其轉矩 的能力。 從產生電磁轉矩的角度來看，異步電動機另一種電磁轉矩公式為： m 2 2coseTT C i??? (22)? 式中 CT為轉矩常數。 可以看出電磁轉矩是由氣隙磁場 m? 和轉子電流的有功分量 22cosi ? 相章 1章 緒論 9 互作用產生的。即使氣隙磁場保持恒定，電動機的轉矩不但與轉子電流的大小有關而且 還與轉子電流的功率因數角 2? 有關。它隨電流的頻率，即電動機的轉差率而變。更何況電動機的氣隙磁場是由定子電流和轉子電流共同產生的，隨負載的變化，磁通也要發生變化。因而在動態過程中要準確的控制異步電動機的電磁轉矩就顯得比較困難。但因為轉子磁通 2 m 2cos? ? ?? ，這樣式 (22)就變為 22coseTT C i ?? 這種形式和直流電動機的轉矩公式非常相似，如果能保持轉子磁通的恒定，轉子磁通的恒定包括磁通相位 和幅值恒定兩個方面。這樣控制轉子電流就可以調節轉矩。基于這種方法提出了一種以轉子磁場定向的矢量控制方法。 異步電動機矢量調速控制系統 異步電動機的矢量控制是以轉子磁場定向，采用矢量變換的方法實現定子電流勵磁分量和轉矩分量之間的解耦，達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的，從而獲得了優良的靜、動態性能。矢量調速控制系統的結構圖如圖 21所示： M3 ~2 / 3F B SV R 1電 流 變 換 和磁 鏈 觀 測A T RAψ RA S Rn p***i sT Ai sωi s ti s a*i s 223。*i s ti s t*i s m*T eT e*ψ r*ω*ψ rc o sφ s i nφ L mL r電 流 滯 環 型P W M 變 頻 器i s Ai s Bi s C 圖 21 帶轉矩內環的轉磁鏈閉環矢量控制系統 異步電動機矢量調速控制系統的主電路采用了電流追蹤型 逆變器。在控制電路中轉速調節器 ASR的輸出是轉矩調節器 ATR的給定值 *eT ， AψR為磁鏈調節器，磁鏈觀測環節采用按轉子磁場定向兩相旋轉坐標系上的轉子磁鏈燕山大學本科生畢業設計（論文） 10 的模型結構。將在下文中詳細闡述。 ATR和 AψR的輸出分別為定子電流的轉矩分量 *sti 和勵磁分量 *smi 。 *sti 和 *smi 經過 2r/3s變換后得到定子電流的給定值 *Ai ，*Bi ， *Ci ，并通過電流滯環控制電動機定子的三相電流。 矢量控制系統常用方案及比較 矢量控制系統常用的方案 轉差頻率矢量控制方案 轉差頻率矢量控制的出發點是，異步電機的轉矩主要取決于電機的轉差頻率。在運行狀態突變的動態過程中，電機的轉矩之所以出現偏差，是因為電機中出現了暫態電流，它阻礙著運行狀態的突 變，影響了動作的快速性。如果在控制過程中，能使電機定子、轉子或氣隙磁場中一個始終保持不變，電機的轉矩就和穩態工作時一樣，主要由轉差頻率決定 [8]。這樣考慮轉子磁通的穩態方程式，從轉子磁通直接得到定子電流 d軸分量，通過對定子電流的有效控制，形成了轉差矢量控制，從而避免了磁通的閉環控制，不需要實際計算轉子的磁鏈的幅值和相位。該控制方法是用轉差率和測量的轉速相加后積分來計算磁通相對于定子的位置。結構簡單，所能獲得的動態性能基本上可以達到直流雙閉環控制系統的水平。 2．氣隙磁場定向矢量控制方案 氣隙磁場的定向控制是 將旋轉坐標系的 d軸定向于氣隙磁場的方向，此時氣隙磁場的 q軸分量為零。如果保持氣隙磁通 d軸分量恒定，轉矩直接和 q軸電流成正比。因此，通過控制 q軸電流，可以實現轉矩的瞬時控制，從而達到控制電機的目的。 定子磁場定向矢量控制方案 定子磁場定向的矢量控制方法，是將旋轉坐標的 d軸放在定子磁場方向上，此時，定子磁通的 q軸分量為零，如果保持定子磁通恒定，轉矩直接和 q軸電流成正比，從而控制電機。定子磁場定向控制使定子方程大大簡化，從而有利于定子磁通觀測器的實現。然而此方案在進行磁通控制時，不論采用直接磁通閉環控制，還是 采用間接磁通閉環控制，均須消除耦合項的影響。章 2章 異步電動機矢量調速原理 11 因此，需要設計一個解耦器，對電流進行解耦 [12]。 轉子磁場定向的矢量控制方案 轉子磁場定向的矢量控制方法是在磁場定向矢量控制方法中，把 d， q坐標系放在同步旋轉磁場上，把靜止坐標系中的各交流量轉化為旋轉坐標系中的直流量，并使 d軸與轉子磁場的方向重合，磁勢轉子磁通 q軸分量為零。只需檢測出定子電流的 d軸分量即可以觀測轉子磁通幅值。當轉子磁通恒定時，電磁轉矩與定子電流的 q軸分量成正比，通過控制定子電流的 q軸分量就可以控制電磁轉矩。因此稱定子電流的 d軸分量為勵磁分量， 定子電流的 q軸分量為轉矩分量。在忽略反電動勢引起的交叉耦合項以后，可由電壓方程d軸分量控制轉子磁通， q軸分量控制轉矩，從而實現磁通和轉矩的解耦控制[12]。 控制方案的比較 轉差頻率的矢量控制方案 轉差型矢量控制系統結構簡單，思路清晰，不需要實際計算轉子磁鏈的幅值和相位，所能獲得的動態性能基本上可以達到直流雙環控制的水平，然而間接磁場定向控制中對轉子時間常數比較敏感，當控制器中這個參數不正確時，計算出的轉差頻率也不正確，得出的磁通旋轉角度將出現偏差，即出現定向不準的問題。因此這種控制方法不適 合于高性能的電機控制系統 [12]。 定子磁場定向的矢量控制方案 定子磁場定向的矢量控制方案，在一般的調速范圍內可利用定子方程作磁通觀測器，非常易于實現且不包括對溫度變化非常敏感的轉子參數，可達到相當好的動靜態性能，同時控制系統結構也相對簡單。然而低速時，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，致使反電動勢測量誤差較大，導致定子磁通觀測不準，影響系統性能。定子磁場定向的矢量控制系統適用恒功率調速和于大范圍弱磁運行的情況 [12]。 氣隙磁場定向矢量控制方案 氣隙磁場定向系統中磁通關系和轉差關系中存在耦合，需 要增加解耦器，這使得它比轉子磁通的控制方式要復雜，但具有一些狀態能直接測量的燕山大學本科生畢業設計（論文） 12 優點，比如氣隙磁通。同時電機磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故基于氣隙磁通的控制方式更適合于處理飽和效應 [7]。 轉子磁場定向的矢量控制方案 轉子磁場定向的控制方案，缺點是磁鏈閉環控制系統中轉子磁通的檢測精度受轉子時間常數的影響較大，一定程度上影響了系統的性能。但優點是它達到了磁通電流分量和轉矩電流分量兩者的完全解耦控制，無需增加解耦器，控制方式簡單，具有較好動態性能和控制精度 [15][16]。比較上述三種方案，轉子磁場定向的矢量 控制是最佳的方案，所以本文采用了轉子磁場定向的矢量控制方案。 異步電動機的數學模型 矢量控制系統是建立在異步電動機的動態數學模型基礎之上的，因此必須首先分析異步電動機的動態數學模型。 三相坐標系下的數學模型 異步電動機本質上是一個高階、非線性和強耦合的多變量系統。這是因為異步電動機的變頻調速需要進行電壓 (或電流 )和頻率的協調控制，有電壓(或電流 )和頻率兩個獨立的輸入變量。輸出變量中除轉速外，還應包括磁通，因此，異步電動機的數學模型是一個多變量系統。而電壓 (電流 )、頻率、磁通、轉速之間又互 相都有影響，主要的耦合是繞組之間的互感聯系。另外，在異步電動機中，磁通乘電流產生轉矩，轉速乘磁通得到感應電動勢，由于它們都是同時變化的，在數學模型中就會有兩個變量的乘積項，因此，異步電動機的數學模型是非線性的高階系統 [21]。 無論電動機轉子是繞線型的還是鼠籠型的，都將它等效成繞線轉子，并折算到定予側，折算后的每相繞組匝數都相等。這樣，實際電動機就被等效為圖 22所示的三相異步電動機的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線 A， B， C在空間是固定的，故定義為三相靜止坐標系。設 A軸為參考坐標軸，轉子以 ? 速度旋轉，轉子繞組軸線為 a， b， c隨轉子旋轉。轉子 a軸和定子 A軸間的電角度差 ? 為空間角位移變量。規定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符章 2章 異步電動機矢量調速原理 13 合電動機慣例和右手螺旋定則。這時，異步電動機的數學模型由下述的電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程組成。在研究異步電動機的多變量數學模型時，常做如下假設 [22]: (1)、 忽略空間諧波，設三相繞組對稱 (在空間互差 120電角度 )，所產生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規律分布；定子 A， B， C及三 相轉子繞組 a， b，c在空間對稱分布，各相電流和及不計； (2)、 忽略磁路飽，各繞組的自感和互感都是恒定的； (3)、 忽略鐵心損耗； (4)、 不考慮溫度和頻率的變化對電動機參數的影響。 電壓方程 ωθABCabcuAiAuCiCuaubuciaibicuBi B 圖 22 三相異步電動機的物理模型 將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子 p 代