基于MATLAB的感应电机矢量控制系统的仿真
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期 : 2005 - 03 - 18
— 326 —
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 。
= 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
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)
Idsn
= 61756A,
Iqsn
=
91406A,
Ten
= 26.
526N · m, J = 0.
033N · m2 ,
ψ m
=
01952596。
电机空载启动 ,
t
=
0
时
,
给定机械角速度
ω3 m
= 0;在 015s
时 ,ωm3 跳变为额定值 15117208325 rad / s; 1s后加额定负载 TL
模型 。
2. 3 SPWM 交 - 直 - 交变频器
系统中逆变器采用 SPWM 交 - 直 - 交变频器 。 SPWM
就是将正弦波与三角波信号相比较 ,在交点时刻控制开关器
件的通断 ,即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数
值的矩形脉冲 。通过改变正弦波控制信号的幅值和频率 ,即
可实现变频 、变压及控制和消除谐波 。根据 SPWM 波形生成
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
ABSTRACT:According to the p rincip le of vector control system , a simulation model of SPWM inverter - fed induc2 tion machine and its control system w ith the reference frame fixed to the rotor is established in this paper. Simulations not only show the validity of the model, but also validate the fast - start performance and excellent disturbance toler2 ance capability of the drive system. In addition, the effects of parameters variety is analysized according to the simula2 tion results. The importance of parameters to performances of the drive system is accounted for, especially rotor re2 sistance and magnetization inductance. The model can be conveniently used by inputting p roper motor parameters. KEYWO RD S: Induction machine ; Vector control ; Simulation; Parameters variety
第 23卷 第 4期 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2006) 04 - 0326 - 04
计 算 机 仿 真
2006年 4月
基于 M ATLAB的感应电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
(
11
)
、(
12
)所示
。该磁通模型用于获得转子磁通角速度
ω m
r
和转子励磁电流的模 | i |。 mr
Tr
d | im r | dt
+
| im r |
=
isx
( 11)
ω mr
=ωr
i| + sy
Tr |
i|
mr
i|
mr
( 12)
2. 5 感应电机矢量控制系统的 S IM UL INK仿真模型
采用通过测量感应电机的定子三相电流和电机的转速
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
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,
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Fra Baidu bibliotek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
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
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
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
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
— 327 —
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
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
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
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
— 326 —
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 。
= 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
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)
Idsn
= 61756A,
Iqsn
=
91406A,
Ten
= 26.
526N · m, J = 0.
033N · m2 ,
ψ m
=
01952596。
电机空载启动 ,
t
=
0
时
,
给定机械角速度
ω3 m
= 0;在 015s
时 ,ωm3 跳变为额定值 15117208325 rad / s; 1s后加额定负载 TL
模型 。
2. 3 SPWM 交 - 直 - 交变频器
系统中逆变器采用 SPWM 交 - 直 - 交变频器 。 SPWM
就是将正弦波与三角波信号相比较 ,在交点时刻控制开关器
件的通断 ,即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数
值的矩形脉冲 。通过改变正弦波控制信号的幅值和频率 ,即
可实现变频 、变压及控制和消除谐波 。根据 SPWM 波形生成
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
ABSTRACT:According to the p rincip le of vector control system , a simulation model of SPWM inverter - fed induc2 tion machine and its control system w ith the reference frame fixed to the rotor is established in this paper. Simulations not only show the validity of the model, but also validate the fast - start performance and excellent disturbance toler2 ance capability of the drive system. In addition, the effects of parameters variety is analysized according to the simula2 tion results. The importance of parameters to performances of the drive system is accounted for, especially rotor re2 sistance and magnetization inductance. The model can be conveniently used by inputting p roper motor parameters. KEYWO RD S: Induction machine ; Vector control ; Simulation; Parameters variety
第 23卷 第 4期 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2006) 04 - 0326 - 04
计 算 机 仿 真
2006年 4月
基于 M ATLAB的感应电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
(
11
)
、(
12
)所示
。该磁通模型用于获得转子磁通角速度
ω m
r
和转子励磁电流的模 | i |。 mr
Tr
d | im r | dt
+
| im r |
=
isx
( 11)
ω mr
=ωr
i| + sy
Tr |
i|
mr
i|
mr
( 12)
2. 5 感应电机矢量控制系统的 S IM UL INK仿真模型
采用通过测量感应电机的定子三相电流和电机的转速
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
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,
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Fra Baidu bibliotek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
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
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
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
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
— 327 —
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
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
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
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