三相异步电动机矢量控制调速系统的建模与仿真

文章编号:1008-3499(2001)02-0023-04
三相异步电动机矢量控制调速系统的建模与仿真
李家荣,邓智泉
(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)
摘要:简述了Matlab/Simulink软件的核心内容及已获实际应用的异步电机矢量变换控制系统的数学模型,介绍了用Matlab/Simulink为该系统建立完整仿真模型的过程,最后给出仿真结果O 关键词:异步电动机;矢量控制;调速系统;仿真;模型
中图分类号:TM343.22文献标识码:A
0引言
异步电动机矢量变换控制系统和直接转距控制系统都是目前已获得应用的高性能异步电机调速系统,对比直接转矩控制系统,矢量变换控制系统有可连续控制~调速范围宽等优点,因此矢量变换控制系统仍为现代交流调速的重要方向之一O本文一则介绍一种实用化的异步电机矢量变换控制系统,二则通过用Matlab语言为该系统建立仿真模型的过程,使读者能熟悉Matlab软件的应用并掌握之O
I Matlab/Simulink环境及特点
Matlab是集命令翻译~科学计算于一身的一套交互式软件系统O它除了传统的交互式编程之外,还提供了丰富可靠的矩阵运算~图形绘制~数据处理~图像处理~方便的WindOWs编程等便利工具O Simulink是MAT~W0RKS软件公司为Matlab开发的系统模型图形输入和仿真工具O Simulink提供了丰富的模型库供构造完整的系统使用O其模型库包括:源环节~汇环节~离散时间环节~线性环节~非线性环节~连接环节~其他环节O
Matlab/Simulink是开放的编程环境,它允许用户开发自己所需的模型,通过成组封装扩充现有的模型库O要建立自己的模型,方法主要如下:
(1)利用现有模型组合成新模型O
(2)使用Matlab/Simulink模型调用MAT-LAB函数,适于构造成y=f(I)型的函数O
(3)通过S-functiOn模型构造,适于解决I/=AI-Bu型微~差分方程O
总的来说,方法(1)和(2)具有局限性,适合构造较为简单的模型O方法(3)是M/S最具特色的编程方式,它在构造多输入,多输出,非线性,强耦合的复杂多变量系统时具有表述方式接近数学表述,编程简洁,计算速度快的优点O下面本文针对矢量变换控制系统各环节的不同特点综合运用上述三种编程方式建立完整的系统模型进行仿真O
2异步电机矢量变换控制系统的建模与仿真
2.1感应电机的状态空间模型
本节将描述异步电机的数学模型,并用M/S的
S-functiOn构造出其模型O在静止O,B坐标系统中,将异步电机方程写为状态方程组I/=AI-Bu形式,其中I为状态变量,u为输入变量,A~B为系数矩阵O在异步电机状态方程中,转子磁链和定子电流为状态变量,定子电压为输入变量O
d
dt
ar
br
z as
z
T
L
1
bs
=
-
R r
L r
-c r
R r L m
L r
c r-
R r
L r
R r L m
L r
L m R r
hL r
L m c r
h
-
R s L r2-R r L m2
hL r
-
L m c r
h
L m R r
hL r
0-
R s L2r-R r L2m
hL
T
L
1
r
-
第10卷第2期2001年6月
淮海工学院学报
JOurnal Of~uaihai institute Of TechnOlOgy
VOl.10NO.2
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June2001收稿日期:2001-03-09
a b as
bs
L /I
L /I ~as
~[]bs
,
(1)
其中,R s 7定子绕组电阻; 7微分算子;R 7转子绕组电阻;I =L s X L -L m X L m ;L s 7a 轴上定转子等效绕组自感;c 7转子角速度;L 7b 轴上定转子等效绕组自感;L m 7坐标系中定子与转子间同轴等效绕组间的互感,电机的电磁转矩方程为,
T e =N L m
L
( a bs - b as ),
(2)
机械转速方程为,
dc
dt
=(T e -T 1-Dc )/J ,(3)
2.2
仿真模型
图1为用Marlab /Simulink 对矢量变换控制系统建立的仿真模型,限于篇幅,仅讨论几个主要环节模块的建立
,
图1
矢量变换控制系统仿真模型
Fig .1
The simulation model of vector alternate control system
2.2.1电流控制变频器为保证变频器输出正弦波形的电流,选择了电流控制的变频器,变频器是电压源型,电流控制变频的模型如图2所示,其中U %a ,U %b ,U %
c 与U a ,U b ,U c 的关系为,
U ab =V a -V b ,
U bc =V b -V c ,U ca =V c -V a ,U a =(U ab -U ca )/3,U b =(U bc -U ab )/3,U c =(U ca -U bc )/
3,
图2
电流控制变频的模型
Fig .2
The model of f reguency conversion by current control
2.2.2
电机模型
所建立的电机模型如图3所示,
4
2淮海工学院学报 2 1年6
月
图3电机模型
Fig .3
The mOtOr mOdel
图中U a ,U b ,U c 为三相电源,T L 为负载转矩,z a ,z b ,z c 为电机三相定子电流,c r 为转子角速度O 在电机模块中,三相电压U a ,U b ,U c 经坐标变换,转换成O ,B 坐标下的两相电压U a1,U b1,与检测出的角速度c r 一起构成一个矢量,作为式(1)的已知量,通过S -function 计算出定子电流和转子磁链;根据(2)求出电磁转矩T e ,再通过转距模型,计算出转子角速度c r O
2.2.3转子磁链观测模型
众所周知,矢量变换就是通过坐标变换,将异步电机等效成直流电机,从而可获得与直流电机一样优良的异步电机调速特征O 通常,我们将定子电流z a ,z b ,z c 经过三相/二相和
旋转坐标变换后,可等效成同步旋转坐标下的直流电流z m ~z t ,z m 相当于励磁电流,z t 相当于与转矩成正比的电枢电流,其中:
z m =
T 2p-1
L m
2,z t =
c f T 2
L m
2,
(4)T 2为转子电路时间常数; 2为转子磁链;c f 为转子滑差角速度O 转子磁链观测模型如图4所示O 利用
式(4),可获得转子磁链 2和转子滑差角速度c f O c f 与实测的转子角速度c r 相加,可获得转子旋转磁场角速度c S ,再经积分,即可得转子磁链相位角
O
图4
转子磁链观测模型
Fig .4
The mOdel Of view by rOtOr magnetic f ield
2.3
仿真结果
建立了仿真模型后,准备了仿真所必需的数据后,就可以进行仿真了O
所选用的异步电机的性能参数如下所示:定子
电阻:R S =2.460;转子电阻:R r =2.310;定子电阻:L S =O.14~;转子电感:L r =O.14~;转动惯量:
J =O.OO2276kg m 2
;电机相对数:n p =2;负载转矩:T L =5N m O
5
2第2期李家荣等:
三相异步电动机矢量控制调速系统的建模与仿真
选择的转速指定值为1440r /min 获得了转速 定子电流 电磁转矩等曲线0图5~图6~图7分别为他们在起动过程中的仿真曲线0通过仿真结果表明 本文所阐述的异步电动机矢量控制调速系统具有优良的静~动态特性
图5
转速仿真曲线
Fig .5
The simulated curVe by rotational
speed
图6
定子电流仿真曲线
Fig .6
The simulated curVe by stator
current
图7
电磁转矩仿真曲线
Fig .7
The simulated curVe by electromagnetic turning sguare
3
结束语
本文系统而简略地介绍了Matlab /Simulink 介绍了基于Matlab /Simulink 的异步电机矢量控制系统的建模与仿真 希望本文能帮助读者尽快掌握Matlab 软件在动态仿真中的应用0参考文献:
[1]陈伯时 陈敏逊.交流调速系统[M ].北京:机械工业出版社 1998.
[2]陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M ].北京:国防工业出版社 1989.
[B ]王成元.矢量控制交流伺服驱动电动机[M ].北京:机械工业出版社 1995.
[4]
张志涌.精通MATLAB [M ].北京:北京航空航天大学出版社 2000.
作者简介:李家荣(1972-) 女 江苏盐城人 盐城工学院讲师 南京航空航天大学硕士在读 从事于电机控制研究0
Modelling and Simulation of vector Control adj ustable -speed
System of asynchronous Motor
LI ]ia -rong DENG Zhi -guan
(Dept .of Automatic Control Nanjing university of Aeronautics g Astronautics Nanjing 210016 China )
abstract :Intro d uction is ma d e to the core contents of Matlab /Simulink soft W are an d the applie d maths mo d el of vector control a d justable -spee d system of asynchronous motor .Mean W hile a brief account is giv-en to the process in W hich simulation mo d el is establishe d for this system by Matlab /Simulink as W ell as the simulation results .
K ey W ords :asynchronous motor ；vector control ；a d justable -spee d system ；simulation ；mo d el
(本文责任编校:褚金红)
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