基于电流模型的异步电机双闭环控制系统仿真

坐标 系下 ， 立 了带有 转矩 、 链 双 闭环 的 交 流异 步 电机 矢 量控 制 系统 。 其 转 矩 、 度 、 建 磁 速 和磁 链 的 闭环 都 是 采 用 带有 限幅 的 Ｄ
Ｐ 调 节 器 。仿 真结 果 验 证 了带有 转 矩 和磁 链 闭环 的双 闭 环 控 制 系统 具 有 更好 的性 能 。 Ｉ
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（） ４
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式 中 ， ＵＢ 两 相 静 止 坐 标 系 上 两 相 定 子 的绕 组 电压 ； Ｕ ｓ为 Ｕ Ｕ 为 两相 静 止 坐标 系上 两 相 转 子 绕 组 电压 ； ｉ 为 两 相 静 ｌ ８ Ｂ
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（） ６
止 坐 标 上 两 相 定 子 绕 组 电 流 ； ｉ为 两 相 静 止 坐 标 系 上 两 相 转 ｉ 。 子绕 组 电流 ；， （ 为转 子 角 速 度 ； 。Ｒ 为 定 子 绕 组 电 阻 ； 、 为 两 １ Ｒ、 Ｌ 相 坐标 系上 定 、 子 绕 组 的 自感 ；ｍ为 两 相 坐 标 系 上 同轴 、 子 转 Ｌ 转
ｌ ｔｔ ｓｕｓ ｉ ａ ｉ ， ｅ ｃｕ ｒ ｔ ｏ １Ｉ ｔ ｆ ｄ ｍｉ ｏｎ ｒｅｎ ｍ ｄｅ． ｎ ｈｅ ｉ ｏｒ ｎｅｄ ｅｌ ｉ ｔ ｗｉ ｔ Ｂｌｃｈ ｅ ｔ ｈｅ ｈ ｏ ｅｑ ｔ ｎ．ｅｓ ｐ ｕａ ｉ ｓ ｔ ｕ ａｎ ｏ ａｓ ｃ ｏｎ ｕｓ ｙｎ ｈｒ ｏ ｍｏｔｒ ｅｃｏｒ ｏ ｔｏｌ ｏ ｖ ｔ ｃ ｎ ｒ ｓ ｓｅｍ ｗｉ ｔｒ ｅ， ｇｎ ｉ ｃｈ ｉ ｕｂｌ ｃｏ ｅ ｌｏｐ．ｈ ｔ ｑｕ ｓ ｅｅ ａｎ ｍ ａ ｅ ｉ ｆ ｘ ｃｌｓ ｙｔ ｔ ｏ ｑｕ ｍａ ｅｔ ｈ ｃ ａｎ ｏｆｄｏ ｅ ｌｓ ｄ ｏ Ｔ ｅ ｏｒ ｅ．ｐ ｄ， ｄ ｇｎ ｔ ｌ ｏ ｅｄ—ｌｏ ａｒ ｕ ｉｇ ｈ ＰＩ ｃ ｕ ｏ ｐ ｅ ｓｎ ｔ ｅ ｒｇｕｌｔ ｒ ｔ Ｓａｕｒｔ ． ｅ ｉ ａｔ ｒ ｓ ｔ ｖ ｉ ｔ ｅ ｅ ａ ｏ ｗｉ ｈ ｔ ａ ｉ Ｔｈ ｓｍｕｌ ｉ ｏｎ ｏｎ ｅ ｕｌ ｓ ｅｒｙ ｈ ｗｉ ｔ ｑ ａｎ ｍａｇｎ ｔ ｆ ｃｏ ｅｄ—ｌｏｐ ｆ ｔ ｏｒ ｕｅ ｈ ｄ ｅｉ ｌ ｃ ｕｘ ｌｓ － ｏ ｄｏ ｅ ｏｓ ｄ ｏ ｕｂｌ ｃｌ ｅ ｌｏｐ ｃｏ ｔｏｌｓ ｓｅｍ ｈ ｂ ｔ ｏｐｅｔ ． ｎｒ ｙ ｔ ａｓ ｅｔ ｐｒ ｅｒ ｒｉ ｅｓ
［］ １ 郭瑞 ， 庆贤． 王 按转子磁 链定 向的矢量 控制 系统仿 真研究 ［ ］黑龙 Ｊ．
江： 科技 信 息 ，Ｏ ０（７ ２ｌ ２）
电 流模 型使 用 在 二 相 同步 旋 转 坐标 系 上 按 转 子 磁 链 定 向 的 磁 链 模 型 ， 型 结 构 如 图 ５ 模 。 ２３ 仿 真 ． 仿 真 参 数 设 置 如 下 ： 电 动 机 ：８ Ｖ、０ ｚ ２ 对 极 ， 。 ３０ ５ Ｈ 、 Ｒ＝ ０４ ５ Ｌ＝ ．０ ｍＨ， ０８ ，ｌ ００ ２ ．３ Ｑ， 。 Ｏ０ ２ Ｒ＝ ．１ Ｑ Ｌ＝ ．０ ｍＨ，ｍ ００ ９ ６ ｒ Ｌ ＝ ．６ ｍＨ，
在 磁 链 观 测 的 准确 性 。为 了提 高磁 链 的观 测 精度 ， 文在 磁 场 ］ 本
定 向 的 ｄ ０坐 标 系下 ， 用 电 流模 型 ， 用 矢 量 控 制 ， 立 了带 ｑ 换 采 建
在 （ ） 的 ３ ４行 中 ， ｕ ： ０ 且 将 式 （ ） 式 （ ） １式 、 令 ｕ＝ ， ２和 ３ 的关
图 ６ 双 闭环 系统 仿 翼 结 果
在波形 中可以看到 ， 在矢 量 控 制 下 ， 速 平 稳 上 升 ， 负 载 转 加 后 转 矩 略 有 下 降但 不 久 便 恢 复 稳 定 。 为 Ａ Ｒ、 ｓ 因 Ｔ Ａｐ ｉ 是 带 有 Ｒ都 限 幅 的 Ｐ 调 节 器 ， 以 在 起 动 过 程 中两 个 调 节 器 都 处 于 限 幅 饱 Ｊ 所
闭 环 控 制 的 异 步 电 机矢 量 控 制 系统 运 行 平 稳 ，具 有 良好 的动 态 性 能 。 用 该 仿 真模 型可 以快 速 的 验 证 控 制算 法 的正 确 性 ， 高 采 提 了设 计 效 率 ， 为进 一 步 研 究 打 下 了坚 实 的基 础 。
参 考 文献
图 ４ Ｐ 调 节 器 结构 Ｉ
系 代 人 ， 整 理后 可得 异 步 电 机 转子 磁 链 电流 模 型 方 程为 ： 经
ｍ
（ｍ Ｌ眦 （ｍ Ｌ
） ） ｍ
有 转 矩 、 链 双 闭 环 的交 流 异 步 电机 矢 量控 制 系 统 。 磁 １ 转 子 磁 链 计算 的 电流 模 型 １１在 二 相 静 止 坐标 系上 的转 子 磁链 电 流模 型 ．
的三 相 电流 。
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图 ５ 转 子 磁 链 电流 结 构 模 型
ｏ ｅ ３ｂ 给定 转速 １ ０ ｒｍｉ， ｄ ２ｔ。 ４ ０／ ｎ 空载 启动 ， ０６ 在 ． ｓ时加 载 ６ Ｎ・ Ｏ ｍ，
其 中直 流 电源 ＤＣ、 变器 ｉ ｅ ｅ 、 逆 ｎ ￣ ｒ电动 机 ｍｏｏ 和 电 动 机 ｖ ｔｒ
测 量 模 块 组成 了模 型 的主 电 路 ， 变 器 的驱 动 信 号 由脉 冲发 生 器 逆
模 块 产 生 ， 数模 块 用 于计 算 转 矩 。滞 环 脉 冲发 生 器 如 图 ３ 函 。
电路 中 ， 转 速 环 后 增 加 了转 矩 控 制 内 环 ， 速 调 节 器 Ａ Ｒ的 在 转 Ｓ 输 出是 转 矩 调 节 器 Ａ Ｒ 的给 定 ， 转 矩 的反 馈 信 号 Ｔ， 通 Ｔ 而 ｅ则 过 矢 量 控 制 方 程 （ ） 算 得 到 。 电 路 中 的 磁 链 调 节 器 Ａｐ ｉ 用 ４计 ｓ Ｒ 于 对 电 动 机 定子 磁 链 的控 制 ，并 设 置 了 电 流 变 换 和 磁 链 观 测 环 （） ２
１８ Ｏ
基 于 电 流模 型 的异 步 电机 双 闭环 控 制 系 统 仿 真
基于 电流模型的异步电机双闭环控制系统仿真
Ｄｏ ｂ ｅ Ｃｌｓ ｄ ｏ ｐ Ｃｏ ｔ ｌＳｙ ｔ ｍ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｕ ｌ ｏ ｅ Ｌ ｏ ｎ ｒ ｓｅ ｏ Ｓ ｍｕａ ｉ ｆ Ａｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ Ｍｏ ｏ ｏ ｔｒ
绕 组 间 的互 感 。 由 （ ） 的第 １ ２行 ， １式 、 可得 定 子 回路 的 电压 方 程 为 ：
＝
『 鲫
通 过 矢 量 控 制 方 程 （ ） 可 以 计 算 电 动 机 转 差 ‘ 和 定 子 频 ５， ｏ 。
率 ‘ （） ｅ＋０） 通过 （ ） 可 以计 算 转 子 磁 链 。 ０ ‘－ ３ 【 。 １ 『 。 １ ６，
图 ３ 滞 环 脉 冲 发 生器 模 块
机 在 此 模 型 下 运行 还 是 比较 稳 定 的 。
３ 结 束 语
三 个 调 节 器 ＡＳ Ａ Ｒ、 和 Ａｐ ｉ 是 带 输 出 限 幅 的 Ｐ 调 Ｒ、 Ｔ ｓ Ｒ均 Ｉ
节 器 。 如 图 ４ 。
ｅ１
仿 真 结 果 表 明 ， 文 提 出的 换 用 电流 模 型 ， 有 转 矩 和 磁 链 本 带
２ 双 闭 环 矢 量控 制 系统 模 型 的 建立 及 仿 真
２ １ 系 统原 理 图 ．
鲁 Ｒ ｓ ｍ ｓ 等“等 ｌ
带 转 矩 内 环 的速 度 、磁 链 闭 环 矢 量 控 制 系 统 的 电 气 原 理 图 如图 １ 。在 图 中 ， 电路 采 用 了 电 流滞 环 控 制 型 逆 变 器 。在 控 制 主
式 中 ，ｆ Ｔ 为转 子 电 磁 时 间常 数 ，ｆ Ｔ＝ Ｒ。 １２ 按 转 子 磁链 定 向二 相 旋 转 坐标 系上 的转 子 磁链 电 流模 型 ． 按 转 子 磁 链 定 向 二相 旋 转 坐 标 系上 的转 子 磁 链 电 流 模 型 是
异 步 电 机在 两 相 静 止 坐标 系上 的电 压 方程 式 为 ：
（） ３
在 两 相 静 止 坐标 系上 ， 子磁 链 在 、 转 Ｂ轴 上 的分 量 为 ：
＝
￡ 『十－ － 钿 ￡『 ｍ
Ｌｍ堆＋Ｌｒ ｉ 帛 ｉ
＝
因此 ：
『＝ （ 一 ｍ ） ｍ Ｌ
＝
节 。 Ｔ 和 Ａｐ ｉ 的输 出分 别 是 定 子 电 流 的转 矩 分 量 ｉ和 励 磁 ＡＲ ｓ Ｒ 。
Ｋｅ ｗｏｒｓ：ｌｘ ｂｓ ｒ ｒｖ ｃ ｏ ｃ ｎ ｒ ．ｉ ｕａ ｉｎ ｙ ｄ Ｆｕ ｏ ｅｖｅ ．ｅ ｔ ｒ ｏ ｔｏ１ ｍ ｌｔ ｓ ｏ
对 于 电 力拖 动系 统 ， 动 态 、 态 性 能取 决 于 统对 电机 电磁 其 静 转 矩 的实 时 控 制 能力 。 ］ 此 对 高性 能 的交 流 调 速 系统 而 言 ， ． 因 无 论 采 用 矢 量 控制 还 是 直 接 转 矩 控 制 方 式 ，其 控制 的关 键 都 体 现
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通过 检 测 定 子 三 相 电流 和 转 速 计 算 转 子 磁 链 ， 三相 定 子 电流 经 ３ ／ ｒ 换 得 定 子 电 流 的励 磁 分 量 和 转 矩 分量 。并 由异 ｓ２ 变
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步 电动 机 的 矢 量 控制 方 程 式 ：
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－ ｐ ｉ ｒ—
和 状 态 ， 子 电流 的转 矩 和 励磁 分量 都 不 变 ， 定 由于 定 子 电 流 的 给 定 值 也 不 变 ， 以此 模 型 能 实 现恒 流 启 动 。 所
从 磁 链 轨 迹 可 以看 出 ， 磁 链 调 节 后 ， 个 磁 链 的建 立 过 程 带 整 是 比较 平 滑 的 ， 链 呈 螺旋 状 增 加 ， 磁 同时 交 流 电机 的 转 矩 也 在 不 断 的上 升 ， 始 起 动 时 ， 链 轨 迹 的 波 动 比较 大 ， 调 量 也 比较 开 磁 超 大 ， 此 引起 了转 矩 的大 幅 波 动 ， 是 随后 便 趋 于稳 定 。异 步 电 因 但
分 ｓ ｉ 二 过２３变 后 到 三 定 流的 定 量ｉ。 和ｉ经 ｒ ｓ 换 得 的 相 子电 给 ｍ ／
（ —ｍ ） Ｌ
值ｉ ｉ、 并 过电 滞 控制Ｐ Ｍ 变 控 机 子 二 二 ， 通 流 环 、 Ｗ 逆 器 制电 定
《 业 控 制 计 算 机 ｝ ０ ２年 第 ２ 工 ２１ ５卷第 １期
关键 词 ： 磁链 观 测 器 ， 量控 制 。 真 矢 仿
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ
似
Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ａ ａ ｚ ｓ ｔ ｅ ｄ ｒ ｃ ｏ ｑ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌｏ ａ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒ ｓａ ｏ ｆ ｔ ｄｔ ｎ ｌｆ ｘ ｏ ｓ ｒ ｅ ． ｕ ｅ ｉｔ ｇ ａ ｏ ｈ ａ ｅ ｎ ｌ ｅ ｈ ｉ ｔ ｔ ｒ ｕ ｏ ｔ ｆ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｍｏｏ ｔ ｔｒ ｏ ｒ ｉ ａ ｌ ｂ ｅｖ ｒ ｒ ｎｅ ｒ ｔ ｒ ｓ ｙ ｅ ｏ ａ ｉ ｕ ｏ ｐ
图 １ 带 转 矩 内环 的 速 度 、 链 闭环 矢 量 控 制 系 统 原 理 图 磁
系统 的仿 真 结 果 如 图 ６所 示 。
２２ 建立 仿 真 模 型 ．
根 据 系 统 原 理 图 ， 立 仿 真 模 型 如 图 ２ 建 。
・ 口
ｄ０ ０ ｂ ｑ ｊ 一－ ０
图 ２ 带 转 矩 内 环 的 转 速 、 链 闭环 矢量 控 制 系统 仿 真 模 型 磁
Ｄ
Ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ｅ ｎ Ｃｕ ｒ ｎ ｒ ｔ Ｍｏ ｅ ｅ ｄ Ｉ
刘衍 富 王 毓 顺 徐 为 勇 张 强 （ 青岛大学 自 动化工程学院， 山东 青岛 ２ ６７ ） ６０ １
摘 要
ｐ 、 广
Ｄ
分析 了直接 转 矩控 制 中传 统 的异 步 电 动机 定 子 磁 链观 测 器—— 纯 积 分 器 的局 限性 ， 用 电流模 型 ， 磁 场 定 向 的旋 转 换 在