基于Matlab转差频率控制的矢量控制系统的仿真.docx
《基于Matlab转差频率控制的矢量控制系统的仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Matlab转差频率控制的矢量控制系统的仿真.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于Matlab转差频率控制的矢量控制系统的仿真
1转差频率矢量控制系统-0-
2.1控制原理叙述-3-
2.2转差频率控制系统组成-5-
3、转差频率矢量控制系统构建-6-
4.2模型参数-8-
概述：
常用的电机变频调速控制方法有电压频率协调控制（即v／F比为常数）、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制等。
其中，矢量控制是目前交流电动机较先进的一种控制方式。
它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。
其中基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行U／f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对输出频率f进行控制的。
采用这种控制方法可以使调速系统消除动态过程中转矩电流的波动，从而在一定程度上改善了系统的静态和动态性能，同时它又具有比其它矢量控制方法简便、结构简单、控制精度高等特点。
Simulink仿真系统是Matlab最重要的组件之一，系统提供了标准的模型库，能够帮助用户在此基础上创建新的模型库，描述、模拟、评价和细化系统，从而达到系统分析的目的。
在此利用Matlab／Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型，并对此仿真模型进行了实验分析。
矢量控制是目前交流电动机的先进控制方式，一般将含有矢量交换的交流电动机控制都称为矢量控制，实际上只有建立在等效直流电动机模型上，并按转子磁场准确定向地控制，电动机才能获得最优的动态性能。
转差频率矢量控制系统结构简单且易于实现，控制精度高，具有良好的控制性能、因此，早起的矢量控制通用变频器上采用基于转差频率控制的矢量控制方式。
基于此，本文在Mtalab/Simulink环境下对转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。
1转差频率矢量控制系统
由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
转差频率矢量控制是按转子磁链定向的间接矢量控制系统，不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标变换，只要在保证转子磁链大小不变的前提下，通过检测定子电流和旋转磁场角速度，通过两相同步旋转坐标系（M-T坐标系）上的数学模型运算就可以实现间接的磁场定向控制。
其控制的基本方程式如下：
usaRs+LsP0LmP0isa
usb=0Rs+LsP0LmPisb
uraLmPωLmRr+LrPωLrira
urb-ωLm-Lm-ωLrRr+LrPirb
式中：
usa，usb，ura，urb为定、转子在M-T轴上的电压分量；Ls为定子自感；Lr为转子自感；Lm为定、转子互感；ω1为定子角频率、ωs为转差角频率；P为微分算子；Rs，Rr为定、转子电阻。
磁链方程为：
ψsaLs0Lm0isa
ψsb=0Ls0Lmisb
ψraLmPωLmRr+LrPωLrira
ψrb0Lm0Lrirb
式中：
ψsa，ψra为定、转子磁链励磁分量；ψsb，ψrb为定、转子磁链转矩分量；
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。
鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
以异步电动机的矢量控制为例：
它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的。
一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流。
然后，有一些坐标变换，首先通过３/２变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。
最后再经过２/３变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。
矢量控制（VC）方式:
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1和Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
综合以上：
矢量控制无非就四个知识：
等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转）。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2转差频率控制的基本原理
调速系统的动态性能主要取决于其对转矩控制能力。
由于直流电动机的转矩与电流成正比关系，控制电流即可控制转矩控制，较易实现，而交流异步电动机的转矩控制比真流电动机要复杂。
转差频率矢量控制的目标就是将交流电动机复杂的转矩控制模型转化为类似直流电动机的简单转矩控制模型。
从原理上说，矢量控制方式的特征是：
它把交流电动机解析成与直流电动机一样，具有转矩发生机构，按照磁场和其正交的电流的积就是转矩这一最基本的原理，从理论上将电动机的一次电流分离成建立磁场的励磁分量和与磁场正交的产生转矩的转矩分量，然后分别进行控制。
2.1控制原理叙述
转差频率控制控制思想就是从根本上改造交流电动机，改变其产生转矩的规律，设法在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。
异步电动机的基本方程式为：
（1）
（2）
（3）
Te=nP
（4）
=
（5）
式中：
、
分别为转子电流的转矩分量和励磁分量；
、
分别为定、转子电感；
为转子总磁链；
为转差角频率；
为转子时间常数；
为电磁转矩；
为异步电动机的磁极对数；P为微分算子；
为定子绕组漏感。
任何电气传动控制系统均服从以下基本运动方程：
（6）
式中
为负载转矩，J为电动机转子和系统的转动惯量。
由式（6）可知，要提高系统的动态特性，主要是控制转速的变化率
。
显然，通过控制
就能控制
，因此调速的动态特性取决于其对
的控制能力。
电动机稳态运行时，转差率s很小，因此
也很小，转矩的近似表达式为：
（7）
式中：
为电动机的结构常数，
为气隙磁通，
为折算到定子边的转子电阻。
只要能够保持
不变，异步电动机的转速就与
近似成正比，即控制
就能控制
，也就能控制
，与直流电动机通过控制电流即可控制转矩类似。
控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。
把转矩特性（即机械特性）：
画在下图中：
图2-1按恒Φm值控制的Te=f（s）特性
可以看出：
在s较小的稳态运行段上，转矩Te基本上与s成正比，当Te达到其最大值Temax时，s达到smax值。
由相关公式可以得到：
（8）
（9）
在转差频率控制系统中，只要给s限幅，使其限幅值为：
，就可以基本保持Te与s的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。
这是转差频率控制的基本规律之一。
上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是问题又转化为，如何能保持m恒定？
我们知道，按恒Eg/1控制时可保持m恒定。
在等效电路中可得：
（10）
由此可见，要实现恒Eg/1控制，须在Us/1=恒值的基础上再提高电压Us以补偿定子电流压降。
如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒Eg/1控制所需的电压-频率特性Us=f（1,Is）。
总结起来，转差频率控制的规律是：
（1）在s≤sm的范围内，转矩Te基本上与s成正比，条件是气隙磁通不变。
（2）在不同的定子电流值时，按函数关系Us=f（1,Is）控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。
2.2转差频率控制系统组成
频率控制——转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定s*，与实测转速信号相加，即得定子频率给定信号1*，即
电压控制——由1和定子电流反馈信号Is从微机存储的Us=f（1,Is）函数中查得定子电压给定信号Us*，用Us*和1*控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。
公式
所示的转差角频率s*与实测转速信号相加后得到定子频率输入信号1*这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。
它表明，在调速过程中，定子频率1随着转子转速同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。
同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于sm的限幅转矩Tem进行控制，保证了在允许条件下的快速性。
由此可见，转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够像直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。
然而，它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面：
（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通m恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。
在动态中m如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。
（2）Us=f（1,Is）函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。
（3）在频率控制环节中，取
，使频率得以与转速同步升降，这本是转差频率控制的优点。
然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。
3、转差频率矢量控制系统构建
转差频率控制的异步电动机矢量控制调速系统的原理图如图3-1所示。
该系统主电路采用了SPWM电压型逆变器，这是通用变频器常用的方案。
转速采用了转差频率控制，即异步机定子角频率ω1由转子角频率ω和转差角频率ωs组成（ω1=ω+ω），这样在转速变化过程中，电动机的定子电流频率始终能随转子的实际转速同步升降，使转速的调节更为平滑。
图3-1转差频率控制的矢量控制系统原理框图
系统的控制部分由给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节组成。
其中给定环节有定子电流励磁分量im*和转子速度n*。
放大器G1、G2和积分器组成了带限幅的转速调节器ASR。
电流电压模型转换由函数Um*、Ut*模块实现。
函数运算模块ws*根据定子电流的励磁分量和转矩分量计算转差
s，并与转子频率
想加得到定子频率
1，再经积分器得到定子电压矢量转角
。
模块sin、cos、dq0/abc实现了二相旋转坐标系至三相静止坐标系的变换。
dq0/abc是输出是PMW发生器的三相调制信号，因为调制信号幅度不能大于1，在dq0/abc输出后插入衰减环节G4。
在模型调试时，可以先在此处断输出和PMW发生器的三相调制输入信号幅值小于1的要求，计算G4的衰减系数。
该系统的主要特点：
（1）主电路SPWM电压型逆变器，开关器件采用IGBT,这是通用变频器常用的方案；
（2）转速采用转差频率矢量控制，即
，在转速变换过程中，异步电动机的定子电流频率始终跟随转子的实际转速而同步升降，从而使转速调节吏加平滑。
图中：
、
分别为转子角频率给定和转子角频率负反馈；
、
分别为定子电流的转矩分量和励磁分量；
为转差角；
为转差角频率；
、
分别为定子角频率和转子角频率正反馈；
、
分别为定子电压的转矩分量和励磁分量。
根据式
（1）-（4）和图3-1可知，在保持磁通恒定的条件下，电动机的Te由Ile计算，磁通也可以通过Ilm计算。
转速可以通过PI调节器调节，输出Iit然后计算得到
，即：
（7）
4转差频率矢量控制调速系统仿真和分析
4.1电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型
图4-4电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型
4.2模型参数
转子磁链模型的计算参数设置：
异步电动机为3*746KW,220V，50HZ二对极（
），定子绕组电阻
，
，转子绕组电阻
，转子绕组漏感
，
，J=
，逆变器直流电源为510V，定子绕组电感为
，漏磁系数为0.056,
。
其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6的放大倍数分别为35、0.15.、0076、2、9.55、1/9.55。
根据相关公式计算得到：
仿真定转速为1400r/min时的空载启动过程，在启动后0.45s时加载T1=65N*M。
该系统较复杂，容易出现收敛问题，经试用各种计算方法，最终选用步长算法ode5，步长取e-5。
4.2仿真结果：
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
（f）
（g）
（h）
（i）
（j）
（k）
从仿真结果中可以得到电机在起动和加载过程中，转速、电流、电压和转矩的变化过程。
图（a）中可以看到，转速随时间的变化逐渐增大。
当t=O.36s时，转速达到额定转速1400r／min左右，而当t=O．5s时，由于此时电动机开始加载，所以使得转速有所波动，随后趋于稳定。
图（c）显示，电机空载起动达到稳定转速时，电流值下降为起动电流20A。
而电动机加载后，电流迅速上升，随后维持在左右。
同样，图（b）中，在加载后电动机转矩也随之增加，达到给定值Te=80N·m。
图（e）反应了系统坐标变换模块和函数运算模块变换后输出信号波形，经2r／3s变换后的三相调制信号的幅值在调节过程是逐步增加的，信号幅值的提高，保证了电动机电流在起动过程中保持不变。
图（i）与图（k）分别反映了电动机在起动过程中定子绕组产生的旋转磁场和电动机的转矩一转速特性，图（i）可以看出，定子磁链的轨迹一开始并不规则，而且在不断变化，但是随着时间的变化，磁链轨迹开始呈现规则图形，保持稳定，这是因为电动机在零状态起动时，电动机磁场有一个建立过程，在建立过程中磁场变化是不规则的，随着时间的推移，磁场逐渐规则如图（i）所示。
而磁场的变化则会影响转矩的变化，图（k）所示转矩在一开始即电动机零状态起动时，大幅度变化，当磁场变化逐渐规则时，转矩变化也开始在小范围内波动，几乎保持稳定。
电动机的转矩一转速特性反映了通过矢量控制能使电动机保持恒转矩起动，并且调节ASR的输出限幅可以改变最大输出转矩。
针对直接转子磁场定向矢量控制系统的缺点，在分析转差频率矢量控制系统方法原理的基础上，构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型，并对这种模型进行了仿真研究与分析。
在仿真实验过程中，为了获得较好的仿真波形，作者进行了大量的参数优化设计。
实验中发现；系统中PI调节器的比例系数K1、积分系数K2与坐标变换模块输出信号的放大系数需要配合调节，当偏差较大时，调节K1，以快速减少偏差；当偏差达到要求后，调节K2，以消除稳态误差。
同时要配合调节坐标变换模块输出信号的放大系数，这样才能保证PWM发生器输出正确的三相调制信号波形。
仿真与实验结果验证了转差频率矢量控制的异步电机调速系统具有良好的动、静态控制性能。
5心得体会
这次仿真中我根据转差频率矢量控制的基本概念和系统原理图，建立了交流异步电动机专差频率矢量控制系统的仿真，并进行了仿真实验。
经过不断的尝试发祥为了减少仿真需要的时间，可以在仿真中减小了电动机的转动惯量，但是过小转动惯量容易使系统发生振荡，要通过调节参数来观测参数变化对系统的影响。
仿真结果表明，转差频率矢量控制系统具有良好的控制性能。
通过这次分组实验中，我们小组完成的是“转差率控制的矢量控制系统仿真模型”，最初遇到了很多困难，最主要的就是参数的正确设定，通过和同组人的讨论分析后，我们仿真出来的图也有了一定的起色，通过网上找资料和翻阅相关图书，再通过自己的不断尝试最终得到了满意的结果，让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。
刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。
在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。
团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。
而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。
这次期末的仿真作业将会成功我人生中一次美好的经历！
升级会员 