1、采用电流闭环控制,可有效抑制这一现象,使实际电流快速跟随给定值,图1-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。图1-2矢量控制系统原理结构图 通过转子磁链定向,将定子电流分量分解为励磁分量ism和转矩分量ist,转子磁链仅由定子电流分量ism产生,而电磁转矩正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积,实现了定子电流的两个分量的解耦。简化后的等效直流调速系统如图1-3所示。图1-3简化后的等效直流调速系统2设计方法1.电流模型设计 转子磁链在实用的系统中多采用按模型计算的方法,即利用容易测得的电压、电流或转速等信号,借助于转子磁链模型,实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数
2、学模型中推导出来,也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中,由于主要实测信号的不同,又分为电流模型和电压模型两种。本设计采用在坐标系上计算转子磁链的电流模型。由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流is和is,在利用坐标系中的数学模型式计算转子磁链在轴上的分量 (2-1-1)也可表述为: (2-1-2)然后,采用直角坐标-极坐标变换,就可得到转子磁链矢量的幅值和空间位置,考虑到矢量变换中实际使用的是的正弦和余弦函数,故可以采用变换式 (2-1-3) (2-1-4) (2-1-5)图2-1-1 在坐标系上计算转子磁链的电流模型2 矢量控制系统设计
3、 图3-1为电流闭环控制后的系统结构图,转子磁链环节为稳定的惯性环节,对转子磁链可以采用闭环控制,也可以采用开环控制方式;而转速通道存在积分环节,为不稳定结构,必须加转速外环使之稳定。常用的电流闭环控制有两种方法:一个是将定子电流两个分量的给定置和施行2/3变换,得到三相电流给定值。采用电流滞环控制型PWM变频器,在三相定子坐标系中完成电流闭环控制。另一个是将检测到得三相电流施行3/2变换和旋转变换,达到mt坐标系中的电流。采用PI调节器软件构成电流闭环控制,电流调节器的输出为定子电压给定值,经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压,再经过SVPWM控制逆变器输出三相电压,其系统结构图如图3
4、-2所示。本次MATLAB仿真系统设计也是采用的这种控制方法。图3-1 电流闭环控制后的系统结构图图3-2 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图本次MATLAB系统结构仿真模型如图3-3所示,其中SVPWM用惯性环节等效代替,若采用实际的SVPWM方法仿真,将大大增加仿真计算时间,对计算机的运行速度和内存容量要求较高,转速,转子磁链和两个电流调节器均采用带有积分和输出限幅的PI调节器,转子磁链幅值和角度由电动机模型直接得到。矢量控制系统仿真模型图如图3-3所示。图3-3 矢量控制系统仿真模型图 由图中可知ASR为转速调节器,APsirR为转子磁链调节器,ACMR为定子电流励磁
5、分量调节器,ACTR为定子电流转矩分量调节器,对转子磁链和转速而言,均表现为双闭环控制的系统结构,内环为电流恒定,外环为转子磁链或转速环。其中系统中的K/P模块是计算转子磁链幅值和角度的,其内部结构图如图3-4所示。图3-4 转子磁链和角度计算结构图在此次设计中,由于电动机模型是根据两相静止坐标系下的数学模型建立,在仿真设计中加入了静止两相旋转正交变换(2s/2r变换)和旋转静止两相正交变换(2r/2s变换),其MATLAB仿真结构图分别如图3-5和图3-6所示。图3-5 2s/2r变换结构图图3-6 2r/2s变换结构图本次仿真设计中的调节器都是采用PI调节器,其传递函数为; (3-1) 电
6、流调节器的比例系数; 电流调节器的超前时间常数。同时其传递函数也可写为: (3-2)其PI调节器的MATLAB仿真结构图如图4-7所示。而且此PI调节器是带了限幅的。根据MATLAB的仿真图形,不断改进PI调节器和Kp和Ki。转速调节器ASR,其结构图如图4-7所示,其中Kp取5,Ti取10,积分限幅取-100100,转速给定根据电动机的额定转速1430 r/min,可以得到其转速给定为149.75。图3-7 ASR调节器磁链调节器 APsirR,其结构图与转速调节器结构相同,其中磁链给定为1.2。两个电流调节器MATLAB仿真模型如图3-8所示。只是参数不同,ACMR的Kp取5,Ti取10;
7、ACTR的Kp取5,Ti取15。图3-8 电流调节器ACMR和ACTR仿真结构图三 仿真结果 电机定子侧的电流仿真结果 电机定子侧的电流(Isa&Isb)仿真结果如图4-1所示。系统在t=3s时突加负载。由仿真结果可知:空载起动时,定子电流基本稳定不变,成正弦变化。在t=3s突加负载后,电流仍成正弦变化,幅值变大,但基本保持稳定。图4-1 电机定子侧的电流(Isa&Isb)电机定子测电流(Ia&Ib&Ic)仿真结果如图4-2所示,空载启动时电流成交流变化,并且幅值逐渐变大,然后趋于稳定,电机在恒定幅值稳定运行。当t=3s突加负载后,电流幅值突然加大,然后有一定的回落直到稳定运行,此时电流仍成交
8、流变化,幅值大于空载运行时。图4-2 电机定子侧的电流(Ia&Ic) 电机输出转矩仿真结果电机输出转矩Te的仿真结果如图4-3所示。结果表明,电机在空载启动时,输出转矩会有一个突变到较大值,随着电机的启动输出转矩减小直至为0并稳定运行。在突加负载后,通过系统的闭环控制,使得电机输出转矩突增并超过给定负载转矩一定值,以保证电机正常运行,逐渐稳定后输出转矩回落到给定值,输出转矩等于负载转矩,电机稳定运行。图4-3 电机输出转矩Te仿真图电机的转子速度及转子磁链仿真结果电机的转子速度Wr和转子磁链Psir仿真结果分别如图4-4和4-5所示。可见,电机起动后,转速成线性上升,当上升到给定值时,转速调节
9、器ASR的输出由于积分作用还维持在幅值。转速超调后使得ASR退饱和从而稳定在给定值。突加负载后,转速下降,但由于采用的是PI调节器,它具有消除静差的作用,所以转速很快上升继续保持在给定值。转子磁链Psir建立后,几乎为恒值,在突加负载后,磁链有一个小幅度的上升,但在电流环的PI调节作用下,磁链Psir很快恢复到给定值,并在此状态稳定运行。 图4-4 电机的转子速度Wr仿真结果图4-5 转子磁链Psir仿真结果参考文献1陈伯时电力拖动自动控制系统(第4版)机械工业出版社20042李德华电力拖动控制系统(运动控制系统)电子工业出版社20063裴润,宋申明自动控制原理(上册)哈尔滨工业大学出版社20064黄忠霖自动控制原理的MATLAB实现国防工业出版社20075冯垛生,曾岳南无速度传感器矢量控制原理与实践2006.
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