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第26卷 第2期2005年4月大连大学学报JOURNAL OF DALIAN UNIVERSITYVo.l26 No.2 Apr.2005 异步电机矢量控制系统仿真研究张玉霞,刘海燕,张 瑾,李晓梅(大连大学信息工程学院,辽宁大连116622)3摘 要:异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统.文中提出一种异步电动机矢量控制系统方案,并在此基础上设计了一个典型的矢量控制系统,然后利用matlab/simulink仿真软件对该控制系统进行建模与仿真研究.关 键 词:异步电动机;矢量控制;数学模型;仿真+中图分类号:TM343.2 文献标识码:A 文章编号:100822395(204ResearchandsimulationofvectorcontrolsystemforasynchronousmotorZHANGYu2xia,LIUHai2yan,ZHANGJin,LIXiao2mei(CollegeofInformationEngineering,DalianUniversity,Dalian116622,China)Abstract:Asynchronousmotorisahigh2order,hemeofvectorcontrolsystemforasynchronousmotorisproposedinthispaper,stemismodeledandsimulatedwiththesoftwareofMATLAB/ds:asynchronousmotor;vectorcontrol;mathematicalmodel;simulation近年来,电气传动领域进行着一场重要的技术革命———将原来只用于恒速传动的交流电机实现速度控制,以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电机.随着电力电子元件的发展,交流调速技术得到迅速发展.为了避免系统在设计上的过分复杂,有必要建立矢量控制仿真系统,利用此仿真系统,可以大大缩短系统的开发和调试周期,节约研制费用.本文利用MathWorks软件公司开发的动态系统建模和仿真工具箱—Simulink进行模型的建立.它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点.本文采用电流滞环型PWM进行供电,以常规的矢量控制方法进行控制.但在控制器中加入变参数结构,使系统动态特性比采用固定参数时要优越.1 异步电机数学模型通过对异步电动机的分析可以看出:异步电动机是一个高阶、强耦合、非线性的多变量(多输入多输出)系统.根据磁动势相等的原则和变换前后功率不变的条件,可得出如下坐标变换矩阵.三相静止/二相旋转坐标变换:C3S/2R=2/3θ cos(θ-120°)cosθ-sin(θ-120°)-sin) cos(θ+120°)-sin(θ+120° 二相旋转/三相静止坐标变换C2R/3S是C3S/2R的转置矩阵.3收稿日期:2005203202作者简介:张玉霞(1963-),女,副教授.
第2期张玉霞等:异步电机矢量控制系统仿真研究 45θcosC2R/3S=θ-sinθ-120°)-sin(θ+120°)-sin(2/3)cos(θ-120°)cos(θ+120° 利用此坐标变换将三相坐标系的电压、电流和磁链变换到二相坐标系下,对模型进行解耦,再进一步对旋转磁场的相对位置加以适当选定,使模型进一步简化.最终得出在M、T坐标系的数学模型方程如下:ψUM1=R1IM1+PM1-ω1ψT1ψT1+ω1ψUT1=R1IT1+PM1ψ2UM2=R2IM2+PUT2=R2IT2+(ω1∃ωr)ψ2ψM1=Ls×IM1+Lm×IM2ψT1=Ls×IT1+Lm×IT2ψ2=Lr×IM2+Lm×IM10=Lr×IT2+Lm×IT1Te=npLmψ2×IT1×Lrωr/dt)Te-TL=(J/np)×(d2 电动机模型的建立对异步电动机来说,实际的输入是电压或电流及负载转矩TL,上面推导的电动机模型的输入是变换后的电流,为了使模型和实际系统更加接近,也要以三相电流作为输入,为此要将三相输入电流变换成二相电流IIT1,送给电动机模型.因此根据变换方程即可得出三相/二相变换结构图,将其封装后,相互连M1、接,就构成了异步电动机模型.根据以上的M、T坐标系的数学模型可以画出如下图1等效电机模型的结构图,图中以三相/二相电流IIT1和负载转矩TL为输入,输出为转速n:M1、图1 等效电机模型3 控制系统的构成控制系统采用速度、磁链闭环控制.磁通观测器采用电流结构,即由三相定子电流和电机转速求得转子磁通的大小和相位.图2为矢量控制系统结构图.在控制器中,速度调节器根据给定速度和实际速度的偏差来决定使用不同的时间常数τn,使用这种方法与只用单一的时间常数相比,具有超调小,调节快速的特点.当实际速度在给定速度的某一范围内时,使用小的τn,使积分作用加强,偏差迅速减小到零.并且,当实际速度大于给定速度时,可以使速度调节器快速退出饱和状态.当实际速度在此范围之外时,采用大的τn,使速度调节器尽量不进入深饱和状态,从
46大连大学学报第26卷而使超调减小.图2 矢量控制系统结构图4 实验结果和分析选用J041-4型三相异步电动机进行仿真计算,其参数如表1所示:表1 仿真参数表P1.7kWR1U(△/Y)380/220VR2InomTenomnnomΦcos0.82npη81.5%J0.02kg・m23.86ALl111.35N・mLl21430r/minLm1Ω4.1Ω2.50.035H0.032H0.51H2 经计算后,各调节器参数为Kn=28.2,τ.064;Ki=28,τ.0088;K.ψ=42,τψ=0n1=20,τn2=0i=032,额定磁通值为1.16.考虑以下几种情况进行实验(1)电机在阶跃给定下空载起动,1s后,突加满载11.35N・m,再过1s后,减载到3N・m,其速度曲线如图3和电磁转矩曲线如图4.图3 速度曲线图4 电磁转矩曲线图5 速度曲线(2)负载为8N・m时,开始给定控制电压为零,然后,依次调节控制电压为4→10→9→5→1.整个调节过程的速度曲线如图5、转矩曲线如图6.从实验结果可以看出:整个矢量控制调速系统速度曲线和电磁转矩曲线超调较小,快速性较好.调速系统能够实现无静差调速.系统的动、静态性能较好.控制系统转速完全能够跟随控制电压的变化,其响应时间大约为012s,在给定转速变化小时,转速超调小.给定转速变化大,超调也大.电机在空载时,突加给定10,即给定转速为额定转速1430r/min,电机在014s时,转速基本稳定,超调在5%以内.在满载时,由零转速达到额定转图6 电磁转矩曲线
第2期张玉霞等:异步电机矢量控制系统仿真研究 47速大约需要0.6s,超调也控制在5%以内.转速调节器的时间常数τ.062时,电机的转速超调比n的大小对转速的影响比较大.当τn设计值为0较大(可达到30%～40%),但是转速调节的快速性比较好.而当τn取为设计值的20～30倍时,转速超调减小,达到设计要求,但转速在给定值附近,并逐渐向给定值逼近时,其变化率非常缓慢,大约需要1～2s的时间,转速才能基本达到给定值.τn值的选取就有一定的困难,太大,快速性不好,而太小时,超调却增大.对这个相互矛盾的问题,本文的解决办法是:当实际转速和给定转速的偏差在某一范围之外时,选用使超调小的τn,当偏差在这一范围以内时,选用快速性好的τn.因为在反复实验中发现,在转速第一次达到给定值之前时,τn值的大小对转速变化影响不大.当选用快速性不好(即超调大)的参数,实际转速在给定值的某一范围之外时,速度调节还是比较快的,调节时间长,主要是因为实际速度越接近给定值,调节器的调节作用越小,转速的变化越慢.采用变参数的办法,可以改善这种情况.当实际转速和给定转速的偏差大时,采用大的τn值,避免调节器进入深饱和.当实际转速接近给定转速时,采用小的τn值,使调节器快速退出饱和.5 结束语通过仿真试验获得的仿真曲线,充分验证了在异步电动机矢量变换数学模型的基础上建立仿真模型的正确性.采用Simulin进行异步电动机调速系统仿真,无需编程、直观、灵活,对于开发和研究调速系统有着重要的意义.参考文献:[1]汤东胜,等.电动汽车交流驱动系统的矢量控制[J].山东交通学院学报,2002,2:21224.[2]孙 凯,等.基于矩阵式变换器的异步电动机矢量控制[J].清华大学学报(自然科学版),2004,07:9092912.[3]吴安顺.最新实用交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998.[4]施 阳,等.MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK[M].西北工业大学出版社,1998.[5]刘 艳,邵 城.感应电机广义模型的建立及仿真研究[J].系统仿真学报,2004,09:205222055.
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