转差频率矢量控制仿真报告仿真参数详尽可靠.docx
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转差频率矢量控制仿真报告仿真参数详尽可靠
一 矢量控制的基本原理
1.1异步电动机动态数学模型······························2
1.1.1异步电动机动态数学模型的性质···················2
1.2矢量控制技术思想····································2
1.3坐标变换···········································3
1.3.1坐标变换的基本思想和原则·······················3
1.3.2三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换···········4
1.3.3两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换···········6
二转差频率间接矢量控制调速系统的组成及工作原理
2.1转差频率控制的基本概念······························7
2.2基于转差频率矢量控制调速系统的组成··················9
2.3基于转差频率间接矢量控制调速系统的工作原理··········9
三主电路及控制电路的设计
3.1PWM逆变电路········································11
3.2转速PI调节器设计···································11
3.3函数运算模块的设计··································12
3.4坐标变换模块的设计··································13
四转差频率间接矢量控制调速系统的Matlab仿真
4.1仿真模型的搭建及参数设置····························14
4.1.1主电路模型的搭建·······························15
4.1.2控制电路的模型搭建·····························16
4.2仿真结果········································17
4.3仿真结果分析········································20
总结·····················································21
参考文献················································22
一 矢量控制的基本原理
矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。
一般将含有矢量变换的交流电动机控制称之为矢量控制。
交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高,从而使交流调速取代直流调速成为可能。
1.1异步电动机动态数学模型
基于稳态数学模型的异步电动机调速系统能够在一定范围内实现平滑调速,但是,如果遇到轧钢机,数控机床,机器人,载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统,就不能完全适应了。
要实现高动态性能的系统,必须首先研究异步电动机的动态数学模型。
。
1.1.1异步电动机动态数学模型的性质
交流电动机的数学模型和直流电动机的数学模型相比有本质的区别主要表现在以下几个方面:
1)异步电动机变压变频调速时需要进行电压电流的协调控制,有电压和电流两个独立的输入变量。
在输出变量中,除转速外,磁通也得算一个独立的输出变量。
为了获得良好的动态性能,也希望对磁通施加某种控制,使它在动态过程中尽量保持恒定,才能产生较大的动态转矩。
由于这些原因,异步电动机是一个多变量系统,而电压,电流,频率,磁通,转速之间又互相都有影响,所以是一个强耦合的多变量系统,可以用下图来定性的表示。
图1-1 异步电动机的多变量,强耦合模型
2)在异步电动机中,电流乘以磁通产生转矩,转速乘以磁通得到感应电动势,由于它们都是同时变化的,在数学模型中,就含有两个变量的乘积项,这样一来,即使不考虑磁饱和等因素,数学模型也是非线性的。
3)三相异步电动机有三个定子绕组,转子也可等效为三个绕组,每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性,再算上运动系统的机电惯性和转速与转角的积分关系,即使不考虑变频装置的滞后因素,也是一个八阶系统。
总之,异步电动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。
所以必须设法予以简化,才能进行分析和设计。
1.2矢量控制技术思想
异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,通过坐标变换,可以使之降阶并化简,但并没有改变其非线性、多变量的本质。
交流调速系统的动态性能不够理想,调节器参数很难设计,关键就是在于只是近似成线性单变量控制系统而忽略了非线性、多变量的性质。
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式,它基于电动机的动态数学模型,通过坐标变换,将交流电机模型转换成直流电机模型。
根据异步电动机的动态数学方程式,它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式,因而如果选择合适的控制策略,异步电动机应有和直流电动机相类似的控制性能,这就是矢量控制的思想。
1.3坐标变换
要分析和求解这组非线性方程是非常困难的,即使要画出很清楚的结构图也并不是容易的事。
通常须采用坐标变换的方法加以改造,使变换后的数学模型容易处理一些。
1.3.1坐标变换的基本思想和原则
异步电机数学模型之所以复杂,关键是因为有一个复杂的电感矩阵,影响磁链和受磁链影响的因素太多了。
因此,要简化数学模型,须从简化磁链的关系着手。
直流电机的数学模型是比较简单的,如图1-1所示为直流电机的数学模型。
图1-2二极直流电机的物理模型
直流电动机的数学模型比较简单,上图为直流电动机的物理模型。
励磁绕组F和补偿绕组C都在定子上,只有电枢绕组A是在转子上。
把F的轴线作为直轴或
轴(DirectAxis),主磁通
的方向就是沿着
轴的;A和C的轴线称为交轴或
轴(QuadrateAxis)。
虽然电枢本身是旋转的,但其绕组通过换向器电刷接到端接板上,电刷将闭合的电枢绕组分成两条支路。
当一条支路中的导线经过正电刷归入另一条支路中时,在负电刷下又有一条导线补回来。
这样,电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的,因此,当电刷位于磁极的中性线上时,电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在
轴位置上,其效果好像一个在
轴上静止绕组的效果一样。
但它实际上是旋转的,会切割
轴的磁通而产生旋转电动势,这又和静止的绕组不同,通常把这种等效的静止的绕组叫做“伪静止绕组”。
电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消,或者由于其作用方向与
轴垂直而对主磁通影响甚微,所以直流电动机的主磁通基本上唯一地由励磁电流决定。
这是直流电机的数学模型及控制系统比较简单的根本原因。
如果能将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模型,分析和控制问题就可以大为简化。
坐标变换正是按照这条思路进行的。
在这里,不同的电机模型彼此等效的原则是,在不同坐标系下所产生的磁动势完全一致。
在交流电机三相对称的静止绕组A、B、C中,通过三相平衡的正弦电流
时,所产生的合成磁动势是旋转磁动势F,它在空间呈正弦分布,以同步转速
(即电流的角频率)顺着A-B-C的相序旋转。
然而,旋转磁动势并不一定非要三相不可,除单相以外,两相、三相、四相等任意对称的多相绕组,通以平衡的多相电流,都能产生旋转磁动势,当然以两相最为简单。
下图b)所示为两相静止绕组
和
,它们在空间上互差
通常以时间上互差
的两相平衡交流电流,也产生旋转磁动势F。
下图a)和b)的两个旋转磁动势大小和转速都相等时,即认为两相绕组与三相绕组等效。
a)三相交流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组
图1-3等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型
再看图中的c)中的两个匝数相等且互相垂直的绕组
和
,其中分别通以直流电流
和
产生合成磁动势F,其位置相对于绕组来说是固定的。
如果让包含两个绕组在内的整个铁芯以同步转速旋转,则磁动势F自然也就随之旋转起来,成为旋转磁动势。
如果控制磁动势也和前述的三相和两相磁动势一样,这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。
当观察者站在铁芯上和绕组一起旋转时,在它看来,
和
是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。
如果控制磁通
的位置在M轴上,就和直流电机的物理模型没有本质上的区别了。
这时,绕组
相当于励磁绕组,绕组
相当于伪静止的电枢绕组。
由此可见,以产生同样的旋转磁动势为准则,三相交流绕组、两相交流绕组与整体旋转的直流绕组彼此等效。
或者说,在三相坐标系下的
与
和在旋转两相坐标系下的直流
和
是等效的,它们能产生相同的旋转磁动势。
就
两个绕组而言,当观察者站在地面看上去,它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组;如果跳到旋转着的铁芯上看,它们就的确是个直流电机模型了。
这样,通过坐标系的变换,可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。
1.3.2三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换
由于转子的旋转,定、转子绕组间的互感是定、转子相对位置的函数,使得交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程。
为了解除定、转子间这种非线性的耦合关系,需要对其进行坐标变换,建立起
参考系坐标内的异步电机的数学模型。
在三相静止绕组
、
、
和两相静止绕组
、
之间的变换,或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换,简称3/2变换。
图1-3中绘出了
、
、
和
、
两个坐标系,为方便起见,取A轴和
轴重合。
各相磁动势为有效匝数与电流的乘积,其空间矢量均位于有关的坐标轴上。
由于交流磁动势的大小随时间在变化,图中磁动势矢量的长度是随意的。
图1-4三相、两相静止坐标系与磁通势空间矢量
设磁动势波形是正玄分布的,当三相总磁动势与两相总磁动势相等时,两套绕组瞬时磁动势在
、
轴上的投影都应相等,为使变换阵表示成方阵,在两相坐标系中人为加上一个零轴。
于是电流的变换关系为:
(1-1)
式中,
-三相坐标系变换到两相坐标系的电流变换阵,根据它们产生相同的磁动势的原则和变换前后功率不变的原则,可以得到:
(1-2)
如果要从两相坐标系变化到三相坐标系,可以利用增广矩阵的方法把
扩成方阵,求其逆矩阵后即可得:
(1-3)
反之,如果从两相坐标系变换到三相坐标系,简称2/3变换,可以求其反变换阵
,从两相坐标系变换到三相坐标系的电流关系是:
(1-4)
考虑到实际异步电机的三相绕组为不带中线的对称绕组,没有零轴电流,并且满足
于是三相坐标系与两相坐标系之间的电流变换可进一步简化为
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