畢業(yè)設(shè)計(jì)-異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)matlab仿真研究(已修改)
2024-12-17 19:23 本頁面
【正文】 I 基于 Matlab 的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真研究 1 引言 交流調(diào)速技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面應(yīng)用很廣，對于提高電力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能有著重要的意義，由于電力傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和被控對象的特殊性，使得對它的建模與仿真一直是研究的熱點(diǎn)。對其仿真研究不能像控制系統(tǒng)那樣可用各環(huán)節(jié)簡化傳遞函數(shù)來表示，這樣會(huì)有很多重要環(huán)節(jié)被忽略，完全體現(xiàn)不了交流調(diào)速系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)上的信號狀態(tài)。對電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真力求達(dá)到與實(shí)際系統(tǒng)相一致， matlab 提供的 simulink 中的電力系統(tǒng)工具箱（ powerlib）能很好地滿 足這一要求。以往對電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究主要集中在電機(jī)的建模和仿真 [4][5]，最近，許多對復(fù)雜電力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真方法已提出，主要有運(yùn)用仿真工具箱對電力傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真 [7]和將電力傳動(dòng)系統(tǒng)的功能單元模塊化的仿真建模 [3]。 這些方法都是在 matlab/simulink環(huán)境下，結(jié)合電力系統(tǒng)工具箱對復(fù)雜電力傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真，但是沒有分析 powerlib 運(yùn)行原理。狀態(tài)空間分析方法對于電力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真是一種方便有效的方法，它被成功地應(yīng)用到 powerlib中，能夠完成復(fù)雜電力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真，并且能夠方 便的進(jìn)行波形分析和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)。本文基于文獻(xiàn) [6][8]，用狀態(tài)空間方法分析 powerlib中各主要元件的建模原理，給出了 powerlib 模塊的仿真原理和使用方法，并且基于異步電動(dòng) II 機(jī)矢量控制系統(tǒng)實(shí)例描述了復(fù)雜電力傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真的過程，分析了仿真中的實(shí)際問題，通過改進(jìn)仿真方法，提高了仿真效率。 2 電力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模和狀態(tài)空間描述 電力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模包括以下幾個(gè)主要部分：電力逆變器、電力半導(dǎo)體開關(guān)、電動(dòng)機(jī)以及控制系統(tǒng)。對于一個(gè)含有非線性元素的電路（例如電力電子電路）不能直接用狀態(tài)空間描述，然而可以把電力電 子電路分成非線性和線性兩部分，線性部分用狀態(tài)空間描述，非線性部分用非線性模型描述。這樣整個(gè)系統(tǒng)可以看作一個(gè)前向通道是線性部分，反饋通道是非線性部分的反饋系統(tǒng)，如圖 1 所示。 圖 1 狀態(tài)空間方法描述電氣系統(tǒng)電路模型 電機(jī)模型可以用各自的電壓或磁鏈的微分方程描述，圖 2 所示為一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系下 的模型，輸入變量是定子電壓、電流，輸出是交流調(diào)速系統(tǒng)所需的電壓、電流、磁通、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 III 圖 2 感應(yīng)電機(jī)二相靜止坐標(biāo)系下的模型 電力開關(guān)是非線性的可以用一個(gè) rl 串聯(lián)電路和根據(jù)不同開關(guān)類型設(shè)計(jì)的邏輯電路來描述，圖 3 所示是一個(gè)典型的電力開關(guān)（ igbt）模型，輸入變量是 v電壓，輸出是變量 i，邏輯信號 由 g 輸入控制 igbt的開關(guān)，可以看出這跟它的物理模型很相像。它的線性部分用狀態(tài)變量表達(dá)式，非線性部分可看作壓控電流源，電流源的電流作為線性部分的輸入。 圖 3 igbt 模型 3 電力系統(tǒng)模塊庫的運(yùn)行機(jī)理和應(yīng)用 simulink 支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)和連續(xù)與離散混合系統(tǒng) ,可以 根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型 ,十分直觀 ,仿真精度高 ,結(jié)果準(zhǔn)確。正是由于 simulink具有上述優(yōu)點(diǎn)和電力電子電路及系統(tǒng)分析的需要 ,人們又在它的基礎(chǔ)上開發(fā)了 power system blockset 電力系統(tǒng)工具箱。然而電氣 IV 系統(tǒng)模塊庫中的 powerlib 模塊與 simulink模塊二者有本質(zhì)上的區(qū)別，因此在 simulink 環(huán)境下，進(jìn)行仿真前應(yīng)有一個(gè)初始化過程：把包含 powerlib 模塊的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為 simulink 能夠仿真的等效系統(tǒng)，具體操作如下： （ 1） 調(diào)用 power2sys函數(shù)，把所有的模塊劃分為常規(guī)模 塊和 powerlib 模塊，其中 powerlib 模塊又分為線性模塊和非線性模塊； （ 2） 調(diào)用 powerlib 函數(shù)求出模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到其參數(shù)，并對每個(gè)電氣結(jié)點(diǎn)賦一個(gè)結(jié)點(diǎn)號； （ 3） 調(diào)用 circ2sys 函數(shù)求出線性模塊的狀態(tài)空間模型 。 （ 4） 調(diào)用 powerlib函數(shù)根據(jù) simulink的內(nèi)部預(yù)定義模型求出非線性模型的 simulink 模型。 初始化完成以后， simulink 開始對此系統(tǒng)仿真。 上述復(fù)雜的預(yù)處理過程對用戶來說實(shí)際上是屏蔽的。電力系統(tǒng)模塊在使用上與常規(guī)的 simulink 模塊類似，但二者畢竟 是兩類本質(zhì)不同的模塊，對于同時(shí)使用兩類模塊的仿真模型必然會(huì)有兩類模塊之間的信號流動(dòng)，這就需要中間接口模塊。因此當(dāng) simulink 模塊的信號送入到 powerlib模塊時(shí)，應(yīng)根據(jù)其性質(zhì)，采用可控電流源或可控電壓源作為中間環(huán)節(jié)；反之，當(dāng) powerlib 模塊中的信號反饋給 simulink 模塊構(gòu)造的控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用電流或電壓測量模塊。 4 交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的原理及其仿真 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理 V 本文采用的是轉(zhuǎn)子磁場間接定向電流控制型交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) [1]，原理圖如圖 4 所示。 圖 4 轉(zhuǎn)子磁場間接定向電流控制型矢量控制系統(tǒng)原理圖 如果把轉(zhuǎn)子磁鏈方向按空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 m軸方向定向，則可得到按轉(zhuǎn)子磁場方式定向下的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方程。 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） 上列各式中， 是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流參考值； 是轉(zhuǎn)差角頻率給定值； 是定子 VI 電流的勵(lì)磁分量； 是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量； 是定子頻率輸入角頻率； 是轉(zhuǎn)子速度； 是轉(zhuǎn)子磁場定向角度； 是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)； 和 分別是電機(jī)互感和轉(zhuǎn)子自感。 圖 4 所示控制系統(tǒng)中給定轉(zhuǎn)速 與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速 相比較，誤差信號送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩信號 ，電機(jī)的激磁電流給定信號根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 由弱磁控制單元產(chǎn)生，再利用式（ 1）產(chǎn)生定子電流激磁分量給定信號 ，定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號 則根據(jù)式（ 2）所示的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式生成。 、 和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) lr一起產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率信號 ， 與 ωr 相加生成轉(zhuǎn)子磁場頻率給定信號 ，對 積分則得到轉(zhuǎn)子磁場空間角度給定信號 。 和 經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和 2/3 相變換產(chǎn)生定子三相電流給定信號 、 和，與定子三相電流實(shí)測信號 、 和 相比較，由滯環(huán)控制器產(chǎn)生逆變器所需的三相 pwm信號。 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)建模 在 matlab/simulink環(huán)境下利用電氣系統(tǒng)模塊庫中的元件搭建交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng) [2]，整體仿真框圖如圖 5 所示。 VII 圖 5
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