带转矩内环的转速磁链闭环矢量控制系统仿真模型.doc

电气与电子信息工程学院

《计算机仿真技术》答卷

名 称：转速、磁链闭环控制的矢量控制系统仿真
　　　专业名称：　 电气工程及其自动化
班 级： 电气工程及其自动化2023（3）班
　　　学　　号：　　　 　 　
姓 名： 范瑞恒
指导教师： 陈学珍
系统原理：
1.坐标变换的思绪
坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流、、，通过三相——两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流和，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流和。假如观测者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的就仿佛是一台直流电动机。
把上述等效关系用结构图的形式画出来，得到图l。从整体上看，输人为A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电动机。从结构图内部看，通过3／2变换和按转子磁链定向的同步旋转变换，便得到一台由和输入，由输出的直流电动机。

图1 异步电动机的坐标变换结构图

2. 矢量控制系统结构
由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量控制系统(VectorControlSystem)，简称VC系统。VC系统的原理结构如图2所示。图中的给定和反馈信号通过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号和电枢电流的给定信号，通过反旋转变换一得到和，再通过2／3变换得到、和。把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。

图2 矢量控制系统原理结构图
按照矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时，可设立磁链调节器和转速调节器ASR分别控制和，如图4a所示。把ASR的输出信号除以，当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消，且变频器的滞后作用可以忽略时，此处的(÷)便可与电机模型中的(×)对消，两个子系统就完全解耦了。这时，带除法环节的矢量控制系统可以当作是两个独立的线性子系统如图4b。
应当注意，在异步电动机矢量变换模型中的转子磁链和它的相位角都是在电动机中实际存在的，而用于控制器的这两个量却难以直接测得，只能采用磁链模型计算，在图4a中冠以符号“^”以示区别。因此，上述两个子系统的完全解耦只有在下面三个假定条件下才干成立：(1)转子磁链的计算值等于其实际值：(1)转子磁链的计算值等于其实际值 (2)转子磁链定向角的计算值等于其实际值；(3)忽略电流控制变频器的滞后作用。

（a）

(b）
图4 带除法环节的解耦矢量控制系统
(a）矢量控制系统 (b）两个等效的线性子系统
——磁链调节器 ASR——转速调节器
在按转子磁链定系那个矢量控制系统中，重要是为了转速和转子磁链解耦。提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的方法是在转速换内增设转矩控制环，如图（1）。
转矩内环之所以有助于解耦，是由于磁链对控制对象的影响相称于一种干扰作用，转矩内环可以克制这个扰动，从而改造了转速子系统。

要实现按转子磁链定向控制的VC系统还必须获得转子磁链信号，在实用系统中，多是借助转子磁链模型，实时计算磁链的幅值和相位。
基于MATLAB工具箱的仿真，事实上是根据系统的数学模型进行计算。对的地理解各模块的含义和性质以及参数的对的拟定，是建立仿真模型的关键。
3. 仿真模型
（1） 主电路的建模和参数的设立
在矢量控制系统调速系统中，主电路是由直流电压源、逆变器及交流电动机等组成。对于电流控制逆变器，可以采用电力电子模块组成中选取“Universal Bridge”模块。具体的参数为：电动机选择：380V、50Hz、两对磁极

逆变器电源为510V
定子绕组自感
转子绕组自感
漏磁系数
转子时间常数
设立如图所示

（2） 控制电路建模和参数的设立
①滞环脉冲发生器建模。滞环脉冲发生器作用是给定电流IA\、IB、IC同输出电流IA\。、IB、IC相比较，电流偏差超过一定范围时，滞环脉冲发生器控制逆变器上（下）桥臂功率器动作，使得输出电流尽也许接近给定电流。为了保证同一桥臂上下轮流动作，上臂桥采用Relay模块，滞环宽度取12.为了加快仿真，下桥臂采用Data Type Conversion 、Logical Operator等模块组成。滞环脉冲发生器及封装后的子系统如图所示。

（a）滞环脉冲发生器的模型

Relay 的参数设立

（b）滞环脉冲发生器封装后的子系统
图 滞环脉冲发生器模型及封装后的子系统
转子磁链模型及封装后子系统如下图所示：

（a）电流变换与磁链观测模型

（b）电流变换与磁链预测模型封装后子系统
图 电流变换与磁链观测模型及子系统
（3） 矢量控制系统的仿真
在MATLAB下作系统仿真模型，如图所示

系统仿真参数设立：仿真中所选的算法为ode23 tb,Start设为0，Stop设为3.0s。
ASR的设立：

ATR的参数设立：

ApsiR的参数设立：

（4） 仿真结果

（a）

(d)

(b)

(c)

(f)

(g)

(e)

(h)

(i)

结果分析：
在给定转子为1400r/min，空载启动，在0.6s时家在60N .m，系统的仿真结果如图所示。期中图a--c分别为电动机转速、电路、转矩的曲线，图d--f分别为三个调节器的输出信号波形。在波形中可以看到，在矢量控制下，转速上升平稳，加载后略有下降但随即恢复，在0.35s达成给定转速时和0.6s加载时，系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。由于ATR和ApsiR都是带限幅的PI调节器，在起动中两个调节器都处在饱和限幅状态，因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变，定子电流的给定值i*sA、i*sB、i*sC也不变（见图g），所以在起动过程中，定子电流基本保持不变（见图b），实现了恒电流起动。 
比较图h和图e的磁链轨迹，带磁链调节器后，在起动阶段，磁场的建立过场比较平滑，磁链呈螺旋形增长，同时电动机转矩也不断上升；而不带磁链调节器（见图e）时，起动初期磁链轨迹波动较大，也引起了转矩的大幅度波动（见图c）。从转矩-转速曲线也可以看到，带磁链调节器的系统起动转矩较大。