1、电机控制系统的计算机仿真课程设计题目：感应电机磁链观测器仿真分析1.概述异步电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，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。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。要实现按转子磁链定向的矢量控制系统，很关键的因素是要获得转子磁链信号，以供磁链反馈和除法环节的需要。开始提出矢量控制系统时，曾尝试直接检测磁链的方法，一种是在电机槽内埋设探测线圈，另一种是
2、利用贴在定子内表面的霍尔元件或其它磁敏元件。从理论上说，直接检测应该比较准确，但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题，而且由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时影响越严重。因此，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，利用转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与相位。利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型。本文在此基础上给出了转子磁链的电流模型和电压模型，并利用 MATLAB软件进行了建模和仿真分析。 2.原理分析2.1计算转子磁链的电流模型根据描述磁链与电流的关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫作电流模型。电流模
3、型可以在不同的坐标系上获得。1在两相静止坐标系上的转子磁链模型 在二相同步旋转坐标系上的电压方程为sd sds1sm1mq q11r rmrsrs su iRLpLpiR （1）由实测的三相定子电流通过 3/2变换很容易得到两相静止坐标系上的电流 is和 is，又有转子磁链在 ， 轴上的分量为 （2）rmsrLi（3）rsr可得（4）rrms1()iLi（5）rrs()ii又由式（1）的 坐标系电压矩阵方程第 3，4行，并令 ur = ur = 0 得（6）msrmsrr()LpiiLiRi（7）srsrr或（8）rrrms1()0pLiT（9）rrrs()i整理后得转子磁链模型 （10）rm
4、srr1LiTTp（11）rsrri按式（10） 、式（11）构成转子磁链分量的运算框图如下图所示。有了 r和 r，要计算 r的幅值和相位就很容易了。 LmTrLm Tr p+11+-isisrrTr p+11图 1 在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型上图的转子磁链模型适合于模拟控制，用运算放大器和乘法器就可以实现。采用微机数字控制时，由于 r与 r之间有交叉反馈关系，离散计算时可能不收敛，不如采用下面第二种模型。 2按磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型 下图是另一种转子磁链模型的运算框图。三相定子电流 iA、 iB、 iC经 3/2变换变成两相静止坐标系电流 is、 is，再经同步
5、旋转变换并按转子磁链定向，得到 M，T 坐标系上的电流 ism、 ist，利用矢量控制方程式可以获得 r和 s信号，由 s与实测转速 相加得到定子频率信号 1，再经积分即为转子磁链的相位角 ，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。3/2 VRTr p+1LmiCiBiA isisistisms 1+ +r TrLm1pSinCos图 2 在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型和第一种模型相比，这种模型更适合于微机实时计算，容易收敛，也比较准确。 上述两种转子磁链模型的应用都比较普遍，但也都受电机参数变化的影响，例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻 Rr，从而改变时间常数 Tr ，
6、磁饱和程度将影响电感 Lm和 Lr，从而 Tr也改变。这些影响都将导致磁链幅值与相位信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低。 2.2计算转子磁链的电压模型根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫作电压模型，其方程式如下。（12）()rrsssmrrsssLuRidtLi式中，漏磁系数 。21msrL3.仿真模型建立3.1 转子磁链的仿真模型转子磁链的仿真模型如下所示，模型中，异步电动机由逆变器驱动，转子磁链的电流模型从电动机测量模块得到定子三相电流（iabc）和转速（wr）信号，模型的输出是转子磁链 。r本次设计中，转子磁链模
7、型的计算参数设置如下：电动机：380V、50Hz、2 对极，Rs=0.435，L1s=0.002 mH，Rr=0.816，L1r=0.002mH，Lm=0.069 mH，J=0.19kg*m2。逆变器直流电源 510V。定子绕组自感 Ls=Lm+L1s=(0.069+0.002) mH=0.071 mH；转子绕组自感 Lr =Lm+L1r=(0.069+0.002) mH=0.071 mH；漏磁系数 =1- Lm2/LsLr=0.056；转子时间常数 Tr=Lr/ Rr=0.071/0.816=0.087。图 3 转子磁链的仿真模型3.2 转子磁链的电流模型电流模型使用在二相同步旋转坐标系上按
8、转子磁链定向的磁链模型，模型的结构图如下。图 4 转子磁链的电流模型结构（二相同步旋转坐标系）3.3 转子磁链的电压模型转子磁链的电压模型从电动机测量模块得到定子三相电流（iabc） ，从电动机定子侧经电压测量单元取得三相电压信号（uabc） ，电压模型的输出是转子磁链在轴上的分量 、 。rr图 5 转子磁链电压模型计算流程图 6 转子磁链电压模型结构4.仿真结果分析将各模块的参数按指定要求设定后，可得仿真结果，其波形图如下所示。图 7 电流模型：输出频率 50Hz，调制度 0.9图 8 电压模型：输出频率 50Hz，调制度 0.9图 9 电流模型：输出频率 10Hz，调制度 0.2图 10
9、电压模型：输出频率 10Hz，调制度 0.2波形表明，转子磁链的电流模型和电源模型计算的到的结果是一致的，并且磁链模型的计算结果与电动机测量单元输出的转子磁链波形比较较为接近。实际上转子磁链的电压模型因为受定子电阻的影响较大，比较起来电压模型更适合于中、高速范围内转子磁链的观测，低速时采用电流模型更适合。5.总结通过本次设计表明，利用转子磁链的电流模型和电压模型可以方便而准确地计算出转子的磁链。在实际操作中，虽然直接检测应该比较准确，但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题。因此，现在实用的系统中，多采用本文所述的间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，利用转子磁链模型，实时计
10、算磁链的幅值与相位。转子磁链信号获取的问题解决后，便可以较容易地构建按转子磁链定向的矢量控制系统。6.心得体会通过本次设计，我收获颇多。首先是对转子磁链模型的构建有了较为深入的了解，在认真学习书中相关知识的过程中，进一步了解了异步电动机的内部结构，尤其是对相应的电磁关系有了更深入的把握。在获得了电机的电压、电流、转速等易测信号后，利用相应的电磁关系能计算出转子的磁链。同时，通过本次设计，我对 MATLAB软件的运用更加熟练了，尤其是在已知相应公式的前提下，灵活地搭建其仿真模型。利用所构建的仿真模型进行系统分析，能更为直观地认识所设计的系统。此外，在本次设计的过程中，我也深切地感受到团队协作的力
11、量，通过与小组成员的讨论与沟通，一些原本很难理解和解决的问题都能够很快地被解决，极大地提高了我们的学习和工作效率。0 引言 由于交流电机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电机相比，转矩控制要困难得多。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电机控制技术取得了突破性进展。20 世纪 70 年代初提出的矢量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题，通过坐标变换实现了电子电流励磁分量和转矩分量的解耦，即交流电机磁通和转矩的解耦，从而使得交流调速系统可以获得与直流调速系统相媲美或更好的控制性能1。交流异步电机的磁场控制是调速控制中的关键问题，在基频以下调速时，无论按稳态模型还是动态模型控制都需要保持电动机气
12、隙磁通恒定；在基频以上调速时需要弱磁控制。异步电动机的励磁回路是非独立的，定子绕组输入的电流包括转矩分量和励磁分量两部分，这给异步电动机的控制带来很大的困难。如果按转子磁场的定向控制，则需要知道转子磁场的大小和位置，因此，对电动机磁场进行实时控制，首先需要检测磁场。电动机磁场的直接检测，由于受到工程和技术条件的限制难以实现，一般采用计算的方法，即采用磁链模型进行观测。本文将在两相旋转坐标系上建立按转子磁链定向的转子磁链电流模型，最终搭建带转矩内环的转速磁链闭环矢量控制系统的仿真模型2。1 矢量控制原理矢量控制思想是由德国学者 Blaschke 于 1971 年提出的，首先是应用到感应电动机（I
13、M）中。从那时起，人们运用矢量控制理论为改善 IM 的伺服驱动性能做了大量研究。矢量控制的原理和方法同样可以应用于三相永磁同步电动机（PMSM）。可以说，正是因为运用了矢量控制理论，才使 PMSM 的伺服驱动性能达到直流电动机的水平3。众所周知，在他励直流电动机中，励磁磁场与电枢磁动势间的空间角度由电刷和机械换向器所固定。通常情况下两者正交。因此，当励磁不变时电枢电流和电磁转矩间存在线性关系。通过单独调节电枢电流可以直接控制转矩。为使电动机在高速区能以恒功率方式运行，还可单独调节励磁进行弱磁控制。正是因为在很宽的运行范围内都能提供可控转矩，直流电动机才在电气传动系统中得到了广泛的应用。而同步电
14、动机中的励磁磁场与电枢磁动势空间角度不是固定的，随负载而变化，在动态情况下，关系更为复杂，因此不能靠简单的通过调节定子电流来控制转矩，这时，就需要运用到矢量变换技术23。矢量变换控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电机的转矩控制在原理和特性上就和直流电动机相似了。因此，矢量控制既需要控制定子电流的幅值，又需要控制定子电流向量的相位。2 转子磁链电流模型2.1 在两相静止坐标系上的转子磁链电流模型2.2 按转子磁链定向两相旋
15、转坐标系上的转子磁链电流模型3 仿真分析搭建带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型如下：首先，从异步电机的转速、电流、转矩仿真波形可以看出，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 达到给定转速时和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，在启动中两个调节器都处于饱和限幅状态，因此定子电流的转矩和励磁分量都保持不变，定子电流的给定值也不便，所以在起动过程中定子电流基本保持不变，实现了恒流起动。其次，从磁链轨迹可以看出，带磁链调节器后，在起动阶段，磁场的建立过程比较平滑，磁链呈螺旋形增加，同
16、时电动机转矩也不断上升，有效克服了不带磁链观测器时，起动初期磁链轨迹波动较大和转矩大幅度波动的缺点，表现出优越的控制性能。4 结论本文系统阐述了矢量控制的原理，搭建了基于电流模型的磁链观测器，建立了基于此磁链观测器的异步电机矢量控制系统。最后，文中采用MATLAB7.6 仿真软件对系统进行了仿真，仿真结果验证了基于电流模型的磁链观测器在异步电机矢量控制系统中的优越控制性能，为进一步的实验研究打下坚实的基础。文章来自中国科技论文网，本论文站提供理工论文范文阅读，如需转载请保留一个链接：http:/参考文献 （References）1 陈伯时。 交流调速系统M.北京：机械工业出版社，1998.2
17、马小亮。 大功率交交变频交流调速及矢量控制M. 北京：机械工业出版社，1992.3 李永东。 交流电机数字控制系统M. 北京： 机械工业出版社，2002.4 Bimal K.Bose, Modern Power Electronics and AC DrivesM. Prentice Hall PTR, 2000.5 D.Yousfi,M.Azizi,A.Saad. Sensorless Position and Speed Detection for Permanent Magnet SynchronousMotorJ. Power Electronics and Motion Control Congerence,2000.Proceedings. PIEMC 2000.The ThirdInternational,2000,3（4）：1224-12296 李志民，张遇杰。 同步电动机调速系统 M. 北京：机械工业出版社，1996.7 王成元。 电机现代控制技术M. 北京： 机械工业出版社， 2006.8 庞浩，俎云霄，王赞基。 一种新型的全数字锁相环 J. 中国电机工程报，2003,23 （2）：37-41.9 薛定宇，陈阳泉。 基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用M. 北京：清华大学出版社，2002.
