石瑤，李宏勝

(南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

異步電動(dòng)機(jī)間接矢量控制系統(tǒng)的仿真研究

石瑤，李宏勝

(南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

摘要：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈開(kāi)環(huán)間接矢量控制系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能高得到廣泛的應(yīng)用。利用Matlab/simulink仿真軟件建立了間接定向的矢量控制系統(tǒng)，并根據(jù)模型探討轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的影響。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)系統(tǒng)控制性能有重要作用。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；間接定向；轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；轉(zhuǎn)子磁鏈

Simulation of Indirect Vector Control System of the Asynchronous Motor

SHI Yao, LI Hongsheng

(School of Automation and Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

Abstract:The indirect vector control system of the AC motor with rotor flux open-loop has been widely used because of the simple structure and high control performance. The indirect oriented vector control system was established based on Matlab/simulink. Then it was a research if the changes of the rotor time constant had effect on the rotor flux oriented. The results showed that the real-time adjustment of the rotor time constant had an important role in the system control performance.

Keywords:AC motor; indirect orientation; rotor time constant; rotor flux

0引言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，交流異步電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、堅(jiān)固耐用、事故率低、維護(hù)簡(jiǎn)單，有著廣泛的應(yīng)用。但是，由于異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、多變量、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的對(duì)象，實(shí)時(shí)控制中存在嚴(yán)重的外部干擾、參數(shù)變化和非線(xiàn)性不確定因素，實(shí)現(xiàn)基于精確電動(dòng)機(jī)參數(shù)的完全解耦比較困難，影響了其動(dòng)態(tài)性能，因此，如何提高異步電動(dòng)機(jī)的控制性能成為一個(gè)熱點(diǎn)。

在轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制中，磁鏈觀(guān)測(cè)模型受到電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tr和Lm變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確。既然如此，不如利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型磁鏈開(kāi)環(huán)矢量控制系統(tǒng)，也稱(chēng)間接矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)簡(jiǎn)單許多[1-3]。

間接矢量控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向由電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定信號(hào)確定，靠矢量控制方程保證，由于矢量控制方程中仍然含有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的精度還是受到參數(shù)變化的影響。文中探討了異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的影響。

1異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在兩相坐標(biāo)系dq下，使用狀態(tài)方程對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)建模，選取轉(zhuǎn)速ω、定子電流is和轉(zhuǎn)子磁鏈ψr作為狀態(tài)變量，其狀態(tài)方程[4]如：

運(yùn)動(dòng)方程式為：

(1)

磁鏈方程為：

(2)

(3)

電流方程為：

(4)

(5)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

(6)

令ω1=0，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為靜止兩相坐標(biāo)系，將dq換為αβ，即得到靜止兩相坐標(biāo)系αβ中的狀態(tài)方程。

2間接定向矢量控制系統(tǒng)控制方案

定義dq坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶啃D(zhuǎn)同步，同時(shí)令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，得到按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系mt，則ψrm=ψrd=ψr，ψrt=ψrq=0，保證ψr不變，代入上述狀態(tài)方程，整理得[5]：

(7)

(8)

(9)

其中，p為微分算子。

利用轉(zhuǎn)差公式(7)建立間接定向的矢量控制系統(tǒng)。將轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)ωs加上實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，得到坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度，再經(jīng)積分環(huán)節(jié)，產(chǎn)生了矢量變換角，即為定子輸入電壓矢量的相位，由此實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差頻率控制功能。式(7)中轉(zhuǎn)子磁鏈的給定信號(hào)由定子電流勵(lì)磁分量通過(guò)式(9)獲得。

使用異步電動(dòng)機(jī)在靜止兩相坐標(biāo)系αβ中的狀態(tài)方程建立電動(dòng)機(jī)模型。根據(jù)間接矢量控制系統(tǒng)控制方案，建立間接矢量控制系統(tǒng)各模塊及Matlab/simulink仿真模型如圖1所示。異步電動(dòng)機(jī)的仿真參數(shù)為：Rs=11.05Ω；Rr=6.11Ω；Ls=0.3164H；Lr=0.3164H；Lm=0.2939H；J=0.003kg·m2；p=4；PN=0.25×746W；fN=50Hz。

圖1　仿真模型圖

3仿真研究

由間接矢量控制方程可知，轉(zhuǎn)矩方程和磁鏈方程的建立均依賴(lài)于準(zhǔn)確的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于電動(dòng)機(jī)自身和外部環(huán)境的影響，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)必然會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出性能變差。這里主要討論轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr失調(diào)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈角造成的影響。

采用對(duì)比的方法，將轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)失調(diào)與不失調(diào)兩種情況分別進(jìn)行仿真。首先，電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的數(shù)值分別設(shè)定為0.95Tr、0.85Tr、0.75Tr、0.65Tr，其他模塊的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)與實(shí)際值保持一致，觀(guān)測(cè)此時(shí)的磁鏈角。然后，將參與實(shí)際計(jì)算的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)設(shè)定為T(mén)r，觀(guān)測(cè)此時(shí)的磁鏈角，圖2-圖5中所示各組曲線(xiàn)為對(duì)應(yīng)磁鏈角的弧度值，實(shí)線(xiàn)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)計(jì)算值和實(shí)際值一致時(shí)的磁鏈角，虛線(xiàn)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)計(jì)算值和實(shí)際值不一致時(shí)的磁鏈角。由圖可知，當(dāng)Tr失調(diào)時(shí)，磁鏈角出現(xiàn)了一定的偏差[6]。

圖2　轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)實(shí)際值為0.95Tr

圖3　轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)實(shí)際值為0.85Tr

圖4　轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)實(shí)際值為0.75Tr

圖5　轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)實(shí)際值為0.65Tr

圖2中兩條波形曲線(xiàn)相位相差0.2284rad，轉(zhuǎn)換成角度為13.09°；圖3中兩條波形曲線(xiàn)相位相差0.7337rad，轉(zhuǎn)換成角度為42.04°；圖4中兩條波形曲線(xiàn)相位相差1.29rad，轉(zhuǎn)換成角度為73.91°；圖5中兩條波形曲線(xiàn)相位相差1.934rad，轉(zhuǎn)換成角度為110.81°。

上述可知，當(dāng)Tr失調(diào)時(shí)，磁鏈定向角出現(xiàn)偏差。隨著轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化率的增加，即轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的計(jì)算值與實(shí)際值的偏差越來(lái)越大，磁鏈定向角的偏差越來(lái)越大，當(dāng)變化率>5%時(shí)，計(jì)算得到的磁偏角就會(huì)使dq坐標(biāo)系有很大的偏差，嚴(yán)重影響磁鏈的準(zhǔn)確定位，影響系統(tǒng)的整體性能。

4結(jié)語(yǔ)

間接矢量控制系統(tǒng)一方面繼承了基于穩(wěn)態(tài)型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，另一方面，利用基于動(dòng)態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它大部分的不足，這種控制方式由于磁鏈開(kāi)環(huán)，不需要實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，其磁場(chǎng)定向由定子電流給定信號(hào)確定，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的依賴(lài)性。從上面仿真結(jié)果能夠看出，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化率越大，計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差角與實(shí)際的轉(zhuǎn)差角的偏差就越大，這對(duì)系統(tǒng)的整體性能有著很?chē)?yán)重的影響。因此，在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)作實(shí)時(shí)調(diào)整，這將會(huì)最大限度地提升系統(tǒng)控制性能。

參考文獻(xiàn):

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收稿日期：2014-06-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TM346+.2；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0088-03

作者簡(jiǎn)介：石瑤(1990-)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)數(shù)控技術(shù)與裝備。