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电机控制设备的研发与使用
来源:本站 作者:匿名 发布:2014/6/25 修改:2014/6/25
隶属:电机知识 点击:1081

交流异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变系统,其瞬时转矩控制困难,难以获得如同直流电机一样的高动态调速性能。对于矢量变换控制技术,无论是转子磁场定向、气隙磁场定向还是定子磁链定向、定子电压定向,其基本思想均是通过旋转坐标变换将定子电流分解为相互垂直的直流量励磁(无功)电流id和转矩(有功)电流iq,且分别对两者进行独立的闭环调节,以实现对交流异步电机的解耦控制。现有的电流控制方法有电流滞环控制、定子坐标系下的PI调节和同步速坐标系下的PI调节控制。其中,同步速坐标系下的电流PI调节控制尤能取得良好的稳态性能。
  本研究以交流感应电机为例,在同步速旋转坐标系下交流感应电机数学模型的基础上将内模控制引入到电流控制中,并对调节器的参数进行了设计。
  考虑到实际过程中,由于负载变化引起电机磁路不同程度的饱和以至于产生电机参数的非线性变化,从理论上分析了电流内模控制方法对参数非线性的动态解耦效果和鲁棒性。在此基础上,在MATLAB/SIMULINK中建立了考虑磁路饱和效应的交流异步电机动态模型,并建立了基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式交流感应电机矢量控制系统,对其在考虑磁路饱和与不考虑磁路饱和两种情况下进行了仿真研究。
  1内模控制1.1同步速旋转d-q坐标系下异步电机模型同步速坐标系下异步感应电机数学模型以空间向量表示为
  于是,转子磁场定向下rd=r,rq=0,异步感应电机模型可表示为d-q分量的形式:vd(t)=vd(t)-LmL2rRrrdvq(t)=vq(t) rLmLrrd(4)式中Rs=Rs LmLr2Rrvd(t)=Rsisd(t) Ldisd(t)t-1Lisq(t)vq(t)=Rsisq(t) Ldisq(t)t 1Lisd(t)(5)将式(5)进行Laplace变换,可得:U(s)=G-1(s)Y(s)(6)式中U(s)=Vs(s)Vq(s),Y(s)=Isd(s)Isq(s),(7)G(s)=sL Rs-1L-1LsL Rs-1(8)1.2电流内模控制器设计将工业过程控制中的内模控制引入到电流环控制器参数设计中,内模控制及其等效结构图,如所示。图中,G^(s)内部模型;u,y矢量控制系统的电压、电流相量;w参考电流相量。
  可得:FIMC(s)=[I-CIMC(s)G(s)]-1CIMC(s)(9)由式(8)可知,G^(s)为最小相位系统,则可得:CIMC(s)=G^-1(s)f(s)(10)f(s)=s I(11)式中电流环的带宽,且=2.2/tr;tr电流的上升时间。
  由式(911),可得电流控制器为:FIMC(s)=I-s I-1G-1(s)s =sG-1(s)=L^RssL^ 1-1L^s1L^sL^RssL^ 1(12)式中R^s,L^Rs和L的估计值。
  可见,只要知道电流环的控制带宽及电机参数,即可唯一确定电流环控制器的设计参数。
  一般来说,电机模型G^(s)由于参数的估计误差,会与实际对象G(s)失配,但由于:CIMC(0)=G^-1(0)f(0)=R^s-1L^1L^R^sI=G^-1(0)(13)及ddt[CIMC(s)G^(s)]s=0=ddt[G^-1(s)f(s)G^(s)]=ddts s=0=-10(14)
  可见,当模型参数和实际模型失配时,基于内模控制的感应电机电流控制系统对阶跃输入和常值干扰不存在稳态偏差。
  2系统建模根据以上分析,笔者运用MATLAB中的S函数编写了由不同负载引起的、不同磁路饱和效应的交流异步电机动态模型,并建立了基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式交流感应电机矢量控制仿真系统。
  2.1矢量控制系统模型构建整个矢量控制系统框图,如所示。整个系统由速度环(外环)和电流环(内环)构成,速度环的输出作为电流环的输入,电流环主要实现基于电流内模控制的转子磁场定向转矩解耦控制。图中的acmotormodel就是运用MATLAB中的S函数编写的、考虑不同负载下引起磁路饱和效应的交流异步电机动态模型。
  2.2内模电流控制器设计由式(12)可得实现交流感应电机电流内模解耦控制的结构框图,如所示。
  3仿真结果分别在忽略和考虑不同负载下引起磁路饱和效应这两种情况下,针对基于转子磁场定向和电流内模控制的磁通检测式异步电机矢量控制,在电机上进行了仿真研究,如所示。
  忽略和考虑不同负载所引起磁路饱和效应的仿真结果,分别如图5、图6、图7和图8所示。其中,图5、图6的仿真结果很好地验证了在忽略磁路饱和效应情况下,基于转子磁链定向和电流内模控制的矢量控制的转矩动、静态解耦性能。而在考虑电机磁路饱和效应所引起的非线性参数条件下模拟了异步电机实际运行情况下由于负载变化引起的气隙磁场饱和,此时基于内模控制的电流调节动态性能相对变差,然而仍然能够提供良好的稳态转矩解耦效果,这可以从反馈控制理论方面进行分析。以图4中的d轴电流解耦为例,解耦信号取自电流isq单闭环通道上,考虑图4的下半部分结构可见,由磁路饱和引起的参数估计误差所产生的耦合电压,其分母为1 C(s)P(s),受到了负反馈的抑制,从而获得了良好的解耦效果。
  4结束语在实际系统中,电机参数会因为负载变化引起的磁场饱和而产生非线性变化,但MATLAB/SIMULINK中自带的异步电机模型没有考虑过磁路饱和效应,笔者运用MATLAB中的S-Function自行编写了考虑电机磁路饱和的异步感应电机动态模型。
  基于所引入的电流内模控制调节器和转子磁通定向的磁通检测式异步感应电机矢量控制仿真系统,在电机模型匹配和磁场饱和效应引起的模型失配情况下,均能提供良好的转矩动、静态特性和解耦效果。并且,电流内模调节器能根据所需求的电流带宽和估计模型参数,唯一确定交、直轴电流环的控制参数。
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