异步电机矢量控制实现恒转矩控制仿真
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图 2 所示闭环 控制包括转矩 闭环和磁 链闭 环
[ 4]
。在转矩闭环中, 将 T e 与 转矩观测器输出
*
*
量 T^e 进行比较后, 通过比例积分调节器得到定子 旋转坐标系下的 q 轴电流给定信号 iq 1; 在磁链控 制环中 , 将转子磁链观测值 7^ 与转子磁链给定信 号 7 2 进行比较后, 通过比例积分调节器得到定
式中: T r ) ) ) 转子时间常数; X) ) ) 转子转速; 7 rA, 7 rB ) ) ) 分别为二相静止坐标系中转子 磁链 A 、 B轴分量。 式 ( 4 )、 ( 5 )所述的转子磁链观测方法如图 1 所示。
图 1 转子磁链观测器电流模型原理框图
上述方法的优点是不存在积分器; 缺点是 irA 与 irB之间存在交叉耦合项, 对于计算机离散化实 现存在难度。 下面介绍电压模型的转子磁链观测方法。 在二相静止坐标系下 , 由转子磁链方程和定 子电压方程推导得 Lr 7 rA = ( 6) ( u sA - R 1 isA ) dt - RL s isA Lm Lr 7 rB = ( 7) ( u sB - R 1 isB ) dt - RL s isB Lm 2 Lm ; 式中: R ) ) ) 漏磁系数, R = 1L sL r
) 26 )
1 坐标变换的基本原理
在三相静止坐标系中 , 坐标轴 A、 B、 C 静止不 动 , 三相绕组中的交流电压和电流产生旋转磁场, 合成磁动势 F 以同步转速 X1 旋转。 若以功率不变和磁动势相等为原则, 三相对 称绕组所产生的旋 转磁场可 由二相对 称绕组 A 和 B进行等效, 这便是三相静止至二相静止的坐 标变换。 若假设二相静 止坐标系本身 以同步转 速旋 转 , 则原先的二相静止坐标系中的交流量蜕变为 直流量 , 这便是二相静止至二相旋转的坐标变换。 经过三相静止至二相旋转坐标系的变换后, 交流 电动机与直流电动机之间建立了等效关系, 可使 交流异步电动机用直流 电机的控制原理 进行控 制。因此, 坐标变换是矢量控制技术的重要思路。
气隙磁通计算转子磁链。但安装传感器必然牵涉 电机加工中的技术和工艺问题, 且由于电机齿槽 的影响导致观测值有脉动现象。 在实际应用中多采用间接观测的方法。间接 观测方法主要包括电流模型观测和电压模型观测 两种方法。 首先分析电流模型观测方法。 在二相静止坐标系下 , 由转子磁链方程和转 子电压方程推导得 7 rA = 7 rB = 1 ( Lm isA - XT r 7 rB ) T rp + 1 1 (L i + XT 7 ) m s B r rA T rp + 1 ( 4) ( 5)
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图 2 基于转子磁链定向矢量控制算法基本原理
6 仿真结果
用于仿真的异步电动机参数如下: 额定功率 P n = 160 k W, 额定电压 Vn = 400 V, 额定电源输入 频率 fn = 50 H z, 定子电阻 R 1 = 0 . 013 79 8 , 定子 漏感 L 1R = 0 . 000 152 H, 转子电阻 R 2 = 0 . 007 728 8 , 转 子 漏 感 L 2R = 0 . 000 152 H, 互 感 R m = 0 . 007 69 H,Байду номын сангаас极对数 p = 2 。 图 3 所示为矢量 控制中的转 子磁链控 制效
要 : 分析了将电流跟踪器用于矢量控制技术的参变量给定 , 将电流的励磁分量和转矩分 量重新转换
至三相静止坐标系 , 最终用三相电流跟踪的策 略实现 转子磁链 定向的 矢量算 法。用 MATLAB 进行了 控制原 理的仿真 , 仿真结果验证了应用电流跟踪器进行矢量控制并实现恒转矩控制 的优越性能。 关键词 : 坐标变换 ; 矢量控制 ; 电流跟踪 ; 恒转矩 中图分类号 : TM 301. 2B TM 343 文献标识码 : A 文章编号 : 1673-6540( 2008) 05 -0026-04
) 27 )
控制与应用技术 x E MC A
2008 , 35 ( 5 )
4 基于转子磁链定向的异步电动机 矢量控制原理
基于转子磁链定向的矢量控制算法中, 转子 磁链观测的精确度、 转子磁链的幅值和角度将对 二相静止至二相旋转坐标变换、 二相旋转至三相 静止坐标变换产生重要影响; 此外, 转子磁链的观 测精度也将 对转矩观测精 度产生重要影 响。因 此 , 电机参数的识别对基于转子磁链的矢量控制 算法至关重要。本文介绍的仿真模型中 , 将直接 使 用 MATLAB /S i m ulin k 中 异 步 电 动 机 的 参 数
控制与应用技术 x E MC A
2008 , 35 ( 5 )
异步电机矢量控制实现恒转矩控制仿真
骆 皓 ,
1
郑建勇 ,
2
杨
志,
1
姜永聪
3
(1 . 国电南京自动化股份有限公司, 江苏 南京 210003; 2 . 东南大学, 江苏 南京 3. 江苏省电力公司, 江苏 南京 226100 )
摘
210018;
和电流值实现转子磁链观测, 转子磁链角度即为 二相旋转坐标系 d 轴与三相静止坐标系 A 轴夹角 <。通过定子采样三相电流与角度 <, 可以实现三 相静止坐标系至二相静止坐标系的变换、 以及二 相静止坐标系至二相旋转坐标系的变换, 最终得 到旋转坐标系下的直流量 id 1和 iq 1。
5 仿真模型
基于图 2 所示控制算法 , 矢量控制模型实现 所有环节与图 2 原理图保持一致。磁链控制目标 值为 1 . 5W b , 转矩控 制目标值 设定为 1 s 时从 250 N # m 阶跃至 500 N # m 。
Abstrac t : The research and si m ulation o f the ro to r flux o riented algor ithm w ere proposed wh ile the current trac ing w as applied. T he exc iting current and the to rque current are transfor m ed to the 3-phase sta tionary coo rd ina tes , and the 3 -phase current are traced to rea lize the ro to r flux or ientation. T he constant torque contro l effect is proposed and the a lgo rithm was validated by si m ulation by M ATLAB so ftw are . K ey word s : coordinate s transfor ma tion ; vector contro; l curren t tracing ; constan t torque con trol
2008 , 35 ( 5 )
控制与应用 技术 x EMC A
2 转子磁链定向矢量控制基本原理
磁场定向是指选择某一旋转磁场的方向作为 同步旋转坐标系的方向。转子磁链定向矢量控制 策略是将转子磁链 7 r 作为同步旋转坐标系的 d 轴 , 由于 q 轴和 d 轴在空间上处于垂直关系, 因此 7 r 在 q 轴的分量为 0 。 异步电动机在 d-q 坐标系中的电压方程如式 ( 1) 所示 , 电磁转矩方程如式 ( 2 )所示。 ud 1 R 1 + L s p - X1L s Lm p - X1Lm uq 1 = ud 2 uq 2 X1L s Lm p XsLm R1 + Ls p 0 0 X1Lm R2 + L r p XsL s Lm p 0 R2 id 1 iq1 id 2 iq2 ( 1) Lm T e = n p 7 2 iq 1 Lr 式中: 7 2 ) ) ) 转子磁链 ; L s ) ) ) 定子电感; R 1, R 2 ) ) ) 分别为定子电阻和转子电阻 ; L r ) ) ) 转子电感 ; L m ) ) ) 互感; X1 ) ) ) 定子频率的同步转速 ; id 1, iq 1 ) ) ) 分别为定子电流的 d、 q 轴分量 ; id 2, iq 2 ) ) ) 分别为转子电流的 d、 q 轴分量 ; ud1, uq 1 ) ) ) 分别为定子电压的 d、 q 轴分量; ud2, uq 2 ) ) ) 分别为转子电压的 d、 q 轴分量; Xs ) ) ) 滑差 ; p) ) ) 微分算子 ; np ) ) ) 电机极对数。 由转子磁链定向理论可推导得出 : Lr id1 = 1 ( 7 2 + p7 2 ) Lm R2 ( 3) ( 2)
1 2 1 3
0 引
言
磁链定向矢量控制技术具有优异的磁链和转矩控 制性能。
异步电动机矢量控制算法包括转子磁链定向 方式、 气隙磁链定向方式、 定子电压定向方式、 定 子磁链定向方式和转差矢量控制方式等。其中, 转子磁链定向控制技术由于实现了励磁电流和转 矩电流的完全解耦 , 成为目前异步电动机矢量控 制技术应用最为广泛的控制算法。但在转子磁链 定向矢量控制算法的电压方程组中仍存在 d 轴和 q 轴的交叉耦合项。在对电压空间矢量逆变器进 行 d 轴电压给定和 q 轴电压给定时 , 需要计算耦 合项分别对 d 轴电压给定量和 q 轴电压给定量进 行补偿。补偿项的计算精度依赖于电机参数, 并 且增大了 CPU 的计算量。本文研究了应用电流 跟踪的方式直接对逆变器进行电流控制, 将励磁 电流和转矩电流进行二相旋转 三相静止变换, 并 作为逆 变器 的指 令输 入。 用 MATLAB / S i m u link 进行了仿真 , 验证了用电流跟踪方式进行的转子
A synchronousM otor V ector Control R ealize Constant Torque Control Si m ulation
图 2 所示闭环 控制包括转矩 闭环和磁 链闭 环
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。在转矩闭环中, 将 T e 与 转矩观测器输出
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量 T^e 进行比较后, 通过比例积分调节器得到定子 旋转坐标系下的 q 轴电流给定信号 iq 1; 在磁链控 制环中 , 将转子磁链观测值 7^ 与转子磁链给定信 号 7 2 进行比较后, 通过比例积分调节器得到定
式中: T r ) ) ) 转子时间常数; X) ) ) 转子转速; 7 rA, 7 rB ) ) ) 分别为二相静止坐标系中转子 磁链 A 、 B轴分量。 式 ( 4 )、 ( 5 )所述的转子磁链观测方法如图 1 所示。
图 1 转子磁链观测器电流模型原理框图
上述方法的优点是不存在积分器; 缺点是 irA 与 irB之间存在交叉耦合项, 对于计算机离散化实 现存在难度。 下面介绍电压模型的转子磁链观测方法。 在二相静止坐标系下 , 由转子磁链方程和定 子电压方程推导得 Lr 7 rA = ( 6) ( u sA - R 1 isA ) dt - RL s isA Lm Lr 7 rB = ( 7) ( u sB - R 1 isB ) dt - RL s isB Lm 2 Lm ; 式中: R ) ) ) 漏磁系数, R = 1L sL r
) 26 )
1 坐标变换的基本原理
在三相静止坐标系中 , 坐标轴 A、 B、 C 静止不 动 , 三相绕组中的交流电压和电流产生旋转磁场, 合成磁动势 F 以同步转速 X1 旋转。 若以功率不变和磁动势相等为原则, 三相对 称绕组所产生的旋 转磁场可 由二相对 称绕组 A 和 B进行等效, 这便是三相静止至二相静止的坐 标变换。 若假设二相静 止坐标系本身 以同步转 速旋 转 , 则原先的二相静止坐标系中的交流量蜕变为 直流量 , 这便是二相静止至二相旋转的坐标变换。 经过三相静止至二相旋转坐标系的变换后, 交流 电动机与直流电动机之间建立了等效关系, 可使 交流异步电动机用直流 电机的控制原理 进行控 制。因此, 坐标变换是矢量控制技术的重要思路。
气隙磁通计算转子磁链。但安装传感器必然牵涉 电机加工中的技术和工艺问题, 且由于电机齿槽 的影响导致观测值有脉动现象。 在实际应用中多采用间接观测的方法。间接 观测方法主要包括电流模型观测和电压模型观测 两种方法。 首先分析电流模型观测方法。 在二相静止坐标系下 , 由转子磁链方程和转 子电压方程推导得 7 rA = 7 rB = 1 ( Lm isA - XT r 7 rB ) T rp + 1 1 (L i + XT 7 ) m s B r rA T rp + 1 ( 4) ( 5)
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图 2 基于转子磁链定向矢量控制算法基本原理
6 仿真结果
用于仿真的异步电动机参数如下: 额定功率 P n = 160 k W, 额定电压 Vn = 400 V, 额定电源输入 频率 fn = 50 H z, 定子电阻 R 1 = 0 . 013 79 8 , 定子 漏感 L 1R = 0 . 000 152 H, 转子电阻 R 2 = 0 . 007 728 8 , 转 子 漏 感 L 2R = 0 . 000 152 H, 互 感 R m = 0 . 007 69 H,Байду номын сангаас极对数 p = 2 。 图 3 所示为矢量 控制中的转 子磁链控 制效
要 : 分析了将电流跟踪器用于矢量控制技术的参变量给定 , 将电流的励磁分量和转矩分 量重新转换
至三相静止坐标系 , 最终用三相电流跟踪的策 略实现 转子磁链 定向的 矢量算 法。用 MATLAB 进行了 控制原 理的仿真 , 仿真结果验证了应用电流跟踪器进行矢量控制并实现恒转矩控制 的优越性能。 关键词 : 坐标变换 ; 矢量控制 ; 电流跟踪 ; 恒转矩 中图分类号 : TM 301. 2B TM 343 文献标识码 : A 文章编号 : 1673-6540( 2008) 05 -0026-04
) 27 )
控制与应用技术 x E MC A
2008 , 35 ( 5 )
4 基于转子磁链定向的异步电动机 矢量控制原理
基于转子磁链定向的矢量控制算法中, 转子 磁链观测的精确度、 转子磁链的幅值和角度将对 二相静止至二相旋转坐标变换、 二相旋转至三相 静止坐标变换产生重要影响; 此外, 转子磁链的观 测精度也将 对转矩观测精 度产生重要影 响。因 此 , 电机参数的识别对基于转子磁链的矢量控制 算法至关重要。本文介绍的仿真模型中 , 将直接 使 用 MATLAB /S i m ulin k 中 异 步 电 动 机 的 参 数
控制与应用技术 x E MC A
2008 , 35 ( 5 )
异步电机矢量控制实现恒转矩控制仿真
骆 皓 ,
1
郑建勇 ,
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杨
志,
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姜永聪
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(1 . 国电南京自动化股份有限公司, 江苏 南京 210003; 2 . 东南大学, 江苏 南京 3. 江苏省电力公司, 江苏 南京 226100 )
摘
210018;
和电流值实现转子磁链观测, 转子磁链角度即为 二相旋转坐标系 d 轴与三相静止坐标系 A 轴夹角 <。通过定子采样三相电流与角度 <, 可以实现三 相静止坐标系至二相静止坐标系的变换、 以及二 相静止坐标系至二相旋转坐标系的变换, 最终得 到旋转坐标系下的直流量 id 1和 iq 1。
5 仿真模型
基于图 2 所示控制算法 , 矢量控制模型实现 所有环节与图 2 原理图保持一致。磁链控制目标 值为 1 . 5W b , 转矩控 制目标值 设定为 1 s 时从 250 N # m 阶跃至 500 N # m 。
Abstrac t : The research and si m ulation o f the ro to r flux o riented algor ithm w ere proposed wh ile the current trac ing w as applied. T he exc iting current and the to rque current are transfor m ed to the 3-phase sta tionary coo rd ina tes , and the 3 -phase current are traced to rea lize the ro to r flux or ientation. T he constant torque contro l effect is proposed and the a lgo rithm was validated by si m ulation by M ATLAB so ftw are . K ey word s : coordinate s transfor ma tion ; vector contro; l curren t tracing ; constan t torque con trol
2008 , 35 ( 5 )
控制与应用 技术 x EMC A
2 转子磁链定向矢量控制基本原理
磁场定向是指选择某一旋转磁场的方向作为 同步旋转坐标系的方向。转子磁链定向矢量控制 策略是将转子磁链 7 r 作为同步旋转坐标系的 d 轴 , 由于 q 轴和 d 轴在空间上处于垂直关系, 因此 7 r 在 q 轴的分量为 0 。 异步电动机在 d-q 坐标系中的电压方程如式 ( 1) 所示 , 电磁转矩方程如式 ( 2 )所示。 ud 1 R 1 + L s p - X1L s Lm p - X1Lm uq 1 = ud 2 uq 2 X1L s Lm p XsLm R1 + Ls p 0 0 X1Lm R2 + L r p XsL s Lm p 0 R2 id 1 iq1 id 2 iq2 ( 1) Lm T e = n p 7 2 iq 1 Lr 式中: 7 2 ) ) ) 转子磁链 ; L s ) ) ) 定子电感; R 1, R 2 ) ) ) 分别为定子电阻和转子电阻 ; L r ) ) ) 转子电感 ; L m ) ) ) 互感; X1 ) ) ) 定子频率的同步转速 ; id 1, iq 1 ) ) ) 分别为定子电流的 d、 q 轴分量 ; id 2, iq 2 ) ) ) 分别为转子电流的 d、 q 轴分量 ; ud1, uq 1 ) ) ) 分别为定子电压的 d、 q 轴分量; ud2, uq 2 ) ) ) 分别为转子电压的 d、 q 轴分量; Xs ) ) ) 滑差 ; p) ) ) 微分算子 ; np ) ) ) 电机极对数。 由转子磁链定向理论可推导得出 : Lr id1 = 1 ( 7 2 + p7 2 ) Lm R2 ( 3) ( 2)
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言
磁链定向矢量控制技术具有优异的磁链和转矩控 制性能。
异步电动机矢量控制算法包括转子磁链定向 方式、 气隙磁链定向方式、 定子电压定向方式、 定 子磁链定向方式和转差矢量控制方式等。其中, 转子磁链定向控制技术由于实现了励磁电流和转 矩电流的完全解耦 , 成为目前异步电动机矢量控 制技术应用最为广泛的控制算法。但在转子磁链 定向矢量控制算法的电压方程组中仍存在 d 轴和 q 轴的交叉耦合项。在对电压空间矢量逆变器进 行 d 轴电压给定和 q 轴电压给定时 , 需要计算耦 合项分别对 d 轴电压给定量和 q 轴电压给定量进 行补偿。补偿项的计算精度依赖于电机参数, 并 且增大了 CPU 的计算量。本文研究了应用电流 跟踪的方式直接对逆变器进行电流控制, 将励磁 电流和转矩电流进行二相旋转 三相静止变换, 并 作为逆 变器 的指 令输 入。 用 MATLAB / S i m u link 进行了仿真 , 验证了用电流跟踪方式进行的转子
A synchronousM otor V ector Control R ealize Constant Torque Control Si m ulation
