雙起升場(chǎng)橋雙吊具位置同步控制方法研究
2014-06-26 15:40:21安婷婷
新媒體研究 2014年10期
摘 要 目前，集裝箱港口作業(yè)多采用單箱操作，大大影響了港口的作業(yè)效率。文章根據(jù)雙吊具的操作原理，在雙電機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立了異步電機(jī)矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基礎(chǔ)上，提出了半閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是正常狀況還是干擾作用下，電機(jī)2均能可靠跟蹤電機(jī)1的運(yùn)動(dòng)，兩者同步誤差較小，達(dá)到了較好的同步效果。
關(guān)鍵詞 雙吊具，雙電機(jī)，Simulink，位置跟蹤
中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0032-02
雙起升場(chǎng)橋雙吊具的同步運(yùn)動(dòng)是雙起升場(chǎng)橋雙吊具關(guān)鍵技術(shù)，而吊具的運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，所以，要控制雙吊具的運(yùn)動(dòng)同步，關(guān)鍵是控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置。基于這些問題，本文著重從控制雙場(chǎng)橋雙電機(jī)的協(xié)調(diào)性出發(fā)，研究在沒有機(jī)械控制和人為設(shè)定的情況下，雙電機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)情況作出自動(dòng)調(diào)整。
1 異步電機(jī)速度控制與雙電機(jī)位置同步控制
由于將直流標(biāo)量作為電機(jī)外部的控制量，然后又將其變換成交流量去控制交流電機(jī)的運(yùn)行，均是通過矢量坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)的。將三相靜止坐標(biāo)系變換至兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。則在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型如下。
1.1 磁鏈方程
（1）
式中Lm為d-q坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感（Lm=3/2Lms），L為d-q坐標(biāo)系下等效兩相繞組的自感（L=Lm+Ll），下標(biāo)s，r分別表示定子與轉(zhuǎn)子。
1.2 轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程
（2）
其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。在此坐標(biāo)下的w-wr-is狀態(tài)方程為
（3）
可得
（4）
（5）
式（3）、（4）、和式（5）構(gòu)成了矢量控制基本方程。
2 雙電機(jī)位置跟蹤控制方法、系統(tǒng)軟件研發(fā)
本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)均采用Y2VP系列變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，均是帶有速度傳感器的三相交流異步電機(jī)，均采用矢量控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并且?guī)в蠱p60終端顯示編碼器，可以直接讀得轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和實(shí)物電機(jī)同軸相連，這就方便了后面驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取和界面的控制。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的負(fù)載電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)各參數(shù)
額定
電壓（V） 額定電流（A） 額定功率（kW） 額定
轉(zhuǎn)速
（r/min） 額定轉(zhuǎn)矩（N·M） 功率因素（cos） 頻率（Hz）
負(fù)載電機(jī) 400 54.7 30 1475 194 0.86 50
驅(qū)動(dòng)電機(jī) 400 66.7 37 1475 240 0.87 50
根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和電機(jī)控制算法建立Smulink模型。所搭建的帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1所示。在圖中，主電路采用了電流滯環(huán)控制逆變器。在控制電路中，轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出T*e，是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的輸入，而轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)則是通過矢量控制方程計(jì)算得到的Te。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)，用于對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的控制。定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i*st和勵(lì)磁分量i*sm分別是ATR和ApsiR的輸出。由圖1可以看出i*st和i*sm經(jīng)過2r/3r變換后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通過電流滯后環(huán)控制PWM逆變器控制電動(dòng)機(jī)定子的三相電流。
給定轉(zhuǎn)速為1400 r/min，空載起動(dòng)，在6 s時(shí)加載60 N·M，系統(tǒng)的Simulink仿真結(jié)果如圖2所示。其中圖2（a）為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，圖2（b）為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形。在下圖波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，加載后上升略有下降但很快恢復(fù)，在3.5 s時(shí)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，在第6 s對(duì)系統(tǒng)加載，這兩個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流、轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的響應(yīng)。由圖1可知由ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，因此可以保證定子電流的給定值i*sA、i*sB、i*sC保持不變，實(shí)現(xiàn)恒電流起動(dòng)。根據(jù)仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模擬了三相異步交流電機(jī)在矢量控制方法下的電機(jī)特性，并且穩(wěn)定性良好。
（a）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線
（b） 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形
圖2 帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的電機(jī)仿真
在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析推導(dǎo)，建立異步電機(jī)半閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)的模型，整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)包括PID整定控制器模塊、電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)模塊、電機(jī)新的位置模塊、位置反饋模塊。
圖3 三相異步電機(jī)位置跟蹤控制系統(tǒng)原理框圖
在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析推導(dǎo)，建立異步電機(jī)三閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)的模型。電機(jī)位置跟蹤系統(tǒng)采用具有位置、速度、電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中電流環(huán)、速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)位外環(huán)，這樣的三環(huán)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。電流環(huán)采用PI控制算法，在設(shè)置時(shí)須考慮電流的快速跟隨性能；速度環(huán)同樣采用PI調(diào)節(jié)，在控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用；位置環(huán)的作用是保證整個(gè)伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。
位置跟蹤仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，仿真模型具有很好的位置跟蹤性能。
圖4 雙電機(jī)位置跟蹤控制仿真圖
3 總結(jié)與展望
本文在實(shí)物電機(jī)的特性基礎(chǔ)上，建立帶有速度傳感器的三相異步交流電機(jī)Simulink仿真模型，在此模型的基礎(chǔ)上仿真了三相電機(jī)的起動(dòng)特性，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性和實(shí)物電機(jī)的特性基本類似，啟動(dòng)加速特性穩(wěn)定，仿真一段時(shí)間后電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩特性良好，很好的驗(yàn)證了仿真模型的穩(wěn)定性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1]秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1995：2-4.
[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90
[3]項(xiàng)云韋.多臺(tái)電機(jī)周步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的變結(jié)構(gòu)控制[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，1999，21（3）：33-34.
[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.
作者簡(jiǎn)介
安婷婷（1986-），女，2011年畢業(yè)于上海海事大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置技術(shù)專業(yè)，獲碩士研究生學(xué)位，研究方向：港口設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究。endprint
摘 要 目前，集裝箱港口作業(yè)多采用單箱操作，大大影響了港口的作業(yè)效率。文章根據(jù)雙吊具的操作原理，在雙電機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立了異步電機(jī)矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基礎(chǔ)上，提出了半閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是正常狀況還是干擾作用下，電機(jī)2均能可靠跟蹤電機(jī)1的運(yùn)動(dòng)，兩者同步誤差較小，達(dá)到了較好的同步效果。
關(guān)鍵詞 雙吊具，雙電機(jī)，Simulink，位置跟蹤
中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0032-02
雙起升場(chǎng)橋雙吊具的同步運(yùn)動(dòng)是雙起升場(chǎng)橋雙吊具關(guān)鍵技術(shù)，而吊具的運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，所以，要控制雙吊具的運(yùn)動(dòng)同步，關(guān)鍵是控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置。基于這些問題，本文著重從控制雙場(chǎng)橋雙電機(jī)的協(xié)調(diào)性出發(fā)，研究在沒有機(jī)械控制和人為設(shè)定的情況下，雙電機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)情況作出自動(dòng)調(diào)整。
1 異步電機(jī)速度控制與雙電機(jī)位置同步控制
由于將直流標(biāo)量作為電機(jī)外部的控制量，然后又將其變換成交流量去控制交流電機(jī)的運(yùn)行，均是通過矢量坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)的。將三相靜止坐標(biāo)系變換至兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。則在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型如下。
1.1 磁鏈方程
（1）
式中Lm為d-q坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感（Lm=3/2Lms），L為d-q坐標(biāo)系下等效兩相繞組的自感（L=Lm+Ll），下標(biāo)s，r分別表示定子與轉(zhuǎn)子。
1.2 轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程
（2）
其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。在此坐標(biāo)下的w-wr-is狀態(tài)方程為
（3）
可得
（4）
（5）
式（3）、（4）、和式（5）構(gòu)成了矢量控制基本方程。
2 雙電機(jī)位置跟蹤控制方法、系統(tǒng)軟件研發(fā)
本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)均采用Y2VP系列變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，均是帶有速度傳感器的三相交流異步電機(jī)，均采用矢量控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并且?guī)в蠱p60終端顯示編碼器，可以直接讀得轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和實(shí)物電機(jī)同軸相連，這就方便了后面驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取和界面的控制。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的負(fù)載電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)各參數(shù)
額定
電壓（V） 額定電流（A） 額定功率（kW） 額定
轉(zhuǎn)速
（r/min） 額定轉(zhuǎn)矩（N·M） 功率因素（cos） 頻率（Hz）
負(fù)載電機(jī) 400 54.7 30 1475 194 0.86 50
驅(qū)動(dòng)電機(jī) 400 66.7 37 1475 240 0.87 50
根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和電機(jī)控制算法建立Smulink模型。所搭建的帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1所示。在圖中，主電路采用了電流滯環(huán)控制逆變器。在控制電路中，轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出T*e，是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的輸入，而轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)則是通過矢量控制方程計(jì)算得到的Te。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)，用于對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的控制。定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i*st和勵(lì)磁分量i*sm分別是ATR和ApsiR的輸出。由圖1可以看出i*st和i*sm經(jīng)過2r/3r變換后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通過電流滯后環(huán)控制PWM逆變器控制電動(dòng)機(jī)定子的三相電流。
給定轉(zhuǎn)速為1400 r/min，空載起動(dòng)，在6 s時(shí)加載60 N·M，系統(tǒng)的Simulink仿真結(jié)果如圖2所示。其中圖2（a）為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，圖2（b）為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形。在下圖波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，加載后上升略有下降但很快恢復(fù)，在3.5 s時(shí)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，在第6 s對(duì)系統(tǒng)加載，這兩個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流、轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的響應(yīng)。由圖1可知由ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，因此可以保證定子電流的給定值i*sA、i*sB、i*sC保持不變，實(shí)現(xiàn)恒電流起動(dòng)。根據(jù)仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模擬了三相異步交流電機(jī)在矢量控制方法下的電機(jī)特性，并且穩(wěn)定性良好。
（a）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線
（b） 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形
圖2 帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的電機(jī)仿真
在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析推導(dǎo)，建立異步電機(jī)半閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)的模型，整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)包括PID整定控制器模塊、電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)模塊、電機(jī)新的位置模塊、位置反饋模塊。
圖3 三相異步電機(jī)位置跟蹤控制系統(tǒng)原理框圖
在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析推導(dǎo)，建立異步電機(jī)三閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)的模型。電機(jī)位置跟蹤系統(tǒng)采用具有位置、速度、電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中電流環(huán)、速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)位外環(huán)，這樣的三環(huán)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。電流環(huán)采用PI控制算法，在設(shè)置時(shí)須考慮電流的快速跟隨性能；速度環(huán)同樣采用PI調(diào)節(jié)，在控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用；位置環(huán)的作用是保證整個(gè)伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。
位置跟蹤仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，仿真模型具有很好的位置跟蹤性能。
圖4 雙電機(jī)位置跟蹤控制仿真圖
3 總結(jié)與展望
本文在實(shí)物電機(jī)的特性基礎(chǔ)上，建立帶有速度傳感器的三相異步交流電機(jī)Simulink仿真模型，在此模型的基礎(chǔ)上仿真了三相電機(jī)的起動(dòng)特性，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性和實(shí)物電機(jī)的特性基本類似，啟動(dòng)加速特性穩(wěn)定，仿真一段時(shí)間后電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩特性良好，很好的驗(yàn)證了仿真模型的穩(wěn)定性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1]秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1995：2-4.
[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90
[3]項(xiàng)云韋.多臺(tái)電機(jī)周步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的變結(jié)構(gòu)控制[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，1999，21（3）：33-34.
[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.
作者簡(jiǎn)介
安婷婷（1986-），女，2011年畢業(yè)于上海海事大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置技術(shù)專業(yè)，獲碩士研究生學(xué)位，研究方向：港口設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究。endprint
摘 要 目前，集裝箱港口作業(yè)多采用單箱操作，大大影響了港口的作業(yè)效率。文章根據(jù)雙吊具的操作原理，在雙電機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立了異步電機(jī)矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基礎(chǔ)上，提出了半閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是正常狀況還是干擾作用下，電機(jī)2均能可靠跟蹤電機(jī)1的運(yùn)動(dòng)，兩者同步誤差較小，達(dá)到了較好的同步效果。
關(guān)鍵詞 雙吊具，雙電機(jī)，Simulink，位置跟蹤
中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0032-02
雙起升場(chǎng)橋雙吊具的同步運(yùn)動(dòng)是雙起升場(chǎng)橋雙吊具關(guān)鍵技術(shù)，而吊具的運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，所以，要控制雙吊具的運(yùn)動(dòng)同步，關(guān)鍵是控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置。基于這些問題，本文著重從控制雙場(chǎng)橋雙電機(jī)的協(xié)調(diào)性出發(fā)，研究在沒有機(jī)械控制和人為設(shè)定的情況下，雙電機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)情況作出自動(dòng)調(diào)整。
1 異步電機(jī)速度控制與雙電機(jī)位置同步控制
由于將直流標(biāo)量作為電機(jī)外部的控制量，然后又將其變換成交流量去控制交流電機(jī)的運(yùn)行，均是通過矢量坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)的。將三相靜止坐標(biāo)系變換至兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。則在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型如下。
1.1 磁鏈方程
（1）
式中Lm為d-q坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感（Lm=3/2Lms），L為d-q坐標(biāo)系下等效兩相繞組的自感（L=Lm+Ll），下標(biāo)s，r分別表示定子與轉(zhuǎn)子。
1.2 轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程
（2）
其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。在此坐標(biāo)下的w-wr-is狀態(tài)方程為
（3）
可得
（4）
（5）
式（3）、（4）、和式（5）構(gòu)成了矢量控制基本方程。
2 雙電機(jī)位置跟蹤控制方法、系統(tǒng)軟件研發(fā)
本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)均采用Y2VP系列變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，均是帶有速度傳感器的三相交流異步電機(jī)，均采用矢量控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并且?guī)в蠱p60終端顯示編碼器，可以直接讀得轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和實(shí)物電機(jī)同軸相連，這就方便了后面驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取和界面的控制。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的負(fù)載電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)各參數(shù)
額定
電壓（V） 額定電流（A） 額定功率（kW） 額定
轉(zhuǎn)速
（r/min） 額定轉(zhuǎn)矩（N·M） 功率因素（cos） 頻率（Hz）
負(fù)載電機(jī) 400 54.7 30 1475 194 0.86 50
驅(qū)動(dòng)電機(jī) 400 66.7 37 1475 240 0.87 50
根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和電機(jī)控制算法建立Smulink模型。所搭建的帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1所示。在圖中，主電路采用了電流滯環(huán)控制逆變器。在控制電路中，轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出T*e，是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的輸入，而轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)則是通過矢量控制方程計(jì)算得到的Te。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)，用于對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的控制。定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i*st和勵(lì)磁分量i*sm分別是ATR和ApsiR的輸出。由圖1可以看出i*st和i*sm經(jīng)過2r/3r變換后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通過電流滯后環(huán)控制PWM逆變器控制電動(dòng)機(jī)定子的三相電流。
給定轉(zhuǎn)速為1400 r/min，空載起動(dòng)，在6 s時(shí)加載60 N·M，系統(tǒng)的Simulink仿真結(jié)果如圖2所示。其中圖2（a）為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，圖2（b）為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形。在下圖波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，加載后上升略有下降但很快恢復(fù)，在3.5 s時(shí)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，在第6 s對(duì)系統(tǒng)加載，這兩個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和電流、轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的響應(yīng)。由圖1可知由ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，因此可以保證定子電流的給定值i*sA、i*sB、i*sC保持不變，實(shí)現(xiàn)恒電流起動(dòng)。根據(jù)仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模擬了三相異步交流電機(jī)在矢量控制方法下的電機(jī)特性，并且穩(wěn)定性良好。
（a）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線
（b） 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形
圖2 帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的電機(jī)仿真
在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析推導(dǎo)，建立異步電機(jī)半閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)的模型，整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)包括PID整定控制器模塊、電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)模塊、電機(jī)新的位置模塊、位置反饋模塊。
圖3 三相異步電機(jī)位置跟蹤控制系統(tǒng)原理框圖
在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對(duì)異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析推導(dǎo)，建立異步電機(jī)三閉環(huán)位置跟蹤控制系統(tǒng)的模型。電機(jī)位置跟蹤系統(tǒng)采用具有位置、速度、電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中電流環(huán)、速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)位外環(huán)，這樣的三環(huán)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。電流環(huán)采用PI控制算法，在設(shè)置時(shí)須考慮電流的快速跟隨性能；速度環(huán)同樣采用PI調(diào)節(jié)，在控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用；位置環(huán)的作用是保證整個(gè)伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。
位置跟蹤仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，仿真模型具有很好的位置跟蹤性能。
圖4 雙電機(jī)位置跟蹤控制仿真圖
3 總結(jié)與展望
本文在實(shí)物電機(jī)的特性基礎(chǔ)上，建立帶有速度傳感器的三相異步交流電機(jī)Simulink仿真模型，在此模型的基礎(chǔ)上仿真了三相電機(jī)的起動(dòng)特性，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性和實(shí)物電機(jī)的特性基本類似，啟動(dòng)加速特性穩(wěn)定，仿真一段時(shí)間后電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩特性良好，很好的驗(yàn)證了仿真模型的穩(wěn)定性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1]秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1995：2-4.
[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90
[3]項(xiàng)云韋.多臺(tái)電機(jī)周步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的變結(jié)構(gòu)控制[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，1999，21（3）：33-34.
[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.
作者簡(jiǎn)介
安婷婷（1986-），女，2011年畢業(yè)于上海海事大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置技術(shù)專業(yè)，獲碩士研究生學(xué)位，研究方向：港口設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究。endprint
