異步電動機間接矢量控制系統的仿真研究

石瑤，李宏勝

(南京工程學院 自動化學院, 江蘇 南京 211167)

異步電動機間接矢量控制系統的仿真研究

石瑤，李宏勝

(南京工程學院 自動化學院, 江蘇 南京 211167)

摘要：異步電動機的轉子磁鏈開環間接矢量控制系統因其結構簡單，控制性能高得到廣泛的應用。利用Matlab/simulink仿真軟件建立了間接定向的矢量控制系統，并根據模型探討轉子時間常數的變化對轉子磁鏈定向的影響。結果表明，轉子時間常數的實時調整對系統控制性能有重要作用。

關鍵詞：異步電動機；間接定向；轉子時間常數；轉子磁鏈

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

在工農業生產中，交流異步電動機因結構簡單、造價低廉、堅固耐用、事故率低、維護簡單，有著廣泛的應用。但是，由于異步電動機是一個高階、多變量、非線性、強耦合的對象，實時控制中存在嚴重的外部干擾、參數變化和非線性不確定因素，實現基于精確電動機參數的完全解耦比較困難，影響了其動態性能，因此，如何提高異步電動機的控制性能成為一個熱點。

在轉子磁鏈閉環控制的矢量控制中，磁鏈觀測模型受到電動機參數Tr和Lm變化的影響，造成控制的不準確。既然如此，不如利用矢量控制方程中的轉差公式，構成轉差型磁鏈開環矢量控制系統，也稱間接矢量控制系統，系統結構會簡單許多[1-3]。

間接矢量控制系統的磁場定向由電流勵磁分量和轉矩分量給定信號確定，靠矢量控制方程保證，由于矢量控制方程中仍然含有電動機轉子參數，轉子磁場定向的精度還是受到參數變化的影響。文中探討了異步電動機在運行過程中，轉子時間常數的變化對轉子磁鏈定向的影響。

1異步電動機的數學模型

在兩相坐標系dq下，使用狀態方程對異步電動機進行動態數學建模，選取轉速ω、定子電流is和轉子磁鏈ψr作為狀態變量，其狀態方程[4]如：

運動方程式為：

(1)

磁鏈方程為：

(2)

(3)

電流方程為：

(4)

(5)

電磁轉矩方程為：

(6)

令ω1=0，旋轉坐標系轉化為靜止兩相坐標系，將dq換為αβ，即得到靜止兩相坐標系αβ中的狀態方程。

2間接定向矢量控制系統控制方案

定義dq坐標系與轉子磁鏈矢量旋轉同步，同時令d軸與轉子磁鏈矢量重合，得到按轉子磁鏈定向同步旋轉坐標系mt，則ψrm=ψrd=ψr，ψrt=ψrq=0，保證ψr不變，代入上述狀態方程，整理得[5]：

(7)

(8)

(9)

其中，p為微分算子。

利用轉差公式(7)建立間接定向的矢量控制系統。將轉差頻率給定信號ωs加上實際轉速ω，得到坐標系的旋轉角速度，再經積分環節，產生了矢量變換角，即為定子輸入電壓矢量的相位，由此實現了轉差頻率控制功能。式(7)中轉子磁鏈的給定信號由定子電流勵磁分量通過式(9)獲得。

使用異步電動機在靜止兩相坐標系αβ中的狀態方程建立電動機模型。根據間接矢量控制系統控制方案，建立間接矢量控制系統各模塊及Matlab/simulink仿真模型如圖1所示。異步電動機的仿真參數為：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，轉矩方程和磁鏈方程的建立均依賴于準確的電動機參數，在電動機運行過程中，由于電動機自身和外部環境的影響，電動機的參數必然會發生變化，這將導致電動機的輸出性能變差。這里主要討論轉子時間常數Tr失調對轉子磁鏈角造成的影響。

采用對比的方法，將轉子時間常數失調與不失調兩種情況分別進行仿真。首先，電動機實際轉子時間常數的數值分別設定為0.95Tr、0.85Tr、0.75Tr、0.65Tr，其他模塊的轉子時間常數與實際值保持一致，觀測此時的磁鏈角。然后，將參與實際計算的轉子時間常數設定為Tr，觀測此時的磁鏈角，圖2-圖5中所示各組曲線為對應磁鏈角的弧度值，實線為轉子時間常數計算值和實際值一致時的磁鏈角，虛線為轉子時間常數計算值和實際值不一致時的磁鏈角。由圖可知，當Tr失調時，磁鏈角出現了一定的偏差[6]。

圖2　轉子時間常數實際值為0.95Tr

圖3　轉子時間常數實際值為0.85Tr

圖4　轉子時間常數實際值為0.75Tr

圖5　轉子時間常數實際值為0.65Tr

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

上述可知，當Tr失調時，磁鏈定向角出現偏差。隨著轉子時間常數變化率的增加，即轉子時間常數的計算值與實際值的偏差越來越大，磁鏈定向角的偏差越來越大，當變化率>5%時，計算得到的磁偏角就會使dq坐標系有很大的偏差，嚴重影響磁鏈的準確定位，影響系統的整體性能。

4結語

間接矢量控制系統一方面繼承了基于穩態型轉差頻率控制系統的優點，另一方面，利用基于動態模型的矢量控制規律克服了它大部分的不足，這種控制方式由于磁鏈開環，不需要實時計算轉子磁鏈的幅值，其磁場定向由定子電流給定信號確定，控制結構簡單，降低了系統對轉子時間常數的依賴性。從上面仿真結果能夠看出，在電動機運行過程中，轉子時間常數變化率越大，計算得到的轉差角與實際的轉差角的偏差就越大，這對系統的整體性能有著很嚴重的影響。因此，在實際系統運行過程中，需要對控制系統的轉子時間常數作實時調整，這將會最大限度地提升系統控制性能。

參考文獻:

[1] 朱軍，朱政. 轉差頻率矢量控制的電機調速系統設計與研究[J]. 現代電子技術，2010，(20)：331.

[2] 何偉. 異步電機矢量控制的檢測及參數辨識[D]. 南昌：南昌大學學報，2013.

[3] 李畸勇. 基于DPS的間接矢量控制系統的研究[D]. 成都：西南交通大學學報，2002.

[4] 阮毅，陳維鈞. 運動控制系統[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[5] 周淵深，陳濤,朱希榮. 電力拖動自動化控制系統[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[6] 翟淑惠. 帶電機參數辨識的異步電機矢量控制系統研究[D]. 成都：西南交通大學學報，2011.

收稿日期：2014-06-10

中圖分類號：TM346+.2；TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0088-03

作者簡介：石瑤(1990-)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，研究方向為先進數控技術與裝備。