文档介绍：基于Matlab的异步电动机矢量控制系统的仿真研究
1 引言
交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广,对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义,由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性,使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。对其仿真研究不能像控制系统那样可用各环节简化传递函数来表示,这样会有很多重要环节被忽略,完全体现不了交流调速系统的整体结构和各个环节点上的信号状态。对电气传动系统的建模仿真力求达到与实际系统相一致,matlab提供的simulink中的电力系统工具箱(powerlib)能很好地满足这一要求。以往对电气传动系统的仿真研究主要集中在电机的建模和仿真[4][5],最近,许多对复杂电力传动系统的建模仿真方法已提出,主要有运用仿真工具箱对电力传动系统建模仿真[7]和将电力传动系统的功能单元模块化的仿真建模[3]。
这些方法都是在matlab/simulink环境下,结合电力系统工具箱对复杂电力传动系统建模仿真,但是没有分析powerlib运行原理。状态空间分析方法对于电力传动系统的建模仿真是一种方便有效的方法,它被成功地应用到powerlib中,能够完成复杂电力传动系统的建模仿真,并且能够方便的进行波形分析和控制参数的调节。本文基于文献[6][8],用状态空间方法分析powerlib中各主要元件的建模原理,给出了powerlib模块的仿真原理和使用方法,并且基于异步电动机矢量控制系统实例描述了复杂电力传动系统建模仿真的过程,分析了仿真中的实际问题,通过改进仿真方法,提高了仿真效率。
2 电力传动系统的建模和状态空间描述
电力传动系统的建模包括以下几个主要部分:电力逆变器、电力半导体开关、电动机以及控制系统。对于一个含有非线性元素的电路(例如电力电子电路)不能直接用状态空间描述,然而可以把电力电子电路分成非线性和线性两部分,线性部分用状态空间描述,非线性部分用非线性模型描述。这样整个系统可以看作一个前向通道是线性部分,反馈通道是非线性部分的反馈系统,如图1所示。
图1 状态空间方法描述电气系统电路模型
电机模型可以用各自的电压或磁链的微分方程描述,图2所示为一感应电动机在二相静止坐标系下的模型,输入变量是定子电压、电流,输出是交流调速系统所需的电压、电流、磁通、电磁转矩和转速。
图2 感应电机二相静止坐标系下的模型
电力开关是非线性的可以用一个rl串联电路和根据不同开关类型设计的逻辑电路来描述,图3所示是一个典型的电力开关(igbt)模型,输入变量是v电压,输出是变量i,逻辑信号由g输入控制igbt的开关,可以看出这跟它的物理模型很相像。它的线性部分用状态变量表达式,非线性部分可看作压控电流源,电流源的电流作为线性部分的输入。
图3 igbt模型
3 电力系统模块库的运行机理和应用
simulink支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统和连续与离散混合系统,可以根据用户的需要方便地为系统建立模型,十分直观,仿真精度高,结果准确。正是由于simulink具有上述优点和电力电子电路及系统分析的需要,人们又在它的基础上开发了power system blockset电力系统工具箱。然而电气系统模块库中的powerlib模块与simulink模块二者有本质上的区别,因此在simulink环境下,进行仿真前应有一个初始化过程:把包含powerlib模块的系统转化为simulink能够仿真的等效系统,具体操作如下:
(1) 调用power2sys函数,把所有的模块划分为常规模块和powerlib模块,其中powerlib模块又分为线性模块和非线性模块;
(2) 调用powerlib函数求出模块的网络拓扑结构,得到其参数,并对每个电气结点赋一个结点号;
(3) 调用circ2sys函数求出线性模块的状态空间模型;
(4) 调用powerlib函数根据simulink的内部预定义模型求出非线性模型的simulink模型。
初始化完成以后,simulink开始对此系统仿真。
上述复杂的预处理过程对用户来说实际上是屏蔽的。电力系统模块在使用上与常规的simulink模块类似,但二者毕竟是两类本质不同的模块,对于同时使用两类模块的仿真模型必然会有两类模块之间的信号流动,这就需要中间接口模块。因此当simulink模块的信号送入到powerlib模块时,应根据其性质,采用可控电流源或可控电压源作为中间环节;反之,当powerlib模块中的信号反馈给simulink模块构造的控制系统时,应采用电流或电压测量模块。
4 交流异步电机矢量控制系统的原理及其仿真
异步电动机矢量控制原理
本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1],原理图如图4所示。
图4 转子