劉君，胡傳西

基于RTLAB&MATLAB的三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)在回路仿真研究

劉君，胡傳西

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064)

本文建立了三相異步電機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB仿真工具和RTLAB半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建了三相異步電機(jī)硬件在回路矢量控制系統(tǒng)，并將該仿真系統(tǒng)移植到實(shí)際變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，半實(shí)物仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了半實(shí)物仿真模型準(zhǔn)確，半實(shí)物仿真移植到實(shí)際系統(tǒng)可行、便利，該仿真研究方法可應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)和科研中，具有應(yīng)用價(jià)值。

RTLAB MATLAB 異步電機(jī)矢量控制

0 引言

目前，電力電子仿真多為離線的，雖精度高，收斂性好，成本低，但速度慢成為其致命弱點(diǎn)，且仿真效果取決于模型質(zhì)量。而使用實(shí)物實(shí)驗(yàn)則受硬件設(shè)備及環(huán)境等因素的影響，成本過高，且難以模擬一些極限工況，應(yīng)用受到限制。另一方面，為縮短開發(fā)時(shí)間往往并行設(shè)計(jì)開發(fā)，控制器與被控設(shè)備同時(shí)研制，這就要求在原型物理樣機(jī)尚不具備的情況下實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)，把實(shí)物系統(tǒng)放置在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)節(jié)中進(jìn)行仿真研究即半實(shí)物仿真可以解決上述問題。半實(shí)物仿真典型應(yīng)用：1）將實(shí)際逆變器—電機(jī)—傳感器代之以其實(shí)時(shí)模型，與實(shí)際控制器構(gòu)成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)回路中具有實(shí)際控制計(jì)算機(jī)及接口硬件，因而稱為硬件在回路；2）快速控制原形，采用控制器實(shí)時(shí)模型與實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)快速生成。RT-LAB是加拿大一家Opal-RT Technologies公司推出的針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、測(cè)試的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。將Matlab/Simulink或MATRIXx/SystemBuild 建立的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型直接應(yīng)用于仿真，控制，測(cè)試以及其它相關(guān)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)仿真，快速原型與硬件在回路測(cè)試的全套解決方案。本課題即是基于RT-LAB和MATLAB，搭建了三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)仿真及試驗(yàn)結(jié)果證明了該仿真平臺(tái)可達(dá)到高精度、快速響應(yīng)及很高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 三相異步電機(jī)矢量控制原理及數(shù)學(xué)模型

三相異步電機(jī)經(jīng)坐標(biāo)變換，將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸軸定義在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上,記為MT坐標(biāo)軸。記θ為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸M軸與定子相軸線的夾角，則有

磁鏈方程為:

電磁轉(zhuǎn)矩為：

電壓方程為:

由以上推導(dǎo)公式可知：三相異步電機(jī)經(jīng)（MT）坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為解耦的直流量。通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的閉環(huán)控制，保證轉(zhuǎn)子磁鏈大小恒定，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

三相異步電機(jī)矢量控制模型如圖1所示。電機(jī)電流模型如下：

其中，帶*為給定值。 電流磁鏈觀測(cè)模型框圖如圖2所示。

2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建及控制軟件設(shè)計(jì)

基于電力電子系統(tǒng)硬件在回路半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖4、圖5所示，由DSP核心板，接口驅(qū)動(dòng)與調(diào)理電路，EMEGASIM實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)組成。調(diào)理電路用差分運(yùn)放、跟隨、濾波實(shí)現(xiàn)，脈沖驅(qū)動(dòng)用電平轉(zhuǎn)換芯片和光耦完成。

程序中采用恒轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制的控制策略，載波頻率固定為2 kHz，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制波頻率1～50 Hz變頻功能、死區(qū)功能、過流、過壓檢測(cè)保護(hù)功能等。DSP晶振為30 MHz，內(nèi)部5倍頻，時(shí)鐘頻率為150 MHz。死區(qū)時(shí)間為4 μs。T1定時(shí)器設(shè)置開關(guān)頻率2 kHz，T2定時(shí)器用作轉(zhuǎn)速檢測(cè)，T4定時(shí)器設(shè)置程序循環(huán)周期0.5 ms，程序中用到三個(gè)中斷，包括：外部中斷1、AD中斷，串口中斷。其中，外部中斷1為硬件故障中斷，一旦有故障，程序馬上封鎖PWM脈沖；AD中斷用于采樣；串口中斷用于接收啟動(dòng)停機(jī)、界面參數(shù)等信息。DSP軟件主流程圖及正常工作模式流程圖如6，7所示。

3 實(shí)時(shí)仿真及試驗(yàn)結(jié)果

該仿真按照真實(shí)需求設(shè)置參數(shù)，最小脈寬時(shí)間5 μs，死區(qū)時(shí)間4.266 μs，載波周期2 kHz，電流環(huán)運(yùn)行周期0.5 ms，轉(zhuǎn)速環(huán)運(yùn)行周期2.5 ms；電機(jī)、主回路、PWM采集模塊運(yùn)行周期35 μs，其中PWM采集模塊通過對(duì)采樣周期內(nèi)的事件補(bǔ)償，可達(dá)到微妙級(jí)精度。滿負(fù)載時(shí)，按啟動(dòng)開關(guān)0.5 s后旁路預(yù)充電單元，電機(jī)帶載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速1500 RPM（對(duì)應(yīng)額定負(fù)載）。

4 結(jié)果分析及結(jié)論

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：空載、帶載時(shí)定子電壓、電流幅值、頻率比較穩(wěn)定；空載和帶載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈保持不變；磁鏈閉環(huán)控制達(dá)到保證轉(zhuǎn)子磁鏈恒定目標(biāo)；空載、帶載時(shí)電機(jī)均能穩(wěn)定運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速。由此可見，本文搭建的基于RTLAB&MATLAB半實(shí)物仿真平臺(tái)不但具有很高的精度，且能夠模擬實(shí)時(shí)工況，仿真結(jié)果更貼近實(shí)際，研究結(jié)果具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 劉寶柱，蘇彥華，張宏林．MATLAB7.0從入門到精通. 人民郵電出版社, 2010.

[2] 郭新，馮麗輝，陳顯寧. 交流異步電動(dòng)機(jī)全數(shù)字矢量控制方法的實(shí)現(xiàn). 四川大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版, 2004, (10)：317-321.

[3] Kuo BC etc. MATLAB tools for control system analysis and design. Engle wood cliffs: Prentice Hall，1993.

[4] 賈建強(qiáng). 基于MATLAB/SIMULINK的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2000, (4) :91-93.

[5] Chen Shaotang. Medeling of motor meaning currents in PWM inverter drives. IEEE TRANK, 1996, 32(6).11-16.

Hardware-in-the -loop Simulation of Three-phase Asynchronous Motor Vector Control Based on RTLAB&MATLAB

Liu Jun, Hu Chuanxi

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM343

A

1003-4862（2014）02-0021-03

2013-03-05

劉君（1984－），女，工程師，碩士。研究方向：艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)。