馮海濤, 潘崗球, 龍 航

(1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025; 2.中交二航局 第二工程有限公司，重慶 400042 )

基于Matlab/Simulink的異步電機(jī)矢量控制仿真分析

馮海濤1, 潘崗球2, 龍 航1

(1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025; 2.中交二航局 第二工程有限公司，重慶 400042 )

在分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink軟件，搭建了異步電機(jī)矢量控制仿真系統(tǒng)。采用模塊化思想建立了磁鏈估計(jì)模塊、MT-abc坐標(biāo)變換模塊和電流滯環(huán)控制模塊，各模塊與相應(yīng)單元有機(jī)連接，構(gòu)成了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制仿真模型。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)有效可行，對(duì)于開(kāi)發(fā)和研究交流調(diào)速系統(tǒng)有一定的意義，可為異步電機(jī)矢量控制的研究提供參考。

異步電機(jī)；矢量控制；滯環(huán)比較；仿真

電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度[1]。隨著交流電機(jī)控制理論的快速發(fā)展,交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展,出現(xiàn)了一些新的調(diào)速方法,使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越,交流電機(jī)逐漸成為傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制的主流[2]。

矢量變換控制就是采用矢量變換技術(shù)使異步電動(dòng)機(jī)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間實(shí)現(xiàn)解耦，獨(dú)立控制交流異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，從而使交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[3]。本文研究異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真，利用Matlab /Simulink搭建異步電動(dòng)機(jī)仿真模型，并對(duì)其動(dòng)、靜態(tài)性能進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，矢量控制方法是有效可行的，仿真模型是正確的。

1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的數(shù)學(xué)模型

由于異步電動(dòng)機(jī)在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜，需要通過(guò)Clarke變換和Park變換來(lái)簡(jiǎn)化。其中，Clarke變換是三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系之間的變換(簡(jiǎn)稱“3s/2s變換”)；Park變換是兩相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換(簡(jiǎn)稱“2s /2r變換”)。通過(guò)這兩次變換，就可以得到在任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。本文給出交流異步電機(jī)在以同步速度旋轉(zhuǎn)，按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的M、T坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。此時(shí)，M軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)M軸分量為ψr，T軸分量為零。該數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程，分別如下[4～7]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中：uM、uT、iM、iT分別為M、T軸定子電壓、電流；um、ut、im、it分別為M、T軸轉(zhuǎn)子電壓、電流；Rs、Rr為定子、轉(zhuǎn)子電阻；ωs、ωf、ωr分別為定子頻率的同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Lm、Ls、Lr分別為定轉(zhuǎn)子間互感、定子繞組電感和轉(zhuǎn)子繞組電感；ψM、ψT、ψm、ψt分別為M、T軸定子、轉(zhuǎn)子磁鏈；Te、Tm為電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)；J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

電壓方程式(1)中，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)-ωsLsiT、ωsLsiM、ωfLrim是相互耦合的。根據(jù)異步電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式(4)可知，要控制轉(zhuǎn)速，唯一的方法就是控制電磁轉(zhuǎn)矩Te。在MT軸坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩方程式

2 系統(tǒng)仿真模型的建立

本文利用Simulink仿真軟件，對(duì)交流異步電機(jī)進(jìn)行仿真研究[8～10]，建立了交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。本模型是按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量調(diào)速系統(tǒng)。

2.1 矢量控制的Simulink仿真模型

交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖1所示。

圖1 異步電機(jī)矢量控制仿真模型

2.2 主要的子模塊功能

2.2.1 磁鏈估計(jì)模塊

磁鏈估計(jì)模塊選擇由MT軸系給出的電流—轉(zhuǎn)速模型，以定子三相電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)值作為輸入。該模塊中包含了對(duì)定子三相電流的Clarke變換和Park變換，得到同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)下的電流值iM、iT。該模塊輸出為轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)值ψr和轉(zhuǎn)子磁鏈角θr。

2.2.2MT-abc坐標(biāo)變換模塊

此模塊是MT軸兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到abc軸三相靜止坐標(biāo)系的電流變換(2r/3s)。該變換模塊先經(jīng)一個(gè)Park反變換，再經(jīng)一個(gè)Clarke反變換得出，Park反變換矩陣C2r/2s和Clarke反變換矩陣C2s/3s見(jiàn)式(5)和式(6)：

(5)

(6)

2.2.3 電流滯環(huán)控制模塊

圖2 電流滯環(huán)控制模塊

3 仿真結(jié)果與分析

本仿真模型中，仿真用到的主要參數(shù)有：定轉(zhuǎn)子互感Im=0.172 2 H，轉(zhuǎn)子漏感L1s=5.839 mH，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr=0.127 6，Rr=1.395 Ω，極對(duì)數(shù)np=2，逆變器直流電源電壓Vdc=500 V，轉(zhuǎn)子磁鏈給定值取Ψr=0.96 Wb，step單元中Tm初始值為20 N·m，0.5 s后階躍為40 N·m，仿真時(shí)間設(shè)為1 s。

圖3為設(shè)定轉(zhuǎn)速恒定時(shí), 機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的仿真曲線, 轉(zhuǎn)速給定值n=1 000 r/min，0～0.5 s時(shí)負(fù)載1為Tm1=20 N·m，0.5～1.0 s時(shí)負(fù)載2為Tm2=40 N·m。由圖3可見(jiàn), 在負(fù)載1啟動(dòng)瞬間, 定子電流峰值可達(dá)到50 A, 電磁轉(zhuǎn)矩為60 N·m左右，約0.1 s后轉(zhuǎn)速已穩(wěn)定為104.72 rad / s左右，此時(shí)，定子電流已逐漸降到穩(wěn)定值10 A, 電磁轉(zhuǎn)矩降為20 N·m；當(dāng)0.5 s加載后, 轉(zhuǎn)速稍有下降, 約0.05 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到104 rad / s, 此時(shí)，定子電流穩(wěn)定值為20 A，電磁轉(zhuǎn)矩為40 N·m。從仿真曲線可見(jiàn)，機(jī)械轉(zhuǎn)矩的改變很快引起了系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的變化,電流、轉(zhuǎn)矩、磁鏈也隨之變化。這說(shuō)明矢量控制實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦。另外, 電機(jī)啟動(dòng)后系統(tǒng)響應(yīng)快且平穩(wěn)(該系統(tǒng)只用了大約0.1 s)、轉(zhuǎn)速超調(diào)小且穩(wěn)態(tài)誤差小, 當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí), 電機(jī)又能很快獲得新的穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，交流電機(jī)矢量控制方法具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,其抗干擾能力較強(qiáng)。

圖3 轉(zhuǎn)速恒定，轉(zhuǎn)矩變化仿真曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下，對(duì)采用滯環(huán)比較方式調(diào)制的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，采用滯環(huán)比較的矢量控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。本文采用模塊化的思想設(shè)計(jì)、搭建了磁鏈估計(jì)模塊、MT-abc坐標(biāo)變換模塊和電流滯環(huán)控制模塊，仿真系統(tǒng)直觀、穩(wěn)定、準(zhǔn)確，對(duì)于開(kāi)發(fā)和研究交流調(diào)速系統(tǒng)有一定的意義，可為交流電機(jī)矢量控制的研究提供一定的參考。

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Simulation of Vector Control System of Asynchronous Motor Based on Matlab/Simulink

FENG Haitao1, PAN Gangqiu2, LONG Hang1

(1.School of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2.Second Engineering Company，Chinese Traffic Construction Group in the Two Boat Bureau, Chongqing 400042, China)

Based on analyzing the mathematical model of asynchronous motor and the principle of vector control, this paper uses Matlab/Simulink software, and builts the asynchronous motor vector control simulation system. The simulation system which adopts the idea of modular established flux estimation module,MT-abccoordinate transformation module and hysteresis current control module, the organic connection of each module and the corresponding unit, constitute a simulation model of asynchronous motor vector control which is based on rotor flux orientation. The simulation results show that the control system is feasible and effective, has certain significance for the development and research of AC speed regulating system, which can provide reference for the study of asynchronous motor vector control.

asynchronous motor; vector control; hysteresis comparison; simulation

2014-10-19；修改日期: 2015-01-06

馮海濤(1987-)，男，碩士研究生，研究方向：分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)。

TM343

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.004