孫惠娟

摘 要：調(diào)壓調(diào)速是電動機雙閉環(huán)控制的本質(zhì)，這種調(diào)速方法可實現(xiàn)電動機起動時磁鏈上升過程更加平滑穩(wěn)定，其反饋控制可提高系統(tǒng)的抗干擾性能及定位精度。文章對異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)進行了研究，使用MATLAB/SIMULINK工具分別對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行建模和仿真。仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能，電機起動過程平穩(wěn)、動態(tài)響應(yīng)效果好，另外，文章中的一些仿真模塊修改后也同樣可以用于其它控制系統(tǒng)中，方便、靈活，可移植性較強。

關(guān)鍵詞：異步電動機；simulink；雙閉環(huán)控制

中圖分類號：TM343 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0007-02

引言

MATLAB是美國Math Works公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的系統(tǒng)仿真和平臺。MATLAB的推出得到了各個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其強大的擴展功能為各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)[1-3]。其中Simulink工具箱，不同于其他軟件，它具有多種特性，如高度模塊化：各個模塊具有豐富的功能；可視化：用戶能夠通過軟件直接看到所需控制系統(tǒng)?？煞庋b：可自行設(shè)置各種參數(shù)。用戶只需從模塊庫中選擇合適的模塊，并組合在一起即可實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真，簡單易操作[4]。本文主要簡單介紹了如何利用Simulink工具箱來建立異步電動機的雙閉環(huán)仿真模型的方法和步驟，并對控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性進行了仿真和分析。

1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理

轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速控制以及矢量控制的電氣原理如圖1所示，其中，電流滯環(huán)控制型逆變器是電路的主要控制方式。對于控制電路，矩陣控制的關(guān)鍵在于速度調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)矩的控制，速度環(huán)的輸出前加了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，與此同時轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生一個反饋信號及時反饋給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電機的定子的控制主要是通過對電路中磁鏈調(diào)節(jié)器的控制輸出，并對電流和磁鏈分別施加了控制環(huán)節(jié)。磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist*和勵磁分量ism*。其中ist*和ism*在經(jīng)過2r/3s變換后可得到三相定子電流的給定值isA*、isB*、isC*，同時通過電流滯環(huán)控制PWM逆變器來控制電機定子的三相電流。

2 建模及仿真

2.1 模型的建立

（1）MATLAB軟件啟動后，在主窗口界面中點擊按鈕 ，即可打開Simulink Library Browser窗口。在打開的窗口中點擊 按鈕，即進入仿真界面。

（2）在Simulink仿真界面左側(cè)的模塊庫中選擇相應(yīng)的工具箱，在打開的工具箱中將所需的工具元件拖拉到右側(cè)的編輯界面中。另外，相同的工具元件還可以進行復(fù)制和粘貼。

（3）根據(jù)需要對各個元件進行參數(shù)設(shè)置。

（4）最后將各個元件按照邏輯關(guān)系用連線連接起來，即可完成整個控制系統(tǒng)模型的建立。

圖2所示為異步電動機雙閉環(huán)矢量控制的仿真模型圖，從圖中可以看出，整個主電路主要由直流電源、逆變器、電機和電機測量模塊組成。電動機對于有輸出上限的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器都需要用PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)，三個調(diào)節(jié)器是矢量控制的關(guān)鍵，對于旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的磁鏈是呈螺旋線上升的，函數(shù)的運算需要轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換，dq0_to_abc模塊用于2r/3s的坐標(biāo)變換。

2.2 仿真及波形分析

在仿真計算之前需對控制系統(tǒng)模型進行參數(shù)設(shè)定。如一般將仿真計算的起始時間設(shè)定在1s以內(nèi)，仿真算法選擇ode23tb或其他。設(shè)定完畢后，在Simulink編輯窗口上方點擊開始仿真按鈕 ，即開始動態(tài)仿真過程。在Simulation工具箱中還開發(fā)有電壓或電流測量工具，可對需要觀測的參數(shù)進行記錄和顯示，記錄的結(jié)果既可在Scope示波器中進行顯示還可以數(shù)組的形式保存到Matlab軟件工作區(qū)進行計算分析。其中電機相關(guān)的參數(shù)：逆變器直流電源設(shè)定為510V，定子繞組自感設(shè)定為0.071mH，轉(zhuǎn)子繞組自感設(shè)定為0.071mH，漏磁系數(shù)設(shè)定為0.056，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)設(shè)定為0.087，轉(zhuǎn)速給定值設(shè)定為1400，磁鏈給定值設(shè)定為1.5，電動機在空載起動，要求在0.6s時加載60 N*m。各調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

由圖3-圖5可以看出，在轉(zhuǎn)速的矢量控制下波形圖呈平穩(wěn)上升趨勢，在加載后則下降一定時間但不久后又恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。電動機的轉(zhuǎn)速在啟動0.35s后即達到其額定轉(zhuǎn)速，在加載的0.6s時間內(nèi)，其額定速度有一定的波動隨后又達到平穩(wěn)，此時系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的監(jiān)控數(shù)據(jù)也有相應(yīng)的變化。在電動機的起動過程中，電機的PI調(diào)節(jié)器都帶有限幅的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器輸出限幅達到最大值，定子勵磁分量不變，電流轉(zhuǎn)矩也不發(fā)生變化，因此此時電動機實現(xiàn)了恒流啟動。電動機在起動的初期，可建立相對比較平穩(wěn)的磁場，且磁鏈呈螺旋上升趨勢，而電動機的轉(zhuǎn)矩則逐漸增大一定的時間。從圖6可以看出，電動機在起動運行時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩相應(yīng)較大。

3 結(jié)束語

本文首先對Matlab/Simulink工具箱進行了簡單介紹，然后建立了異步電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型并對模型進行了仿真，仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能，電機起動過程平穩(wěn)、動態(tài)響應(yīng)效果好。其中的一些仿真模塊也可用于其它控制策略的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

參考文獻：

[1]蔡善樂，袁忠于.在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中的建模與仿真[J].陜西工學(xué)院學(xué)報，2004，20（4）：49-53.

[2]王娜，劉志強，魏學(xué)森.基于MATLAB/SIMULINKR的雙饋調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真[J].天津理工學(xué)院學(xué)報，2002，18（4）：77-81.

[3]張紅斌.基于SimPowerSystems的三相異步電動機的仿真分析[J].科技通報，2013，29（4）：183-185.

[4]賈建強，韓如成，左龍.基于MATLAB/SIMULINK的交流電機調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].電機與控制學(xué)報，2000，4（2）：91-93.endprint