1、基于Matlab的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真研究交流調速系統(tǒng)、仿真建模、矢量控制1  引言    交流調速技術在工業(yè)領域的各個方面應用很廣，對于提高電力傳動系統(tǒng)的性能有著重要的意義，由于電力傳動系統(tǒng)的復雜性和被控對象的特殊性，使得對它的建模與仿真一直是研究的熱點。對其仿真研究不能像控制系統(tǒng)那樣可用各環(huán)節(jié)簡化傳遞函數(shù)來表示，這樣會有很多重要環(huán)節(jié)被忽略，完全體現(xiàn)不了交流調速系統(tǒng)的整體結構和各個環(huán)節(jié)點上的信號狀態(tài)。對電氣傳動系統(tǒng)的建模仿真力求達到與實際系統(tǒng)相一致，MATLAB提供的SIMULINK中的電力系統(tǒng)工具箱（Powerlib）能很好地滿足這一要求。以

2、往對電氣傳動系統(tǒng)的仿真研究主要集中在電機的建模和仿真45，最近，許多對復雜電力傳動系統(tǒng)的建模仿真方法已提出，主要有運用仿真工具箱對電力傳動系統(tǒng)建模仿真7和將電力傳動系統(tǒng)的功能單元模塊化的仿真建模3。    這些方法都是在Matlab/Simulink環(huán)境下，結合電力系統(tǒng)工具箱對復雜電力傳動系統(tǒng)建模仿真，但是沒有分析Powerlib運行原理。狀態(tài)空間分析方法對于電力傳動系統(tǒng)的建模仿真是一種方便有效的方法，它被成功地應用到Powerlib中，能夠完成復雜電力傳動系統(tǒng)的建模仿真，并且能夠方便的進行波形分析和控制參數(shù)的調節(jié)。本文基于文獻68，用狀態(tài)空間方法分析Powerl

3、ib中各主要元件的建模原理，給出了Powerlib模塊的仿真原理和使用方法，并且基于異步電動機矢量控制系統(tǒng)實例描述了復雜電力傳動系統(tǒng)建模仿真的過程，分析了仿真中的實際問題，通過改進仿真方法，提高了仿真效率。2  電力傳動系統(tǒng)的建模和狀態(tài)空間描述    電力傳動系統(tǒng)的建模包括以下幾個主要部分：電力逆變器、電力半導體開關、電動機以及控制系統(tǒng)。對于一個含有非線性元素的電路（例如電力電子電路）不能直接用狀態(tài)空間描述，然而可以把電力電子電路分成非線性和線性兩部分，線性部分用狀態(tài)空間描述，非線性部分用非線性模型描述。這樣整個系統(tǒng)可以看作一個前向通道是線性部分，反饋通

4、道是非線性部分的反饋系統(tǒng)，如圖1所示。圖1  狀態(tài)空間方法描述電氣系統(tǒng)電路模型    電機模型可以用各自的電壓或磁鏈的微分方程描述，圖2所示為一感應電動機在二相靜止坐標系下的模型，輸入變量是定子電壓、電流，輸出是交流調速系統(tǒng)所需的電壓、電流、磁通、電磁轉矩和轉速。圖2  感應電機二相靜止坐標系下的模型    電力開關是非線性的可以用一個RL串聯(lián)電路和根據(jù)不同開關類型設計的邏輯電路來描述，圖3所示是一個典型的電力開關（IGBT）模型，輸入變量是V電壓，輸出是變量I，邏輯信號由G輸入控制IGBT的開關，可以看出這跟它的

5、物理模型很相像。它的線性部分用狀態(tài)變量表達式，非線性部分可看作壓控電流源，電流源的電流作為線性部分的輸入。圖3  IGBT模型3  電力系統(tǒng)模塊庫的運行機理和應用    Simulink支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)和連續(xù)與離散混合系統(tǒng),可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型,十分直觀,仿真精度高,結果準確。正是由于Simulink具有上述優(yōu)點和電力電子電路及系統(tǒng)分析的需要,人們又在它的基礎上開發(fā)了Power System Blockset電力系統(tǒng)工具箱。然而電氣系統(tǒng)模塊庫中的powerlib模塊與Simulink模塊二者有本

6、質上的區(qū)別，因此在Simulink環(huán)境下，進行仿真前應有一個初始化過程：把包含Powerlib模塊的系統(tǒng)轉化為Simulink能夠仿真的等效系統(tǒng)，具體操作如下：    （1） 調用Power2sys函數(shù)，把所有的模塊劃分為常規(guī)模塊和Powerlib模塊，其中Powerlib模塊又分為線性模塊和非線性模塊；    （2） 調用Powerlib函數(shù)求出模塊的網絡拓撲結構，得到其參數(shù)，并對每個電氣結點賦一個結點號；    （3） 調用circ2sys函數(shù)求出線性模塊的狀態(tài)空間模型;

7、    （4）  調用Powerlib函數(shù)根據(jù)Simulink的內部預定義模型求出非線性模型的Simulink模型。    初始化完成以后，Simulink開始對此系統(tǒng)仿真。    上述復雜的預處理過程對用戶來說實際上是屏蔽的。電力系統(tǒng)模塊在使用上與常規(guī)的Simulink模塊類似，但二者畢竟是兩類本質不同的模塊，對于同時使用兩類模塊的仿真模型必然會有兩類模塊之間的信號流動，這就需要中間接口模塊。因此當Simulink模塊的信號送入到Powerlib模塊時，應根據(jù)其性質，采用可控電流源或可控電壓源

8、作為中間環(huán)節(jié)；反之，當Powerlib模塊中的信號反饋給Simulink模塊構造的控制系統(tǒng)時，應采用電流或電壓測量模塊。4  交流異步電機矢量控制系統(tǒng)的原理及其仿真4.1 異步電動機矢量控制原理    本文采用的是轉子磁場間接定向電流控制型交流異步電機矢量控制系統(tǒng)1，原理圖如圖4所示。圖4  轉子磁場間接定向電流控制型矢量控制系統(tǒng)原理圖    如果把轉子磁鏈方向按空間旋轉坐標系的M軸方向定向，則可得到按轉子磁場方式定向下的三相鼠籠式異步電動機的矢量控制方程。     

9、0; （1）     （2）             （3）            （4）     （5）    上列各式中，是轉子勵磁電流參考值；是轉差角頻率給定值；是定子電流的勵磁分量；是定子電流的轉矩分量；是定子頻率輸入角頻率；是轉子速度；是轉子磁場定向

10、角度；是轉子時間常數(shù)；和分別是電機互感和轉子自感。    圖4所示控制系統(tǒng)中給定轉速與實際電機轉速相比較，誤差信號送入轉速調節(jié)器，經轉速調節(jié)器作用產生給定轉矩信號，電機的激磁電流給定信號根據(jù)電機實際轉速由弱磁控制單元產生，再利用式（1）產生定子電流激磁分量給定信號，定子電流轉矩分量給定信號則根據(jù)式（2）所示的電機電磁轉矩表達式生成。、和轉子時間常數(shù)Lr一起產生轉差頻率信號，與r相加生成轉子磁場頻率給定信號，對積分則得到轉子磁場空間角度給定信號。和經坐標旋轉和2/3相變換產生定子三相電流給定信號、和，與定子三相電流實測信號、和相比較，由滯環(huán)控制器產生逆變器所需的三相

11、PWM信號。4.2 異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)建模    在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下利用電氣系統(tǒng)模塊庫中的元件搭建交流異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)2，整體仿真框圖如圖5所示。 圖5  異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真框圖    整個仿真圖由電氣系統(tǒng)模塊庫中的元件搭建組成，元件的直觀連接與實際的主電路相像似，其中主要包括：速度給定環(huán)節(jié)，PI速度調節(jié)器、坐標變換模塊、磁場定向模塊、滯環(huán)電流調節(jié)器、IGBT逆變器元件、異步電動機元件以及測量和顯示模塊。這些元件都有設置對話框，用戶可以方便的選擇元件類型和設置參數(shù)。在整個控制系統(tǒng)

12、的仿真模型中，交流異步電機的模型是最重要的元件，在Powerlib中給出了各種電機模型，這大大減少了交流調速系統(tǒng)的建模難度。    控制系統(tǒng)采用轉速電流雙閉環(huán)控制，其中的磁場定向模塊提供矢量控制坐標變換需要的磁鏈位置角，各個部分具體連接如圖6所示。圖6  矢量控制部分仿真框圖4.3 異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)仿真    由于系統(tǒng)中包含非線性Powerlib模塊(電機、逆變器),因此仿真采用變步長算法,這樣異步電機非線性部分和逆變器的過零點才能精確的計算出來,但是這樣會增加仿真步數(shù)減少仿真速度。由于在仿真初始化過程中,Powe

13、r2sys函數(shù)將逐個檢查模型中的各個模塊是否為Powerlib模塊,這樣對一個復雜系統(tǒng)在一定程度上會降低仿真速度。為此我們可以人為迫使Power2sys不去檢查那些常規(guī)模塊,方法是在常規(guī)模塊以及包含常規(guī)模塊的子系統(tǒng)的模塊名字前加一個“$”符號,這樣可以提高仿真速度。仿真過程中由于初始值選擇不當或者系統(tǒng)中存在分式,會出現(xiàn)奇異點使仿真過程停止,可以在分母中加上一個很小地值或選擇適當?shù)某踔当苊馄娈慄c的出現(xiàn)。    圖5中的電壓測量單元和電機輸出測量單元是Simulink模塊與Powerlib模塊間的接口模塊，分別把電機定子電壓信號和電機輸出信號反饋回Simulink模塊

14、。電壓控制信號作為Simulink模塊的信號送入到Powerlib模塊異步電機時，是通過可控電流源（IGBT逆變器）作為中間環(huán)節(jié)。仿真時要注意二者之間的聯(lián)系，防止仿真出錯停止。4.4 仿真結果    在MATLAB/SIMULINK6.5環(huán)境下對所建立的交流異步電機轉差型矢量控制系統(tǒng)采用變步長方法進行仿真，其中交流異步電機參數(shù)如下：S=1.898，LS=0.196H，Rr=1.45，Lr=0.196H，Lm=0.187H，PN=3kW，UN=380V，J=0.0067kg·m2，f=50Hz，pn=2。    為了驗證所設計

15、的交流異步電機矢量控制系統(tǒng)模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載啟動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.2s時轉速突加為180r/min,t=0.4s時又突減為120r/min。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，t=0.6s時突加負載5Nm，t=0.8s時突減負載，重新回到空載狀態(tài)。在經過一系列轉速突變和負載擾動仿真后，得到電機各個量響應輸出波形如圖712。圖7  電磁轉矩波形圖8  電機轉速波形圖9  定子三相電流波形圖10  dq坐標系下轉子兩相電流波形圖11  dq坐標系下轉子磁鏈波形圖12  dq坐標系下定子磁鏈波形    由仿真波形可

16、以看出，在的參考轉速下，系統(tǒng)空載啟動，轉速很快達到給定值，電流和轉矩波形較為理想。t=0.2s時轉速突加到180r/min，電流和電磁轉矩相應增加，隨即又到達穩(wěn)定狀態(tài)。t=0.4s時轉速突然下降，電流和轉矩也立即跟隨變化。t=0.6s時突加負載擾動，轉矩馬上突變，電流也相應增加，而轉速幾乎沒有變化。t=0.8s時突減負載，轉矩和電流同時變化，轉速仍然穩(wěn)定在給定的120r/min上。定轉子磁鏈響應也隨著變化過程增大和減小?？梢?，整個過程中轉速給定和負載擾動頻繁突變，而轉速能很好的跟隨給定值，且響應時間短，過渡過程快，有很好的跟隨和抑制擾動的性能。整個變化過程中電磁轉矩也能夠瞬間響應，并很快達到穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)時的轉矩有很小的脈動，這主要是由于電流換向和滯環(huán)控制器頻