第PAGE基于MATLAB的交流異步電機(jī)系統(tǒng)建模分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21449基于MATLAB的交流異步電機(jī)系統(tǒng)建模分析案例 1257911.1基于MATLAB的交流異步電機(jī)系統(tǒng)模型的建立 1250411.2交流異步電機(jī)系統(tǒng)模型模塊 1163011.2.1交流異步電機(jī)本體模塊 1143531.2.2矢量控制模塊 395791.2.3Park變換模塊 4298161.2.4坐標(biāo)變換模塊 4127841.2.5電流滯環(huán)控制模塊 6271001.2.6速度控制模塊 6247141.2.7轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊 748311.2.8電壓逆變模塊 791421.3仿真結(jié)果分析 81.1基于MATLAB的交流異步電機(jī)系統(tǒng)模型的建立在Matlab的Simulink環(huán)境下，分析交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型并建立交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，整體控制框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案，轉(zhuǎn)速環(huán)由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)交流模塊化系統(tǒng)建模的設(shè)計(jì)理念,將交流控制器子系統(tǒng)模塊劃分組成為各個(gè)不同模塊功能獨(dú)立的子系統(tǒng)模塊,其中主要包括：交流異步電機(jī)本體模塊、矢量控制模塊、Park變換模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變模塊。通過(guò)這些模塊組合，就可在Matlab中搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。圖4-1Matlab中交流異步電機(jī)仿真建模整體控制框圖1.2交流異步電機(jī)系統(tǒng)模型模塊1.2.1交流異步電機(jī)本體模塊交流異步電機(jī)本體模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)仿真模型中最重要的部分，反映了交流電機(jī)的本質(zhì)屬性。交流異步電機(jī)本體模塊的輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速和坐標(biāo)變換模塊輸出的，輸出為，，模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示。圖4-2中，負(fù)責(zé)求取dq兩相相電流的模塊，對(duì)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓方程式進(jìn)行abc/dq變換，可得到兩相電機(jī)的電壓方程式： （4-1）式中：；圖4-2交流異步電機(jī)本體模塊結(jié)構(gòu)框圖圖4-2中，負(fù)責(zé)求取轉(zhuǎn)子繞組磁鏈的模塊，對(duì)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的磁鏈方程式進(jìn)行abc/dq變換，可得兩相電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： （4-2）1.2.2矢量控制模塊交流異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng)，采用矢量控制方法可使之降低、解耦，使控制方法變得更為簡(jiǎn)單、精確，使電機(jī)系統(tǒng)具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。矢量控制的基本思想是：將定子電流分解為相互垂直的兩個(gè)分量，其中矢量控制的最終結(jié)果是實(shí)現(xiàn)定子電流的分解，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解耦控制。矢量控制模塊實(shí)現(xiàn)的正是交流電機(jī)的矢量控制方法，模塊的輸入為和，和，底層結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。相互垂直的兩相參考相電流的求取方式由下方程式實(shí)現(xiàn)： （4-3）式中：。的求取由如下方程式實(shí)現(xiàn)： （4-4）該模塊應(yīng)用矢量控制思想，實(shí)現(xiàn)了電流解耦功能，所得到的解耦電流分量可分別用于轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，經(jīng)積分環(huán)節(jié)可得轉(zhuǎn)差角，用于的求取。圖4-3矢量控制模塊結(jié)構(gòu)框圖1.2.3Park變換模塊Park變換模塊實(shí)現(xiàn)的是參考相電流的dq/abc變換，即dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下兩相參考相電流向abc靜止坐標(biāo)系下三相參考相電流的轉(zhuǎn)換，由下面方程式實(shí)現(xiàn)： （4-5）帕克變換模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4所示，模塊輸入為和，經(jīng)方程式的運(yùn)算，即可求得模塊輸出：。圖4-4Park變換模塊結(jié)構(gòu)框圖1.2.4坐標(biāo)變換模塊位于交流異步電機(jī)本體模塊之前的abcTOalfa-beta模塊和位于交流異步電機(jī)本體模塊之后的alfa-betaTOabc模塊，其基本功能是實(shí)現(xiàn)三相/兩相變換或兩相/三相變換，因此均稱為坐標(biāo)變換模塊。abcTOalfa-beta模塊實(shí)現(xiàn)的abc靜止坐標(biāo)系下的三相相電壓向靜止坐標(biāo)系的兩相相電流的等效變換，該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-5所示，模塊的主要功能由三相/兩相或三相交流電壓等效變換的電流方程式函數(shù)進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn),求得的兩相相電流直接用于輸入三相交流異步電機(jī)的電路本體。 （4-6）圖4-5abcTOalfa-beta模塊結(jié)構(gòu)框圖abcTOalfa-beta模塊實(shí)現(xiàn)的靜止坐標(biāo)系下的兩相相電流向abc靜止坐標(biāo)系的三相相電流的等效變換，模塊功能由兩相/三相電流變換方程式實(shí)現(xiàn)。模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-6所示，模塊電流輸入源主要是一個(gè)來(lái)自于連接交流電和異步電機(jī)的電流本體控制模塊，而輸出則主要是通過(guò)一個(gè)直接的異步電流遲滯時(shí)延環(huán)路圖來(lái)進(jìn)行電流控制。 （4-7）圖4-6alfa-betaTOabc模塊結(jié)構(gòu)框圖1.2.5電流滯環(huán)控制模塊電流參考滯環(huán)控制設(shè)計(jì)模塊的基本功能在于是實(shí)現(xiàn)三相滯環(huán)作用電流實(shí)時(shí)控制的一種設(shè)計(jì)方法，其給出輸入電流分別為三相電流參考滯環(huán)電流與,輸出分別為三相逆變器滯環(huán)控制的電流信號(hào),該控制模塊的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖以及設(shè)計(jì)電路如圖4-7所示。當(dāng)實(shí)際的輸入電流電壓偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)參考輸入電流而且其輸入偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大于所在滯環(huán)比較器的實(shí)際環(huán)寬時(shí)，對(duì)應(yīng)的相導(dǎo)線正向?qū)Ь€接通,負(fù)向關(guān)斷；當(dāng)實(shí)際輸入電流偏差超過(guò)參考輸入電流而且其偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所在滯環(huán)比較器上的環(huán)寬，則對(duì)應(yīng)該相導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的正向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)斷,負(fù)相正向?qū)Ь€接通。選擇合理的振動(dòng)滯后閉環(huán)環(huán)寬,即可有效促進(jìn)實(shí)際參考電流進(jìn)行持續(xù)地振動(dòng)跟蹤并得到各個(gè)參考來(lái)源電流的振動(dòng)波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的閉環(huán)控制。圖4-7電流滯環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖1.2.6速度控制模塊速度控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，如圖4-8所示，單個(gè)輸入：參考轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，單個(gè)信號(hào)輸出：。其中，Ki為PI控制器中P（比例）的參數(shù)，K/Ti為PI控制器中I（積分）的參數(shù)，Saturation飽和限幅模塊則是可以把電路輸出的頻率參考值和電磁轉(zhuǎn)矩器的幅值及其極限頻率設(shè)置在要求的頻率范圍內(nèi)。圖4-8速度控制模塊結(jié)構(gòu)框圖1.2.7轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊根據(jù)交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式，進(jìn)行abc/dq坐標(biāo)變換，可得對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值計(jì)算并將方程式及其定義分解為: （4-8）可建立圖4-9所示的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊，模塊輸入為兩相相電流和、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈和，通過(guò)相互轉(zhuǎn)換加乘的計(jì)算模塊方式即可直接計(jì)算求得轉(zhuǎn)矩與輸出電磁轉(zhuǎn)矩的相關(guān)信號(hào)電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)。同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，由和，通過(guò)加乘、積分環(huán)節(jié)，即可得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，求得的電子轉(zhuǎn)速控制信號(hào)經(jīng)過(guò)多次加乘、積分后便又即可直接計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。圖4-9轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)框圖1.2.8電壓逆變模塊電壓滯環(huán)逆變器本模塊主要可以實(shí)現(xiàn)的功能就是電壓逆變器的調(diào)壓功能,輸入分別指的是位置滯環(huán)信號(hào)與輸出電流上的滯環(huán)信號(hào)控制兩個(gè)模塊,每個(gè)都會(huì)分別給出一個(gè)電壓逆變器所控制的電壓信號(hào),輸出分別指的是三相相位的電壓。該整流逆變開(kāi)關(guān)模板設(shè)計(jì)是通過(guò)利用Matlab中所同時(shí)提供的一個(gè)通用式整流逆變開(kāi)關(guān)器件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建,只3對(duì)IGBT兩個(gè)功率整流開(kāi)關(guān)逆變器件,反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管,根據(jù)三相導(dǎo)入電流和滯環(huán)信號(hào)控制逆變模塊所給出的導(dǎo)通電流信號(hào),控制6個(gè)功率開(kāi)關(guān)并將器件按照一定順序?qū)ê完P(guān)斷,從而直接形成三相相電壓輸出。1.3仿真結(jié)果分析本文基于Matlab建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了交流異步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試。交流異步電機(jī)參數(shù)：，，，，，，，，。為了驗(yàn)證所涉及的交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空載啟動(dòng)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在時(shí)突然加負(fù)載，可得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩、a相電流和定子磁通波形如圖4-10至4-13所示。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出波形如圖4-11所示，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)子加速。隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子電流逐漸變小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也隨著下降，但脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩值高于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，最后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩再次達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。圖4-10轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形圖4-11轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形圖4-12a相電流波形圖4-13定子磁通波形由仿真波形可以看出，在的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)，相電流和反電動(dòng)勢(shì)波形較為理想。由圖4-12可以看出，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流很大，隨著轉(zhuǎn)矩和速度的增加，電流逐漸減少，在轉(zhuǎn)矩比穩(wěn)定的情況下能夠達(dá)到最低且基本穩(wěn)定，這主要是由于電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)差比率很高，電動(dòng)機(jī)等效阻抗很小，所以啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流很大；而當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，其轉(zhuǎn)差功率很低，電動(dòng)機(jī)等效阻抗也就很大，從而有限地抑制了電機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出?？蛰d穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩均值為0；在時(shí)突然加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無(wú)靜差。仿真波形圖4-11中突然增加一個(gè)電流負(fù)載后，電磁轉(zhuǎn)矩的頻率脈動(dòng)略微小但有輕度均勻地振動(dòng)增大，主要振動(dòng)原因可能是由于產(chǎn)生電流電壓換向與產(chǎn)生電流電壓滯環(huán)的微控制器之間的頻繁切換。仿真后的結(jié)果充分證實(shí)驗(yàn)證了本文所要提出的對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真系統(tǒng)建模的基本合理性與有效性。采用該交流異步電機(jī)仿真模型，可以十分便捷地進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證控制算法，只要對(duì)部分仿真控制系統(tǒng)功能模塊模型進(jìn)行設(shè)計(jì)替換或修改，就可以輕松松地實(shí)現(xiàn)仿真控制策略的設(shè)計(jì)改換或設(shè)計(jì)改進(jìn)，不僅已經(jīng)能夠有效節(jié)省仿真控制解決方案的設(shè)計(jì)時(shí)間和縮短設(shè)計(jì)工作周期，快速地進(jìn)行驗(yàn)證所有的需要重新設(shè)計(jì)的控制算法，更可以很好地實(shí)現(xiàn)充分利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)仿真的各種技術(shù)性和優(yōu)越性，通過(guò)實(shí)時(shí)修改仿真控制系統(tǒng)過(guò)程中的各個(gè)控制參變量或各個(gè)控制器而消除存在于為了實(shí)驗(yàn)