矢量控制仿真模型

1、异步电机磁场定向矢量控制调速系统建模与仿真异步电动机矢量控制结构框图如图1所示。图1K系统总体分析在速度控制时，根据弓，可将速度调节器的输出作为转矩指令值，由式】T可见在欠吊控制中可作为转矩电流指令值。在欠駅控制时，盂要控制给异步电动机供电的定 子电流欠氐 故碍采用调节器进行控制。为r实现对电机的欠最控制，使电机满足一定的性 能指标（穏定性、快速性和准确性），并尽可能使仿真模熨简化，I何采用电流和转速负反馈 控制方式。整个系统主要分成6部分：速度控制器、矢昴控制器、电流比较脉冲产牛器、全 桥逆变电路、异步电动机和反馈回路。其中,（1）通过给定磁琏（在欠帚控制环节内给出）作为磁链电流值指令值。（

2、2）在欠灵控制环节内的磁链计算器根据定子电流的监测值计算磁锻的人小和方向。（3）系统通过欠吊控制环百实现对转矩的解耦控制及转速调攸口体结构如图2所示。图22、SIMULINK仿真模型SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的 系统包括：线性、非线性系统：离散、连续及混介系统：单任务、多任务离散事件系统。在 SIMULINK提供的图形用户界面GUI上，只耍进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的 仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲,这既适于自上而下 (Top-down)的设计流程(概念、功能、系统、子系统、£至器件)，又适

3、J fl F而上(Bouuin-up) 逆程设计。从分析研究角度讲，这种SIMULINK模型不仅能让用户知道貝体环节的动态细 节，而IL能让用戸清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分2间的 交互影响。在SIMULINK环境屮，不但可以建立纯粹的线性模型，而且可以完帑考虑靡擦、 风阳、齿隙、饱和、死区等非线性I对素和各种随机因索対系统行为的影响。在SIMULINK 环境屮，用户可以在仿真进程屮改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。可以不夸 张地说，正是由上述种种优点，使得SIMULINK在进行线性与非线性混杂、连续与离散 参数交合的电气系统仿真中具有无比的优越性。因此，

4、我们根据上述结构框图，编制了相应 的SIMULINK计算机仿真模型，如图3所示。给定转速120 >速度揑制器lqs*i+M求解转子磁链角求解磁桩匚詩Iqabc*TetaTetaIdlabciqabc到dq坐标变理 电源labcMPulseslabc*c电压测量Te三徇晁歩电册机m_SITm4r>示波器注到abc坐标娈左电谎比较、脉冲产生器GBT±35桥逆变负载转矩各模块的功能及实现：(1) 速度控制器从单纯的系统响应时间角度考心 采用比例控制是i个不错的选择，但对实际系统而 言比例控制往往容易造成比较人的误差，而H.往往随着比例系数的増加，系统的稳定性会越 來越差。因此，

5、综合考电系统响应时间、谋羞以及动态稳定性等方面的因索，我们在这里采fflP I控制器。该环节输入为参考转速与反馈转速之差（犷-Q）,则输出參考转矩实际上，电机的负我转矩总是限制在一定的范閘以内.一IL超出这个范阳电机将无法正常工作。因此，从电机实际工作状态出发，为了保证电机能够疋常工作，限制电机的转矩幅（2）欠最控制坏节本环节是在旋转坐标系卜进彳f计算并输出，垠后转换为静态坐标系I、-的电流Iabc输出。 帑个仿真模块是rti异步电机状态方程以及磁链定向角J（%+久W得到，如图5所示。图5各环节分析如卜： Iq*计算该环节通过给定的电磁转矩参考值TJ和转子磁链的计算ffiPhir求解泄子电流I

6、q*的指L T定参考值，则根据异步电机的电磁转矩公式，得到J = p亠如图6所示。L PairmPhir图6 I十计算该坏节通过给定的磁锻Phir求解定子电流的磁场分彊Id*的指泄参考值，则根据公式1； = P"'%可得该模块的仿真模空（如图7所示）c图7 d-q到abc坐标变换该坏节通过定子电流的磁场分磺Id*、转子磁链角的计算值Teta和定子电流Iq*的计算 值求解在abc坐标系中的定子电流Iabc*,则可的该模块（如图8所示）。苴具体模型如图9所示。图8 求解转子磁链角该环节通过定了电流的计算值Iq、磴链的讣算值Phir和电机转速O求解转了磁链角Teta,则可得. ab

7、c到d-q坐标变换该环节通过定子电流的测Iabc以及转子磁St角的计算值Teta來计算定子电流Id 和Iq，则可得.模型如图10所示。 求解磁链该环节定子电流的计算值Id求解转子磯链Phir,则可得"仔号=/d（$）从该式中可的该环节的仿真模型（如图II）。1T.SF1Lnn图11（3）电流比较脉冲产生器为了使欠駅控制环节输出的三相定了坐标系卜的期塑电流Iabc控制电源対电机供电， 要首先将IabL与反馈电流Iabc相比较产生6相控制脉冲。这6相脉冲中仃两相是0 1対 称,耍达到这一要求，只需把比较后的一相电流变成逻轲型数据然后取反再变成原來的数据 类型即可。其仿冀电路如图12所示。

8、-»cn 6相控制脉冲图12电流比较脉冲产牛:器输出的6相脉冲用來控制全桥逆变器。（4 ）全控桥逆变电路异步电机通常部采用三相交流电源供电，经过整流、逆变后变成可控PWM电源。在本 仿其系统中，如果完全采用该供电体制，势必增加整个仿其系统的复杂程度，延长仿典运行 时河。因此，为了简化仿其模型，我们釆用了对自流电源旦接进行IGBT全控桥逆变的供电 策略。从仿真效果看，采取这样的措施并不影响系统的实际运行。（5）异步电动机与反馈回路模型中选耿电力系统箱中的三相异步电动机模型，电机参数设置如图13。图13反馈回路采用电流利转速双单位反馈。3仿真结果分析（1）当输入参考给定转速犷=120md

9、/$、给定磁链= 0.96Vb .负我转矩Tt = ON ,仿真模型运行后可得转速曲线与转矩曲线分别为图14与图15。山仿貞曲线可知电机的转速址随看运行时间的增加逐渐山0增加到垃人值然后回落到稳定转速。而转矩则在瞬时内达到蜂值，并在转速增加的时间内一直在蜂值附近震荡，H到转速快达到峰fi才随着运行时间推移逐渐冋落到负我转矩附近靈荡，这吐特性都与电机的 实际情况相同，由此町见用SHVIULINK建造的模型町以正确的反映实际的模型。（2）在实际电机工作屮，我们通常在电机运彳J：过程中改变转速，Ifu通常仿其模型在改变参 数厉再运行时，模粮从零状态开始，这与实际情况不符。为此我们应该记录卜耍修改时系

10、统 状态变磺，改变系统参数后再从记录卜的状态开始运行。耍在MATLAB/SIMULINK 实现这一功能，过程如卜：D模块运行前选中"Simulinksimulmkparam亡血“workspace I/O"的"Final state"（比中 变量为xFrnal）,然后按“OK”或“Apply”键。 运行仿真模熨。 仿 典 jc 成后，住 “ Smiulink sunulu± parameters/workspace I/O "屮选屮 “ Imtal state " （其中变量为xlnital）. 在MATLAB作空间运行赋值

11、语句：xInital=xFinal。 改变系统参数，再运行仿其模型。此时得到的仿克结杲就是以上次仿真结束时的状态为初始状态改变参数厉的运行果。例如把1中的输入参考给定转速改为co* =160rad/s.苴他参数不变时系统输出转速 与转矩曲线分别如图16和图17所示。/sGspe】)、A 4 2-2 urNAL图17由图15和图17対比可知，电机的第二次运行以第一次运行结束时的状态为初始状态进行仿真，可知上述方法可实现电机在运行过程中改变转速或其它参数。（3）该模型一个致命的缺点就是运行实际特别长，这是由连续系统过分追求精度，人 人延氏了模型运彳亍时间。相比Z F,在满足仿真務度的前提F,离散系

12、统会人人减少模型运 行时间。因此，対J：大系统來说就仿真耕度和运行时间综介考虑，离散模空更貝优势。连续系统与离散系统的主耍差别： 选取算法的不同，对离散系统必须选用定步长算法。 离散模熨中的传递函数耍转变成z变换后的形式。4、离散系统建模为了把上述模型改造成离散系统只盂耍改变儿个模块的传递函数以及运行算法：速度控制器由采用离散系统，所以积分环节的传递函数选为车理（相当J丄，采用梯形法进 2（Z -1）5行数值积分九该坏节输入依然是参考转速与反馈转速Z差（e-e）,输出参考转矩为速度控制器的仿冀模块改为如图18所示。(图18 单位反馈环节的传递函数采用一阶延迟环节丄，它的主要作用为采样反馈。Z 欠屋控制环节冲的求解磁链模块变成离散模块如图19所示。Ph