交流異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　摘要：本文主要利用電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理，提出了一種異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及其控制策略總體設(shè)計(jì)方案，采用Simulink工具構(gòu)建了矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)介紹了各個(gè)子模塊的構(gòu)建方法和功能。通過(guò)仿真可得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，表明系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)能力和魯棒性，為矢量控制技術(shù)提供了一種前期檢驗(yàn)方法和研究手段。

　　0 引言

　　異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，矢量控制是電機(jī)控制系統(tǒng)的一種先進(jìn)控制方法，由于其交流調(diào)速時(shí)的優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用到異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。基于Simulink 的交流異步電機(jī)仿真可以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的有效性，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用過(guò)程中可能遇到系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。

　　本文以雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，在Simu-link 中進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性。通過(guò)分析仿真結(jié)果得到矢量控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，從而證實(shí)了本設(shè)計(jì)方案的可行性。

　　1 矢量控制原理

　　矢量控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)VC 系統(tǒng)，坐標(biāo)變換是核心思想。矢量控制的基本思想是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流，在通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換將其等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，等效過(guò)程中實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量。便可將三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)來(lái)控制，獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)接近的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　矢量控制中矢量變換包括三相-兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，將d 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀誶 的方向稱(chēng)為M 軸，將q 軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°，即垂直于矢量φr 的方向稱(chēng)為T(mén) 軸，經(jīng)過(guò)變換電壓-電流方程改寫(xiě)為式（1），磁鏈方程為式（2）：

　　化簡(jiǎn)可得轉(zhuǎn)矩方程為：

　　由式（2）可得轉(zhuǎn)子磁鏈φr 僅由定子電流勵(lì)磁分量isM 產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量isT 無(wú)關(guān)，而isM 和isT 是相互垂直的，這兩者是解耦的。矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1上可以看出系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速、磁鏈的閉環(huán)控制。圖中標(biāo)*的量為給定量，其余為實(shí)際測(cè)量值。

　　2 基于Simulink 的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

　　2.1 系統(tǒng)總體模型

　　根據(jù)矢量控制系統(tǒng)原理，利用Matlab/Simlink軟件中的電氣系統(tǒng)工具箱SimPowerSystems對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

　　整體系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

　　2.2 仿真模型中主要部分

　　2.2.1 異步電動(dòng)機(jī)與逆變模塊

　　異步電動(dòng)機(jī)選用SimPowerSystem模塊庫(kù)中的Asyn-chronous Machine SI Uints,選擇在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的籠式異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。模塊的A,B,C是異步電動(dòng)機(jī)定子繞組輸入端，與IGBT逆變器的輸出相連。逆變部分由SimPowerSystem 模塊庫(kù)中的Power Electronic 下的Universal Bridge 模塊形成，逆變器的輸入pulse 端為PWM控制信號(hào)（6路），輸出為三相ABC交流電壓。

　　2.2.2 矢量控制模塊

　　矢量控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。子模塊輸入角速度給定和實(shí)際角速度值求偏差，并送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）；磁鏈給定的偏差信號(hào)用來(lái)作為磁鏈調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入，dq-abc、各計(jì)算環(huán)節(jié)及abc-dq 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦控制，pulses generator單元產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制IGBT逆變器達(dá)到變頻調(diào)速的目的。轉(zhuǎn)子磁鏈相位角和勵(lì)磁、轉(zhuǎn)矩電流計(jì)算均根據(jù)矢量控制原理采用Simulink下的Fun模塊設(shè)置函數(shù)，本文不再給出它們的具體仿真模型。

　　2.2.3 脈沖發(fā)生器模塊

　　脈沖發(fā)生器模塊由滯環(huán)控制器和邏輯非運(yùn)算器組成。模塊的輸入信號(hào)是三相給定電流和三相實(shí)測(cè)電流，輸出信號(hào)是由六路IGBT 逆變器逆變來(lái)的六相脈沖信號(hào)。模塊將給定信號(hào)和實(shí)際測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測(cè)電流小于給定電流且偏差大于滯環(huán)寬度時(shí)，輸出為1,逆變器相正向?qū)ǎ?fù)向關(guān)斷；當(dāng)實(shí)際電流大于給定電流且偏差小于滯環(huán)寬度時(shí)，輸出為0,逆變器相負(fù)向?qū)?，正向關(guān)斷。采用逆變器通與斷來(lái)調(diào)節(jié)逆變器輸出線(xiàn)電壓的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。電流滯環(huán)控制器模型如圖4所示。

　　2.2.4 abc-dq,dq-abc坐標(biāo)變換模塊

　　abc-dq變換模塊實(shí)現(xiàn)三相定子坐標(biāo)到dq 坐標(biāo)的變換，變換模塊模型如圖5 所示；dq-abc 變換模塊實(shí)現(xiàn)dq 坐標(biāo)到三相定子坐標(biāo)的變換，變換模塊仿真模型如圖6所示。采用三相到兩相或兩相到三相變換表達(dá)式設(shè)置變換模塊中相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式。仿真采用的Simu-link/ User-Defined Function/Matlab Fcn模塊實(shí)現(xiàn)不同形式的函數(shù)運(yùn)算。

　　3 仿真結(jié)果及分析

　　3.1 參數(shù)設(shè)置

　　在啟動(dòng)仿真之前，首先要設(shè)置交流異步電機(jī)參數(shù)：

　　額定線(xiàn)電壓220 V、交變頻率50 Hz、磁極對(duì)數(shù)2,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J = 1.662;阻尼系數(shù)D = 0.1;定子內(nèi)阻Rs = 0.087 Ω，定子漏感Ls = 0.8 mH;轉(zhuǎn)子內(nèi)阻Rr = 0.028 Ω，轉(zhuǎn)子漏感Lr = 0.8 mH;定轉(zhuǎn)子互感Lm = 34.7 mH.

　　逆變器參數(shù)：逆變器設(shè)置為三電平橋式電路IGBT,逆變器直流電源VDC = 780 V,給定磁通值φ*r = 0.96 Wb;轉(zhuǎn)速控制器（PI調(diào)節(jié)器）參數(shù)kp = 13,ki = 26,限幅為300;電流控制器的滯環(huán)寬度H = 20 A.負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10 N-m,給定角速度為20 rad/s.

　　3.2 仿真分析

　　通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，采用不同的PID參數(shù)對(duì)電機(jī)的空載、負(fù)載及正常運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真，本仿真采用試湊的方法完成兩個(gè)調(diào)節(jié)器PID參數(shù)選擇。結(jié)果得系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)、動(dòng)靜態(tài)性能都較好，轉(zhuǎn)速超調(diào)小且穩(wěn)態(tài)誤差小。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該建模方法的有效性和正確性。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)一直都是系統(tǒng)原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)，基于Simulink的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型為設(shè)計(jì)良好的矢量控制系統(tǒng)提供了完善的系統(tǒng)驗(yàn)證方法。本文根據(jù)矢量控制原理完成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該矢量控制系統(tǒng)能有效控制異步電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速，證明了本文所提出的設(shè)計(jì)方案具有很強(qiáng)的實(shí)用性。（作者：彭燕）