交流異步電動機的矢量控制系統仿真研究

摘 要： 利用電機矢量控制系統原理，設計了異步電機矢量控制系統及其控制策略總體方案，采用Simulink工具構建了矢量變頻調速系統數學模型，詳細介紹了各個子模塊的構建方法和功能。通過仿真可得系統的動態及穩態性能，表明系統具有較高的響應能力和魯棒性，為矢量控制技術提供了一種前期檢驗方法和研究手段。

關鍵字： 交流異步電機； 矢量控制系統； 變頻調速系統； Simulink仿真； 控制策略

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0128?03

0 引 言

異步電動機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，矢量控制是電機控制系統的一種先進控制方法，由于其交流調速時的優越性被廣泛應用到異步電機調速系統中。基于Simulink的交流異步電機仿真可以驗證系統設計方案的有效性，在實驗室應用過程中可能遇到系統設計難題。

本文以雙閉環矢量控制系統為研究對象，在Simulink中進行仿真來驗證控制系統的有效性。通過分析仿真結果得到矢量控制系統的動靜態特性。

1 矢量控制原理

矢量控制系統，簡稱VC系統，坐標變換是核心思想。矢量控制的基本思想是以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流等效成兩相靜止坐標系上的交流電流，在通過坐標旋轉變換將其等效成同步旋轉坐標系上的直流電流，等效過程中實現磁通和轉矩的解耦控制，達到直流電機的控制效果，得到直流電動機的控制量。便可將三相異步電動機等效為直流電動機來控制，獲得與直流調速系統接近的動、靜態性能。

2 基于Simulink的異步電機矢量控制系統仿

真模型

2.1 系統總體模型

根據矢量控制系統原理，利用Matlab/Simlink軟件中的電氣系統工具箱SimPowerSystems對系統進行仿真[3]。整體系統的仿真模型如圖2所示。

2.2 仿真模型中主要部分

2.2.1 異步電動機與逆變模塊

異步電動機選用SimPowerSystem模塊庫中的Asynchronous Machine SI Uints，選擇在同步旋轉坐標系的籠式異步電動機數學模型。模塊的A，B，C是異步電動機定子繞組輸入端，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（6路），輸出為三相ABC交流電壓。

2.2.2 矢量控制模塊

矢量控制模塊的內部結構如圖3所示。子模塊輸入角速度給定和實際角速度值求偏差，并送入轉速調節器（PI調節器）；磁鏈給定的偏差信號用來作為磁鏈調節器（PI調節器）的輸入，dq?abc、各計算環節及abc?dq實現轉速和磁鏈的解耦控制，pulses generator單元產生脈沖信號控制IGBT逆變器達到變頻調速的目的。轉子磁鏈相位角和勵磁、轉矩電流計算均根據矢量控制原理采用Simulink下的Fun模塊設置函數，本文不再給出它們的具體仿真模型。

2.2.3 脈沖發生器模塊

脈沖發生器模塊由滯環控制器和邏輯非運算器組成。模塊的輸入信號是三相給定電流和三相實測電流，輸出信號是由六路IGBT逆變器逆變來的六相脈沖信號。模塊將給定信號和實際測量信號進行比較，當實測電流小于給定電流且偏差大于滯環寬度時，輸出為1，逆變器相正向導通，負向關斷；當實際電流大于給定電流且偏差小于滯環寬度時，輸出為0，逆變器相負向導通，正向關斷。采用逆變器通與斷來調節逆變器輸出線電壓的頻率，實現變頻調速。電流滯環控制器模型如圖4所示。

2.2.4 abc?dq，dq?abc坐標變換模塊

abc?dq變換模塊實現三相定子坐標到[dq]坐標的變換，變換模塊模型如圖5所示；[dq?abc]變換模塊實現[dq]坐標到三相定子坐標的變換，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式設置變換模塊中相應的函數表達式。仿真采用的Simulink/ User?Defined Function/Matlab Fcn模塊實現不同形式的函數運算。

3 仿真結果及分析

3.1 參數設置

3.2 仿真分析

通過選擇適當的PID參數，采用不同的PID參數對電機的空載、負載及正常運行過程進行仿真，本仿真采用試湊的方法完成兩個調節器PID參數選擇[6]。結果得系統響應平穩、動靜態性能都較好，轉速超調小且穩態誤差小。仿真結果驗證了該建模方法的有效性和正確性。

4 結 語

異步電機矢量控制系統一直都是系統原理和系統設計的重點和難點，基于Simulink的異步電機矢量控制系統模型為設計良好的矢量控制系統提供了完善的系統驗證方法。本文根據矢量控制原理完成了結構簡明的按轉子磁鏈定向的矢量控制系統，經過仿真實驗，結果表明該矢量控制系統能有效控制異步電機的啟動和調速，為驗證異步電機調速系統設計方案提供了一種有效的解決方法。

參考文獻

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作者簡介：彭 燕 女，1984年出生，陜西寶雞人，碩士，講師。主要研究方向為智能檢測技術、控制技術等。