基于matlab/simulink的異步電動機雙閉環控制仿真

孫惠娟

摘 要：調壓調速是電動機雙閉環控制的本質，這種調速方法可實現電動機起動時磁鏈上升過程更加平滑穩定，其反饋控制可提高系統的抗干擾性能及定位精度。文章對異步電動機的調速系統進行了研究，使用MATLAB/SIMULINK工具分別對雙閉環調速系統進行建模和仿真。仿真結果表明雙閉環調速系統具有良好的動態、靜態性能，電機起動過程平穩、動態響應效果好，另外，文章中的一些仿真模塊修改后也同樣可以用于其它控制系統中，方便、靈活，可移植性較強。

關鍵詞：異步電動機；simulink；雙閉環控制

中圖分類號：TM343 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0007-02

引言

MATLAB是美國Math Works公司推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件，集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的系統仿真和平臺。MATLAB的推出得到了各個領域的廣泛關注，其強大的擴展功能為各個領域的應用提供了基礎[1-3]。其中Simulink工具箱，不同于其他軟件，它具有多種特性，如高度模塊化：各個模塊具有豐富的功能；可視化：用戶能夠通過軟件直接看到所需控制系統。可封裝：可自行設置各種參數。用戶只需從模塊庫中選擇合適的模塊，并組合在一起即可實現系統的仿真，簡單易操作[4]。本文主要簡單介紹了如何利用Simulink工具箱來建立異步電動機的雙閉環仿真模型的方法和步驟，并對控制系統的動靜態特性進行了仿真和分析。

1 雙閉環控制系統的基本原理

轉矩內環的轉速控制以及矢量控制的電氣原理如圖1所示，其中，電流滯環控制型逆變器是電路的主要控制方式。對于控制電路，矩陣控制的關鍵在于速度調節器對轉矩的控制，速度環的輸出前加了轉矩內環，與此同時轉矩會產生一個反饋信號及時反饋給轉速調節器。電機的定子的控制主要是通過對電路中磁鏈調節器的控制輸出，并對電流和磁鏈分別施加了控制環節。磁鏈調節器和轉矩調節器的輸出分別是定子電流的轉矩分量ist*和勵磁分量ism*。其中ist*和ism*在經過2r/3s變換后可得到三相定子電流的給定值isA*、isB*、isC*，同時通過電流滯環控制PWM逆變器來控制電機定子的三相電流。

2 建模及仿真

2.1 模型的建立

（1）MATLAB軟件啟動后，在主窗口界面中點擊按鈕 ，即可打開Simulink Library Browser窗口。在打開的窗口中點擊 按鈕，即進入仿真界面。

（2）在Simulink仿真界面左側的模塊庫中選擇相應的工具箱，在打開的工具箱中將所需的工具元件拖拉到右側的編輯界面中。另外，相同的工具元件還可以進行復制和粘貼。

（3）根據需要對各個元件進行參數設置。

（4）最后將各個元件按照邏輯關系用連線連接起來，即可完成整個控制系統模型的建立。

圖2所示為異步電動機雙閉環矢量控制的仿真模型圖，從圖中可以看出，整個主電路主要由直流電源、逆變器、電機和電機測量模塊組成。電動機對于有輸出上限的轉速調節器、磁鏈調節器以及轉矩調節器都需要用PI調節器來調節，三個調節器是矢量控制的關鍵，對于旋轉磁場所產生的磁鏈是呈螺旋線上升的，函數的運算需要轉矩轉換，dq0_to_abc模塊用于2r/3s的坐標變換。

2.2 仿真及波形分析

在仿真計算之前需對控制系統模型進行參數設定。如一般將仿真計算的起始時間設定在1s以內，仿真算法選擇ode23tb或其他。設定完畢后，在Simulink編輯窗口上方點擊開始仿真按鈕 ，即開始動態仿真過程。在Simulation工具箱中還開發有電壓或電流測量工具，可對需要觀測的參數進行記錄和顯示，記錄的結果既可在Scope示波器中進行顯示還可以數組的形式保存到Matlab軟件工作區進行計算分析。其中電機相關的參數：逆變器直流電源設定為510V，定子繞組自感設定為0.071mH，轉子繞組自感設定為0.071mH，漏磁系數設定為0.056，轉子時間常數設定為0.087，轉速給定值設定為1400，磁鏈給定值設定為1.5，電動機在空載起動，要求在0.6s時加載60 N*m。各調節器的參數設定如表1所示。

由圖3-圖5可以看出，在轉速的矢量控制下波形圖呈平穩上升趨勢，在加載后則下降一定時間但不久后又恢復平穩狀態。電動機的轉速在啟動0.35s后即達到其額定轉速，在加載的0.6s時間內，其額定速度有一定的波動隨后又達到平穩，此時系統的電流調節器和轉矩調節器的監控數據也有相應的變化。在電動機的起動過程中，電機的PI調節器都帶有限幅的轉矩調節器和磁鏈調節器，當兩個調節器輸出限幅達到最大值，定子勵磁分量不變，電流轉矩也不發生變化，因此此時電動機實現了恒流啟動。電動機在起動的初期，可建立相對比較平穩的磁場，且磁鏈呈螺旋上升趨勢，而電動機的轉矩則逐漸增大一定的時間。從圖6可以看出，電動機在起動運行時，系統的轉矩相應較大。

3 結束語

本文首先對Matlab/Simulink工具箱進行了簡單介紹，然后建立了異步電動機雙閉環控制系統模型并對模型進行了仿真，仿真結果表明雙閉環調速系統具有良好的動態、靜態性能，電機起動過程平穩、動態響應效果好。其中的一些仿真模塊也可用于其它控制策略的變頻調速系統中。

參考文獻：

[1]蔡善樂，袁忠于.在MATLAB/SIMULINK環境中的建模與仿真[J].陜西工學院學報，2004，20（4）：49-53.

[2]王娜，劉志強，魏學森.基于MATLAB/SIMULINKR的雙饋調速系統的建模與仿真[J].天津理工學院學報，2002，18（4）：77-81.

[3]張紅斌.基于SimPowerSystems的三相異步電動機的仿真分析[J].科技通報，2013，29（4）：183-185.

[4]賈建強，韓如成，左龍.基于MATLAB/SIMULINK的交流電機調速系統建模與仿真[J].電機與控制學報，2000，4（2）：91-93.endprint