基于MATLAB的交流異步電機系統建模分析案例 11.1基于MATLAB的交流異步電機系統模型的建立 11.2交流異步電機系統模型模塊 21.2.1交流異步電機本體模塊 21.2.2矢量控制模塊 3 41.2.4坐標變換模塊 41.2.5電流滯環控制模塊 61.2.6速度控制模塊 61.2.7轉矩計算模塊 71.2.8電壓逆變模塊 71.3仿真結果分析 1.1基于MATLAB的交流異步電機系統模型的建立的仿真模型，整體控制框圖如圖4-1所示。系統采用雙閉環控制方案，轉速環由PI調節器構成，電流環由電流滯環調節器構成。根據交流模塊化系統建模的設計理念，將交流控制器子系統模塊劃分組成為各個不同模塊功能獨立的子系統模塊，其中主要包括：交流異步電機本體模矩計算模塊和電壓逆變模塊。通過這些模塊組合，就可在Matlab中搭建出交流異步電機控制系統的仿真模型，并實現雙閉環的控制算法。FJ圖4-1Matlab中交流異步電機仿真建模整體控制框圖1.2交流異步電機系統模型模塊交流異步電機本體模塊是整個控制系統仿真模型中最重要的部分，反映了交流電機的本質屬性。交流異步電機本體模塊的輸入為電機轉速w,和坐標變換模塊輸出的如圖4-2所示。圖4-2中，負責求取dq兩相相電流的模塊，對交流異步電機數學模型的電壓方程式進行rprodud1oRrr交流異步電機是一個高階、非線性、強耦合、多變量的系統，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單、精確，使電機系統具有更優的動態品質。矢量控制的基本思想是：將定子電流分解為相互垂直矢量控制模塊實現的正是交流電機的矢量控制方法，模塊的輸入為轉子參考磁鏈φ,和參考電磁轉矩T。”,輸出為dq兩相參考電流、i*和轉差角θ,底層結構如圖4-3所示。相互該模塊應用矢量控制思想，實現了電流解耦功能，所得到的解耦電流分量i、i可分別用于轉子磁鏈和電磁轉矩的解耦控制，轉差頻率w,經積分環節可得轉差角θs,用于Park變換模塊實現的是參考相電流的dq/abc變換，即dq旋轉坐標系下兩相參考相電流向abc靜止坐標系下三相參考相電流的轉換，由下面方程式實現：帕克變換模塊的結構框圖如圖4-4所示，模塊輸入為位置信號θ和兩相參考電流*、i,經方程式的運算，即可求得模塊輸出：abc三相參考電流。、i、i。××××× ×①位于交流異步電機本體模塊之前的abcTOalfa-beta模塊和位于交流異步電機本體模塊之后的alfa-betaTOabc模塊，其基本功能是實現三相/兩相變換或兩相/三相變換，因此均稱為坐標變換模塊。abcTOalfa-beta模塊實現的abc靜止坐標系下的三相相電壓Ua、U?、U.向αβ靜止坐標系的兩相相電流U?d、U?的等效變換，該模塊的結構框圖如圖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進行計算實現，求得的兩相相電流Usa、U?直接用于輸入三相交流異步電機的電路本體。abcTOalfa-beta模塊實現的αβ靜止坐標系下的兩相相電流id、i向abc靜止坐標系的三相相電流ia、i。的等效變換，模塊功能由兩相/三相電流變換方程式實現。模塊的結構框圖如圖4-6所示，模塊電流輸入源idi主要是一個來自于連接交流電和異步電機的電流本體控制模塊，而輸出ia、i則主要是通過一個直接的異步電流遲滯時延環路圖來進行電流控根據交流異步電機數學模型中的電磁轉矩方程式，進行ab和4n,通過相互轉換加乘的計算模塊方式即可直接計算求得轉矩與輸出電磁轉矩的相關信號電磁轉矩信號T。同時根據運動方程，由電磁轉矩T和負載轉矩T,通過加乘、積分環節，即可得到轉速信號w,,求得的電子轉速控制信號經過多次加乘、積分后便又即可直接1.3仿真結果分析本文基于Matlab建立了交流異步電機控制系統的仿真模型，并對該模型進行了交流異步電機雙閉環控制系統的仿真測試。交流異步電機參數：相電壓U=220V,定子相繞組電阻R,=9.53Ω,轉子相繞組電阻R,=5.619Ω,定轉子繞組自感L,=0.505H,定轉子之間的互感L=0.447H為了驗證所涉及的交流異步電機控制系統仿真模進入穩態后，在t=0.4s時突然加負載T=4Nm,可得系統轉速、位置、轉矩、a相電流和定子磁通波形如圖4-10至4-13所示。電動機的轉矩輸出波形如圖4-11所示，系統啟動時電動機輸出轉矩增大，負載轉矩不變，轉子加速。隨著轉速的上升，轉子電流逐漸變小，Offset=0電動勢波形較為理想。由圖4-12可以看出，電動機啟動時產生的電流很大，隨著轉矩和速度的增加，電流逐漸減少，在轉矩比穩定的情況下能夠達到最低且基本穩定，這主要是由于電動機在啟動時，轉差比率很高，電動機等效阻抗很小，所以啟動時產生的電流很大；而當電動機正常工作時，其轉差功率很低，電動機等效阻抗也就很大，從而有限地抑制了電機轉子空載穩速運行時，忽略系統的摩擦轉矩，此時電磁轉矩均值為0;在t=0.4s時突然加負載，轉速發生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態，穩態運行時無靜差。仿真波形圖4-11中突然增加一個電流負載后，電磁轉矩的頻率脈動略微小但有輕度均勻地振動增大，主要振動原因可能是由于產生電流電壓換向與產生電流電壓滯環的微控制器之間的頻繁切換。仿真后的結果充分證實驗證了本文所要提出的對于交流異步電動機進行仿真系統建模的基本合理性采用該交流異步電機仿真模型，可以十分便捷地進行設計實現、驗證控制算法，只要對部分仿真控制系統功能模塊模型進行設計替換或修改，就可以輕松松地實現仿真控制策略的設計改換或設計改進，不僅已經能夠有效節省仿真控制解決方案的設計時間和縮短設計工作周期，快速地進行驗證所有的需要重新設計的控制算法，更可以很好地實現充分利用傳統計算機自動仿真的各種技術性和優越性，通過實時修改仿真控制系統過程中的各個控制參變量或各個控制器而消除存在于為了實驗加入不同的環境擾動條件影響力的因素，從而充分考察不同的電機實驗運行環境擾動條件下各種異步電機控制系統的實際運轉動、靜態性能