异步电动机仿真指导书

异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统仿真指导书一、实验目的：⒈深入理解异步电动机的矢量控制策略。

⒉了解基于MATLAB 仿真实现异步电动机矢量控制变频调速系统的构成。

⒊掌握异步电动机矢量控制系统的分析、设计、调试方法。

二、实验开发设计原理：（1）本实验的异步电机FOC 交流调速控制系统总框图如下图所示：图1 异步电机FOC 交流调速控制系统框图采用双闭环结构，空间矢量脉宽调制（SVPWM ）控制策略，内环是调节电流的电流环，外环是调节转速的转速环，都采用PI 控制调节。

（2）程序设计内容本实验的程序设计主要包含以下模块： Clark-Park 变换模块；转子磁链位置计算模块（磁通观测定向）；速度PI 调节器模块；转矩电流PI 调节器模块；励磁电流PI 调节器模块；磁链PI 调节器模块；Park 逆变换模块；svpwm 模块。

三、仿真设计举例：鼠笼异步电动机铭牌数据为：额定功率kW P N 3=，额定电压V 380=N U ，额定电流A 9.6=N I ，额定转速min 1400r n N =，额定频率z f N H 50=，定子绕组Y 联接。

由实验测得定子电阻Ω=85.1s R ，转子电阻Ω=658.2r R ，定子漏感H 0102.0=ls L ，电感H 294.0=s L ，转子漏感H 006.0=lr L ，转子自感H 2898.0=r L ，定、转子互感H 2838.0=m L ，转子参数已折合到定子侧，系统的转动惯量21284.0m kg J ⋅=，初始转差率s=1。

设计三相电流闭环控制的矢量控制系统。

用MATLAB 仿真软件，建立异步电动机的仿真模型（参考exercise6_4_0）。

解：由题知：额定转速min 1400r n N =，额定频率z f N H 50=，则电动机极对数2=p n ，额定转速)(6.146602s rad n Nm ==πω；)(2.293s rad n m p ==ωω； 设三相正弦对称电流)100sin(758.9)2sin(t t f I i N m A ππ==、)32100sin(758.9)322sin(ππππ-=-=t t f I i N m B 、 )32100sin(758.9)322sin(ππππ+=+=t t f I i N m C ，转子电磁时间常数 )(109.0658.22898.0s R L T r r r ===， 电动机稳定运行在额定工作状态时αβββααψωψψωψr r s m r r r s m r T i L T i L +=-=，得1、ACR （电流调节器）按典型I 型系统设计由课本《运动控制系统》P179式（6-81）知异步电动机的传递函数为：1s L s Xσ+。

其中X =图中电流调节器ACR 采用PI 调节器，其传递函数可写成电流环的开环传递函数为 由工程设计法P80，知s T 和oi T 一般比l T 小得多，可以当做小惯性群而近似的看做是一个惯性环节，其时间常数为i s oi T T T ∑=+。

所以选择c l T τ=，便校正成典型I 型系统，因此(1)(1)p vCopcc i i K K K W R s T s s T s τ∑∑==++，其中：p v C cK K K R τ=； 一般情况下，希望超调量%5≤i σ，可选择707.0=ξ，0.5C i K T ∑=，则12C iK T ∑=。

式中v K 为逆变器放大倍数v U K =dc U （600V ）为逆变器直流侧电压；s T 为PWM 周期取0.0001s ；考虑到电磁时间常数=0.0036sec l T L R =，电流闭环控制等效为一阶惯性环节11111i CT s s K =++，其时间常数取T i =0.001sec ，电流环按典型二型系统设计， 1=0.0005sec 2i i T T ∑=，因此选择oi T 为电流滤波器时间常数0.0004sec oi T =。

所以电流环的PI 参数：c Cp v R K K K τ=，c l T L R τ==，p i cK K τ=。

代入参数得0.016 4.412500.057=0.003615.8C p c i L R K K K τ=====，，，，，。

2、ASR （速度调节器）按典型II 型系统设计由工程设计法P82知，电流环在转速环中等效为一阶惯性环节11111iT s s =++。

3 速转速调节器ASR 采用PI 调节器，其传递函数可写成 转速环开环传递函数为其中0.001s i T =，on T 为转速环滤波器时间常数， 0.009s on T =。

和电流环中一样，把时间常数为i T 和on T 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为n T ∑的惯性环节，其中0.01s n i on T T T ∑=+=。

再令转速环开环增益JL L n K K r n rm p n N τψ2=，则按跟随和抗扰性能都较好的原则，取中频宽h =5，则50.010.05s n n hT τ∑==⨯=，2222221511200s N h K s --++=== 磁链环开环传递函数为其中转子电磁时间常数 )(109.0658.22898.0s R L T r r r ===，电流闭环控制等效惯性时间常数0.001sec i T =，o T ψ为转子磁链环滤波器时间常数, 取0.004s o T ψ=。

和电流环中一样，把时间常数为i T 和o T ψ的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T ψ∑的惯性环节，其中0.005s i o T T T ψψ∑=+=，（磁链环按典型二型系统设计，磁链闭环控制等效时间常数20.01s T T ψψ∑==）。

选择s T r 109.0==ψτ，便校正成典型I 型系统，因此(1)(1)mop K L K W s Ts s T s ψψψψψτψ==++∑∑，其中：ψψτmL K K =ψ；在一般情况下，希望超调量%5≤i σ，可选择707.0=ξ，0.5K T ψψ∑=，则11100()2K s T ψ-ψ∑==， 1000.10938.410.2838r mm K K T K L L ψψτψψ⨯====，s T r 109.0==ψτ，352.36i K K ψψψτ==4、异步电机矢量控制仿真模型如下图：(注此版本是MATLAB 2012b)首先从模块库中拖出异步电动机模型，其搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems->Machines->Asynchronous Machine SI Units. 如下图。

逆变器(IGBT Inverter)搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems->Machines->Power Electronics->Universal Bridge. 如下图。

双击此模块按下图配置。

逆变器直流侧电源搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems-> Electronical Sources-->DC Voltage Source.如下图。

Powergui 模块的搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems->powergui.如下图。

双击此模块按如下图配置Discrete SV PWM Generator 模块的搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems->Extra Library-> Discrete Control Blocks->Discrete SV PWM Generator.如下图。

双击此模块按如下图设置。

仿真图中ACR 结构如下图所示：图中Fcn 设置为，Switch 设置为，其他模块采用默认值即可。

ASR 结构如下图所示：（其限幅值取±12） AFR （磁链调节器）结构如下图所示：（其限幅值取±0.74）转子磁链计算模块Phir：，内部结构如下图所示其中Flux Calculation模块内部结构如下：Teta Calculation模块内部结构如下：计算过程中滤波器是连续的，而仿真过程中用到的滤波器都是离散化的，如仿真图中的，其对应的是d、q电流环的滤波器1110.00031onT s s=++，离散化后为110.13670.136710.7265zz--+-；速度环滤波器离散化后为110.015470.0154710.9691zz--+-；磁链环滤波器离散化后为110.01230.012310.9753zz--+-。

滤波器路径为：Simulink库->Discrete->Discrete Filter.电流环Discrete Filter的模块配置如下：最后按下图配置一些参数：单击工具栏中的Simulation，选择其下的Model Configuration Parameter选项（或者快捷键Ctrl+E）。

注：一些模块可以通过查找方式找到，如右图。

四、问题：1、分析起动，加载的过渡过程；观测转速、电磁转矩、磁链和电流曲线；2、分析各个调节器参数变化对系统性能的影响。