基于MATLABSIMULINK感应电机矢量控制系统仿真

在上图间接磁场定向控制中， 主要包括以下 几个模块： ①速度调节器( ASR )、电流调节器( ACR ) 和磁通调节器( A R )。 ASR 输入为转速命令给 定值和实际转速， 输出为 q 轴电流命令值。ACR 输入为 d(q)轴电流指令值和 d(q)轴电流实际值， 输出为 d(q)轴电压。 A R 输入包含 d 轴电流和 经过弱磁环节输出的磁通指令值， 输出为 d 轴电 流指令值。 ASR 、 ACR 和 A R 内部结构类似， 本文只给出了如图 5 所示的 A R 内部仿真模型。 ②同步角计算。该模块完成同步角的计算， 输入变量包括电机实际转速、q 轴电流指令值和 磁通指令值， 输出为坐标变换的同步角速度和同 步角。内部结构如图 6 所示。 该环节完成 d 轴电 ③前馈电压解耦环节[1]。
3 系统仿真模型
3.1 感应电机仿真模型 式(1)中，当参考坐标系定向于静止坐标系 时， 结合公式(2)、 (3)利用 MATLAB 中 S-function 可以建立如图 2 所示的感应电机的仿真模型[2]。
r e dr
Lm e i r s 1 ds
e Lm i qs
(7)
图 4 矢量控制核心算法仿真模块
[2] [1]
2.1 感应电机原理 在任意两相旋转坐标系下感应电机的数学 模型如可用下列方程来描述[3]：
dids dt ( Rs 1 Lm
Ls

r
)ids iqs (
Ls Lr r
)dr ...

diqs dt ids ( Rs
Lmr
Ls Lr
本文采用 SIMULINK 软件实现的仿真模型， 采用模块化设计， 可以很方便的将各个模块连接 起来组成一个系统， 改变控制策略， 只需将其中 的功能子模块替换为相应的功能模块， 而系统的 其他模块无须做任何变动，大大缩短了建模时 间，提高了系统仿真模型的通用性。
4 仿真结果
仿真所用的电机参数为： 极 线电压 ，定子电阻 欧姆，转子电阻 欧姆， 定子自感 毫亨， 转子自感 毫亨，定转子互感 毫亨，转动惯量 千克米平方。 图 是电机在空载条件下突加给定 时， 感应电机定子电流、 电机转速和转矩的相应 曲线， 从图中可以看出仿真结果与理论分析相吻 合， 一方面验证了感应电机模型的正确性， 另一 方面验证了矢量控制系统的整个模型的正确性。 为了进一步验证系统的动态特性， 感应电机 空载启动，在 时突加负载， 突卸负载，得 到如图 所示的仿真波形。该波形从上至下依 次为： 轴电流波形、 轴电流波形、磁通波形 和转速波形， 从中可看出系统突加、 突卸负载时， 转子磁通、 轴电流基本维持不变， 轴电流响 应迅速，转速能够迅速跟踪到给定值。 图 是验证电压型逆变器模型和在线电压 V 0 2 2 0 1 1 8 9 7 6 . 5 2 2 6 . 5 4 2 6 5 2 9 8 0 . 0 z H 0 5 s 1 s 2 1 1 d q d q 2 1 4 , p h 3 , z H 0 5 ,
r
r
电磁转矩方程和运动方程可分别用(5)、 (6)表示：
Te N p
Lm Lr
(iqs dr ids qr )
J d N p dt
(5) (6)
Te Tl
(1)~(6)式中各个变量含义如下： Rs 为定子 电阻， Rr 为转子电阻， Ls 、 Lr 、 Lm 分别为定
2 感应电机和矢量控制原理
通过对矢量控制仿真研究，可得如下结论： ①通过 S-function 建立的感应电机模型具 有结构简单、 直观的优点， 同时通过仿真验证了
1 1
A
作者简介： 郑伟（1980－） ，男，硕士研究生，研究方向为 电力电子技术和交流传动技术。 苏彦民（1938－） ，男，教授，博士生导师，研 究方向为电力拖动和变频调速。 刘金云（1983－） ，男，本科生，研究方向为交 流调速的仿真与建模。
IM
3.3 矢量控制仿真模块
根据图一和公式(7)，利用 Simulink 搭建的 间接矢量控制仿真模块如图 4 所示：
图 1 间接磁场定向矢量控制原理
图 1 中 ASR 、 ACR 、 A R 分别为速度调节器、 电流调节器和磁通调节器， 其中磁通和同步角速 度可用式(7)表示：
e r s s r
图 5 磁通调节器内部仿真结构图
图 6 同步角计算仿真结构图
图 9 矢量控制仿真模块
图 7 前馈电压解耦环仿真图
至此完成了间接矢量控制仿真模块的设计， 上述各模块均采用 SIMULINK 中基本模块搭建 而成，具有结构简单、直观等优点。 3.4 电压调变方式仿真 在载波型 PWM 调制方式中， 一般调制波为 正弦波，这种调制方法在早期得到了广泛的应 用。 然而该方法存在直流母线电压利用率低的缺 点。空间矢量 PWM(SVPWM)由于在低调制度 时， 具有电流谐波含量小、 直流母线电压利用率 高的优点而被广泛所采用。 而在高调制度时， 一 般采用两相调变来减少开关损耗。 本文实施了一 种根据电机转速不同进行电压调变方式在线切 换的调制方法，其仿真模块如图 8 所示：

* r
＋ + -
ASR
ie qs
i
*
r
A R
r
+ -
e ds
+ *-
Hale Waihona Puke ACR前 馈 e u qs 解 耦 ACR
e u ds

反 坐 标 变 换
u u u
A
B C
电压 型逆 变器

s
+
r +
e
dt

i qs e i ds
PG
e
旋 转 变 换
ia
ic
ib
图 3 电压型逆变器仿真模型
子自感、转子自感、定转子互感， r 为转子时 间常数， N p 为极对数， 为漏感系数， J 为转 动惯量。 2.2 矢量控制原理 矢量控制根据磁场定向角的获取方式不同， 可以分为直接磁场定向和间接磁场定向。 本文采 用间接磁场定向原理构成矢量控制仿真核心算 法。其原理如图 1 所示：
实际电力电子器件搭建而成，而是根据载波型 PWM 产生原理搭建的功能建模，这样大大简化 了功率转换电路的数学模型。仿真模型如图 3 所示， 其原理为： 三相正弦电压命令与高频三角 波相比较， 如果命令值大于三角波值， 则输出正 的直流母线电压的一半； 反之， 则输出负的直流 母线电压的一半。
基于 MATLAB/SIMULINK 感应电机矢量控制系统仿真
郑伟 苏彦民 刘金云 (西安交通大学，陕西西安 710049) 摘要：通过对感应电机在两相任意坐标系下状态方程的分析，利用 S-function 建立了感应电机仿真
模型，设计了一种简单的三相电压逆变器模型，根据感应电机磁场定向原理搭建了一个矢量控制系统仿真 平台。该平台包括矢量控制核心算法、电压调变方式在线切换。最后，给出了系统的仿真结果。
(Xi’an Jiao tong university, Shan xi 710049, China)
Abstract: The induction machine model was established using S-function by analyzing the induction machine state equation in the two arbitrary coordinate frames, and one simple three phase voltage source inverter model was designed, and the vector control system simulation platform was established according to the induction machine field oriented control principle. This platform includes the core arithmetic and the voltage modulation switch on line. The system simulation results were given in the end. Key words: induction machine model, MATLAB/SIMULINK, vector control , voltage modulation
调变方式的仿真波形， 从上至下的波形依次为加 入零序谐波前 相电压波形、 根据三相电压命令 而产生的零序谐波电压波形、加入零序谐波后 相电压波形、 电压型逆变器模型实际输出电压波 形。 从中可以看出， 在两种调变方式切换过程中 存在一个暂态过程， 然而， 该暂态过程经过一个 周期即可稳定。 A
5 结束语
1
qr
1
Ls
Vds
(1)
Ls

r
)iqs
Lmr
Ls Lr
1 Vqs
dr ...
(2) (3) (4)
(
d dr dt d qr dt
Lm
Ls Lr r
r
)qr
Ls
L 1 m ids dr ( r )qr
r
L 1 m iqs qr ( r )dr
图 感应电机突加突卸负载时仿真波形
2 1
电压仿真波形
参考文献
[1] [2] [3] 苏彦民， 交流传动控制策略， 机械工业出版社,1998 薛定宇，控制系统计算机辅助设计－MATLAB 语言 及应用，清华大学出版社，1996。 Peter. as Electrical Machines and Drives oxford university press1992
1 引言
感应电机是一个高阶、非线性、多变量、强 耦合系统，其数学模型比较复杂,传统的恒压频 比控制不能用在高性能的工业驱动场所。自 F.Blaske 提出了矢量控制方法以来，矢量控制技 术得到了深入地发展。 矢量控制原理是建立在转 子磁场定向基础上， 通过一系列的坐标变换， 将 电机定子电流中励磁分量和转矩分量分别控制， 从而实现了类似于直流电机的控制方式 。 目前， 借助于计算机仿真缩短异步电机调速 系统的开发和设计周期的重要性日益显著。 它能 在生产样机之前优化控制模式，改善设计方法， 提高交流调速系统的性能。 界面友好的计算机实 时仿真软件 MATLAB/SIMULINK 在交流传动领 域得到了广泛的应用 。 本文通过对感应电机在两相任意旋转坐标 系下状态方程的分析，利用 S-function 建立了感 应电机模型， 进而设计了一种简单适用的三相电 压逆变器模型， 在此基础上， 根据感应电机磁场 定向原理搭建了一个矢量控制系统仿真平台， 该 平台包括矢量控制核心算法模块、 电压调变方式 在线切换模块，最后，给出了系统的仿真结果。
关键词：感应电机模型； MATLAB/SIMULINK； 矢量控制 ；电压调变 Simulation of Induction Machine Vector Control System based on MATLAB/SIMULINK
ZHENG Wei SU Yan-Min Liu Jin-Yun
3 0 3 1 . 2
图 8 电压调变方式仿真模块
这两种调变方式采用 MATLAB 中 m 函数编写。
图
0 1
感应电机空载起动仿真波形
图
该模型的正确性。 ②本文所采用的电压型逆变器模型和在线 电压调变方式得到了仿真的验证。 通过大量的仿 真表明， 在应用了在线电压调变方式后， 电压型 逆变器模型的有无，对系统性能影甚微。 ③间接磁场定向矢量控制仿真模型具有动 态特性快、稳态精度高的优点。通过仿真分析， 为实际调试矢量控制系统提供了一个虚拟调试 平台，这大大了缩短实际系统的开发周期。
图 2 感应电机在两相静止坐标系下的仿真模型
3.2 电压型逆变器仿真模型
本文逆变器的建模不是按照电路的拓扑由
压和 q 轴电压解耦。 其输入包括电流调节器输出 电压，d、q 轴电流指令值和同步角速度，输出 为解耦后的电压。内部结构如图 7 所示：
3.5 矢量控制总体仿真模块 整个系统的仿真图如 9 所示，该图是将上 面设计的各模块封装连成一个整体， 此外还包括 了三相静止坐标系与两相静止坐标系之间的坐 标变换以及两相静止坐标系与两相同步旋转坐 标系的变换，有关变换请参阅文献[1]，在此不 做叙述。