三相异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统仿真

摘要

本文对三相异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统进行了计算机仿真研究，运用Matlab/Simulink和SimPowerSystem工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模与仿真；重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置，给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果非常接近实际情况，说明了仿真模型的正确性。

关键词：异步电动机；交流调速；矢量控制

目录

摘要.......................................................................................................... I 1概述 (1)

2总系统设计 (2)

3子系统设计 (6)

3.1 转速控制器 (6)

3.2 定向控制器 (6)

4三相异步电动机磁场定向矢量控制系统仿真 (8)

4.1参数给定 (8)

4.2系统仿真 (10)

总结 (12)

参考文献 (13)

附录 (14)

1概述

交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。对其仿真研究不能像控制系统那样可用各环节简化传递函数来表示，这样会有很多重要环节被忽略，完全体现不了交流调速系统的整体结构和各个环节点上的信号状态。对电气传动系统的建模仿真力求达到与实际系统相一致，Matlab提供的Simulink中的电力系统工具箱（SimPowerSystems）能很好地满足这一要求。以往对电气传动系统的仿真研究主要集中在电机的建模和仿真，最近，许多对复杂电力传动系统的建模仿真方法已提出，主要有运用仿真工具箱对电力传动系统建模仿真和将电力传动系统的功能单元模块化的仿真建模。

由于三相异步电动机是一个多变量、强耦合非线性系统，存在着高性能上难以控制的问题。矢量控制技术有按转子磁链定向和按定子磁链定向的控制等策略。按转子磁链定向矢量控制给出了交流电动机的基本解耦控制方法。在设计调速系统过程中，利用Matlab按转子磁链定向矢量控制的交流调速系统仿真，正确的应用坐标变换模块是建立转子磁链模型的基础。同时，转子磁链、转矩解耦环节的模型也是仿真的关键因素。

2总系统设计

本文采用定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制由于此方案具有电流

励磁分量与和转矩分量的反馈形成双反馈，具有良好的性能，因此采用此方案。三相 异步电动机磁场定向矢量控制系统模块（Field-OrientedControl Induction Motor Drive ） 图标如图2-1所示：

图2-1 磁场定向矢量控制系统

系统模块的原理如图2-2所示：

转速给定

转速控制器

定向控制器

制动单元

电流检测

转速检测

三相逆变器

三相不控整流器

A B C

图2-2 磁场定向矢量控制交流调速系统原理图

系统主电路有三相不控桥、直流母线、三相逆变器和异步电机组成，逆变器由转

速控制器和磁场定向控制器控制，直流母线上有滤波电容和制动单元。磁场定向控制器用于完成电动机转子磁场观测、定向、坐标变换、PWM 调整和驱动信号的产生和分配，是系统的重要控制单元。

模块输入有SP 、Mec-T 、A 、B 、C 5个端口，其中输入SP 用于设定转速，设定的转速一般是阶梯函数，为了避免给定突变时可能带来的电流和转矩冲击，模块有加减速的限制。输入Mec-T 用于设定机械负载转矩，如果负载转矩与转速符号相反，则加速转矩取决于电磁转矩和负载转矩之和。A 、B 、C 是三相电源输入端。

模块输出有三路，Motor、Conv.和Ctrl。Motor端口可以通过电动机测速模块motor demux观测电动机的参数、整流输出电流和逆变器输入电流等。Conv.端口输出变流器参数，包括直流母线电压、整流器输出电流和逆变器输入电流等，这些参数也可以通过多路测量器multimeter来观测。Ctrl端输出控制器参数，包括转矩给定、实际速度与速度给定之间的偏差等。

模块的对话框如下图2-3所示，对话框有3页：Asynchronous Machine、Converter and DC bus 也设置不控整流器、逆变器和直流母线滤波电容和制动单元参数，Controller参数也包括转速控制器和磁场定向控制器的参数，系统的控制有转速和转矩两种方式可以选择。

a)

b)

c)

a)电机参数页b) Converter and DC bus参数页c)控制器参数页

图2-3 磁场定向控制系统对话框

Application Libraries模型库中交流调速系统的组成基本相同，主电路实AC/DC/AC 结构，主电路的整流器、逆变器和异步电机模型都取自Simpowersystems模型库中，因此对话框中的参数也与模型库相应模块的参数相同。直流母线的滤波电容和制动单元结构和参数与直流PWM调速系统主电路中的相同。各种系统的不同在于采用不同电动电动机和控制策略。在磁场定向矢量控制中控制策略体现在定向控制器中，各种系统也有基本相同的转速控制器，因此在以下调速系统介绍中重点介绍体现控制策略的模块。系统中的控制器模块计算都是离散的，并且转速控制器和反映控制策略的模块有不同的采样时间（在对话框中设定）。

3子系统设计

3.1 转速控制器

磁场定向矢量控制系统模型见附录，模型由二极管整流器、三相逆变器、异步电动机组成的主电路和转速控制器（Speed Controller ），定向控制器（F.O.C ）等组成。其中转速控制器结构如图3-1所示，内部结构省略。转速给定*N 经过加减速限制环节（Rate Limiter ），使阶跃输入时实际转速给定的上升和下降斜率，转速反馈N 经过低通滤波器(Low Pass filter)得到转速偏差（*N N -）。Proportional gain 、Integral gain 和Discrete-Time Integrator 模块组成带限制的离散PI 调节器，调节器的输出经过了选择开关，根据对话框中设定的转矩或转速控制方式决定转速控制器的输出。加减速斜率、PI 调节器比例和积分系数、低通滤波器截止频率（Cutoff Frequency ）等参数都在对话框中设置。

图3-1转速控制器

转速控制器中有一个磁通表，磁通表使电动机在基速以下保持额定磁通，基速以上进行弱磁控制，磁通表是一个LOOK UP 模块，其设定见表3-1，在2000 r/min 以下保

持额定磁通nf ,在2500r/min 以上开始弱磁，额定磁通nf 在定向控制器对话框中设定。

表3-1 磁通表

转速

(r/min) 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

磁通/Wb

nf

nf

nf

nf

nf

0.9nf

0.72nf

0.51nf

3.2 定向控制器

用于限制开关频率，改善脉冲波形。定向控制器（F.O.C ）是矢量控制的核心模块，模块的功能是：

1）将输入的定子三相电流经过3s/2r 变换（ABC-DQ 模块）得到dq 坐标系上的两相电流i sd 、i sq 。

2）由磁通观测器计算转子磁链：

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