转差频率控制交流异步电机矢量控制系统虚拟实验

转差频率控制交流异步电机矢量控制系统虚拟实验张厚升;王艳萍;于兰兰;季画;谭博学【摘要】在分析转速闭环转差频率控制的异步电机矢量控制调速系统基本工作原理的基础上,利用Matlab/Simulink建立了转差频率控制的异步电机矢量控制调速系统的动态仿真模型,给出了仿真参数,利用仿真结果详细分析了调速系统的起动过程、加载过程,验证了所建调速系统模型的实用性与可行性,该调速系统仿真模型对于研究和开发异步电机调速系统具有重要意义.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2016(035)010【总页数】5页(P90-94)【关键词】异步电机;矢量控制;调速系统;仿真模型;Simulink【作者】张厚升;王艳萍;于兰兰;季画;谭博学【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049【正文语种】中文【中图分类】TM921随着现代电力电子技术的进步与发展，交流调速系统及其控制策略也随之得到日益广泛的关注与研究[1-5]，依照转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律构思形成的转速闭环转差频率控制的交流异步电动机调速系统同样也能获取良好的动、静态性能。

对于交流异步电机来说，矢量控制是一种比较先进、比较优越的控制策略，其控制结构也并不十分复杂，矢量控制通常泛指含有矢量变换的交流异步电机控制系统[6]。

作者在多年“运动控制系统”课程的授课、实验与科研过程中发现：许多学生和研究人员对于直流双闭环控制系统都能够比较好的理解与掌握，而且也能进行有效的实验验证，但是对于异步电机的转差频率控制系统却感到比较迷茫，尤其是加入矢量控制之后。

目前教材上对于该部分内容的讲解也是仅限于理论知识的介绍，而且对于电机的电磁转矩来说，影响转矩的因素比较多，通常和气隙磁通、功率因数、转子电流等都有关系[7-8]，这些电气参数都不是独立变量，他们都和转差率有函数关系，同时也很难进行直接的测量与控制[9-15]，难以通过实验的手段进行学习与验证。

本文拟对现行教材内容进行拓展，分析转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制系统的组成与原理，借助Simulink建立系统仿真模型，通过仿真实验详细分析该矢量控制系统的起动过程与加载过程，旨在让学者透彻理解转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统的动态调节过程。

要解决交流异步电动机的转矩控制问题，可以通过对转差频率的控制来实现，这也就是转差频率控制的基本思想[4]。

图1给出了转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统的原理框图。

该调速系统的主电路为由直流电源供电的SPWM电压型逆变器，即通用变频器一般所采用的电路拓扑结构。

异步电机的转速控制选择转差频率控制方式[6]：ω1=ω+ωs，其中：ωs为转差角频率；ω为转子的角频率；ω1为异步电机的定子角频率。

依据该公式，在电机转速的调节过程中，交流异步电动机的定子电流频率ω1和转子的实际转速自始至终都能进行同步上升或者下降[6]，使得转速得以平滑调节。

异步电动机的矢量控制方程[9-10]可以描述为：式中:np为极对数；ist为定子电流的转矩分量；ism为定子电流的励磁分量；Ψr 为电动机的转子磁链；Tr为转子电磁时间常数，Tr=Lm/Rr，Lm为两相坐标系上同轴定、转子绕组间的互感，Rr为转子一相绕组的电阻值。

从式(1)～(3)看出，如果保持Ψr不变，Te会直接受到ist的控制[6]，而且转差角频率ωs也可由ist直接求出，Ψr可通过ism来求取[6,11-12]。

在转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统中，转速调节器(ASR)采用PI(比例积分)控制模式，PI的输出信号是定子电流转矩分量的给定值[6]，由此可以得出转差频率的给定值。

在控制调节过程中，保持磁通为恒定值不变，则pΨr=0，由式(3)可得:依据式(2)可得:仿真模型中，定子电流的励磁分量ism由励磁给定环节给出，在基速(额定转速)以下ism为一额定值。

依照式(1)～(3)可以得到ist和ism[6]，而本文所设计的转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统采用了直流电源供电的电压型SPWM逆变器，因此需将控制策略中的电流控制相应的变换为电压控制模式，两者之间的变换关系可描述为:式中:σ为漏磁系数,;ust、usm为定子电压的转矩分量和励磁分量。

ust、usm通过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换(2r/3s)，就可以得到逆变器的三相电压调制信号即SPWM调制信号，进而就可以控制逆变器输出异步电机所需的工作电压。

2.1 仿真模型利用Matlab/Simulink所构建的调速系统仿真模型见图2。

该矢量控制调速系统由SPWM脉冲信号发生器模块[6]、2r/3s坐标变换模块、函数功能运算模块、PI调节器(ASR)模块、定子电流励磁分量给定模块和转速给定n*模块等组成。

其中ASR为带限幅作用的转速PI调节器，由放大器G1、G2和带限幅的积分器组成。

电流到电压控制模型的转换由两个函数模块和依据式(6)来实现。

函数功能运算模块按照式(5)来计算出ωs然后和ω求和，得到ω1，经积分可得转角θ，并计算其sin、cos值。

仿真系统中sin、cos、dq0/abc可以完成两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换(2r/3s)，dq0/abc模块输出端输出的就是PWM发生器的三相脉宽调制信号，由于三相脉宽调制信号幅值小于1，所以在其输出端接入了一个衰减模块G4。

在仿真期间，可先将此处断开，让矢量控制调速系统工作在开环状态，把PWM发生器调整为内部模式，然后进行仿真，依据dq0/abc的输出和三相脉宽调制信号幅值小于1的要求，求解出G4的衰减系数[8-9]。

为了更直接观察系统的动态调节过程，在矢量控制调速系统仿真模型中用阶跃信号环节n*设定转速的给定值，这样可以观测调速系统在不同给定速度值时的动态运行情况。

2.2 仿真参数对于如图2所示的转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统的仿真模型，采用的电动机参数为：380 V，50 Hz，2对极，Rs=0.435 Ω，L1s=0.002 mH，Rr=0.816 Ω，L1r=0.002 mH，Lm=0.069 mH，J=0.19 kg·m2，转子绕组的自感值Lr=Lm+L1r=0.069+0.002=0.071 mH，定子绕组的自感Ls=Lm+L1s=0.069+0.002=0.071 mH，逆变器直流电源510 V。

放大器G1的放大倍数为35，放大器G2的放大倍数为0.15，放大器G3的放大倍数为0.007 6，放大器G4的放大倍数为2(即极对数)，放大器G5的放大倍数为30/pi(表单位换算)、放大器G6的放大倍数为pi/30。

仿真时，异步电机矢量控制调速系统空载起动，给定转速设为1 400 r/min，运行到0.4 s时利用阶跃信号突加负载TL=60 N·m，0.6 s时给定转速n*突降为1 000 r/min。

由于该系统比较庞大与复杂，经多次仿真试验，选择算法ode45、步长取为10-5时效果最好。

异步电机矢量控制调速系统的仿真波形如图3～12所示。

图3为转速调节波形，从图中可以看出电动机的起动、稳速与加载过程，转速从零开始逐渐上升到1 400 r/min并保持稳定，加载后下降到1 000 r/min并稳速运行。

为了更加清晰地看清楚调节过程，在图3中同时给出了转速在0.32 s时的转速调节过程和0.4 s时加载过程的局部放大图，图4～6分别为三相定子电流仿真波形、A相定子电流仿真波形和电机电磁转矩的仿真波形。

由图可以看出，在起动阶段电流和转矩都比较大，电机以给定的最大电流起动，转速上升，0.32 s时转速稍有超调后稳定在1 400 r/min，转矩和电流都基本下降为0，起动过程结束。

0.4 s加载后电磁转矩和电枢电流都增加，电机在减速瞬间稍有波动，转矩和电流也随之都有相应的波动，在经过略微调整后转速稳定在1 400 r/min不变。

图7和8是函数功能模块输出信号的仿真波形。

图7是仿真得到的转差频率给定信号，由于转速调节器的输出限幅作用，在起动阶段转差频率给定信号保持不变，起动过程结束、电机转速稳定在1 400 r/min时，基本上变为0，在系统加载后维持在一定数值上，这个转差提高了调制波频率ω1，如图8所示，补偿了由于电机加载而引起的转速降落，从而可以使电机转速稳定在1 400 r/min。

图9是异步电机的机械特性(转矩-转速)仿真波形图，转速给定为1 400 r/min时的机械特性为AB2C2，给定转速为1 000 r/min时机械特性为AB1C1，为描述方便，特性分为2大段，简称为AB段、BC段。

机械特性AB段是近乎垂直段，说明异步电机在起动阶段能够保持良好的恒转矩起动特性，利用转差频率矢量控制策略，可以让异步电机以最大转矩起动并保持恒定。

而且，如果调整转速调节器(ASR)的饱和输出限幅值，可以改变最大转矩值的大小；机械特性BC段是水平段，说明异步电机工作在这一区段时转速可以不受负载大小的影响，能够保证无静差调节。

图10和11分别为异步电机定子磁场和转子磁场的运行轨迹仿真波形图，异步电机在零初始状态起动时，电机有一个磁场的建立过程，在这个过程中磁场的变化是不规则的，由此也导致了电磁转矩较大幅度的变化，由于系统比较复杂，仿真时间稍长，仿真过程中可以实时观测电机磁场轨迹，0.2 s以前磁场轨迹不太规则，0.2 s以后，电机磁场的轨迹慢慢的变得比较规则，趋于呈现圆形轨迹状态。

如果调整的大小，电机磁场所呈现的圆形轨迹半径也会因之而发生变化。

图12给出了异步电机三相转子电流的仿真波形图。

通过对转速闭环转差频率控制的异步电机矢量控制调速系统的建模与仿真，验证了交流异步电机在矢量变换基础上建立的双闭环控制模型的正确性，由上述仿真波形可以看出，在不同的给定输入下，矢量控制调速系统会有不同的响应。

仿真结果表明：所建立调速系统仿真模型的动态响应与实际调速系统的运动过程基本上是相吻合的。

为了能够比较清晰的看到由于PWM调制引起的异步电机磁链的脉动仿真波形，参数设置时将PWM调制频率取得比较低，如果将其开关频率提高，那么电机圆形旋转磁场的脉动也将会大大减小。

另外，为了减少仿真时间，仿真过程中减小了异步电机的转动惯量，但是过小的转动惯量易使调速系统发生振荡，研究者可以通过调节参数观察他对调速系统的影响程度。

综合对调速系统的仿真结果分析可知：采用转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统具有良好的转矩-转速特性曲线，加载过程能够实现电机转速的平稳控制，控制性能良好。