山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 肖英輝 山東兗礦集團(tuán)機(jī)械制造廠 任惠英 山東棗礦集團(tuán)中興建安公司第四工程處 孫棟 本文應(yīng)用Mat lab下的仿真工具進(jìn)行異步電機(jī)矢量控制的仿真研究，通過對異步電動(dòng)機(jī)矢量控制方程式的變換構(gòu)造出電動(dòng)機(jī)的仿真模型，并通過對異步電動(dòng)機(jī)的電壓方程的變換構(gòu)造了電壓變換器，進(jìn)而構(gòu)造了電壓型異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模型并對此模型進(jìn)行仿真，給出了仿真結(jié)果和結(jié)果說明。 1 引言 隨著變頻調(diào)速技術(shù)、矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展，人們對交流傳動(dòng)的研究日益深入。目前的變頻電源有交－直－交和交交變頻兩種。前者具有比較好的輸出特性，但是由于諧波成分大，容易造成電流污染，并且難以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，而交交變頻采用晶閘管移向觸發(fā)控制，輸入電壓和電流嚴(yán)重發(fā)生畸變，功率因數(shù)低下，諧波抑制代價(jià)高等缺點(diǎn)，難以大規(guī)模應(yīng)用。本文中，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一些工具，采用模擬仿真的方式，進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)仿真在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是一種非常重要的手段，對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起著指導(dǎo)性的作用。目前比較流行的PSPICE、ICAPS和MATLAB/SIMULINK等軟件各有所長，其中MATLAB/SIMULINK由于應(yīng)用廣泛、方式靈活而深受廣大研究人員的青睞。 交流電動(dòng)機(jī)的伺服控制技術(shù)是現(xiàn)階段人們研究的重點(diǎn)，它以異步電機(jī)為控制對象，對其控制系統(tǒng)的仿真研究也具有十分重要的意義。本文基于MATLAB的SIMULINK工具，對交流電動(dòng)機(jī)的電壓型伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對仿真的結(jié)果進(jìn)行了分析。 2 MATLAB/SIMULINK軟件介紹 Matworks軟件公司的MATLAB/SIMULINK是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的可視化軟件包，用戶可以利用該系統(tǒng)迅速建立各種連續(xù)、離散或者混合的線性和非線性系統(tǒng)，完成諸如工程計(jì)算、算法研究、建模仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、工程繪圖等功能，在仿真的過程中還可以任意直觀的觀測系統(tǒng)各處的動(dòng)態(tài)變化，方便地對方針結(jié)果進(jìn)行時(shí)域頻域的分析處理。筆者所采用的MATLAB6.5系統(tǒng)包含各種電力器件模型，比如電壓/電流源、變壓器、電力電子模塊、各種交流電機(jī)模型、連接件測量模塊等。因此可以非常方便的建立一個(gè)電力系統(tǒng)模型。PSB（電器系統(tǒng)模塊庫）是一個(gè)專門針對電氣系統(tǒng)的可視化建模和仿真工具，使用的是SIMULINK環(huán)境，其中仿真用的電氣部分與該模型庫相互作用，使電力系統(tǒng)的建模和分析可以利用機(jī)械、熱、控制和其他學(xué)科的軟件工具箱。最新版本的MATLAB7.0中提供了Embedded Target TI C2000 DSP工具箱，它可以將SIMULINK ,MATLAB開發(fā)的算法直接與TI eXpresDSP 工具和C2000DSP處理器集成起來，驚醒自動(dòng)代碼生成，快速原型以及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作。 3 交流電動(dòng)機(jī)矢量變換模型的建立 交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一種高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。為此在研究時(shí)，通常有下列假設(shè)條件：（1）忽略空間諧波，設(shè)想三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙圓周按照正弦規(guī)律分布；（2）忽略鐵芯損耗；（3）忽略磁路飽和，即各繞組的自感和互感都是恒定不變的;（4）不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。在上述假設(shè)條件下，所建立交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制模型，是一個(gè)建立在與電動(dòng)機(jī)磁場轉(zhuǎn)速相同的同步坐標(biāo)系MT坐標(biāo)系上的方程式，MT軸系以轉(zhuǎn)子磁鏈方向定向，對定子電流進(jìn)行正交分解，進(jìn)而為分別對轉(zhuǎn)矩和磁通進(jìn)行控制提供條件。異步電動(dòng)機(jī)由靜止的坐標(biāo)系（a,b,c）變到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）上的變化矩陣為： ωs-同步旋轉(zhuǎn)角速度； θ（0）-任意的初始角度。 由坐標(biāo)的變換，可以得到異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q）上的電壓方程為： 式中： Uds，Uqs：定子電壓的d軸和q軸； ids，iqs：定子電流的d軸和q軸； idr，iqr:轉(zhuǎn)子電流的d軸和q軸； Rs：定子電阻； Rr：轉(zhuǎn)子電阻； Ls：定子繞組的自感； Lm：定子與轉(zhuǎn)子之間的互感； Δω：異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率； P：微分算子。 （2）基本結(jié)構(gòu) 對于矢量控制系統(tǒng)的磁場定向軸可有三種選擇方式：轉(zhuǎn)子磁場定向、氣隙磁場定向和定子磁場定向。選用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)，其控制方程式為： 式中Tr=Lr/Rr為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)； CIM=np＊Lm/Lf為轉(zhuǎn)矩系數(shù)； np為電機(jī)極對數(shù)。 通過上述坐標(biāo)變換和按照轉(zhuǎn)子磁場定向，最終可得到三相異步電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的等效直流電機(jī)模型。根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制原則，三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 4 仿真系統(tǒng)的建立 電壓矢量控制的位置跟隨系統(tǒng)圖如圖2所示。 將系統(tǒng)圖轉(zhuǎn)換為SIMULINK下的仿真模型，并利用上面介紹的電動(dòng)機(jī)模型和電壓轉(zhuǎn)換器模型，完整的控制系統(tǒng)模型就建立起來了。 5 結(jié)果分析 在上面給出的仿真系統(tǒng)中主要電機(jī)參數(shù)如下： 功率2.3kW,頻率為50Hz,額定電壓為380V,定子電阻為2.23轉(zhuǎn)子電阻為2.65，定轉(zhuǎn)子自感系數(shù)均為0.0186H，互感系數(shù)為0.3428，極對數(shù)2。以速度為給定信號，電動(dòng)機(jī)加額定負(fù)載8.9Nm，對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果如下： （1）轉(zhuǎn)速仿真曲線（圖3） [IMG=圖3]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111613562331778R.jpg[/IMG] （2）轉(zhuǎn)矩仿真曲線（圖4） [IMG=圖4]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111613482764146S.jpg[/IMG] （3）電流仿真曲線（圖5） [IMG=圖5]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111613564534750S.jpg[/IMG] 經(jīng)過我們的分析可以看出，在加上額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速在1s以內(nèi)基本可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最大超調(diào)量不到4%；轉(zhuǎn)矩在200ms即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，最大電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的5倍左右；電流的穩(wěn)態(tài)值與額定值基本相同。 6 結(jié)束語 在詳細(xì)介紹MATLAB/SIMULINK仿真工具的基礎(chǔ)上，我們實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速試驗(yàn)分析了該模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并利用PBS模塊建立了矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了仿真結(jié)果的分析運(yùn)算。利用該系統(tǒng)建立的模型直觀易行，不用編程，為進(jìn)行高效成功的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路提供了良好的設(shè)計(jì)環(huán)境，廣大工程技術(shù)人員可以通過它進(jìn)行仿真研究以加強(qiáng)對系統(tǒng)的理解。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集