电气传动 Electrical Drives 《 自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 9 年 第 2 8 卷 第 3 期 基 于 M a t l a b / Si mu li nk 异 步 电 机 矢 量 控 制 系 统 仿 真 邵 杰 ( 曲阜师范大学电气信息与自动化学院, 山东 日照 2 7 6 8 2 6 ) 摘 要:在分析异步电动机数学模型的基础上,利用 Matlab/Simulink 建立了按转子磁场定向的异步电动机矢量控制变频调速系统 仿真模型, 详细介绍了电流滞环 P W M 调节器、转子磁链观测模块的建立。仿真结果验证了建模方法的有效性。 关键词:异步电机;矢量控制;Matlab;仿真 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2009)03-0073-04 Simulation of the Asynchronous Motor System Based on Matlab/Simulink SHAO Jie ( College of Electric Information &Automation, Qufu Normal University, Rizhao 276826 China ) Abstract: This paper presents the Matlab/Simulink-based mathematical model of the rotor flux orientation vector control system of an AC Asynchronous motor. The modules of the hysteresis current PWM controller and of the rotor flux linkage observer are presented in detail. The simulation results are also given. Key words: asynchronous motor; vector control; Matlab; simulation 1 引言 交流异步电动机是一个高阶、强耦合、非线性的多变量系 统。该系统数学模型比较复杂,将其简化成单变量线性系统进行 控制,动态性能不够理想,调节器参数很难准确设计[1]。为了实现 高动态性能, 20 世纪 70 年代初德国西门子公司 F. Blaschke 等 提出了矢量控制的方法。所谓矢量控制就是以转子磁场定向,用 矢量变换的方法,实现对交流电动机转速和磁链控制的完全解耦, 达到与直流电动机一样的调速性能[4]。异步电机矢量控制调速系 统经过近 30 年的发展,其控制方法已趋于成熟。在实现异步电机 矢量控制调速的要求时,往往需借助仿真,通过仿真可使调速系统 um2 = ut2= 0, 则电压方程矩阵可简化为: = u m 1 u t 1 0 0 s + pLR 1 w L s 1 pL m w L ms L s pLR 1 s w 1 + 0 0 pL m w L m 1 + pL R r 2 w L s r w L m 1 pL m 0 R 2 i m 1 i t 1 i m i t 2 2 （1） 式中: 1 , RR 2 为定子和转子电阻; r s LL , 为定子和转子绕组的自感; mL 为定转子绕组间的互感 异步电机矢量控制中,被控的是定子电流因此,需要推导出定 调试更方便,并能更快的实现控制。 子电流分量和其他物理量的关系。 本文研究交流异步电动机矢量控制变频调速系统的建模与 仿真。利用 M A T L A B / S I M U L I N K 中的电气系统模块( P o w e r System Blocksets )构建异步电机矢量控制仿真模型,并对其动态 性能进行仿真实验。 2 异步电机矢量控制变频原理 在同步旋转的 MT 坐标系中, 将 M 轴方向固定在转子磁场方 向,因此矢量控制又称为磁场定向控制。在沿转子磁场定向的 M、 T 同步旋转坐标系中,对于笼型转子异步电机,由于转子短路,有 收稿日期: 2 0 0 8 - 0 9 - 1 6 （2） 式中: 2T ——转子励磁时间常数, T 2 = L R r 2 = i m 1 2 pT L + m 1 y 2 转矩方程 T = n p e L L m r i 1yt 2 （3） 当转子磁链达到稳态并保持不变时,电磁转矩只由 1ti 决定,此 1ti 独立控制,磁链与转矩实现了解耦。 时磁链与转矩分别由 1mi 和 3 异步电动机矢量控制变频调速系统的 仿真模型 在 Matlab6.5 环境下,利用 Simulink 和 Power Sys- Techniques of Automation & Applications | 73 œ œ œ œ ß ø Œ Œ Œ Œ º Ø œ œ œ œ ß ø Œ Œ Œ Œ º Ø - - œ œ œ œ ß ø Œ Œ Œ Œ º Ø 

《自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 9 年 第 2 8 卷 第 3 期 电气传动 Electrical Drives tem Blocksets,可以构建异步电动机矢量控制变频调速系统 3.1.1 电流变换ABC-DQ模块 图 1 异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型 的仿真模型[2]。 Speed controller是速度调节器,速度调节器的输出信号是转 矩给定 eT * 。在iqs* Calculation模块中,根据转矩给定 eT * 和转 子磁通 2y 来计算得出定子电流的转矩分量 iq *,显然是给定值。 D Q - A B C 模块完成从两相 d 、q 坐标系到三相 A 、B 、C 坐标系 的变换,在这个模块中,根据定子电流在 d、q 坐标系中的分量,经 过旋转变换, 得出电动机定子的三相绕组电流的给定值 i a b c *。 Current Regulator是电流调节器模块,在这个仿真模块中采用滞 环控制原理来实现电流的调节,使得实际电流随跟定电流的变化。 Teta Calculation 模块的作用是计算q 角,也就是 d 轴的位置。 ABC-DQ 环节的作用是根据角q ,将实际的电动机定子电流 iabc 变换得到d、q坐标系中的分量id和iq。Id*Calculation模块的作 用是根据转子磁通 2y 来计算定子电流的励磁分量Id*[5]。 3.1 电流变换和磁链观测模块 在同步旋转 M、T 坐标系中构造的电流模型磁链观测器。电 机定子三相电流 Ai 、Bi 、Ci 经 3/2 变换变成二相静止坐标系电流 ái 、âi ,再经同步旋转变换并按转子磁场定向,得到 M、T 坐标上 sw ,由 sw 与电机转 的电流 Mi 、Ti 。由 Mi 、Ti 即可以得到 2Y 和 速的反馈信号w 相加得到定子频率信号 ,再经积分,即可得到转 子磁链的相位信号。在 Matlab/Simulink 中封装的电流变换和磁 链观测模块如图 2 所示。 A B C - D Q 模块完成从 A B C 三相定子坐标系到 d q 坐标系的 变换, 在这个模块中,根据定子电流在 ABC 三相定子坐标系下的 分量,经过旋转变换,得出电动机定子电流在 dq 坐标系下的转矩 分量 iqs 和励磁分量 Ids。模块的构造图如图 3 所示 图 3 电流变换 ABC-DQ 模块 3.1.2 转子磁链幅值计算模块 转子磁链幅值的计算采用式(2）,仿真模块内部结构如图 4 所示。 图 4 转子磁链幅值计算模块 3.1.3 转子磁链角计算模块 ( w 转子磁链角通过计算 = q + 1w s ) ,其中转差频率 sw 由下式计算 = w s L i m t j T 2 2 1 （4） 该仿真模块的结构如图 5 所示。 图 2 封装的电流变换和磁链观测模块 图 5 转子磁链角计算模块 74 | Techniques of Automation & Applications 

电气传动 Electrical Drives 《 自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 9 年 第 2 8 卷 第 3 期 3.2 DQ-ABC模块 D Q - A B C 模块的作用是根据定子电流在 d q 坐标系下的分 量, 经过旋转变换得出电动机定子的三相绕组电流的给定值 I*abc,其内部结构如图 6 所示,根据旋转变换的公式得出 ab 两相 电流,c 相电流由 ic=-ia-ib 得到。 3.3 电流调节器模块 图 6 DQ-ABC 模块 电流滞环 PWM 控制用一个正弦波电流信号作为电流给定信 号,将实际检测到的电动机电流作为反馈信号,两者比较后作为滞 环比较器的输入,滞环比较器的输出直接去控制逆变电路相应功 率开关器件的通断。电流调节器仿真模块的内部结构如图7所示, 由三个滞环控制器和三个逻辑非运算器组成[3]。 图 7 电流调节器模块 4 仿真结果及分析 利用图 2 所示的仿真模型,对三相异步电动机矢量控制系统 的原理进行仿真研究。在电动机的测量模块 Demux 中选择电动 机的定子三相电流、电动机的电磁转矩以及转子角速度作为测量 对象,另外利用电压测量模块 Vab 检测电机的定子线电压。 三相电动机的参数如下:额定功率 3.7kW;线电压 380V;额定 频率 60Hz;定子内阻 0.0878 W 228 W 调节器的参数如下:积分增益 Ki=26,比例增益 Kp=13;电流调节 ;转子漏感 0.8mH;定转子漏感 34.7mH;极对数为 2。速度 ;定子漏感 0.8mH;转子内阻 0. 图 9 空载时的转矩仿真曲线 图 1 0 空载时的电流仿真曲线 图 1 1 加负载时的速度仿真曲线 器采用滞环型的 PWM 控制器,滞环宽度为 20A。仿真的波形如图 8、图 9 所示。 图 8 空载时的速度仿真曲线 图 1 2 加负载时的转矩仿真曲线 Techniques of Automation & Applications | 75 

《自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 9 年 第 2 8 卷 第 3 期 电气传动 Electrical Drives 良好的抗负载扰动的能力。 5 结束语 用 M A T L A B / S I M U L I N K 中的电气系统模块(p ower sys- tem blockset )构建动态矢量仿真系统,说明 MATLAB 非常适合 电机控制领域内的仿真及研究, 在某些问题的研究中 M A T L A B / SIMULINK 能带来极大的方便并使效率极大提高。实验证明,用 SIMULINK 进行交流调速系统的动态仿真,具有方便、直观、灵 活、精确的优点,是比较理想的仿真方法。 图 13 加负载时的电流仿真曲线 参考文献: 从图 8 空载运行的曲线可以看出在开始启动的瞬间,定子电 流的峰值可达到350A,在恒转矩启动阶段,定子电流基本保持在约 为 150A。恒转矩启动阶段的大约时间为 0.3s。在恒转矩段,转矩 保持在极限值 300N.m,这个极限值是在速度调节器参数表中设定 的。速度约在 0.4s 时上升到最大值,在约 1.3s 时达到稳态值,稳 态转子角速度为 120rad/s。 从图 9 是负载运行的仿真曲线,当转速达到稳定值 120rad/s 后,在1.5s时,给电机突加 = 100 T l mN 的负载,此时电机输出 [ 1 ] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[ M ] . 北京: 机械工业出版 社,2000. [ 2 ] 张志涌, 徐彦琴. M A T L A B 教程[ M ] . 北京: 北京航空航天 大学出版社, 2 0 0 4 . [ 3 ] B . K . B o s e , 姜建国等译. 电力电子学与变频传动技术和应 用[ M ] . 北京: 中国矿业大学出版社, 1 9 9 9 . [ 4 ] 张兴华. 基于 S i m u l i n k / P S B 的异步电机变频调速系统的 建模与仿真[J].系统仿真学报,2005,17(9):99-103. [ 5 ] 纪志成, 薛花, 沈艳霞. 基于 M a t l a b 交流异步电机矢量控 制系统的仿真建模[J].系统仿真学报,2004,16(3):384-389. 作者简介: 邵杰( 1 9 8 0 - ) , 女, 硕士研究生, 讲师, 研究方向: 交 转矩从零迅速跳变为额定负载值,转速恢复时间为0.5s,系统具有 流 电 机 控 制 系 统 设 计 。 (上接第63页) open( url ); httpConn = (HttpConnection)Connector. / / 获得的数据 String ReceiveData= data_In.readUTF(); / / 配置连接属性 httpConn.setRequestMethod(HttpConnection.POST); httpConn.setRequestProperty("Content- Language", "en-US" ); httpConn.setRequestProperty("Accept", "application/octet-stream" ); 5 结束语 该方案通过移动通讯网络提供的 G P R S 服务实现将抄表数 据及时传送到后台数据系统,而无线抄表器和仪表数据采集器之 间采用无线短距离数据通讯技术,这样大量降低成本较好的实现 的系统运行和数据保证。通过对无线通讯技术的研究后,我们得 出将无线短距离通讯技术和移动通讯技术相结合来构建无线抄表 系统的数据通讯方案,获得较好的效果。 ("Connection", "close" ); 参考文献: h t t p C o n n . s e t R e q u e s t P r o p e r t y httpConn.setRequestProperty("Content- [ 1 ] 方旭名, 何蓉等编著, 短距离无线与移动通信网络[ M ] . 北 京. 人民邮电出版社, 2 0 0 4 Length",Integer.toString( data.length ) ); [ 2 ] 孙利民, 李建中等编著, 无线传感器网络[ M ] .北京: 清华大 O u t p u t S t r e a m o u t p u t _ S t r e a m = httpConn.openOutputStream(); output_Stream.write( data ); output_Stream.close(); } Catch(Exception ex){} 接受数据很简单,通过以下代码即可获得数据 DataInputStream data_In = null; 学出版社, 2 0 0 5 [ 3 ] 许焕新、王保义, 利用 J 2 M E + S e r v l e t 技术实现无线抄表 系统[J].仪器仪表用户 2007,(4):45-46. [ 4 ] 刘淑芬, 陆春妹, 基于 Z i g B e e 技术的自动抄表系统的实现 [J].仪器仪表用户,2007,(4):43-44. [ 5 ] 张晓亮等, 远程自动抄表下行信道无线数据传输方案研 究[J].仪器仪表用户,2007,(6):27-28. data_In =new DataInputStream(httpConn.openInputStream 作者简介: 夏秀坤（1 9 6 8 - ）, 女, 副教授, 研究方向: 计算机软 ()); 件 技 术 、 数 据 库 技 术 。 76 | Techniques of Automation & Applications