山東科技大學機電學院 肖英輝 山東兗礦集團機械制造廠 任惠英 山東棗礦集團中興建安公司第四工程處 孫棟 本文應用Mat lab下的仿真工具進行異步電機矢量控制的仿真研究，通過對異步電動機矢量控制方程式的變換構造出電動機的仿真模型，并通過對異步電動機的電壓方程的變換構造了電壓變換器，進而構造了電壓型異步電動機調速系統(tǒng)的模型并對此模型進行仿真，給出了仿真結果和結果說明。 1 引言 隨著變頻調速技術、矢量控制技術和直接轉矩控制技術的發(fā)展，人們對交流傳動的研究日益深入。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，并且難以實現(xiàn)功率的雙向流動，而交交變頻采用晶閘管移向觸發(fā)控制，輸入電壓和電流嚴重發(fā)生畸變，功率因數(shù)低下，諧波抑制代價高等缺點，難以大規(guī)模應用。本文中，利用計算機輔助設計的一些工具，采用模擬仿真的方式，進行初步實驗，而實驗仿真在系統(tǒng)的設計中是一種非常重要的手段，對于系統(tǒng)的設計起著指導性的作用。目前比較流行的PSPICE、ICAPS和MATLAB/SIMULINK等軟件各有所長，其中MATLAB/SIMULINK由于應用廣泛、方式靈活而深受廣大研究人員的青睞。 交流電動機的伺服控制技術是現(xiàn)階段人們研究的重點，它以異步電機為控制對象，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，對交流電動機的電壓型伺服控制系統(tǒng)進行了仿真，并對仿真的結果進行了分析。 2 MATLAB/SIMULINK軟件介紹 Matworks軟件公司的MATLAB/SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、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)各處的動態(tài)變化，方便地對方針結果進行時域頻域的分析處理。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、各種交流電機模型、連接件測量模塊等。因此可以非常方便的建立一個電力系統(tǒng)模型。PSB（電器系統(tǒng)模塊庫）是一個專門針對電氣系統(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械、熱、控制和其他學科的軟件工具箱。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 交流電動機矢量變換模型的建立 交流異步電機的數(shù)學模型是一種高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。為此在研究時，通常有下列假設條件：（1）忽略空間諧波，設想三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動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。在上述假設條件下，所建立交流電動機的矢量控制模型，是一個建立在與電動機磁場轉速相同的同步坐標系MT坐標系上的方程式，MT軸系以轉子磁鏈方向定向，對定子電流進行正交分解，進而為分別對轉矩和磁通進行控制提供條件。異步電動機由靜止的坐標系（a,b,c）變到兩相同步旋轉坐標系（d,q）上的變化矩陣為： ωs-同步旋轉角速度； θ（0）-任意的初始角度。 由坐標的變換，可以得到異步電機在兩相同步旋轉坐標系（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:轉子電流的d軸和q軸； Rs：定子電阻； Rr：轉子電阻； Ls：定子繞組的自感； Lm：定子與轉子之間的互感； Δω：異步電機的轉差角頻率； P：微分算子。 （2）基本結構 對于矢量控制系統(tǒng)的磁場定向軸可有三種選擇方式：轉子磁場定向、氣隙磁場定向和定子磁場定向。選用轉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為轉子勵磁時間常數(shù)； CIM=np＊Lm/Lf為轉矩系數(shù)； np為電機極對數(shù)。 通過上述坐標變換和按照轉子磁場定向，最終可得到三相異步電動機在同步旋轉坐標系上的等效直流電機模型。根據(jù)直流調速系統(tǒng)的轉速控制原則，三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)的基本結構框圖如圖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)圖轉換為SIMULINK下的仿真模型，并利用上面介紹的電動機模型和電壓轉換器模型，完整的控制系統(tǒng)模型就建立起來了。 5 結果分析 在上面給出的仿真系統(tǒng)中主要電機參數(shù)如下： 功率2.3kW,頻率為50Hz,額定電壓為380V,定子電阻為2.23轉子電阻為2.65，定轉子自感系數(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，電動機加額定負載8.9Nm，對轉速、轉矩和電流進行仿真，仿真的結果如下： （1）轉速仿真曲線（圖3） [IMG=圖3]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111613562331778R.jpg[/IMG] （2）轉矩仿真曲線（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，在加上額定負載時轉速在1s以內基本可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，最大超調量不到4%；轉矩在200ms即可達到穩(wěn)態(tài)，最大電磁轉矩為額定轉矩的5倍左右；電流的穩(wěn)態(tài)值與額定值基本相同。 6 結束語 在詳細介紹MATLAB/SIMULINK仿真工具的基礎上，我們實現(xiàn)了異步電機的矢量控制系統(tǒng)的調速試驗分析了該模型的優(yōu)缺點，并利用PBS模塊建立了矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)了仿真結果的分析運算。利用該系統(tǒng)建立的模型直觀易行，不用編程，為進行高效成功的設計，驗證設計思路提供了良好的設計環(huán)境，廣大工程技術人員可以通過它進行仿真研究以加強對系統(tǒng)的理解。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集