基于MATLAB/Simulink的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)矢量控制研究

張騰達(dá)

摘要：長期以來，鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在恒速運(yùn)行場合得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微處理器及矢量控制理論在異步電機(jī)中的應(yīng)用和發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能越來越接近甚至超過直流電動(dòng)機(jī)。為了分析研究鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)特性，更好地理解和控制鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，在MATLAB/Simulink的環(huán)境下，對鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了建模，并且運(yùn)用矢量控制策略進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略的正確性。

關(guān)鍵詞：籠型異步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；仿真

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）08-0219-04

1概述

直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制，控制較簡單，調(diào)速方便，雖然存在體積大，質(zhì)量重等弊端，還是在需要頻繁調(diào)速的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。異步電動(dòng)機(jī)擁有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其存在著高階、非線性、強(qiáng)耦合特性，使得對其控制較復(fù)雜，故在很長一段時(shí)間，異步電動(dòng)機(jī)在需恒速運(yùn)行的場合得到了廣泛應(yīng)用。1971年德國學(xué)者Blaschke等人首先提出的矢量變換控制（Transvectorcontrol），實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制，使得交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有了直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)。正是基于此，本文對籠型異步電機(jī)進(jìn)行了矢量控制仿真研究，以達(dá)到對籠型異步電動(dòng)機(jī)及矢量控制特性的深入理解。

2數(shù)學(xué)建模

將鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)歸算到定子側(cè)，可得出其數(shù)學(xué)模型如下：

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，可得出籠型異步電機(jī)等效圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）和磁鏈兩個(gè)近似解耦的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)均為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速和磁鏈控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流控制環(huán)，如圖2所示。轉(zhuǎn)速指令ω^*與實(shí)測的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω的偏差經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，得到轉(zhuǎn)矩電流指令i^*_sq；磁鏈指令ψ^*_r與磁鏈觀測器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈偏差經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器AψR，得到勵(lì)磁電流指令i^*_sd。ASR和AψR均為PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)觀測所得的轉(zhuǎn)子磁鏈角度，實(shí)測的定子三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換后可得轉(zhuǎn)矩電流i_sq和勵(lì)磁電流i_sd，它們與其指令電流的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器ACR后分別可得dq軸電壓指令u^*_sq和u^*_sd，再經(jīng)坐標(biāo)變換為靜止坐標(biāo)系下的電壓指令，最后經(jīng)PWM模塊得到控制脈沖。ACR通常也采用PI調(diào)節(jié)器，但因d軸和q軸電流仍然存在耦合項(xiàng)，工程中常在電壓指令中引入解耦項(xiàng)，與電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出相加即為ACR輸出u^*_sd和u^*_sq。

3矢量控制仿真模型

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，搭建籠型異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真如圖3所示。

通過圖3可以看出，籠型異步電動(dòng)機(jī)矢量控制主要由直流電源模塊、矢量控制模塊、籠型電動(dòng)機(jī)和PWM發(fā)生器模塊四部分組成。以下對各模塊進(jìn)行詳細(xì)建模分析。

3.1直流電源模塊

三相交流電壓源經(jīng)三相橋不控整流輸出直流電壓，如圖4所示。其中U_ab=380V。

3.2矢量控制模塊

矢量控制模塊如圖5所示。主要由速度控制，角度計(jì)算，坐標(biāo)變換，PWM產(chǎn)生等模塊組成。

3.2.1轉(zhuǎn)速控制子模塊

此模塊的主要功能是將給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，通過PI調(diào)節(jié)器得出給定轉(zhuǎn)速。

仿真模型建立及封裝圖如圖6所示。

3.2.2轉(zhuǎn)子磁鏈角計(jì)算子模塊

此模塊用于轉(zhuǎn)子磁鏈角度的計(jì)算。其中：

仿真模型及封裝如圖7所示。

3.2.3 abc/dq坐標(biāo)變換子模塊

根據(jù)定子電流在三相靜止坐標(biāo)系abc下的分量，經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得出電動(dòng)機(jī)定子電流在dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量。其仿真模型及封裝如圖8所示。

3.2.4勵(lì)磁電流給定i^*_d子模塊

此模塊的作用是根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈給定值ψ^*來計(jì)算定子電流的勵(lì)磁分量給定值i^*_d。其中，

i^*_d=ψ^*_r/L_m （6）

其仿真模型及封裝如圖9所示。電動(dòng)機(jī)互感參數(shù)選定為34.7mH。

3.2.5轉(zhuǎn)矩電流給定i^*_q子模塊

此模塊的作用是計(jì)算定子電流在dq坐標(biāo)系下的q軸分量給定值iq^*。其中，

（7）

其仿真模型及封裝如圖10所示。選擇電動(dòng)機(jī)為2對極，轉(zhuǎn)子電感為35.5mH。

3.2.6磁鏈計(jì)算子模塊

此模塊的作用是通過定子電流勵(lì)磁分量i_d計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r。其中，

（8）

T_r為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。其仿真模型及封裝如圖11所示。轉(zhuǎn)子電阻取0.228Ω，則時(shí)間常數(shù)T_r=0.1557s。

3.2.7dq/abc坐標(biāo)變換子模塊

此模塊是根據(jù)定子電流在幽坐標(biāo)系下的分量，經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得出電動(dòng)機(jī)定子三相繞組電流的給定值i_abc，其仿真模型及封裝如圖，2所示。

3.2.8電流比較脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)

電流比較脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)是把矢量控制環(huán)節(jié)輸出的三相電流與反饋電流進(jìn)行比較，產(chǎn)生6脈沖信號輸出，用于控制全橋逆變器?？紤]到仿真速度及精度，本例的滯環(huán)寬度設(shè)為20。其仿真模型及封裝如圖13所示。

3.3籠型電動(dòng)機(jī)

從MATLAB/Simulink器件模塊庫里選取籠型電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)及其參數(shù)設(shè)置如圖14所示。

3.4整流橋模塊

從MATLAB/Simulink器件模塊庫中選取整流橋模塊，其參數(shù)設(shè)置如圖15所示。

4仿真結(jié)果

電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，初始速度為120 rad/s，0.1s后速度增至150rad/s，0.3s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增至200N·m。仿真結(jié)果如圖16所示。

通過圖16可以看出，電動(dòng)機(jī)以300N.m的恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，經(jīng)過0.05s左右，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，之后轉(zhuǎn)矩降為0。電動(dòng)機(jī)定子側(cè)只剩下勵(lì)磁電流及很小的克服摩擦等的轉(zhuǎn)矩電流，所以定子電流很小。0.1s時(shí)轉(zhuǎn)速突增，轉(zhuǎn)矩隨之增大，達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩又降為0。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之下降，由于閉環(huán)作用，轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)至設(shè)定值。通過整個(gè)仿真過程可以看出，該系統(tǒng)具有較好的抗擾動(dòng)性能及良好的跟隨性。

5結(jié)語

通過鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了理論分析與仿真平臺搭建的正確性。同時(shí)可以得出矢量控制異步電動(dòng)機(jī)是一種較為簡單、有效的控制方法，達(dá)到了類似于直流調(diào)速所具備的高性能。