魏尚北+牛超

摘 要：矢量控制是交流調(diào)速理論中最抽象、最重要的內(nèi)容之一，本文根據(jù)目前交流電機控制教學中存在的問題，將MATLAB仿真技術運用到交流電機矢量控制系統(tǒng)教學中，通過對各個單元模塊的仿真建模，把抽象的理論知識分解成對各個模型的認識，使得一個復雜系統(tǒng)的輸入、輸出以及控制變得簡單、直觀，從而實現(xiàn)生動形象地引導學生理解矢量變頻調(diào)速原理，提高教學質(zhì)量的目的。

關鍵詞：MATLAB；仿真教學；交流電機矢量控制

一、引言

交流調(diào)速系統(tǒng)是電機學、電力電子學、微電子學、自動控制理論等多學科交叉應用的一門學科。傳統(tǒng)教學方法一般按照原型電機、坐標變換、磁場定向的矢量控制思路進行講授， 這種傳統(tǒng)的教學方法理論性強，難度大，致使學生難以理解和掌握相關內(nèi)容。此外，利用實驗平臺學習和研究矢量控制知識，存在實驗裝置有限、實驗平臺對學生的編程能力要求較高、坐標變換、矢量控制的思想也不夠直觀等問題。

利用MATLAB軟件可非常容易地構建虛擬與實際相符合的實驗平臺，使得復雜系統(tǒng)的輸入、輸出及控制變得相當簡單和直觀，從而生動地引導學生理解矢量控制原理，激發(fā)學生學習興趣，提高教學質(zhì)量。

二、交流電機矢量控制的原理

交流電機矢量控制的原理是由交流電機坐標變換理論，通過3s/2r靜止和旋轉變換，獲得等效成同步旋轉坐標系下的直流電機，再通過模仿直流電機的控制方法，求得直流電機的控制量，最后經(jīng)過相應的坐標反變換，重新獲得三相輸入電流（或電壓），從而控制感應電機。

三、教學與仿真軟件的結合

由矢量控制原理可知，交流電機矢量控制變頻調(diào)速包含了坐標變換、控制器、變頻電源、速度檢測等相關單元，系統(tǒng)相對復雜，學習起來較困難。MATLAB軟件Sim-Power Systems模型庫中包含常見的電源、電力電子器件模塊、電機模塊及相應的驅動和控制測量模塊，將這些圖形模塊應用到交流電機矢量控制調(diào)速仿真，能夠簡化編程工作，方便對模型的描述。

1.坐標變換模塊仿真

矢量控制坐標變換主要包含Clarke變換和Park變換，學生對這種坐標變換難以理解。因此可利用實際平臺進行坐標變換，從而提高學生的編程能力。在Simulink環(huán)境下，只需找到相應的功能模塊，手動拖動庫中的功能模塊，將其放在新建的文件中，將其連接起來，并按照要求修改各元器件的參數(shù)即可。如圖1、圖2所示建立的Park變換和Clarke變換仿真模型。

2.變頻電源模塊仿真

交流電機矢量控制的變頻電源模塊主要包含空間矢量脈寬調(diào)制模塊和IGBT模塊，其實現(xiàn)主要包含以下三步：首先判斷參考向量Uref所處扇區(qū)。其次計算基本空間電壓向量的作用時間，最后確定電壓空間向量的切換點，從而形成PWM波。[1]

3.交流電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型

交流電機矢量控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，轉速環(huán)和電流環(huán)為PID控制器， 整個系統(tǒng)分為5個獨立的功能模塊[2]： 控制器模塊、交流電機本體模塊、坐標變換模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊、IGBT模塊和磁鏈觀測模塊。

四、教學內(nèi)容仿真實驗

交流電機控制系統(tǒng)的仿真模型建立以后，就可以進行課程內(nèi)容的驗證性實驗，實驗中各個環(huán)節(jié)的動態(tài)過程在示波器上能夠形象地展示出來，方便學生通過圖形理解交流電機矢量控制。感應電機的參數(shù)如表所示。仿真波形如圖3、圖4所示。

由仿真波形圖可看出，所建立的模型與實際系統(tǒng)相符合，從系統(tǒng)速度響應曲線可以看出該系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)性能，同時學生通過觀測波形圖，可以更好地理解和掌握交流電機矢量控制系統(tǒng)知識。

MATLAB仿真在交流電機矢量控制教學中的應用，能使抽象、模糊的理論知識變得清晰和容易理解，并且在模型建立的過程中，仿真方案的設計和問題的排除也是對學生創(chuàng)新思維的一種鍛煉。

將仿真技術引入到課堂，將理論教學與仿真實驗手段相結合，能為交流電機矢量控制的教學提供一種新的手段。

參考文獻：

[1]賈民力，張金霞，樊 明，等.基于SIMULINK異步電動機SPWM控制的動態(tài)仿真[J].青海師范大學學報（自然科學版），2012，（3）： 34-39.

[2]魏祥林，王曉蘭，周啟華.基于SIMULINK的“異步電機矢量控制變頻調(diào)速”輔助教學[J].中國電力教育，2011，（9）：189-192.