孫惠娟

摘 要：調(diào)壓調(diào)速是電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制的本質(zhì)，這種調(diào)速方法可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)磁鏈上升過(guò)程更加平滑穩(wěn)定，其反饋控制可提高系統(tǒng)的抗干擾性能及定位精度。文章對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，使用MATLAB/SIMULINK工具分別對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，電機(jī)起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果好，另外，文章中的一些仿真模塊修改后也同樣可以用于其它控制系統(tǒng)中，方便、靈活，可移植性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；simulink；雙閉環(huán)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0007-02

引言

MATLAB是美國(guó)Math Works公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的系統(tǒng)仿真和平臺(tái)。MATLAB的推出得到了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)[1-3]。其中Simulink工具箱，不同于其他軟件，它具有多種特性，如高度模塊化：各個(gè)模塊具有豐富的功能；可視化：用戶(hù)能夠通過(guò)軟件直接看到所需控制系統(tǒng)?？煞庋b：可自行設(shè)置各種參數(shù)。用戶(hù)只需從模塊庫(kù)中選擇合適的模塊，并組合在一起即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真，簡(jiǎn)單易操作[4]。本文主要簡(jiǎn)單介紹了如何利用Simulink工具箱來(lái)建立異步電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)仿真模型的方法和步驟，并對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真和分析。

1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理

轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速控制以及矢量控制的電氣原理如圖1所示，其中，電流滯環(huán)控制型逆變器是電路的主要控制方式。對(duì)于控制電路，矩陣控制的關(guān)鍵在于速度調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，速度環(huán)的輸出前加了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，與此同時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)及時(shí)反饋給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電機(jī)的定子的控制主要是通過(guò)對(duì)電路中磁鏈調(diào)節(jié)器的控制輸出，并對(duì)電流和磁鏈分別施加了控制環(huán)節(jié)。磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist*和勵(lì)磁分量ism*。其中ist*和ism*在經(jīng)過(guò)2r/3s變換后可得到三相定子電流的給定值isA*、isB*、isC*，同時(shí)通過(guò)電流滯環(huán)控制PWM逆變器來(lái)控制電機(jī)定子的三相電流。

2 建模及仿真

2.1 模型的建立

（1）MATLAB軟件啟動(dòng)后，在主窗口界面中點(diǎn)擊按鈕 ，即可打開(kāi)Simulink Library Browser窗口。在打開(kāi)的窗口中點(diǎn)擊 按鈕，即進(jìn)入仿真界面。

（2）在Simulink仿真界面左側(cè)的模塊庫(kù)中選擇相應(yīng)的工具箱，在打開(kāi)的工具箱中將所需的工具元件拖拉到右側(cè)的編輯界面中。另外，相同的工具元件還可以進(jìn)行復(fù)制和粘貼。

（3）根據(jù)需要對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（4）最后將各個(gè)元件按照邏輯關(guān)系用連線連接起來(lái)，即可完成整個(gè)控制系統(tǒng)模型的建立。

圖2所示為異步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)矢量控制的仿真模型圖，從圖中可以看出，整個(gè)主電路主要由直流電源、逆變器、電機(jī)和電機(jī)測(cè)量模塊組成。電動(dòng)機(jī)對(duì)于有輸出上限的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器都需要用PI調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)，三個(gè)調(diào)節(jié)器是矢量控制的關(guān)鍵，對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁鏈?zhǔn)浅事菪€上升的，函數(shù)的運(yùn)算需要轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換，dq0_to_abc模塊用于2r/3s的坐標(biāo)變換。

2.2 仿真及波形分析

在仿真計(jì)算之前需對(duì)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。如一般將仿真計(jì)算的起始時(shí)間設(shè)定在1s以?xún)?nèi)，仿真算法選擇ode23tb或其他。設(shè)定完畢后，在Simulink編輯窗口上方點(diǎn)擊開(kāi)始仿真按鈕 ，即開(kāi)始動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程。在Simulation工具箱中還開(kāi)發(fā)有電壓或電流測(cè)量工具，可對(duì)需要觀測(cè)的參數(shù)進(jìn)行記錄和顯示，記錄的結(jié)果既可在Scope示波器中進(jìn)行顯示還可以數(shù)組的形式保存到Matlab軟件工作區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析。其中電機(jī)相關(guān)的參數(shù)：逆變器直流電源設(shè)定為510V，定子繞組自感設(shè)定為0.071mH，轉(zhuǎn)子繞組自感設(shè)定為0.071mH，漏磁系數(shù)設(shè)定為0.056，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)設(shè)定為0.087，轉(zhuǎn)速給定值設(shè)定為1400，磁鏈給定值設(shè)定為1.5，電動(dòng)機(jī)在空載起動(dòng)，要求在0.6s時(shí)加載60 N*m。各調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

由圖3-圖5可以看出，在轉(zhuǎn)速的矢量控制下波形圖呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)，在加載后則下降一定時(shí)間但不久后又恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)0.35s后即達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速，在加載的0.6s時(shí)間內(nèi)，其額定速度有一定的波動(dòng)隨后又達(dá)到平穩(wěn)，此時(shí)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也有相應(yīng)的變化。在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的PI調(diào)節(jié)器都帶有限幅的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出限幅達(dá)到最大值，定子勵(lì)磁分量不變，電流轉(zhuǎn)矩也不發(fā)生變化，因此此時(shí)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了恒流啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)的初期，可建立相對(duì)比較平穩(wěn)的磁場(chǎng)，且磁鏈呈螺旋上升趨勢(shì)，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩則逐漸增大一定的時(shí)間。從圖6可以看出，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩相應(yīng)較大。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)Matlab/Simulink工具箱進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后建立了異步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型并對(duì)模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，電機(jī)起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果好。其中的一些仿真模塊也可用于其它控制策略的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

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