异步电动机仿真指导书

异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统仿真

指导书

一、实验目的：

⒈深入理解异步电动机的矢量控制策略。

⒉了解基于MATLAB 仿真实现异步电动机矢量控制变频调速系统的构成。 ⒊掌握异步电动机矢量控制系统的分析、设计、调试方法。

二、实验开发设计原理：

（1）本实验的异步电机FOC 交流调速控制系统总框图如下图所示：

图1 异步电机FOC 交流调速控制系统框图

采用双闭环结构，空间矢量脉宽调制（SVPWM ）控制策略，内环是调节电流的电流环，外环是调节转速的转速环，都采用PI 控制调节。 （2）程序设计内容

本实验的程序设计主要包含以下模块： Clark-Park 变换模块；转子磁链位置计算模块（磁通观测定向）；速度PI 调节器模块；转矩电流PI 调节器模块；励磁电流PI 调节器模块；磁链PI 调节器模块；Park 逆变换模块；svpwm 模块。

三、仿真设计举例：

鼠笼异步电动机铭牌数据为：额定功率kW P N 3=，额定电压V 380=N U ，额定电流

A 9.6=N I ，额定转速min 1400r n N =，额定频率z f N H 50=，定子绕组Y 联接。由实

验测得定子电阻Ω=85.1s R ，转子电阻Ω=658.2r R ，定子漏感H 0102.0=ls L ，电感

H 294.0=s L ，转子漏感H 006.0=lr L ，转子自感H 2898.0=r L ，定、转子互感H 2838.0=m L ，转子参数已折合到定子侧，系统的转动惯量21284.0m kg J ?=，初始

转差率s=1。设计三相电流闭环控制的矢量控制系统。用MATLAB 仿真软件，建立异步电动机的仿真模型（参考exercise6_4_0）。

解：由题知：额定转速min 1400r n N =，额定频率z f N H 50=，则电动机极对数2=p n ，额定转速)(6.14660

2s rad n N

m ==

πω；)(2.293s rad n m p ==ωω； 设三相正弦对称电流

)100sin(758.9)2sin(t t f I i N m A ππ==、

)32100sin(758.9)322sin(ππππ-=-

=t t f I i N m B 、 )3

2100sin(758.9)322sin(π

πππ+=+=t t f I i N m C ，

转子电磁时间常数 )(109.0658.22898

.0s R L T r r r ==

=， 电动机稳定运行在额定工作状态时

α

βββ

ααψωψψωψr r s m r r r s m r T i L T i L +=-=，得

1、ACR （电流调节器）按典型I 型系统设计

由课本《运动控制系统》P179式（6-81）知异步电动机的传递函数为：1

s L s X

σ+。

其中

X =图中电流调节器ACR 采用PI 调节器，其传递函数可写成

电流环的开环传递函数为

由工程设计法P80，知s T 和oi T 一般比l T 小得多，可以当做小惯性群而近似的看做是一个惯性环节，其时间常数为i s oi T T T ∑=+。所以选择c l T τ=，便校正成典型I 型系统，因此

(1)(1)p v

C

opc

c i i K K K W R s T s s T s τ∑∑==

++，其中：p v C c

K K K R τ=； 一般情况下，希望超调量%5≤i σ，可选择707.0=ξ，0.5C i K T ∑=，则1

2C i

K T ∑=。式中v K 为逆变器放大倍数v U K =

dc U （600V ）为逆变器直流侧电压；s T 为PWM

周期取0.0001s ；

考虑到电磁时间常数=0.0036sec l T L R =，电流闭环控制等效为一阶惯性环节

11

1

1

1i C

T s s K =

++，其时间常数取T i =0.001sec ，电流环按典型二型系统设计， 1

=0.0005sec 2

i i T T ∑=，因此选择oi T 为电流滤波器时间常数0.0004sec oi T =。

所以电流环的PI 参数：c C

p v R K K K τ=，c l T L R τ==，p i c

K K τ=。代入参数得

0.016 4.412500.057=0.003615.8C p c i L R K K K τ=====，，，，，。

2、ASR （速度调节器）按典型II 型系统设计

由工程设计法P82知，电流环在转速环中等效为一阶惯性环节

11

1

1

1i C

T s s K =

++。

图3

转速调节器ASR 采用PI 调节器，其传递函数可写成 转速环开环传递函数为

其中0.001s i T =，on T 为转速环滤波器时间常数， 0.009s on T =。和电流环中一样，把时间常数为i T 和on T 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为n T ∑的惯性环节，其中0.01s n i on T T T ∑=+=。

再令转速环开环增益J

L L n K K r n r

m p n N τψ2=，则

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取中频宽h =5，则

50.010.05s n n hT τ∑==?=，22

2222

1511200s N h K s --++=

== 磁链环开环传递函数为

其中转子电磁时间常数 )(109.0658

.22898.0s R L T r r r ===

，电流闭环控制等效惯性时间常数0.001sec i T =，o T ψ为转子磁链环滤波器时间常数, 取0.004s o T ψ=。和电流环中一样，把时间常数为i T 和o T ψ的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T ψ∑的惯性环节，其中0.005s i o T T T ψψ∑=+=，（磁链环按典型二型系统设计，磁链

闭环控制等效时间常数20.01s T T ψψ∑==）。选择s T r 109.0==ψτ，便校正成典型I 型系统，因此

(1)

(1)m

op K L K W s T

s s T s ψψψψ

ψτψ

=

=

++∑∑

，

其中：ψ

ψτm

L K K =

ψ；

在一般情况下，希望超调量%5≤i σ，可选择707.0=ξ，0.5K T ψψ∑=，则

11

100()2K s T ψ

-ψ∑=

=， 1000.109

38.410.2838

r m

m K K T K L L ψψτψψ?=

=

==，s T r 109.0==ψτ，352.36i K K ψψψτ==

4、异步电机矢量控制仿真模型如下图：(注此版本是MATLAB 2012b)

首先从模块库中拖出异步电动机模型，其搜索路径为：Simscape 库

->SimpowerSystems->Machines->Asynchronous Machine SI Units. 如下图。

逆变器(IGBT Inverter)搜索路径为：Simscape 库

->SimpowerSystems->Machines->Power Electronics->Universal Bridge. 如下图。双击此模块按下图配置。

逆变器直流侧电源搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems-> Electronical Sources-->DC Voltage Source.如下图。

Powergui 模块的搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems->powergui.如下图。

双击此模块按如下图配置

Discrete SV PWM Generator 模块的搜索路径为：Simscape 库->SimpowerSystems->Extra Library-> Discrete Control Blocks->Discrete SV PWM Generator.如下图。双击此模块按如下图设置。 仿真图中ACR 结构如下图所示：

图中Fcn 设置为，

Switch 设置为，其他模

块采用默认值即可。

ASR 结构如下图所示：（其限幅值取±12） AFR （磁链调节器）结构如下图所示：（其限幅值取±0.74）

转子磁链计算模块Phir ：，内部结构如下图所示

其中Flux Calculation 模块内部结构如下： Teta Calculation 模块内部结构如下：

计算过程中滤波器是连续的，而仿真过程中用到的滤波器都是离散化的，如

仿真图中的，其对应的是d 、q 电流环的滤波器

11

10.00031on T s s =++，离散化后为110.13670.136710.7265z z --+-；速度环滤波器离散化后为110.015470.0154710.9691z z --+-；磁链环滤波器离散化后为1

1

0.01230.012310.9753z z

--+-。滤波器路径为：Simulink 库->Discrete-> Discrete Filter. 电流环Discrete Filter 的模块配置如下：

最后按下图配置一些参数：单击工具栏中的Simulation ，选择其下的Model Configuration Parameter 选项（或者快捷键Ctrl+E ）。

注：一些模块可以通过查找方式找到，如右图。

四、问题：

1、分析起动，加载的过渡过程；观测转速、电磁转矩、磁链和电流曲线；

2、分析各个调节器参数变化对系统性能的影响。