矢量控制仿真模型

能指标（稳定性、快速性和准确性），并尽可能使仿真模型简化，而采用电流和转速负反馈
控制方式。整个系统主要分成６部分：速度控制器、矢量控制器、电流比较脉冲产生器、全
桥逆变电路、异步电动机和反馈回路。其中，
（１）通过给定磁链（在矢量控制环节内给出）作为磁链电流值指令值。
（２）在矢量控制环节内的磁链计算器根据定子电流的监测值计算磁链的大小和方向。
大延长了模型运行时间。相比之下，在满足仿真精度的前提下，离散系统会大大减少模型运 行时间。因此，对于大系统来说就仿真精度和运行时间综合考虑，离散模型更具优势。
连续系统与离散系统的主要差别： ①选取算法的不同，对于离散系统必须选用定步长算法。 ②离散模型中的传递函数要转变成ｚ变换后的形式。
4、离散系统建模
图 14
图 15
由仿真曲线可知电机的转速ω 是随着运行时间的增加逐渐由０增加到最大值然后回落
到稳定转速。而转矩则在瞬时内达到峰值，并在转速增加的时间内一直在峰值附近震荡，直
到转速快达到峰值才随着运行时间推移逐渐回落到负载转矩附近震荡，这些特性都与电机的 实际情况相同，由此可见用 SIMULINK 建造的模型可以正确的反映实际的模型。
异步电机磁场定向矢量控制调速系统建模与仿真
异步电动机矢量控制结构框图如图 1 所示。
图1 １、系统总体分析
在速度控制时，根据 Te
− TL
=
J
dn dt
，可将速度调节器的输出作为转矩指令值，由式１－21
可见在矢量控制中可作为转矩电流指令值。在矢量控制时，需要控制给异步电动机供电的定
子电流矢量，故需采用调节器进行控制。为了实现对电机的矢量控制，使电机满足一定的性
图 10
⑥求解磁链
该环节定子电流的计算值
Id
求解转子磁链
Phir,则可得
Phir(s) Id (s )
=
1
Lm + L2
s
R2
从该式中可的该环节的仿真模型（如图 11）。
图 11
（３）电流比较脉冲产生器 为了使矢量控制环节输出的三相定子坐标系下的期望电流 Iabc 控制电源对电机供电， 要首先将 Iabc*与反馈电流 Iabc 相比较产生６相控制脉冲。这６相脉冲中有两相是０－１对 称，要达到这一要求，只需把比较后的一相电流变成逻辑型数据然后取反再变成原来的数据 类型即可。其仿真电路如图 12 所示。
（３）系统通过矢量控制环节实现对转矩的解耦控制及转速调节。
具体结构如图 2 所示。
图2
２、SIMULINK 仿真模型 SIMULINK 是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的 系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在 SIMULINK 提供的图形用户界面 GUI 上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的 仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下 （Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottum-up） 逆程设计。从分析研究角度讲，这种 SIMULINK 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细 节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的 交互影响。在 SIMULINK 环境中，不但可以建立纯粹的线性模型，而且可以完整考虑摩擦、 风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在 SIMULINK 环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。可以不夸 张地说，正是由于上述种种优点，使得 SIMULINK 在进行线性与非线性混杂、连续与离散 参数交合的电气系统仿真中具有无比的优越性。因此，我们根据上述结构框图，编制了相应 的 SIMULINK 计算机仿真模型，如图 3 所示。
( ) Te∗
=
ω∗
−ω
⎡ ⎢⎣
K
p
+
Ki
1⎤ s ⎥⎦
实际上，电机的负载转矩总是限制在一定的范围以内，一旦超出这个范围，电机将无法正
常工作。因此，从电机实际工作状态出发，为了保证电机能够正常工作，限制电机的转矩幅
值，这里采用了饱和控制模块。速度控制器的仿真模块如图 4 所示。
图4
（２）矢量控制环节
图3 各模块的功能及实现： （1）速度控制器 从单纯的系统响应时间角度考虑，采用比例控制是一个不错的选择，但对于实际系统而 言比例控制往往容易造成比较大的误差，而且往往随着比例系数的增加，系统的稳定性会越 来越差。因此，综合考虑系统响应时间、误差以及动态稳定性等方面的因素，我们在这里采
用ＰＩ控制器。该环节输入为参考转速与反馈转速之差（ω ∗ − ω ），则输出参考转矩
图8 ④求解转子磁链角
该环节通过定子电流的计算值 Iq、磁链的计算值 Phir 和电机转速ω 求解转子磁链角
Teta，则可得，其具体模型如图 9 所示。
图9 ⑤abc 到 d-q 坐标变换 该环节通过定子电流的测量值 Iabc 以及转子磁链角的计算值 Teta 来计算定子电流 Id 和 Iq，则可得，模型如图 10 所示。
图 20 运行后可知其输出波形与连续系统相同，但ห้องสมุดไป่ตู้真时间比原来至少减少了一个数量级。
定参考值，则根据异步电机的电磁转矩公式，得到 iq
=
p⋅
Lr Lm
⋅
Te Phir
，如图
6 所示。
图6
② Id*计算
该环节通过给定的磁链Phir求解定子电流的磁场分量Id*的指定参考值，则根据公式
I
* d
=
Phir *
Lm
可得该模块的仿真模型（如图7所示）。
图7
③d-q 到 abc 坐标变换 该环节通过定子电流的磁场分量 Id*、转子磁链角的计算值 Teta 和定子电流 Iq*的计算 值求解在 abc 坐标系中的定子电流 Iabc*，则可的该模块（如图 8 所示）。
图 12 电流比较脉冲产生器输出的６相脉冲用来控制全桥逆变器。 （４）全控桥逆变电路 异步电机通常都采用三相交流电源供电，经过整流、逆变后变成可控ＰＷＭ电源。在本 仿真系统中，如果完全采用该供电体制，势必增加整个仿真系统的复杂程度，延长仿真运行 时间。因此，为了简化仿真模型，我们采用了对直流电源直接进行 IGBT 全控桥逆变的供电 策略。从仿真效果看，采取这样的措施并不影响系统的实际运行。 （５）异步电动机与反馈回路
为了把上述模型改造成离散系统只需要改变几个模块的传递函数以及运行算法：
① 速度控制器
由于采用离散系统，所以积分环节的传递函数选为
T (z 2(z
−+11))（相当于
1 s
，采用梯形法进
行数值积分）。该环节输入依然是参考转速与反馈转速之差（ω ∗ − ω ），输出参考转矩为
( ) Te∗
=
ω∗
−ω
⎡ ⎢K p ⎣
例如把 1 中的输入参考给定转速改为ω ∗ = 160 rad s ，其他参数不变时系统输出转速
与转矩曲线分别如图 16 和图 17 所示。
图 16
图 17 由图 15 和图 17 对比可知，电机的第二次运行以第一次运行结束时的状态为初始状态进
行仿真，可知上述方法可实现电机在运行过程中改变转速或其它参数。 （3）该模型一个致命的缺点就是运行实际特别长，这是由于连续系统过分追求精度，大
模型中选取电力系统工具箱中的三相异步电动机模型，电机参数设置如图 13。
图 13 反馈回路采用电流和转速双单位反馈。 ３仿真结果分析
（1） 当输入参考给定转速 ω ∗ = 120 rad s 、给定磁链 ψ ∗ = 0.96Wb 、负载转矩 TL = 0N ，仿真模型运行后可得转速曲线与转矩曲线分别为图 14 与图 15。
+ Ki
Ts (z 2(z
+ 1)⎤ −1) ⎥⎦
速度控制器的仿真模块改为如图 18 所示。
图 18
②单位反馈环节的传递函数采用一阶延迟环节 1 ，它的主要作用为采样反馈。 z
③矢量控制环节中的求解磁链模块变成离散模块如图 19 所示。
图 19 ④运行前把“Simulink/simulink parameters/workspace I/O”中得“Solver options”选为 “Fixed step”。 修改后仿真模型如图 20 所示。
本环节是在旋转坐标系下进行计算并输出，最后转换为静态坐标系下的电流 Iabc 输出。
整个仿真模块是由异步电机状态方程以及磁链定向角
得到，如图 5 所示。
θ = ∫ (ωm + λ )dt
图5 各环节分析如下： ① Iq*计算
该环节通过给定的电磁转矩参考值 Te*和转子磁链的计算值 Phir 求解定子电流 Iq*的指
（2）在实际电机工作中，我们通常在电机运行过程中改变转速，而通常仿真模型在改变参 数后再运行时，模型从零状态开始，这与实际情况不符。为此我们应该记录下要修改时系统 状态变量，改变系统参数后再从记录下的状态开始运行。
要在 MATLAB/SIMULINK 中实现这一功能，过程如下： ①模块运行前选中“Simulink/simulink parameters/workspace I/O”的“Final state”（其中 变量为 xFinal），然后按“OK”或“Apply”键。 ②运行仿真模型。 ③仿真完成后，在“Simulink/simulink parameters/workspace I/O”中选中“Inital state” （其中变量为 xInital）。 ④在 MATLAB 工作空间运行赋值语句：xInital=xFinal。 ⑤改变系统参数，再运行仿真模型。 此时得到的仿真结果就是以上次仿真结束时的状态为初始状态改变参数后的运行果。