1、1本章内容 转速闭环控制的交流异步电动机变压调速系统；转速开环的交流异步电动机恒压频比控制调速系统；转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统；转速闭环、磁链开环控制的异步电动机矢量控制调速系统；异步电动机直接转矩控制调速系统；转速闭环、磁链闭环控制的异步电动机矢量控制调速系统。第第9 9章章 MATLABMATLAB在交流调速系统在交流调速系统中的应用中的应用2l 交流调速系统是以交流电动机做为电能-机械能的转换装置，并通过对交流电机的控制产生所需的转矩和转速。在MATLAB中，Simulink环境下的电力系统模块集（SimPowerSystems）中包含了常用的电力电子器件模型、电机模型、整流
2、电路模块、逆变电路模块以及相应的驱动模块，使用这些模块可以方便地构建交流调速系统并进行仿真。l 本章主要介绍交流异步电动机交流调速系统的MATLAB仿真模型及其参数设置方法，对交流异步电动机不同控制策略下的调速系统进行仿真研究。3l 变压调速是异步电机调速方法中比较简单的一种，随着电力电子技术的发展，一般采用由晶闸管或其他功率开关元件构成的交流调压器，来实现异步电机的变压调速。l 常用的交流调压器可以使用电力系统模块集（SimPowerSystems）中的晶闸管器件模型构建仿真电路模型，脉冲控制触发模块通过同步脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator）来构建仿真
3、模型。本节主要介绍转速闭环控制的交流异步电动机变压调速系统的仿真。4l 异步电动机转速闭环变压调速系统的原理图如图9-1所示，调速系统中主电路由三相交流电压源、3对反并联晶闸管和三相交流异步电动机组成。9.1.1 基本原理 5l 电机实际转速由测速环节得到，经过转速反馈系数后得到与实际转速对应的电压信号，该电压信号与给定电压信号比较得到误差信号，通过PI控制器计算得到同步六脉冲产生模块的导通角信号，产生六路脉冲信号控制主电路中3对反并联晶闸管中开关器件的导通与关断，控制异步电机三相定子电压值，最终达到调速的目的。6l 转速闭环控制电动机变压调速系统仿真模型如图9-2所示，包括三相交流电压源模块
4、、由晶闸管构成的交流调压模块、异步电机模块、电机测量模块、电动机负载转矩给定、同步六脉冲生成模块以及PI控制器等。9.1.2 系统仿真模型与参数设置7l 仿真模型中主电路由三相交流电压源、交流调压模块以及异步电机组成，电机测量模块用来对电机定子电流、电机机械角速度和电磁转矩进行测量，同时采用示波器进行显示。l 控制电路主要由同步六脉冲产生模块和PI控制器组成，给定电压信号与经过电机转速反馈得到的实际电压信号差值计算后，由PI控制器得到同步六脉冲产生模块的触发导通角信号，同步六脉冲模块产生的6路脉冲信号作为交流调压模块中晶闸管的触发控制信号8l 以下仅介绍仿真模型图9-2中的主电路模块参数的设置
5、及其提取路径，如无特别说明其它模块的参数通常采用默认设置。1 主电路模型参数设置 9l（1）在Simulink环境下打开电力系统模块集（SimPowerSystems），将交流电压源模块（SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage Source）复制到仿真模型图9-2中，做为A相交流电压源，其中交流电压源峰值“Peak amplitude”设置为311V，初始相位“Phase”为0度,频率“Frequency”为50Hz,其他选项参数默认。l 相同路径下可以复制得到B相和C相的交流电压源，其中B相交流电压源模块中初始相位设置为240度，C相交流电
6、压源模块中初始相位设置为120度，其他参数与A相设置相同，由此可以得到三相对称的交流电压源。10l（2）交流调压模块由3对反并联晶闸管组成，模块内部搭建模型如图9-3所示。模型中主要用到晶闸管Thyristor（SimPower System/PowerElectronics/Thyristor）、电气接口Connection Port（SimPower System/Elements/Connection Port）、Terminator端子，用来封锁各晶闸管模块的E端（Simulink/Sinks/Terminator）lDemux模块，用来把一个端口的信号分解为6路脉冲触发信号（Simu
7、link/Commonly Used Blocks/Demux），将该模块参数设置为“6”，表明有6路输出信号、连接模块Inl（路径为Simulink/Commonly Used Blocks/Inl），可将其名称修改为“g”，表明为脉冲信号。按照图9-3进行连接，其中晶闸管模块参数取默认值，最后进行封装后可得到交流调压模块。1112l（3）打开异步电机（国际单位）模块Asynchronous Machine SI Units（SimPower Systems/Machines/Asynchronous Machine SI Units），异步电机模块参数设置如图9-4所示。在参数设置对话框中
8、，Mechanical input指外部输入模式，分为转矩输入（Torque Tm）和转速输入（Speed）；Rotor type指绕组类型，分为绕线型（Wound）和鼠笼型（Squirrel-cage）两种；Reference frame是参考坐标系列表框，指电机数学建模所采用的坐标系，分为静止坐标系（Stationary）、转子坐标系（Rotor）和同步旋转坐标系（Synchronous）；13l额定参数包括：额定功率（单位：W）、额定线电压（单位：V）、额定频率（单位：Hz）；定子绕组参数有定子电阻Rs（单位：）和定子漏感Lls（单位：H）；转子绕组参数有转子电阻Rr（单位：）和转子漏感
9、Llr（单位：H）；电机绕组互感Lm（单位：H）；转动惯量J（单位：kgm2）、摩擦系数F（单位：Nms）和电机极对数P等。14l（4）打开电机测量模块Machines Measurement Demux（SimPower Systems/Machines/Machines Measurement Demux），参数设置如图9-5所示。在参数设置中，电机类型选择为异步电动机（Asynchronous），表明对异步电机的输出信号进行测量，其中可测量输出的信号包括：转子在静止坐标系下的三相电流；转子在旋转坐标系下的dq轴电流、磁链和电压；定子在静止坐标系下的三相电流；定子在旋转坐标系下的dq轴电流
10、、磁链和电压；转子的机械角速度；电机电磁转矩和转子的旋转角度等。仿真建模中，可在对应的输出信号前的复选框里进行选择，得到模型中可观察测量的电机输出信号。本节搭建的转速闭环控制电动机调压调速系统仿真模型中，选择了定子三相电流、转子机械角速度和电机电磁转矩做为输出测量信号。1516l 以下仅介绍仿真模型图9-2中的控制电路模块参数的设置及其提取路径，如无特别说明其它模块的参数通常采用默认设置。l（1）同步六脉冲生成模块由6脉冲触发器和3个电压测量模块组成。打开6脉冲触发器Synchronized 6-Pluse Generator（SimPower Systems/Extra Library/Co
11、ntrol Blocks/Synchronized 6-Pluse Generator），其中同步频率“Frequency of synchronization voltages”设置为50Hz，脉冲宽度“Pulse width”设置为5度，同时选中“Double pulsing”前的复选框。2 控制电路模型参数设置 17l 该触发器有5个端口，alpha-deg连接的端口为导通角，Block连接的端口为触发器的开关信号，当开关信号为“0”时，触发器使能，当信号为“1”时，触发器封锁。因此在图9-2中采用Constant模块（Simulink/Commonly Used Blocks/Cons
12、tant）同触发器的Block端口连接，同时把参数值设置为“0”，表明触发器使能。触发器的其他3个端口需要用到三相交流电源的线电压，所以取电压测量模块Voltage Measurement（SimPower Systems/Measurements/Voltage Measurement）分别得到AB两相之间的线电压、BC两相之间的线电压以及CA两相之间的线电压，按照图9-2中连接。18l（2）PI控制器模块的输入为给定电压信号与经过电机转速反馈得到的实际电压信号二者之间的差值，由图9-2中可知，给定信号采用Constant模块设置为“10”实际电压信号由电机机械角速度信号经过两个Gain（S
13、imulink/Commonly Used Blocks/Gain）模块后得到，第一个Gain模块设置参数为0.01，表明为转速反馈系数，第二个Gain模块参数设置为30/3.14，表明为机械角速度和转速之间的转换系数。19l PI控制器的输出首先经过参数设置为“9”的Gain模块后，再与设置为“90”的一个Constant模块进行差值计算后得到6脉冲触发器的导通角，连接到alpha-deg端口，其中进行差值计算后得到6脉冲触发器的导通角，连接到alpha-deg端口，其中进行差值计算时需要用到Sum模块（Simulink/Commonly Used Blocks/Sum），将其参数设置为“+
14、-”即可。PI控制器模块Discrete PI Controller（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PI Controller）其中比例系数“Proportional gain”设置为2，积分系数“Integral gain”设置为0.6，输出上下限“Output limits”分别设置为10和-10，其他参数采用默认设置。20l 仿真模型中算法选择为ode23tb，仿真时间设置为8.0s，异步电动机负载转矩设置为20Nm。仿真模型中接入示波器模块可以实时观察仿真结果，同时采用simout模块（S
15、imulink/Sinks/simout）可以将仿真数据存入到工作空间中，便于后续对仿真结果的处理。后续仿真结果画图处理时，需要用到时间变量和对应的采集变量。时间变量的采集由Clock（Simulink/Sources/Clock）模块来实现，将数据存到工作空间时需要用到simout模块，可以给相应的变量定义名称，同时要把simout模块参数中的“Save format”（数据保存格式）设置为“Array”格式，其他参数为默认值。3 系统仿真参数设置 21l 可以通过示波器模块观察仿真结果或者通过“plot”语句得到仿真结果曲线。当仿真模型运行结束后，在MATLAB的命令窗口中键入“plot（
16、t，n）”命令语句，则可以得到电机转速的仿真结果曲线图，其他电机电流、电磁转矩和触发器导通角的曲线图都可以用类似语句得到。最后得到的仿真结果如图9-6所示。9.1.3 仿真结果分析2223l 从仿真结果可以看出，在PI控制器的调节作用下，电机转速最终稳定在1000r/min，触发导通角大致为72，电磁转矩脉动较大，转矩平均值等于设定的负载转矩20Nm，电流波形不是正弦波，畸变程度较大，造成了电机电磁转矩脉动很大。24l 对于不需要很高动态性能的异步电机交流调速系统，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制策略，来实现异步电机的变压调速。常用的逆变器主电路可以使用电力系统模块集（SimPow
17、erSystems）中的IGBT器件模型构建仿真电路模型，脉冲控制触发模块通过PWM脉冲生成单元（Discrete PWM Generator）来构建仿真模型。本节主要介绍转速开环交流异步电动机恒压频比控制调速系统的仿真。25l 异步电动机转速开环恒压频比控制调速系统的原理图如图9-7所示，调速系统中主电路由直流电源、IGBT逆变模块和三相交流异步电动机组成。设定的电源频率首先经过斜波函数进行升降速时间限定，然后通过电压补偿环节得到给定电压值，最后频率信号和给定电压信号做为PWM发生器模块的输入，PWM发生器输出的脉冲信号经过驱动后，控制IGBT模块中开关器件的导通与关断，控制异步电机三相定子
18、电压值和频率值，实现调频调速的目的。9.2.1 基本原理2627l 转速开环恒压频比控制的调速系统仿真模型如图9-8所示，包括直流电压源模块、三相IGBT逆变模块、异步电机模块、电机测量模块、电动机负载转矩给定、电源频率给定模块、斜率限制模块、查表模块、函数模块以及PWM脉冲生成模块等。9.2.2 系统仿真模型与参数设置2829l 仿真模型中主电路由直流电源、IGBT逆变模块以及三相交流异步电动机组成，电动机测量模块用来对电机定子电流、电机机械角速度和电磁转矩进行测量，同时采用示波器进行显示。控制电路主要由PWM脉冲生成模块组成，PWM模块的输入信号为对称的三相交流正弦波信号，分别由对应的函数
19、模块Fcn生成，其中交流正弦信号的频率为电源给定频率信号，电压幅值信号为查表模块Look-Up Table输出的电压信号。PWM脉冲生成模块输出的驱动信号控制IGBT模块中开关器件的导通与关断，从而改变异步电动机三相定子电压的频率和幅值，达到调速的目的。30l 以下仅介绍仿真模型图9-8中的主电路模块参数的设置及其提取路径，如无特别说明其它模块的参数通常采用默认设置。l（1）在Simulink环境下打开电力系统模块集（SimPowerSystems），将直流电压源模块（SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source）复制到仿真模型图9-
20、8中，直流电压源幅值“Amplitude”设置为540V，其他选项参数默认。1.主电路模型参数设置31l（2）打开通用电桥Universal Bridge（SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge），其中“Number of bridge arms”选择为“3”，电力电子器件“Power Electronics device”选择为“IGBT/Diodes”，其他选项参数默认。l（3）异步电机模块和电机测量模块参数设置分别与9.1节中参数设置相同。32l 以下仅介绍仿真模型图9-8中的控制电路模块参数的设置及其提取路径，如无特别说明
21、其它模块的参数通常采用默认设置2.控制电路模型参数设置33l（1）打开PWM脉冲生成模块Discrete PWM Generator（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PWM Generator），其中脉冲模式“Generator Mode”选择为“3-arm bridge(6 pulses)”，载波频率“Carrier frequency”设置为“1080Hz”，同时由于采用外接正弦调制波的方式，所以取消复选框里的“Internal generation of modulating signal(s
22、)”的选择，其他选项参数默认。34l（2）打开斜率限制模块Rate Limiter（Simulink/Discontinuities/Rate Limiter），该模块可做为斜波函数，对电动机的升降速时间进行限制，其中上升斜率“Rising slew rate”设置为“20”，下降斜率“Falling slew rate”设置为“-20”，“Sample time mode”参数选择为“continuous”，取消复选框里的“Treat as gain when linearizing”的选择。35l（3）查表模块Look-Up Table（Simulink/Lookup Tables/Loo
23、kup Table），该模块输入为给定频率信号，输出为电压信号，实现恒压频比的功能。参数设置如图9-9所示，模块参数设置中输入信号变化范围从0 Hz-50Hz，输出电压变化范围从50V-220V，其中电压频率比值为3.4。36l（4）三相对称交流信号模块由函数模块Fcn生成（Simulink/User-Defined Functions/Fcn），可在该模块中写入函数表达式得到交流正弦波信号。其中生成A相交流信号的Fcn模块参数设置如图9-10所示，其中函数表达式中的u(1)、u(2)和u(3)分别指由查表模块得到的电压信号、给定的频率信号和由时钟Clock模块得到的时间信号，这三路信号首先经
24、过Mux（Simulink/Commonly Used Blocks/Mux）模块进行合并，然后分别做为产生每相交流正弦信号Fcn模块的输入，其中Mux模块参数设置为“3”。37lA相交流信号的Fcn模块函数表达式中把正弦电压值与220相比是为了把该电压信号转化为0-1之间的数值，用来做为PWM脉冲触发器的输入正弦电压信号，B相交流信号的Fcn模块函数表达式为u(1)*sin(u(2)*6.28*u(3)+4*3.14/3)/220，与A相初始相位相差240度，C相交流信号的函数表达式为u(1)*sin(u(2)*6.28*u(3)+2*3.14/3)/220，表示为A相初始相位相差120度。
25、3839l 仿真模型中算法选择为ode23tb，仿真时间设置为5.0s，异步电动机负载转矩设置为10Nm。仿真模型中接入示波器模块可以实时观察仿真结果，同时采用simout模块可以将仿真数据存入到工作空间中，便于后续对仿真结果的处理。3.系统仿真参数设置40l 可以通过示波器模块观察仿真结果或者通过“plot”语句得到仿真结果曲线。得到电机转速的仿真结果曲线图，其他电机电流和电磁转矩的曲线图都可以用类似语句得到。最后得到的仿真结果如图9-11所示。9.2.3 仿真结果分析4142l 从仿真结果可以看出，给定频率为30Hz，电机极对数为2对极，电机转速最终稳定值接近900r/min，电磁转矩脉动
26、较大，转矩平均值等于设定的负载转矩10Nm，转速稳定后，电流波形接近正弦波，有一定畸变程度。439.3 转速闭环转差频率控制的转速闭环转差频率控制的 变压变频调速系统变压变频调速系统l 基于异步电机稳态数学模型，采用转速闭环转差频率控制策略的变压变频调速系统可以使得电机的静、动态性能有所提高。本节主要介绍转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统的仿真。44l 异步电动机转速闭环转差频率控制调速系统的原理图如图9-12所示，调速系统中主电路由直流电压源、IGBT逆变模块和三相交流异步电动机组成。给定的转速信号与实测的电机转速信号进过差值运算后，由PI控制器进行调节，输出得到转差频率给定信号，该信号
27、再与实测的转速信号相加，最终得到电机定子频率给定信号；然后通过恒压频比模块得到给定电压信号；给定频率和电压信号做为PWM脉冲触发器的输入，PWM发生器输出的脉冲信号经过驱动后，控制IGBT模块中开关器件的导通与关断，控制异步电机三相定子电压值和频率值，实现调频调速的目的。9.3.1 基本原理4546l 转速开环恒压频比控制的调速系统仿真模型如图9-13所示，包括直流电压源模块、三相IGBT逆变模块、异步电机模块、电机测量模块、电动机负载转矩给定、频率给定模块、PI控制器模块、查表模块、函数模块以及PWM脉冲生成模块等。9.3.2 系统仿真模型与参数设置4748l 仿真模型中主电路由直流电压源、
28、IGBT逆变模块以及异步电机组成。控制电路主要由PWM脉冲生成模块组成，PWM模块的输入信号为对称的三相交流正弦波信号，分别由对应的函数模块Fcn生成，其中交流正弦信号的频率为给定频率信号与实测的电机转速转换为对应的频率信号进过差值运算后，由PI控制器进行调节，输出得到转差频率给定信号，该信号再与实测的频率信号相加，最终得到电机定子频率给定信号，电压幅值信号为查表模块Look-Up Table输出的电压信号。PWM脉冲生成模块输出的驱动信号控制IGBT模块中开关器件的导通与关断，从而改变异步电动机三相定子电压的频率和幅值，达到调速的目的。49l 以下仅介绍仿真模型图9-13中的主电路模块参数的
29、设置及其提取路径，如无特别说明其它模块的参数通常采用默认设置。l（1）在Simulink环境下打开电力系统模块集（SimPowerSystems），将直流电压源模块（SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source）复制到仿真模型图9-13中，直流电压源幅值“Amplitude”设置为540V，其他选项参数默认。1.主电路模型参数设置50l（2）打开通用电桥Universal Bridge（SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge），其中“Number of bridge ar
30、ms”选择为“3”，电力电子器件“Power Electronics device”选择为“IGBT/Diodes”，其他选项参数默认。l（3）异步电机模块和电机测量模块参数设置分别与9.1节中参数设置相同。51l（1）打开PWM脉冲生成模块Discrete PWM Generator（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PWM Generator），其中参数设置与9.2节中相同。l（2）打开查表模块Look-Up Table（Simulink/Lookup Tables/Lookup Table），其
31、中参数设置与9.2节中相同。2.控制电路模型参数设置52l（3）打开PI控制器模块Discrete PI Controller（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PI Controller），其中比例系数“Proportional gain”设置为“10”，积分系数“Integral gain”设置为“2”，输出上下限“Output limits”分别设置为“3”和“-3”，其他参数采用默认设置。53l 仿真模型中算法选择为ode23tb，仿真时间设置为5.0s，异步电动机负载转矩设置为15Nm，给定
32、转速对应的频率信号为40Hz。仿真模型中接入示波器模块可以实时观察仿真结果，同时采用simout模块可以将仿真数据存入到工作空间中3.系统仿真参数设置54l 可以通过示波器模块观察仿真结果或者通过“plot”语句得到仿真结果曲线。得到电机转速的仿真结果曲线图和电磁转矩的曲线图，仿真结果如图9-14所示。9.3.3 仿真结果分析5556l 从仿真结果可以看出，给定频率为40Hz，由于采用了转速闭环转差频率控制的策略，电机转速最终稳定值为1200r/min，但电磁转矩脉动仍然较大，转矩平均值等于设定的负载转矩15Nm。579.4 转速闭环、磁链开环控制的转速闭环、磁链开环控制的 异步电动机矢异步电
33、动机矢 量控制调速系统量控制调速系统l 基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是遇到需要高动态性能的应用场合时，则不能完全达到动态响应的要求。矢量控制策略是基于电机动态数学模型而应用的一种交流电机高性能调速控制方法。本节主要介绍转速闭环、磁链开环控制的异步电动机矢量控制调速系统的仿真。58l 异步电动机转速闭环、磁链开环的矢量控制调速系统的原理图如图9-15所示，调速系统中主电路由直流电源、IGBT逆变模块和三相交流异步电动机组成。给定转速与电机实测转速差值运算后经过PI转速调节器（ASR）得到电机转矩给定信号，由转矩信号和给定磁链信号，结合电机参数可计算得到表
34、示转矩分量的电流给定信号，同时表示磁场分量的电流信号由给定磁链和电机参数计算得到。9.4.1 基本原理59l 两路电流信号经过坐标变换模块得到三相静止坐标系下的三相电流给定信号，三相给定电流信号与电机实测的电流信号差值计算后，通过电流滞环跟踪PWM控制模块得到IGBT逆变器模块的驱动信号。其中坐标变换中需要用到电机转子位置角度信号，该信号由电机磁链值、实测转速值、表示转矩分量的电流信号以及电机参数计算得到。6061l 转速闭环、磁链开环的矢量控制调速系统仿真模型如图9-16所示，包括直流电压源模块、三相IGBT逆变模块、异步电机模块、电机测量模块、电动机负载转矩给定、设定转速给定模块、转速PI
35、调节器模块、iq给定电流计算模块、id给定电流计算模块、实际电机磁链计算模块、电机转子位置角度计算模块、两相给定电流到三相给定电流之间的坐标变换模块、实测三相电流到两相电流之间的坐标变换模块以及电流滞环跟踪PWM控制模块等组成。9.4.2 系统仿真模型与参数设置6263l 仿真模型中主电路由直流电压源、IGBT逆变模块以及异步电机组成，电机测量模块用来对电机定子电流、电机机械角速度和电磁转矩进行测量，同时采用示波器进行显示。控制电路中给定转速信号和实测转速信号经过PI转速调节器后得到给定转矩信号，由转矩信号和实际电机磁链值计算得到iq给定电流信号，id给定电流信号由给定磁链信号计算得到。64l
36、 同时实测的电机三相电流经过三相静止到两相旋转的坐标变换之后得到实际的id和iq电流值，实际的电机磁链值通过实际的id电流信号计算得到，电机转子位置角度值通过实际的iq电流信号、实际的电机磁链值以及实测的电机转速值通过计算得到，该转子位置角度值分别用于坐标变换模块。给定的id和iq电流信号经过两相旋转到三相静止的坐标变换模块后得到给定的三相电流信号，该给定电流信号与实测电机电流信号经过电流滞环跟踪PWM控制模块后得到IGBT逆变模块中开关器件的驱动信号。65l（1）在Simulink环境下打开电力系统模块集（SimPowerSystems），将直流电压源模块（SimPowerSystems/E
37、lectrical Sources/DC Voltage Source）复制到仿真模型图9-13中，直流电压源幅值“Amplitude”设置为540V，其他选项参数默认。l（2）打开通用电桥Universal Bridge（SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge），其中“Number of bridge arms”选择为“3”，电力电子器件“Power Electronics device”选择为“IGBT/Diodes”，其他选项参数默认。1.主电路模型参数设置66l（3）异步电机模块和电机测量模块参数设置分别如图9-17和图9
38、-18所示。67l（1）转速PI调节器模块组成如图9-19所示，其中加减模块Add（Simulink/Math Operations/Add）、积分器模块Integrator模块（Simulink/Commonly Used Blocks/Integrator），仿真模型中比例系数Kp设置为0.12，积分系数Ki设置为1.03。2.控制电路模型参数设置6869l（2）iq给定电流的计算表达式为iq=Te，其中Lr、Lm分别为异步电机转子电感和互感参数，np为电动机极对数，由电机模块参数设置图9-17可知，电机转子电感应等于电机互感和转子漏感之和，Lr=124+3.045=127.045mH，L
39、m=124mH，np=2，将电机参数代入iq给定电流的计算表达式后，可得电流计算模块参数设置如图9-20所示。其中用到了Mux模块和函数Fcn模块，函数表达式中将电机实际磁链值加上0.001是为了在仿真初始阶段防止分母上的实际磁链为0时，会引起仿真出错报警。7071l（3）id给定电流计算模块忽略转子磁链和id电流之间的一阶惯性环节，在稳态时，id=r，模块参数设置如图9-21所示。72l（4）电机磁链计算模块参数设置如图9-22所示，其中电机转子电阻值Rr=0.7402，在该计算模块中需要用到传递函数Transfer Fcn模块（Simulink/Continuous/Transfer Fc
40、n），传递函数模块分母上的参数需要用到电机转子电感和转子电阻。73l（5）电机转子位置角度计算模块如图9-23所示，模块输入的3路信号分别为实际的电机q轴电流iq、实际的电机磁链、实测的电机电角速度信号。其中实际磁链信号也需要加上一个很小的初始值，防止仿真初始阶段出错报警。模块中与iq电流相乘的Gain模块中需要用到电机的互感、转子电阻和转子电感参数值，还需要用到Product模块（Simulink/Commonly Used Blocks/Productor）。7475l（6）两相给定电流到三相给定电流之间的坐标变换模块，该模块设置如图9-24所示，模块输入的3路信号分别为实际的电机q轴给定
41、电流iq、电机d轴给定电流id、计算得到的电机转子位置角度信号teta。dq轴给定电流信号首先经过两相旋转到两相静止坐标系之间的坐标变换，然后再经过两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换，最终得到三相的电流给定信号。其中两相旋转到两相静止坐标系之间的模型图如图9-25所示，两相静止到三相静止坐标系之间的模型图如图9-26所示。在9-25图中需要用到三角函数模块Trigonometric Function（Simulink/Math Operations/Trigonometric Function），76l在模块参数设置中分别选择正弦函数和余弦函数，图9-26中Gain模块中参数设置数值如图中对
42、应模块下表达式所示。7778l（7）实测三相电流到两相电流之间的坐标变换模块，该模块设置如图9-27所示，模块输入的4路信号分别为实际的电机实测三相电流和计算得到的电机转子位置角度信号teta。实测三相电流首先经过三相静止到两相静止坐标系之间的坐标变换，然后再经过两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，最终得到旋转坐标系下的两相电流给定信号id和iq。其中三相静止到两相静止坐标系坐标变换模型图如图9-28所示，两相静止到两相旋转坐标系之间的模型图如图9-29所示。79808182l（8）电流滞环跟踪PWM控制模块如图9-30所示，三相给定电流信号和电机实际电流信号经过比较，得到误差值后，经过Re
43、lay模块及数据信号转换模块得到IGBT逆变模块的驱动信号。其中主要包括Sum模块、Relay模块和Data Type Conversion模块等。83lSum模块用来实现给定电流和实际电流之间差值的计算（Simulink/Math Operations/Add），然后再Add模块参数对话框中把信号的相互作用改写成“+-”。lRelay是指具有继电器性质的模块（Simulink/Discontinuities/Relay），打开Relay模块，其中“Switch on point”设置为“1”，“Switch off point”设置为“-1”，“Output when on”设置为“1”，“
44、Output when off”设置为“0”，其他选项参数默认。Relay模块的输出经过数据转换模块Data Type Conversition（Simulink/Signal Attributes/Data Type Conversition）84l得到IGBT逆变模块一相上桥臂的驱动信号，然后采用逻辑操作模块Logical Operator（Simulink/Logic and Bit Operations/Logical Operator）对其进行取反，得到下桥臂的驱动信号。85l（9）给定转速和给定负载转矩模块需用到阶跃给定模块Step（Simulink/Sources/Step）。打
45、开Step模块，做为给定转速模块，其中阶跃时间“Step time”设置为“3”，初始值“Initial value”设置为“200”，最终值“Final value”设置为“500”，其他选项参数默认。给定转矩模块参数设置中，阶跃时间“Step time”设置为“4”，初始值“Initial value”设置为“10”，最终值“Final value”设置为“20”，其他选项参数默认。86l 仿真模型中算法选择为固定步长中的ode5，固定步长采样设置为0.00001仿真时间设置为8.0s，电机转子磁链给定值为0.96Wb。仿真模型中接入示波器模块可以实时观察仿真结果，同时采用simout模块
46、可以将仿真数据存入到工作空间中，便于后续对仿真结果的处理。3.系统仿真参数设置87l 可以通过示波器模块观察仿真结果或者通过“plot”语句得到仿真结果曲线。得到电机转速的仿真结果曲线图，其他电机电流和电磁转矩的曲线图都可以用类似语句得到。最后得到的仿真结果如图9-31所示。9.4.3 仿真结果分析8889l 从仿真结果可以看出，电机转速在相应时刻稳定在给定转速模块中设置的200r/min和500r/min，在第4s时，由于电机给定负载转矩突加为20Nm，因此转速在这一时刻有降低的过程，随后经过矢量控制系统的调节，恢复稳定在给定转速500r/min。由电磁转矩曲线仿真结果可知，电机起动时电磁转
47、矩大于给定的负载转矩10Nm，用来实现电机的加速起动过程，当电机转速稳定在给定转速200r/min时，电磁转矩基本稳定在10Nm，等于给定的负载转矩，在第3s时，由于给定转速变为500r/min。90l 因此电磁转矩瞬间变大，用来实现电机的加速过程，当转速稳定为500r/min时，电磁转矩等于负载转矩10Nm，第4s过后，由于给定负载转矩突加为20Nm，因此转速稳定后电磁转矩基本等于给定的负载转矩。从电流曲线的仿真结果中可知，电流波形接近正弦波，三相电流波形对称，从而使得电机电磁转矩脉动较小，当电机转速增加时，电流频率增大，当给定负载转矩增大时，对应的电流幅值变大。919.5 异步电动机直接转
48、矩控制异步电动机直接转矩控制 调速系统调速系统l 直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电机调速系统。该控制方法在保证电机定子磁链不变的前提下，在转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，可以获得较高的静、动态性能。本节主要介绍异步电动机直接转矩控制调速系统的仿真。92l 异步电动机直接转矩控制调速系统的原理图如图9-32所示，调速系统中主电路由直流电源、IGBT逆变模块（组成电压型逆变器）和三相交流异步电动机组成。给定转速与电机实测转速差值运算后经过PI转速调节器得到电机转矩给定信号，电机实际转矩值由转矩估算模块计算得到，给定转矩与实际转矩差值运算后做为滞
49、环比较模块的输入，滞环比较模块的输出信号表示控制系统是否需要增加转矩或者减小转矩，其输出信号做为开关表选择模块的一路输入信号。9.5.1 基本原理93l 给定磁链与实际磁链差值运算后做为另一个滞环比较模块的输入，该滞环比较模块的输出信号表示控制系统是否需要增加磁链值或者减小磁链值，其输出信号做为开关表选择模块的另一路输入信号，同时开关表选择模块的输入信号中还需要知道磁链所在的扇区信号，该信号由扇区判断模块计算得到。电机磁链估算模块的输入信号为两相静止坐标系下的定子电压和电流信号，两相电流信号可以通过采集电机三相定子电流信号经过坐标变换模块得到，两相电压信号可以通过开关表的输出开关状态和直流母线
50、电压值计算得到，或者也可以通过采集三相电压信号经过坐标变换模块实现。94l 开关表选择模块的输出为IGBT逆变器模块的驱动信号，控制逆变器模块中开关器件的导通与关断。直接转矩控制系统中在保持电机定子磁链为固定值的前提下，直接对电机的电磁转矩大小进行控制，实现电机在静态和动态过程中的调速控制。9596l 直接转矩控制调速系统仿真模型如图9-33所示，包括直流电压源模块、三相IGBT逆变模块、三相电压-电流测量模块、异步电机模块、电机测量模块、电动机负载转矩给定、电流和电压坐标变换计算模块、磁链和转矩计算模块、给定磁链和实际磁链滞环比较模块、磁链角度计算模块、磁链所在扇区判断模块、给定转矩和实际转
