基于matlab/simulink的异步电动机双闭环控制仿真

孙惠娟

摘 要：调压调速是电动机双闭环控制的本质，这种调速方法可实现电动机起动时磁链上升过程更加平滑稳定，其反馈控制可提高系统的抗干扰性能及定位精度。文章对异步电动机的调速系统进行了研究，使用MATLAB/SIMULINK工具分别对双闭环调速系统进行建模和仿真。仿真结果表明双闭环调速系统具有良好的动态、静态性能，电机起动过程平稳、动态响应效果好，另外，文章中的一些仿真模块修改后也同样可以用于其它控制系统中，方便、灵活，可移植性较强。

关键词：异步电动机；simulink；双闭环控制

中图分类号：TM343 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0007-02

引言

MATLAB是美国Math Works公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的系统仿真和平台。MATLAB的推出得到了各个领域的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础[1-3]。其中Simulink工具箱，不同于其他软件，它具有多种特性，如高度模块化：各个模块具有丰富的功能；可视化：用户能够通过软件直接看到所需控制系统。可封装：可自行设置各种参数。用户只需从模块库中选择合适的模块，并组合在一起即可实现系统的仿真，简单易操作[4]。本文主要简单介绍了如何利用Simulink工具箱来建立异步电动机的双闭环仿真模型的方法和步骤，并对控制系统的动静态特性进行了仿真和分析。

1 双闭环控制系统的基本原理

转矩内环的转速控制以及矢量控制的电气原理如图1所示，其中，电流滞环控制型逆变器是电路的主要控制方式。对于控制电路，矩阵控制的关键在于速度调节器对转矩的控制，速度环的输出前加了转矩内环，与此同时转矩会产生一个反馈信号及时反馈给转速调节器。电机的定子的控制主要是通过对電路中磁链调节器的控制输出，并对电流和磁链分别施加了控制环节。磁链调节器和转矩调节器的输出分别是定子电流的转矩分量ist*和励磁分量ism*。其中ist*和ism*在经过2r/3s变换后可得到三相定子电流的给定值isA*、isB*、isC*，同时通过电流滞环控制PWM逆变器来控制电机定子的三相电流。

2 建模及仿真

2.1 模型的建立

（1）MATLAB软件启动后，在主窗口界面中点击按钮 ，即可打开Simulink Library Browser窗口。在打开的窗口中点击 按钮，即进入仿真界面。

（2）在Simulink仿真界面左侧的模块库中选择相应的工具箱，在打开的工具箱中将所需的工具元件拖拉到右侧的编辑界面中。另外，相同的工具元件还可以进行复制和粘贴。

（3）根据需要对各个元件进行参数设置。

（4）最后将各个元件按照逻辑关系用连线连接起来，即可完成整个控制系统模型的建立。

图2所示为异步电动机双闭环矢量控制的仿真模型图，从图中可以看出，整个主电路主要由直流电源、逆变器、电机和电机测量模块组成。电动机对于有输出上限的转速调节器、磁链调节器以及转矩调节器都需要用PI调节器来调节，三个调节器是矢量控制的关键，对于旋转磁场所产生的磁链是呈螺旋线上升的，函数的运算需要转矩转换，dq0_to_abc模块用于2r/3s的坐标变换。

2.2 仿真及波形分析

在仿真计算之前需对控制系统模型进行参数设定。如一般将仿真计算的起始时间设定在1s以内，仿真算法选择ode23tb或其他。设定完毕后，在Simulink编辑窗口上方点击开始仿真按钮 ，即开始动态仿真过程。在Simulation工具箱中还开发有电压或电流测量工具，可对需要观测的参数进行记录和显示，记录的结果既可在Scope示波器中进行显示还可以数组的形式保存到Matlab软件工作区进行计算分析。其中电机相关的参数：逆变器直流电源设定为510V，定子绕组自感设定为0.071mH，转子绕组自感设定为0.071mH，漏磁系数设定为0.056，转子时间常数设定为0.087，转速给定值设定为1400，磁链给定值设定为1.5，电动机在空载起动，要求在0.6s时加载60 N*m。各调节器的参数设定如表1所示。

由图3-图5可以看出，在转速的矢量控制下波形图呈平稳上升趋势，在加载后则下降一定时间但不久后又恢复平稳状态。电动机的转速在启动0.35s后即达到其额定转速，在加载的0.6s时间内，其额定速度有一定的波动随后又达到平稳，此时系统的电流调节器和转矩调节器的监控数据也有相应的变化。在电动机的起动过程中，电机的PI调节器都带有限幅的转矩调节器和磁链调节器，当两个调节器输出限幅达到最大值，定子励磁分量不变，电流转矩也不发生变化，因此此时电动机实现了恒流启动。电动机在起动的初期，可建立相对比较平稳的磁场，且磁链呈螺旋上升趋势，而电动机的转矩则逐渐增大一定的时间。从图6可以看出，电动机在起动运行时，系统的转矩相应较大。

3 结束语

本文首先对Matlab/Simulink工具箱进行了简单介绍，然后建立了异步电动机双闭环控制系统模型并对模型进行了仿真，仿真结果表明双闭环调速系统具有良好的动态、静态性能，电机起动过程平稳、动态响应效果好。其中的一些仿真模块也可用于其它控制策略的变频调速系统中。

参考文献：

[1]蔡善乐，袁忠于.在MATLAB/SIMULINK环境中的建模与仿真[J].陕西工学院学报，2004，20（4）：49-53.

[2]王娜，刘志强，魏学森.基于MATLAB/SIMULINKR的双馈调速系统的建模与仿真[J].天津理工学院学报，2002，18（4）：77-81.

[3]张红斌.基于SimPowerSystems的三相异步电动机的仿真分析[J].科技通报，2013，29（4）：183-185.

[4]贾建强，韩如成，左龙.基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真[J].电机与控制学报，2000，4（2）：91-93.endprint