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：

rAψRismACMRusm反旋转变换usSVPWMM~2r/2sASRistACTRustus控制ismis旋转变换2s/2riA3/2变换转子磁链istisisiBr计算isFBS

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PN3kW，额定电压UN380V，额定电流

IN6.9A，额定转速nN1400rmin，额定频率fN50Hz，定子绕组Y联接。由实

验测得定子电阻Rs1.85，转子电阻Rr2.658，定子漏感Lls0.0102H，电感

H，定、转子互感Ls0.294H，转子漏感Llr0.006H，转子自感Lr0.28kgm2，初始转Lm0.2838H，转子参数已折合到定子侧，系统的转动惯量J0.1284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nN1400rmin，额定频率fN50Hz，则电动机极对数np2，额定转速m2nN146.6(rads)；npm293.2(rads)； 60设三相正弦对称电流

iAImsin(2fNt)9.758sin(100t)、

22iBImsin(2fNt)9.758sin(100t)、

3322iCImsin(2fNt)9.758sin(100t)，

3311Imsin(2fNt)1is2211.951sin(100t)22 )Imsin(2fNti333311.951cos(100t)s022Imsin(2fNt2)3L0.28转子电磁时间常数 Trr0.109(s)，

Rr2.658电动机稳定运行在额定工作状态时

rLmisTrrrLmisTrrLmisTrLmisr12Tr2，得

r0.283811.951sin(100t)293.20.1090.2838(11.951)cos(100t)1293.220.10920.0033sin(100t)0.1060cos(100t)LiTrLmisms12Tr20.2838(11.951)cos(100t)293.20.1090.283811.951sin(100t) 1293.220.10920.0033cos(100t)0.1060sin(100t)2r20.0033sin2(100t)0.0006996sin(100t)cos(100t)0.10602cos2(100t)22r20.0033cos2(100t)0.0006996sin(100t)cos(100t)0.1060sin2(100t) 2rr2r20.00330.106020.1061

r0.0033cos(100t)0.1060sin(100t)sin r0.10610.0311cos(100t)0.9991sin(100t)0.0033sin(100t)0.1060cos(100t)cosrr0.1061

0.0311sin(100t)0.9991cos(100t)ismcosisinstsiniscos11.951isincosssinsin(100t)cos(100t)cos0.03110.371711.95111.9402(A)0.9991

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。

LssX22RsL2RLLrrm其中X，=1m，令LsL，XR，TlLR。 2LrLsLr逆变器 i_CRKvTss11Tois11RTls1i异步电机 电流滤波 图2 电流环传递函数框图 图中电流调节器ACR采用PI调节器，其传递函数可写成

WACR电流环的开环传递函数为

Kp(cs1)cs

WopcKp(cs1)csKv1R

Tss1(Tls1)(Tois1)由工程设计法P80，知Ts和Toi一般比Tl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TiTsToi。所以选择cTl，便校正成典型I型系统，因此

WopcKpKvKC，其中：KC； Rcs(Tis1)s(Tis1)RcKpKv一般情况下，希望超调量i5%，可选择0.707，KCTi0.5，则KC1。2Ti式中Kv为逆变器放大倍数KvUdc3，Udc（600V）为逆变器直流侧电压；Ts为PWM周

期取0.0001s；

考虑到电磁时间常数TlLR=0.0036sec，电流闭环控制等效为一阶惯性环节

11s1KC1Ti=Ti0.0005sec，因此选择Toi为电流滤波器时间常数Toi0.0004sec。

2KpRcKC所以电流环的PI参数：Kp，cTlLR，Ki。代入参数得

Kvc1，其时间常数取Ti=0.001sec，电流环按典型二型系统设计，

Tis1L0.016，R4.4，KC1250，Kp0.057，c=0.0036，Ki15.8。

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

11s1KCTL1。

Tis1电流环等效 r*_ASRi*st1Tis1istnpLmLrTe_npJs1Tons1图3 速度环传递函数框图 转速调节器ASR采用PI调节器，其传递函数可写成

转速滤波WASR转速环开环传递函数为

Kn(ns1)

nsWopnnpKnn2Kn(ns1)11npLmpLmr(ns1)r

nsTis1Tons1LrJsnLrJs2(Tis1)Tons1其中Ti0.001s，Ton为转速环滤波器时间常数， Ton0.009s。和电流环中一样，把时间常数为Ti和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中TnTiTon0.01s。

再令转速环开环增益KNKnn2rpLmnLrJWopn，则

KN(ns1)

s2(Tns1)按跟随和抗扰性能都较好的原则，取中频宽h=5，则

nhTn50.010.05s，KNKnh15122 s1200s22222hTn250.01KNnLrJ12000.050.280.128418.537 22npLmr20.28380.1061nKNn12000.0560s1

3、AψR（磁链调节器）按典型I型系统设计 电流环等效 r*_R*ism1Tis11Tos1ismLmTrs1r图4 磁链环传递函数框图 磁链调节器AψR采用PI调节器，其传递函数可写成 磁链滤波 WAR磁链环开环传递函数为

K(s1)

sLm

WopK(s1)s(Tis1)(Trs1)Tos1其中转子电磁时间常数 TrLr0.280.109(s)，电流闭环控制等效惯性时间常Rr2.658数Ti0.001sec，To为转子磁链环滤波器时间常数, 取To0.004s。和电流环中一样，把时间常数为Ti和To的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T的惯性环节，其中TTiTo0.005s，（磁链环按典型二型系统设计，磁链闭环控制等效时间常数T。选择Tr0.109s，便校正成典型I型系统，因此 s）2T0.01Wop其中：KKLms(Ts1)K，

s(Ts1)KLm；

在一般情况下，希望超调量i5%，可选择0.707，KT0.5，则

K1100(s1)， 2TKKLmKKTr1000.10938.41，Tr0.109s，Ki352.36

Lm0.2838

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，离散化Tons10.0003s10.13670.1367z10.0170.017z1后为；速度环滤波器离散化后为；磁链环滤波

10.7265z110.9691z10.01230.0123z1器离散化后为。滤波器路径为：Simulink库->Discrete-> Discrete Filter. 110.9753z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。