ＮＱ．４ 陕西科技大学学报 Ａｕｇ．２０１１ Ｖｏ１．２９ ＪＯＵＲＮＡｌ ＯＦ ＳＨＡＡＮＸＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ８Ｌ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ・６７・ 文章编号：１０００—５８１１（２０１１）０４—００６７—０５ 基于ＳＶＰＷＭ的异步电动机矢量控制系统仿真 段 峻 （陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西咸阳 ７１２０００） 摘 要：在分析了交流异步电机数学模型的基础上，提出了交流异步电机控制系统仿真建模的 新方法，建立了基于ｓＶＰＷＭ的异步电机矢量控制系统模型，并在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中进行 了仿真．该模型结构相对简单，参数调整方便有效．仿真结果表明，系统的转矩脉动降低，电流 畸变减小，具有良好的静、动态性能，充分证明了该模型的可行性与有效性． 关键词：交流调速系统；矢量控制；ＳＶＰＷＭ；仿真 中图法分类号：ＴＭ３４３ 文献标识码：Ａ ０ 引 言 交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静动态性能上与直流传动相媲美的问题．矢量控制技 术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法实现了对交流电动机转速和磁链控制的 完全解耦，目前交流调速系统的应用越来越广泛口］．交流电机有比较确定的数学模型，因其结构简单、可靠 性高、性能优良、输出转矩大等特点，交流异步电机应用广泛，且随着交流异步电机应用领域的不断拓宽， 对电机控制系统的设计要求也越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周 期短等要求，为此建立有效的交流异步电机控制系统的仿真模型已成为电机控制算法设计人员迫切需要 解决的关键问题．目前，ＳＰｗＭ和电流滞环调制器已被广泛应用于矢量控制系统中，但利用率低、脉动大 等问题一直没有得到很好的解决． 本文在分析交流异步电机数学模型的基础上，借助于Ｍａｔｌａｂ强大的仿真建模能力，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中 内含的功能元件，提出了一种基于ＳＶＰＷＭ的建立异步电机矢量控制系统仿真模型的新方法口］，该方法 简捷、效果理想．仿真结果证明了这种新型建模方法的快速性和有效性． １交流异步电动机模型 三相交流异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统．为了便于分析，假定：（１）三相绕组对 称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布；（２）忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的；（３）忽 略铁损，不计涡流和磁滞损耗；（４）不考虑频率和温度变化对绕组的影响．则三相定子的电压方程可表示 为： ｆＵＡ—ｒ１ ｉＡ＋ＰＣＡ 【，Ｂ＝＝＝ｒｌｉＢ＋ＰＣＢ （１） ＩＵｃ—ｒ１ｉｃ＋ＰＣｃ 式中：Ｕ 、【， 、Ｕｃ、为定子三相电压；ｉＡ、ｉ 、ｉｃ为定子三相电流；ＣＡ、如、Ｃ为定子三相绕组磁链 为定 子各相绕组电阻；Ｐ为微分算子，Ｐ—ｄ／ｄｔ． ＊收稿日期：２０１１一Ｏ４—１３ 作者简介：段峻（１９７６一），男，陕西省汉中市人，讲师，硕士，研究方向：电气传动控制 ・６８・ 陕西科技大学学报 第２９卷 三相转子的电压方程为： ｆｖ。一ｒ２ｉ －ｔ－ＰＣ Ｕｂ—ｒ２ｉ６－／－ＰＣ６ （２） 【Ｕ 一ｒ２ｉ ＋Ｐ 式中： 、 、己， 为转子三相电压；ｉ 、ｉ 、ｉ 为转子三相电流；ｏ、 、 为转子三相绕组磁链；ｒ 为转子 各相绕组电阻． 磁链方程为： ＬＡＢ Ｌ＾ｃ Ｌ Ｌｍ Ｌ Ｌ船 Ｌ Ｌ＆ Ｌ西 Ｌ＆ 一 ＬｃＢ Ｌ 一 Ｌ Ｌｏ Ｌ＆ Ｍ 肌 （３） Ｌ口Ｂ 聃 Ｌ４ｃ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ６Ｂ Ｌ６ｃ Ｌ Ｌ帖 Ｌ Ｌ田 Ｌ Ｌ Ｌ∞ Ｌ 其中Ｌ ｆ为绕组间互感（ ，．『一Ａ，Ｂ，Ｃ，ａ，ｂ，ｆ）． 电磁转矩方程为： 一专 ） 式中： 为电机极对数； 为角位移． 运动方程为： —Ｔｌ一 （５） ｎ 式中：Ｔ 为电磁转矩；Ｔ 为负载转矩； 为电机机械角速度；．，为转动惯量． ２基于ＳＶＰＷＭ的异步电动机矢量控制系统 矢量控制的思想是将电机三相定子电流解耦成空间相位相差９０。的转矩电流和励磁电流并分别进行 控制．在转子磁场定向下，异步电动机矢量控制系统可以被分解为转速和磁场两个的子系统． 根据异步电动机矢量控制系统原理，控制系统一般采用双闭环控制方案，即转速环、电流环．这里，电 流环和转速环采用ＰＩ控制．外环的ＰＩ参数很重要，主要是由于外环决定系统性能，噪声等因素给内环带 来的扰动也可由外环加以抑制或弥补．为提高系统的转矩性能，系统利用电压空间矢量确定逆变器的开关 状态．异步电机的转矩电流ｉ 、励磁电流ｉ 两个电流与给定电流比较后，经过ＰＩ控制器调节和２／３变换 生成三相电压，即为矢量运算器的输入量．矢量运算后生成控制逆变器开关状态的触发脉冲．根据模块化 建模的思想，将控制系统分割为各个功能的子模块，其中主要包括交流异步电机本体模块、矢量控制 模块、帕克变换模块、坐标变换模块、电流滞环控制模块、速度控制模块、转矩计算模块和电压逆变模块．通 过这些功能模块的有机整合，就可在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建出交流异步电机控制系统的仿真模型，并实 现双闭环的控制算法． ２．１ 坐标变换模块 从三相静止／二相静止（Ｃ３Ｓ／２Ｓ）变换的数学模型如下： １ ２ ２ 其仿真结构如图１所示． 而从二相静止／ＭＴ坐标系（Ｃ２Ｓ／２ｒ）变换的数学模型如下： 第４期 段 峻：基于ＳＶＰＷＭ的异步电动机矢量控制系统仿真 ・ ６９ ・ ｓｉｎＯ、 、 ｃ。ｓ Ｊ Ｉ“∞Ｊ 其仿真结构如图２所示． 塔 图１ ａｂｃ／ｄｑ模块结构框图 图２ ｄｑ／ａｂ模块结构框图 ２．２ ＳＶＰＷＭ模块 常规的ＳＰＷＭ不能充分利用馈电给逆变器的直流电压，调节过程中依然会有某些高次谐波分量，从 而引起电机发热、转矩脉动和系统振荡等．目前电压矢量脉宽调制技术（ＳＶＰＷＭ）以其物理概念清晰、算 法简单、易于实现的特点，在中小功率调速系统中得到了广泛的应用嘲，其仿真结构图如图３所示． 图３ ＳＶＰＷＭ模块结构框图 ２．３速度控制模块 速度控制模块的结构较为简单，如图４所示，单输入：参 考转速和实际转速的差值，单输出：参考电磁转矩Ｔｅ．其中， Ｋ。为ＰＩ控制器中Ｐ（比例）的参数，Ｋ 为ＰＩ控制器中Ｉ（积 图４速度模块结构框图 分）的参数，Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ饱和限幅模块可将输出的参考电磁转 矩的幅值限定在要求范围内． ２．４转子磁链观测模块 转子磁链观测器的原理：反馈回的定子电流经过三相／两相变换成坐标系Ｏｔ、 轴系上的两相电流ｉ 、 ｉｍ，再经过Ｄ、Ｑ坐标系变换成定子电路在Ｄ、Ｑ轴系的两相电流ｉｄ 、ｉ ・，由以下公式可得到转子磁链： 一 吴 ，由上式可得 一 ，式中Ｔ，一 为转子励磁时间常数．又因为 一一 Ｌａ ｚ． ，ｃｕ 一 Ｒ ｒｚ． 所以 一一・Ｌ ｍ ｉ￣ｑ ，，而０．）：ＯＪ１＋叫 ，转子磁链的相位角是定子角频率的积分，即 一ｊ． 实践证 ・７０・ 陕西科技大学学报 第２９卷 明这种磁链观测器更适合微机实时仿真运算，且容易收敛，也易于实现，其仿真结构如图５所示． Ｗｓ ３仿真结果 Ｉ ！： 卜＿＿ Ｃ０ｎｓｔａｎｔ 卒 ７ １ 珊姗瑚瑚 瑚∞０娜 如 如０ ０ Ｏ Ｏ Ｄ ｖ ｄｅ Ｔｅｔａ ④ 一 本文在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中进行仿真，控制系统 仿真模型如图６所示，主要包括电动机模块、坐标变 和电流控制器）以及一些输入模块、ＳＶＰＷＭ、计算模 ０．１５５７ｓ＋１ 一Ｐｈｉｒ换模块（２／３，３／２变换等）、控制器模块（速度控制器 块、示波器模块和限幅模块等．异步电动机仿真模型 的输人为限幅模块输出的三相交流电压，其输出为电 图５ 转子磁链观测模块结构框图 动机的转子角速度、三相电流、电磁转矩等 ｌ５］． ０ ∞ ∞ Ｏ Ｏ图６异步电动机矢量控制系统的仿真平台 电机参数如下：额定功率５０ ＨＰ，额定电压３ ８００ Ｖ，额定频 率５０ Ｈｚ，定子电阻Ｒ 一０．０８７ Ｑ，转子电阻Ｒ ＝＝＝０．２２８ Ｑ，定子自 感Ｌ 一３３．９ｅ一３ Ｈ，转子自感Ｌ ：：＝３３．９ｅ一３ Ｈ，定转子互感Ｌ 一 ３４．７ｅ一３ Ｈ，转动惯量Ｊ一０．２０ ｋｇ・ｍ ，给定速度（￡Ｊ一３００ ｒａｄ／ｓ， 初始磁链为 一０．１，并在 一０．２ Ｓ时加负载转矩，负载转矩为Ｔ 一１００ Ｎ・ｍ，ｔ一０．３ Ｓ时取消负载．在此条件下，仿真了系统的 动、静态性能，系统速度上升到稳定状态只需０．１８ Ｓ．系统空载启 图７加减负栽下的速度响应曲线 动，待进入稳定状态后，在０．２ Ｓ突加负载，在０．３ Ｓ取消负载，如 图７所示，可见系统响应速度快，速度波动小，稳态精度高，几乎没 有超调，转矩变化和电流响应曲线分别如图８、９所示． 图８ 加减负载下的电磁转矩响应曲线 图９ 加减负载下的电流响应曲线 可以看出，基于ＳＶＰＷＭ的异步电动机矢量控制系统的转矩脉动降低，电流畸变减小，体现了ＳＶＰ— ｗＭ的优势，证明了本文所提出的交流异步电机仿真建模方法的合理性和有效性． 第４期 段 峻：基于ＳＶＰＷＭ的异步电动机矢量控制系统仿真 ・ ７１ ・ ４ 结束语 本文采用ＳＶＰＷＭ取代常规的ＳＰＷＭ和电流滞环，并在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中对基于ＳＶＰＷＭ的异 步电动机矢量控制系统进行了仿真．仿真结果表明，系统动态性能更好，响应时间更快，转矩的脉动降低， 电流的畸变减小，证明了将ＳＶＰＷＭ运用到矢量控制系统中的可行性和有效性．采用该交流异步电机仿 真模型，可以十分便捷地实现和验证控制算法，且只需对部分功能模块进行替换或修改就可实现控制策略 的改换或改进，不仅可以节省控制方案的设计周期，快速验证所设计的控制算法，而且可以充分利用计算 机仿真的优越性，通过修改系统参变量或人为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动、静 态性能，或者模拟相同的实验条件，比较不同控制策略的优劣，为分析和设计交流异步电机控制系统提供 了有效的手段和工具，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路． 参考文献 Ｅ１］陈伯时．电力拖动自动控制系统一运动控制（第３版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３． Ｅ２］华风雷．基于Ｍａｔ ｌａｂ／Ｓ ｉｍ ｕｌｉｎｋ语言的交流调速系统仿真［Ｊ］．包头钢铁学院学报，１９９８，（１）：８８—９２． ［３］张纯江，漆汉宏．空间矢量ＰＷＭ与正弦ＰＷＭ的比较研究［Ｊ］．信息技术，２０００，（５）：６４—６７． Ｅ４］杨勇，张建峡，许德志．基于ＭＡＴＩ ＡＢ／ＳＩＭＵＩ ＩＮＫ交流调速系统的仿真研究ＥＪ］．贵州工业大学学报，２００５，（４）：３７—４１ Ｅ５３毛晓英，罗文广．基于ＭＡＴＩ ＡＢ／ＳＩＭＵＩ ＩＮＫ的异步电动机矢量控制调速系统仿真ＥＪ］．东北电力技术，２００４，（１）：１４—１６ ＳＩＭＵＬＡＴＩｏＮ ｏＦ ＡＳＹＮＣＨＲｏＮｏＵＳ ＭｏＴｏＲ ＳＶＰＷＭ ＶＥＣＴｏＲ ＣｏＮＴＲｏＬ ＳＹＳＴＥＭ ＤＵＡＮ Ｊｕｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｒ— ｒｉｖｅｓ ａｔ ｔｈｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ＳＶＰＷＭ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１ ｍｏｄｅ１．ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｕｓｉｎｇ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｔｕｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏｖｅｓ ｓｙｓｔｅｍ Ｓ ｔｏｒｑｕｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｆａｌｌｉｎｇ，ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒ｛ｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｏ— ｍｏｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１ ｍｏｄｅｌ ｐｏｓｓｅｓｓ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＣ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＳＶＰＷＭ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 省教育厅考察我校２０１１年产业化培育项目 ６月１４日，省教育厅科学技术处甘世平、副杨晓研一行，来校现场考察２０１１年我校在省教 育厅承担的四项产业化培育项目，即《应用电弧离子镀规模化生产高性能钢领技术的开发》、《有机硅乳液 型消泡剂应用技术研究》、《倍半硅氧烷杂化水性氟碳涂料的研究与产品试制》、《浓缩果汁厂在线回收制备 苹果多酚工艺研究及中试》．我校科技处负责人陪同参加了现场考察． 在认真听取项目负责人的汇报后，甘世平一行对四个项目所依托的重点实验室进行了现场考察，并对 我校２０１０年立项的产业化培育项目进行了中期进展情况检查．最后，甘世平充分肯定了我校２０１０年产业 化项目的研究进展情况，指出高校的科研工作必须要与企业相结合，努力挖掘项目的产业化潜能，并转化 为现实的经济效益．
