第9章MATLAB在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[143頁]課件

1、1本章內(nèi)容 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng) ；轉(zhuǎn)速開環(huán)的交流異步電動機(jī)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) ； 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) ；轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng) ；異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng) ；轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈閉環(huán)控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng) 。第9章 MATLAB在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用2 交流調(diào)速系統(tǒng)是以交流電動機(jī)做為電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并通過對交流電機(jī)的控制產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在MATLAB中，Simulink環(huán)境下的電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems）中包含了常用的電力電子器件模型、電機(jī)模型、整流電路模塊、逆變電路模塊以及相應(yīng)

2、的驅(qū)動模塊，使用這些模塊可以方便地構(gòu)建交流調(diào)速系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。 本章主要介紹交流異步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真模型及其參數(shù)設(shè)置方法，對交流異步電動機(jī)不同控制策略下的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。39.1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng) 變壓調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡單的一種，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一般采用由晶閘管或其他功率開關(guān)元件構(gòu)成的交流調(diào)壓器，來實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的變壓調(diào)速。 常用的交流調(diào)壓器可以使用電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems）中的晶閘管器件模型構(gòu)建仿真電路模型，脈沖控制觸發(fā)模塊通過同步脈沖觸發(fā)器（Synchronized 6-Pulse Generator

3、）來構(gòu)建仿真模型。本節(jié)主要介紹轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流異步電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真。4 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖9-1所示，調(diào)速系統(tǒng)中主電路由三相交流電壓源、3對反并聯(lián)晶閘管和三相交流異步電動機(jī)組成。9.1.1 基本原理 5 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速由測速環(huán)節(jié)得到，經(jīng)過轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)后得到與實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓信號，該電壓信號與給定電壓信號比較得到誤差信號，通過PI控制器計(jì)算得到同步六脈沖產(chǎn)生模塊的導(dǎo)通角信號，產(chǎn)生六路脈沖信號控制主電路中3對反并聯(lián)晶閘管中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，控制異步電機(jī)三相定子電壓值，最終達(dá)到調(diào)速的目的。6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖9-2所示，包括三相交流電壓

4、源模塊、由晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓模塊、異步電機(jī)模塊、電機(jī)測量模塊、電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定、同步六脈沖生成模塊以及PI控制器等。9.1.2 系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)設(shè)置7 仿真模型中主電路由三相交流電壓源、交流調(diào)壓模塊以及異步電機(jī)組成，電機(jī)測量模塊用來對電機(jī)定子電流、電機(jī)機(jī)械角速度和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，同時(shí)采用示波器進(jìn)行顯示。 控制電路主要由同步六脈沖產(chǎn)生模塊和PI控制器組成，給定電壓信號與經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋得到的實(shí)際電壓信號差值計(jì)算后，由PI控制器得到同步六脈沖產(chǎn)生模塊的觸發(fā)導(dǎo)通角信號，同步六脈沖模塊產(chǎn)生的6路脈沖信號作為交流調(diào)壓模塊中晶閘管的觸發(fā)控制信號8 以下僅介紹仿真模型圖9-2中的主電路模塊參數(shù)的設(shè)置

5、及其提取路徑，如無特別說明其它模塊的參數(shù)通常采用默認(rèn)設(shè)置。1 主電路模型參數(shù)設(shè)置 9（1）在Simulink環(huán)境下打開電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems），將交流電壓源模塊（SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage Source）復(fù)制到仿真模型圖9-2中，做為A相交流電壓源，其中交流電壓源峰值“Peak amplitude”設(shè)置為311V，初始相位“Phase”為0度,頻率“Frequency”為50Hz, 其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。 相同路徑下可以復(fù)制得到B相和C相的交流電壓源，其中B相交流電壓源模塊中初始相位設(shè)置為240度，C相交流電壓

6、源模塊中初始相位設(shè)置為120度，其他參數(shù)與A相設(shè)置相同，由此可以得到三相對稱的交流電壓源。10（2）交流調(diào)壓模塊由3對反并聯(lián)晶閘管組成，模塊內(nèi)部搭建模型如圖9-3所示。模型中主要用到晶閘管Thyristor（SimPower System/PowerElectronics/Thyristor）、電氣接口Connection Port（SimPower System/Elements/Connection Port）、Terminator端子，用來封鎖各晶閘管模塊的E端（Simulink/Sinks/Terminator） Demux模塊，用來把一個端口的信號分解為6路脈沖觸發(fā)信號（Simuli

7、nk/ Commonly Used Blocks/Demux），將該模塊參數(shù)設(shè)置為“6”，表明有6路輸出信號、連接模塊Inl（路徑為Simulink/ Commonly Used Blocks/Inl），可將其名稱修改為“g”，表明為脈沖信號。按照圖9-3進(jìn)行連接，其中晶閘管模塊參數(shù)取默認(rèn)值，最后進(jìn)行封裝后可得到交流調(diào)壓模塊。1112（3）打開異步電機(jī)（國際單位）模塊Asynchronous Machine SI Units（SimPower Systems/Machines/Asynchronous Machine SI Units），異步電機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-4所示。在參數(shù)設(shè)置對話框中，

8、Mechanical input指外部輸入模式，分為轉(zhuǎn)矩輸入（Torque Tm）和轉(zhuǎn)速輸入（Speed ）；Rotor type指繞組類型，分為繞線型（Wound）和鼠籠型（Squirrel-cage）兩種；Reference frame是參考坐標(biāo)系列表框，指電機(jī)數(shù)學(xué)建模所采用的坐標(biāo)系，分為靜止坐標(biāo)系（Stationary）、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（Rotor）和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Synchronous）；13額定參數(shù)包括：額定功率（單位：W）、額定線電壓（單位：V）、額定頻率（單位：Hz）；定子繞組參數(shù)有定子電阻Rs（單位：）和定子漏感Lls（單位：H）；轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)有轉(zhuǎn)子電阻Rr（單位：）和轉(zhuǎn)子漏感L

9、lr（單位：H）；電機(jī)繞組互感Lm（單位：H）；轉(zhuǎn)動慣量J（單位：kgm2）、摩擦系數(shù)F（單位：Nms）和電機(jī)極對數(shù)P等。14（4）打開電機(jī)測量模塊Machines Measurement Demux（SimPower Systems/Machines/Machines Measurement Demux），參數(shù)設(shè)置如圖9-5所示。在參數(shù)設(shè)置中，電機(jī)類型選擇為異步電動機(jī)（Asynchronous），表明對異步電機(jī)的輸出信號進(jìn)行測量，其中可測量輸出的信號包括：轉(zhuǎn)子在靜止坐標(biāo)系下的三相電流；轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸電流、磁鏈和電壓；定子在靜止坐標(biāo)系下的三相電流；定子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸電流、磁

10、鏈和電壓；轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度等。仿真建模中，可在對應(yīng)的輸出信號前的復(fù)選框里進(jìn)行選擇，得到模型中可觀察測量的電機(jī)輸出信號。本節(jié)搭建的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中，選擇了定子三相電流、轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度和電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩做為輸出測量信號。1516 以下僅介紹仿真模型圖9-2中的控制電路模塊參數(shù)的設(shè)置及其提取路徑，如無特別說明其它模塊的參數(shù)通常采用默認(rèn)設(shè)置。（1）同步六脈沖生成模塊由6脈沖觸發(fā)器和3個電壓測量模塊組成。打開6脈沖觸發(fā)器Synchronized 6-Pluse Generator（SimPower Systems/Extra Library/Contro

11、l Blocks/Synchronized 6-Pluse Generator），其中同步頻率“Frequency of synchronization voltages”設(shè)置為50Hz，脈沖寬度“Pulse width”設(shè)置為5度，同時(shí)選中“Double pulsing”前的復(fù)選框。2 控制電路模型參數(shù)設(shè)置 17 該觸發(fā)器有5個端口，alpha-deg連接的端口為導(dǎo)通角，Block連接的端口為觸發(fā)器的開關(guān)信號，當(dāng)開關(guān)信號為“0”時(shí)，觸發(fā)器使能，當(dāng)信號為“1”時(shí)，觸發(fā)器封鎖。因此在圖9-2中采用Constant模塊（Simulink/Commonly Used Blocks/Constant）

12、同觸發(fā)器的Block端口連接，同時(shí)把參數(shù)值設(shè)置為“0”，表明觸發(fā)器使能。觸發(fā)器的其他3個端口需要用到三相交流電源的線電壓，所以取電壓測量模塊Voltage Measurement（SimPower Systems/ Measurements /Voltage Measurement）分別得到AB兩相之間的線電壓、BC兩相之間的線電壓以及CA兩相之間的線電壓，按照圖9-2中連接。18（2）PI控制器模塊的輸入為給定電壓信號與經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋得到的實(shí)際電壓信號二者之間的差值，由圖9-2中可知，給定信號采用Constant模塊設(shè)置為“10”實(shí)際電壓信號由電機(jī)機(jī)械角速度信號經(jīng)過兩個Gain（Simul

13、ink/Commonly Used Blocks/Gain）模塊后得到，第一個Gain模塊設(shè)置參數(shù)為0.01，表明為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，第二個Gain模塊參數(shù)設(shè)置為30/3.14，表明為機(jī)械角速度和轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。19 PI控制器的輸出首先經(jīng)過參數(shù)設(shè)置為“9”的Gain模塊后，再與設(shè)置為“90”的一個Constant模塊進(jìn)行差值計(jì)算后得到6脈沖觸發(fā)器的導(dǎo)通角，連接到alpha-deg端口，其中進(jìn)行差值計(jì)算后得到6脈沖觸發(fā)器的導(dǎo)通角，連接到alpha-deg端口，其中進(jìn)行差值計(jì)算時(shí)需要用到Sum模塊（Simulink/Commonly Used Blocks/Sum），將其參數(shù)設(shè)置為“+-”即可。

14、PI控制器模塊Discrete PI Controller（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PI Controller）其中比例系數(shù)“Proportional gain”設(shè)置為2，積分系數(shù)“Integral gain”設(shè)置為0.6，輸出上下限“Output limits”分別設(shè)置為10和-10，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。20 仿真模型中算法選擇為ode23tb，仿真時(shí)間設(shè)置為8.0s，異步電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為20Nm。仿真模型中接入示波器模塊可以實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，同時(shí)采用simout模塊（Simulin

15、k/Sinks/simout）可以將仿真數(shù)據(jù)存入到工作空間中，便于后續(xù)對仿真結(jié)果的處理。后續(xù)仿真結(jié)果畫圖處理時(shí)，需要用到時(shí)間變量和對應(yīng)的采集變量。時(shí)間變量的采集由Clock（Simulink/Sources/Clock）模塊來實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存到工作空間時(shí)需要用到simout模塊，可以給相應(yīng)的變量定義名稱，同時(shí)要把simout模塊參數(shù)中的“Save format”（數(shù)據(jù)保存格式）設(shè)置為“Array”格式，其他參數(shù)為默認(rèn)值。3 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置 21 可以通過示波器模塊觀察仿真結(jié)果或者通過“plot”語句得到仿真結(jié)果曲線。當(dāng)仿真模型運(yùn)行結(jié)束后，在MATLAB的命令窗口中鍵入“plot（t，n）”命令

16、語句，則可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果曲線圖，其他電機(jī)電流、電磁轉(zhuǎn)矩和觸發(fā)器導(dǎo)通角的曲線圖都可以用類似語句得到。最后得到的仿真結(jié)果如圖9-6所示。9.1.3 仿真結(jié)果分析2223 從仿真結(jié)果可以看出，在PI控制器的調(diào)節(jié)作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1000r/min，觸發(fā)導(dǎo)通角大致為72，電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大，轉(zhuǎn)矩平均值等于設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩20Nm，電流波形不是正弦波，畸變程度較大，造成了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動很大。249.2 轉(zhuǎn)速開環(huán)的交流異步電動機(jī)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 對于不需要很高動態(tài)性能的異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂撇呗裕瑏韺?shí)現(xiàn)異步電機(jī)的變壓調(diào)速。常用的逆變器主電路可

17、以使用電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems）中的IGBT器件模型構(gòu)建仿真電路模型，脈沖控制觸發(fā)模塊通過PWM脈沖生成單元（Discrete PWM Generator）來構(gòu)建仿真模型。本節(jié)主要介紹轉(zhuǎn)速開環(huán)交流異步電動機(jī)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真。25 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖9-7所示，調(diào)速系統(tǒng)中主電路由直流電源、IGBT逆變模塊和三相交流異步電動機(jī)組成。設(shè)定的電源頻率首先經(jīng)過斜波函數(shù)進(jìn)行升降速時(shí)間限定，然后通過電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到給定電壓值，最后頻率信號和給定電壓信號做為PWM發(fā)生器模塊的輸入，PWM發(fā)生器輸出的脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動后，控制IGBT模塊中開關(guān)器件的

18、導(dǎo)通與關(guān)斷，控制異步電機(jī)三相定子電壓值和頻率值，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速的目的。9.2.1 基本原理2627 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖9-8所示，包括直流電壓源模塊、三相IGBT逆變模塊、異步電機(jī)模塊、電機(jī)測量模塊、電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定、電源頻率給定模塊、斜率限制模塊、查表模塊、函數(shù)模塊以及PWM脈沖生成模塊等。9.2.2 系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)設(shè)置2829 仿真模型中主電路由直流電源、IGBT逆變模塊以及三相交流異步電動機(jī)組成，電動機(jī)測量模塊用來對電機(jī)定子電流、電機(jī)機(jī)械角速度和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，同時(shí)采用示波器進(jìn)行顯示?？刂齐娐分饕蒔WM脈沖生成模塊組成，PWM模塊的輸入信號為對稱的三相交流

19、正弦波信號，分別由對應(yīng)的函數(shù)模塊Fcn生成，其中交流正弦信號的頻率為電源給定頻率信號，電壓幅值信號為查表模塊Look-Up Table輸出的電壓信號。PWM脈沖生成模塊輸出的驅(qū)動信號控制IGBT模塊中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而改變異步電動機(jī)三相定子電壓的頻率和幅值，達(dá)到調(diào)速的目的。30 以下僅介紹仿真模型圖9-8中的主電路模塊參數(shù)的設(shè)置及其提取路徑，如無特別說明其它模塊的參數(shù)通常采用默認(rèn)設(shè)置。（1）在Simulink環(huán)境下打開電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems），將直流電壓源模塊（SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Sourc

20、e）復(fù)制到仿真模型圖9-8中，直流電壓源幅值“Amplitude”設(shè)置為540V，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。1.主電路模型參數(shù)設(shè)置31（2）打開通用電橋Universal Bridge（SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge），其中“Number of bridge arms”選擇為“3”，電力電子器件“Power Electronics device”選擇為“IGBT/Diodes”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。（3）異步電機(jī)模塊和電機(jī)測量模塊參數(shù)設(shè)置分別與9.1節(jié)中參數(shù)設(shè)置相同。32 以下僅介紹仿真模型圖9-8中的控制電路模塊參數(shù)的設(shè)置及其提取

21、路徑，如無特別說明其它模塊的參數(shù)通常采用默認(rèn)設(shè)置2.控制電路模型參數(shù)設(shè)置33（1）打開PWM脈沖生成模塊Discrete PWM Generator（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PWM Generator），其中脈沖模式“Generator Mode”選擇為“3-arm bridge (6 pulses)”，載波頻率“Carrier frequency”設(shè)置為“1080Hz”，同時(shí)由于采用外接正弦調(diào)制波的方式，所以取消復(fù)選框里的“Internal generation of modulating

22、 signal(s)”的選擇，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。34（2）打開斜率限制模塊Rate Limiter（Simulink/Discontinuities/Rate Limiter），該模塊可做為斜波函數(shù)，對電動機(jī)的升降速時(shí)間進(jìn)行限制，其中上升斜率“Rising slew rate”設(shè)置為“20”，下降斜率“Falling slew rate”設(shè)置為“-20”，“Sample time mode”參數(shù)選擇為“continuous”，取消復(fù)選框里的“Treat as gain when linearizing”的選擇。35（3）查表模塊Look-Up Table（Simulink/Lookup Tab

23、les/Lookup Table），該模塊輸入為給定頻率信號，輸出為電壓信號，實(shí)現(xiàn)恒壓頻比的功能。參數(shù)設(shè)置如圖9-9所示，模塊參數(shù)設(shè)置中輸入信號變化范圍從0 Hz -50Hz，輸出電壓變化范圍從50V-220V，其中電壓頻率比值為3.4。36（4）三相對稱交流信號模塊由函數(shù)模塊Fcn生成（Simulink/User-Defined Functions/Fcn），可在該模塊中寫入函數(shù)表達(dá)式得到交流正弦波信號。其中生成A相交流信號的Fcn模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-10所示，其中函數(shù)表達(dá)式中的u(1)、u(2)和u(3)分別指由查表模塊得到的電壓信號、給定的頻率信號和由時(shí)鐘Clock模塊得到的時(shí)間信號，這

24、三路信號首先經(jīng)過Mux（Simulink/ Commonly Used Blocks/Mux）模塊進(jìn)行合并，然后分別做為產(chǎn)生每相交流正弦信號Fcn模塊的輸入，其中Mux模塊參數(shù)設(shè)置為“3”。37A相交流信號的Fcn模塊函數(shù)表達(dá)式中把正弦電壓值與220相比是為了把該電壓信號轉(zhuǎn)化為0-1之間的數(shù)值，用來做為PWM脈沖觸發(fā)器的輸入正弦電壓信號，B相交流信號的Fcn模塊函數(shù)表達(dá)式為u(1)*sin(u(2)*6.28*u(3)+4*3.14/3)/220，與A相初始相位相差240度，C相交流信號的函數(shù)表達(dá)式為u(1)*sin(u(2)*6.28*u(3)+2*3.14/3)/220，表示為A相初始相位

25、相差120度。3839 仿真模型中算法選擇為ode23tb，仿真時(shí)間設(shè)置為5.0s，異步電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為10Nm。仿真模型中接入示波器模塊可以實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，同時(shí)采用simout模塊可以將仿真數(shù)據(jù)存入到工作空間中，便于后續(xù)對仿真結(jié)果的處理。3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置40 可以通過示波器模塊觀察仿真結(jié)果或者通過“plot”語句得到仿真結(jié)果曲線。得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果曲線圖，其他電機(jī)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的曲線圖都可以用類似語句得到。最后得到的仿真結(jié)果如圖9-11所示。9.2.3 仿真結(jié)果分析4142 從仿真結(jié)果可以看出，給定頻率為30Hz，電機(jī)極對數(shù)為2對極，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定值接近900r/min，電磁

26、轉(zhuǎn)矩脈動較大，轉(zhuǎn)矩平均值等于設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩10Nm，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電流波形接近正弦波，有一定畸變程度。439.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制策略的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以使得電機(jī)的靜、動態(tài)性能有所提高。本節(jié)主要介紹轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真。44 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖9-12所示，調(diào)速系統(tǒng)中主電路由直流電壓源、IGBT逆變模塊和三相交流異步電動機(jī)組成。給定的轉(zhuǎn)速信號與實(shí)測的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)過差值運(yùn)算后，由PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出得到轉(zhuǎn)差頻率給定信號，該信號再與實(shí)測的轉(zhuǎn)速信號相加，最終得到電

27、機(jī)定子頻率給定信號；然后通過恒壓頻比模塊得到給定電壓信號；給定頻率和電壓信號做為PWM脈沖觸發(fā)器的輸入，PWM發(fā)生器輸出的脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動后，控制IGBT模塊中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，控制異步電機(jī)三相定子電壓值和頻率值，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速的目的。9.3.1 基本原理4546 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖9-13所示，包括直流電壓源模塊、三相IGBT逆變模塊、異步電機(jī)模塊、電機(jī)測量模塊、電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定、頻率給定模塊、PI控制器模塊、查表模塊、函數(shù)模塊以及PWM脈沖生成模塊等。9.3.2 系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)設(shè)置4748 仿真模型中主電路由直流電壓源、IGBT逆變模塊以及異步電機(jī)組成。控制

28、電路主要由PWM脈沖生成模塊組成，PWM模塊的輸入信號為對稱的三相交流正弦波信號，分別由對應(yīng)的函數(shù)模塊Fcn生成，其中交流正弦信號的頻率為給定頻率信號與實(shí)測的電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的頻率信號進(jìn)過差值運(yùn)算后，由PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出得到轉(zhuǎn)差頻率給定信號，該信號再與實(shí)測的頻率信號相加，最終得到電機(jī)定子頻率給定信號，電壓幅值信號為查表模塊Look-Up Table輸出的電壓信號。PWM脈沖生成模塊輸出的驅(qū)動信號控制IGBT模塊中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而改變異步電動機(jī)三相定子電壓的頻率和幅值，達(dá)到調(diào)速的目的。49 以下僅介紹仿真模型圖9-13中的主電路模塊參數(shù)的設(shè)置及其提取路徑，如無特別說明其它模塊的

29、參數(shù)通常采用默認(rèn)設(shè)置。（1）在Simulink環(huán)境下打開電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems），將直流電壓源模塊（SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source）復(fù)制到仿真模型圖9-13中，直流電壓源幅值“Amplitude”設(shè)置為540V，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。1.主電路模型參數(shù)設(shè)置50（2）打開通用電橋Universal Bridge（SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge），其中“Number of bridge arms”選擇為“3”，電力電子器件“Power

30、 Electronics device”選擇為“IGBT/Diodes”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。（3）異步電機(jī)模塊和電機(jī)測量模塊參數(shù)設(shè)置分別與9.1節(jié)中參數(shù)設(shè)置相同。51（1）打開PWM脈沖生成模塊Discrete PWM Generator（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PWM Generator），其中參數(shù)設(shè)置與9.2節(jié)中相同。（2）打開查表模塊Look-Up Table（Simulink/Lookup Tables/Lookup Table），其中參數(shù)設(shè)置與9.2節(jié)中相同。2.控制電路模型參數(shù)設(shè)

31、置52（3）打開PI控制器模塊Discrete PI Controller（SimPower Systems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PI Controller），其中比例系數(shù)“Proportional gain”設(shè)置為“10”，積分系數(shù)“Integral gain”設(shè)置為“2”，輸出上下限“Output limits”分別設(shè)置為“3”和“-3”，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。53 仿真模型中算法選擇為ode23tb，仿真時(shí)間設(shè)置為5.0s，異步電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為15Nm，給定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率信號為40Hz。仿真模型中接入示波器模塊

32、可以實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，同時(shí)采用simout模塊可以將仿真數(shù)據(jù)存入到工作空間中3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置54 可以通過示波器模塊觀察仿真結(jié)果或者通過“plot”語句得到仿真結(jié)果曲線。得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果曲線圖和電磁轉(zhuǎn)矩的曲線圖，仿真結(jié)果如圖9-14所示。9.3.3 仿真結(jié)果分析5556 從仿真結(jié)果可以看出，給定頻率為40Hz，由于采用了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的策略，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定值為1200r/min，但電磁轉(zhuǎn)矩脈動仍然較大，轉(zhuǎn)矩平均值等于設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩15Nm。579.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)控制的 異步電動機(jī)矢 量控制調(diào)速系統(tǒng) 基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但

33、是遇到需要高動態(tài)性能的應(yīng)用場合時(shí)，則不能完全達(dá)到動態(tài)響應(yīng)的要求。矢量控制策略是基于電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型而應(yīng)用的一種交流電機(jī)高性能調(diào)速控制方法。本節(jié)主要介紹轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真。58 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖9-15所示，調(diào)速系統(tǒng)中主電路由直流電源、IGBT逆變模塊和三相交流異步電動機(jī)組成。給定轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)測轉(zhuǎn)速差值運(yùn)算后經(jīng)過PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定信號，由轉(zhuǎn)矩信號和給定磁鏈信號，結(jié)合電機(jī)參數(shù)可計(jì)算得到表示轉(zhuǎn)矩分量的電流給定信號，同時(shí)表示磁場分量的電流信號由給定磁鏈和電機(jī)參數(shù)計(jì)算得到。9.4.1 基本原理59 兩路

34、電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換模塊得到三相靜止坐標(biāo)系下的三相電流給定信號，三相給定電流信號與電機(jī)實(shí)測的電流信號差值計(jì)算后，通過電流滯環(huán)跟蹤PWM控制模塊得到IGBT逆變器模塊的驅(qū)動信號。其中坐標(biāo)變換中需要用到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度信號，該信號由電機(jī)磁鏈值、實(shí)測轉(zhuǎn)速值、表示轉(zhuǎn)矩分量的電流信號以及電機(jī)參數(shù)計(jì)算得到。6061 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖9-16所示，包括直流電壓源模塊、三相IGBT逆變模塊、異步電機(jī)模塊、電機(jī)測量模塊、電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定、設(shè)定轉(zhuǎn)速給定模塊、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器模塊、iq給定電流計(jì)算模塊、id給定電流計(jì)算模塊、實(shí)際電機(jī)磁鏈計(jì)算模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度計(jì)算模塊、兩相給定電流

35、到三相給定電流之間的坐標(biāo)變換模塊、實(shí)測三相電流到兩相電流之間的坐標(biāo)變換模塊以及電流滯環(huán)跟蹤PWM控制模塊等組成。9.4.2 系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)設(shè)置6263 仿真模型中主電路由直流電壓源、IGBT逆變模塊以及異步電機(jī)組成，電機(jī)測量模塊用來對電機(jī)定子電流、電機(jī)機(jī)械角速度和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，同時(shí)采用示波器進(jìn)行顯示?？刂齐娐分薪o定轉(zhuǎn)速信號和實(shí)測轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器后得到給定轉(zhuǎn)矩信號，由轉(zhuǎn)矩信號和實(shí)際電機(jī)磁鏈值計(jì)算得到iq給定電流信號，id給定電流信號由給定磁鏈信號計(jì)算得到。64 同時(shí)實(shí)測的電機(jī)三相電流經(jīng)過三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換之后得到實(shí)際的id和iq電流值，實(shí)際的電機(jī)磁鏈值通過實(shí)際的id電

36、流信號計(jì)算得到，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度值通過實(shí)際的iq電流信號、實(shí)際的電機(jī)磁鏈值以及實(shí)測的電機(jī)轉(zhuǎn)速值通過計(jì)算得到，該轉(zhuǎn)子位置角度值分別用于坐標(biāo)變換模塊。給定的id和iq電流信號經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)到三相靜止的坐標(biāo)變換模塊后得到給定的三相電流信號，該給定電流信號與實(shí)測電機(jī)電流信號經(jīng)過電流滯環(huán)跟蹤PWM控制模塊后得到IGBT逆變模塊中開關(guān)器件的驅(qū)動信號。65（1）在Simulink環(huán)境下打開電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems），將直流電壓源模塊（SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source）復(fù)制到仿真模型圖9-13中，直流電壓源幅值“Amp

37、litude”設(shè)置為540V，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。（2）打開通用電橋Universal Bridge（SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge），其中“Number of bridge arms”選擇為“3”，電力電子器件“Power Electronics device”選擇為“IGBT/Diodes”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。1.主電路模型參數(shù)設(shè)置66（3）異步電機(jī)模塊和電機(jī)測量模塊參數(shù)設(shè)置分別如圖9-17和圖9-18所示。67（1）轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器模塊組成如圖9-19所示，其中加減模塊Add（Simulink/Math Operatio

38、ns/Add）、積分器模塊Integrator模塊（Simulink/ Commonly Used Blocks/Integrator），仿真模型中比例系數(shù)Kp設(shè)置為0.12，積分系數(shù)Ki設(shè)置為1.03。2.控制電路模型參數(shù)設(shè)置6869（2）iq給定電流的計(jì)算表達(dá)式為iq= Te，其中Lr、Lm分別為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電感和互感參數(shù)，np為電動機(jī)極對數(shù)，由電機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置圖9-17可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子電感應(yīng)等于電機(jī)互感和轉(zhuǎn)子漏感之和，Lr=124+3.045=127.045mH，Lm=124mH，np=2，將電機(jī)參數(shù)代入iq給定電流的計(jì)算表達(dá)式后，可得電流計(jì)算模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-20所示。其中用到了Mux

39、模塊和函數(shù)Fcn模塊，函數(shù)表達(dá)式中將電機(jī)實(shí)際磁鏈值加上0.001是為了在仿真初始階段防止分母上的實(shí)際磁鏈為0時(shí)，會引起仿真出錯報(bào)警。7071（3）id給定電流計(jì)算模塊忽略轉(zhuǎn)子磁鏈和id電流之間的一階慣性環(huán)節(jié)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，id= r，模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-21所示。72（4）電機(jī)磁鏈計(jì)算模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-22所示，其中電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻值Rr=0.7402，在該計(jì)算模塊中需要用到傳遞函數(shù)Transfer Fcn模塊（Simulink/ Continuous/Transfer Fcn），傳遞函數(shù)模塊分母上的參數(shù)需要用到電機(jī)轉(zhuǎn)子電感和轉(zhuǎn)子電阻。73（5）電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度計(jì)算模塊如圖9-23所示，模塊輸入的3

40、路信號分別為實(shí)際的電機(jī)q軸電流iq、實(shí)際的電機(jī)磁鏈、實(shí)測的電機(jī)電角速度信號。其中實(shí)際磁鏈信號也需要加上一個很小的初始值，防止仿真初始階段出錯報(bào)警。模塊中與iq電流相乘的Gain模塊中需要用到電機(jī)的互感、轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感參數(shù)值，還需要用到Product模塊（Simulink/ Commonly Used Blocks/Productor）。7475（6）兩相給定電流到三相給定電流之間的坐標(biāo)變換模塊，該模塊設(shè)置如圖9-24所示，模塊輸入的3路信號分別為實(shí)際的電機(jī)q軸給定電流iq、電機(jī)d軸給定電流id、計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度信號teta。dq軸給定電流信號首先經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)到兩相靜止坐標(biāo)系之間的

41、坐標(biāo)變換，然后再經(jīng)過兩相靜止坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換，最終得到三相的電流給定信號。其中兩相旋轉(zhuǎn)到兩相靜止坐標(biāo)系之間的模型圖如圖9-25所示，兩相靜止到三相靜止坐標(biāo)系之間的模型圖如圖9-26所示。在9-25圖中需要用到三角函數(shù)模塊Trigonometric Function（Simulink/ Math Operations/Trigonometric Function），76在模塊參數(shù)設(shè)置中分別選擇正弦函數(shù)和余弦函數(shù)，圖9-26中Gain模塊中參數(shù)設(shè)置數(shù)值如圖中對應(yīng)模塊下表達(dá)式所示。7778（7）實(shí)測三相電流到兩相電流之間的坐標(biāo)變換模塊，該模塊設(shè)置如圖9-27所示，模塊輸入的4路信號分別為

42、實(shí)際的電機(jī)實(shí)測三相電流和計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度信號teta。實(shí)測三相電流首先經(jīng)過三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，然后再經(jīng)過兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，最終得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電流給定信號id和iq。其中三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系坐標(biāo)變換模型圖如圖9-28所示，兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的模型圖如圖9-29所示。79808182（8）電流滯環(huán)跟蹤PWM控制模塊如圖9-30所示，三相給定電流信號和電機(jī)實(shí)際電流信號經(jīng)過比較，得到誤差值后，經(jīng)過Relay模塊及數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換模塊得到IGBT逆變模塊的驅(qū)動信號。其中主要包括Sum模塊、Relay模塊和Data Type Conver

43、sion模塊等。83Sum模塊用來實(shí)現(xiàn)給定電流和實(shí)際電流之間差值的計(jì)算（Simulink/Math Operations/Add），然后再Add模塊參數(shù)對話框中把信號的相互作用改寫成“+-”。Relay是指具有繼電器性質(zhì)的模塊（Simulink/Discontinuities/Relay），打開Relay模塊，其中“Switch on point”設(shè)置為“1”，“Switch off point”設(shè)置為“-1”，“Output when on”設(shè)置為“1”，“Output when off”設(shè)置為“0”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。Relay模塊的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊Data Type Conversi

44、tion（Simulink/Signal Attributes/Data Type Conversition）84得到IGBT逆變模塊一相上橋臂的驅(qū)動信號，然后采用邏輯操作模塊Logical Operator（Simulink/Logic and Bit Operations/Logical Operator）對其進(jìn)行取反，得到下橋臂的驅(qū)動信號。85（9）給定轉(zhuǎn)速和給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊需用到階躍給定模塊Step（Simulink/Sources/Step）。打開Step模塊，做為給定轉(zhuǎn)速模塊，其中階躍時(shí)間“Step time”設(shè)置為“3”，初始值“Initial value”設(shè)置為“200”，最終

45、值“Final value”設(shè)置為“500”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。給定轉(zhuǎn)矩模塊參數(shù)設(shè)置中，階躍時(shí)間“Step time”設(shè)置為“4”，初始值“Initial value”設(shè)置為“10”，最終值“Final value”設(shè)置為“20”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。86 仿真模型中算法選擇為固定步長中的ode5，固定步長采樣設(shè)置為0.00001仿真時(shí)間設(shè)置為8.0s，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈給定值為0.96Wb。仿真模型中接入示波器模塊可以實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，同時(shí)采用simout模塊可以將仿真數(shù)據(jù)存入到工作空間中，便于后續(xù)對仿真結(jié)果的處理。3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置87 可以通過示波器模塊觀察仿真結(jié)果或者通過“plot”語句得到

46、仿真結(jié)果曲線。得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果曲線圖，其他電機(jī)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的曲線圖都可以用類似語句得到。最后得到的仿真結(jié)果如圖9-31所示。9.4.3 仿真結(jié)果分析8889 從仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在相應(yīng)時(shí)刻穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速模塊中設(shè)置的200r/min和500r/min，在第4s時(shí)，由于電機(jī)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩突加為20Nm，因此轉(zhuǎn)速在這一時(shí)刻有降低的過程，隨后經(jīng)過矢量控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，恢復(fù)穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速500r/min。由電磁轉(zhuǎn)矩曲線仿真結(jié)果可知，電機(jī)起動時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩大于給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩10Nm，用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速起動過程，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速200r/min時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本穩(wěn)定在10Nm，等于給定的負(fù)載轉(zhuǎn)

47、矩，在第3s時(shí)，由于給定轉(zhuǎn)速變?yōu)?00r/min。90 因此電磁轉(zhuǎn)矩瞬間變大，用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速過程，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為500r/min時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩10Nm，第4s過后，由于給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩突加為20Nm，因此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后電磁轉(zhuǎn)矩基本等于給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從電流曲線的仿真結(jié)果中可知，電流波形接近正弦波，三相電流波形對稱，從而使得電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動較小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電流頻率增大，當(dāng)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，對應(yīng)的電流幅值變大。919.5 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 調(diào)速系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該控制方法在保證電機(jī)定子磁鏈不變的前提下，在轉(zhuǎn)速

48、環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以獲得較高的靜、動態(tài)性能。本節(jié)主要介紹異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真。92 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖9-32所示，調(diào)速系統(tǒng)中主電路由直流電源、IGBT逆變模塊（組成電壓型逆變器）和三相交流異步電動機(jī)組成。給定轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)測轉(zhuǎn)速差值運(yùn)算后經(jīng)過PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定信號，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩值由轉(zhuǎn)矩估算模塊計(jì)算得到，給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩差值運(yùn)算后做為滯環(huán)比較模塊的輸入，滯環(huán)比較模塊的輸出信號表示控制系統(tǒng)是否需要增加轉(zhuǎn)矩或者減小轉(zhuǎn)矩，其輸出信號做為開關(guān)表選擇模塊的一路輸入信號。9.5.1 基本原理93 給定磁鏈與實(shí)際磁鏈差值運(yùn)算后做

49、為另一個滯環(huán)比較模塊的輸入，該滯環(huán)比較模塊的輸出信號表示控制系統(tǒng)是否需要增加磁鏈值或者減小磁鏈值，其輸出信號做為開關(guān)表選擇模塊的另一路輸入信號，同時(shí)開關(guān)表選擇模塊的輸入信號中還需要知道磁鏈所在的扇區(qū)信號，該信號由扇區(qū)判斷模塊計(jì)算得到。電機(jī)磁鏈估算模塊的輸入信號為兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓和電流信號，兩相電流信號可以通過采集電機(jī)三相定子電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換模塊得到，兩相電壓信號可以通過開關(guān)表的輸出開關(guān)狀態(tài)和直流母線電壓值計(jì)算得到，或者也可以通過采集三相電壓信號經(jīng)過坐標(biāo)變換模塊實(shí)現(xiàn)。94 開關(guān)表選擇模塊的輸出為IGBT逆變器模塊的驅(qū)動信號，控制逆變器模塊中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中在

50、保持電機(jī)定子磁鏈為固定值的前提下，直接對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大小進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在靜態(tài)和動態(tài)過程中的調(diào)速控制。9596 直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖9-33所示，包括直流電壓源模塊、三相IGBT逆變模塊、三相電壓-電流測量模塊、異步電機(jī)模塊、電機(jī)測量模塊、電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定、電流和電壓坐標(biāo)變換計(jì)算模塊、磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、給定磁鏈和實(shí)際磁鏈滯環(huán)比較模塊、磁鏈角度計(jì)算模塊、磁鏈所在扇區(qū)判斷模塊、給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較模塊、開關(guān)表選擇脈沖生成模塊及電機(jī)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器控制模塊等組成。9.5.2 系統(tǒng)仿真模型與參數(shù)設(shè)置9798 仿真模型中主電路由直流電壓源、IGBT逆變模塊、三相電壓-電流測量模塊

51、以及異步電機(jī)組成，電機(jī)測量模塊用來對電機(jī)定子電流、電機(jī)機(jī)械角速度和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，同時(shí)采用示波器進(jìn)行顯示?？刂齐娐分薪o定轉(zhuǎn)速信號和實(shí)測轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器后得到給定轉(zhuǎn)矩信號，給定轉(zhuǎn)矩信號與實(shí)際計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行差值后得到轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出信號，給定磁鏈信號與實(shí)際計(jì)算得到的磁鏈值進(jìn)行差值后得到磁鏈滯環(huán)比較器的輸出信號，同時(shí)由實(shí)際計(jì)算得到的磁鏈信號經(jīng)過扇區(qū)判斷后給出磁鏈所在扇區(qū)信號。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器信號、磁鏈滯環(huán)比較器信號和磁鏈扇區(qū)信號經(jīng)過開關(guān)表選擇模塊后得到IGBT逆變模塊中開關(guān)器件的驅(qū)動信號。99（1）在Simulink環(huán)境下打開電力系統(tǒng)模塊集（SimPowerSystems），將直

52、流電壓源模塊（SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source）復(fù)制到仿真模型圖9-33中，直流電壓源幅值“Amplitude”設(shè)置為540V，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。同時(shí)對直流電源模塊需要設(shè)置接地點(diǎn)Ground（SimPower Systems/Elements/Ground）。（2）打開通用電橋模塊Universal Bridge，參數(shù)設(shè)置與9.2節(jié)中相同。1.主電路模型參數(shù)設(shè)置100（3）打開三相電壓-電流測量模塊Three-Phase V-I Measurement（SimPower Systems/ Measurements/Thre

53、e-Phase V-I Measurement），其中電壓測量“Voltage Measurement”選擇為“phase-to-ground”，電流測量“Current Measurement”選擇為“yes”。（4）異步電機(jī)模塊和電機(jī)測量模塊參數(shù)設(shè)置與9.4節(jié)中相同。101（1）電流和電壓坐標(biāo)變換模塊用來實(shí)現(xiàn)三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系下，電流和電壓之間的變換計(jì)算。其中電流坐標(biāo)變換模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-34所示，由于坐標(biāo)變換的計(jì)算公式相同，因此電壓坐標(biāo)變換模塊中的參數(shù)設(shè)置與電流坐標(biāo)變換中相同，只需要把輸入信號改為由三相電壓和電流測量模塊輸出的三相電壓信號即可。2.控制電路模型參數(shù)設(shè)置102

54、103（2）磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-35所示，計(jì)算磁鏈分量時(shí)需要用到電機(jī)電壓信號、電流信號以及電機(jī)定子電阻值，從圖9.4節(jié)異步電機(jī)參數(shù)設(shè)置中可知，電機(jī)定子電阻Rs=0.7384，最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行積分后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的磁鏈信號。電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算中需要用到電機(jī)磁鏈信號、電流信號以及電機(jī)極對數(shù)，其中電機(jī)極對數(shù)np=2。104105（3）Relay模塊做為磁鏈滯環(huán)比較和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較模塊，首先需要通過磁鏈的兩個分量值計(jì)算得到實(shí)際磁鏈信號，然后與給定磁鏈信號進(jìn)行比較后，做為磁鏈滯環(huán)比較模塊的輸入。在仿真模型中計(jì)算實(shí)際磁鏈值由函數(shù)模塊Fcn實(shí)現(xiàn)，其中Fcn模塊中的函數(shù)表達(dá)式為“sqrt（u(1

55、)*(1)+u(2)*u(2)）”，該函數(shù)表達(dá)式的含義為，對磁鏈分量值進(jìn)行平方運(yùn)算后再進(jìn)行開方計(jì)算。磁鏈滯環(huán)比較模塊中“Switch on point”設(shè)置為“0.05”，“Switch off point”設(shè)置為“-0.05”，“Output when on”設(shè)置為“1”，“Output when off”設(shè)置為“0”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較模塊中“Switch on106point”設(shè)置為“0.5”，“Switch off point”設(shè)置為“-0.5”，“Output when on”設(shè)置為“1”，“Output when off”設(shè)置為“0”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。仿真中磁鏈給定值

56、設(shè)定為1Wb，磁鏈滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度設(shè)置為0.05，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器中滯環(huán)寬度設(shè)置為0.5。107（4）磁鏈角度計(jì)算模塊參數(shù)設(shè)置如圖9-36所示，首先磁鏈兩個分量進(jìn)行相除后，采用反正切函數(shù)得到角度信號，同時(shí)當(dāng)磁鏈軸分量為負(fù)值時(shí)，表明磁鏈角度已經(jīng)超過180度，需要對反正切求出的角度值與180度相加，其中反正切函數(shù)求出的是以弧度的形式來表示，因此需要把180度角度值對應(yīng)的改為弧度。除法模塊Divide（Simulink/Math Operations/Divide），反正切函數(shù)為在函數(shù)模塊Fcn的函數(shù)表達(dá)式中寫為“atan u(1)”，同時(shí)需要用到開關(guān)函數(shù)Switch模塊（Simulink/Com

57、monly Used Blocks/Switch），該模塊根據(jù)磁鏈軸分量的正負(fù)情況來選擇上下不同支路的信號做為最終的角度輸出信號，108打開Switch模塊，其中“Criteria for passing first input”選擇為“u2=Threshold”，閾值“Threshold”設(shè)置為“0”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。109（5）扇區(qū)判斷模塊如圖9-37所示，扇區(qū)判斷模塊對磁鏈角度計(jì)算值的大小進(jìn)行比較，最終確定磁鏈所在的扇區(qū)編號。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，將一個圓周的360度等分為6個扇區(qū)，對每個扇區(qū)用數(shù)字1-6進(jìn)行編號，做為最終的扇區(qū)輸出值。仿真模型中用到了5個開關(guān)模塊Switch-Switc

58、h4，打開Switch模塊，其中“Criteria for passing first input”選擇為“u2=Threshold”，閾值“Threshold”設(shè)置為“（7*pi）/6”；打開Switch1模塊，其中“Criteria for passing first input”選擇為“u2=Threshold”，閾值“Threshold”設(shè)置為“（5*pi）/6”；打開Switch2模塊。110其中“Criteria for passing first input”選擇為“u2=Threshold”，閾值“Threshold”設(shè)置為“pi/2”；打開Switch3模塊，其中“Crite

59、ria for passing first input”選擇為“u2=Threshold”，閾值“Threshold”設(shè)置為“pi/6”；打開Switch4模塊，其中“Criteria for passing first input”選擇為“u2Threshold”，閾值“Threshold”設(shè)置為“（-pi）/6”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。最后打開MinMax模塊（Simulink/Math Operations/MinMax），其中功能“Function”選擇“max”，“Number of input ports”設(shè)置為“5”，其他選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)，該模塊實(shí)現(xiàn)對輸入的5路信號中取最大值做為最終輸出

60、的扇區(qū)值。111112（6）開關(guān)表脈沖生成模塊的輸入分別為表示轉(zhuǎn)矩和磁鏈狀態(tài)的信號S和扇區(qū)判斷模塊的輸出信號area。仿真模型中轉(zhuǎn)矩和磁鏈狀態(tài)的信號S取值為1-4之間的某個數(shù)值，分別代表是否需要增減轉(zhuǎn)矩和磁鏈所對應(yīng)的4種狀態(tài)，area信號的取值表示磁鏈所在的扇區(qū)編號，為1-6之間的某個數(shù)值。開關(guān)表選擇模塊設(shè)置如圖9-38所示，輸入的狀態(tài)信號S和扇區(qū)信號area首先經(jīng)過一個2維的查表模塊Lookup Table(2-D)（Simulink/Lookup Tables/Lookup Table(2-D)），綜合狀態(tài)信號S和扇區(qū)信號area的具體數(shù)值后，輸出位1-6之間的某個具體數(shù)值，2維查表模塊的