毕业设计（论文）-磁链闭环控制变频调速系统仿真模型设计.doc

i 目录目录 中文摘要 1 abstract1 一、绪论 1 1、引言 .1 2、交流调速技术概况 .3 3、完成的主要工作 .3 二、矢量控制系统的介绍 4 1、异步电动机的数学模型概述 .4 2、矢量控制思想及原理 .6 (1)矢量控制技术思想6 (2)矢量控制的原理6 3、坐标变换 .8 (1)变换矩阵的确定原则8 (2)功率不变原则9 4、3s/2r 变换9 (1)三相/两相变换.9 (2)两相/两相旋转变换10 三、仿真模型的建立 .11 1、matlab /simulink 简介 11 2、带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的构框图 13 3、各个子模块模型 13 (1)转速调节器模型.13 (2)转矩调节器模型.14 (3)磁链调节器模型.14 (4)转矩观测器模型.15 (5)磁链观测器模型.15 (6)带滞环脉冲发生器模型（chbpwm）.16 (7)dq_to_abc(2r/3s)和 abc_to_dq(3s/2r)模型 16 3、带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型 17 四、 simulink 仿真 .18 ii 1、参数设置 18 (1)电动机参数.18 (2)各调节器参数.18 (3)各给定参数.19 2、仿真结果 20 (1)定子磁链轨迹.20 (2)转矩调节器输出.20 (3)输出转矩.20 (4)转速响应.21 (5)转速调节器输出.21 (6)经 2r/3s 变换的三相电流给定波形.22 (7)uab22 3、分析 23 五、 结论 23 致谢 .24 参考文献 .24 第 1 页 （共 25 页） 磁链闭环控制变频调速系统仿真模型设计磁链闭环控制变频调速系统仿真模型设计 重庆工商大学 自动化专业 2008 级 自动化 1 班 马永祥 指导教师： 中文摘要中文摘要：该文对带转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统进行研究及仿真。利用 matlab/simulink 工具，构建了异步电动机矢量控制系统的仿真模型以及对各个主要模 块的仿真模型，利用 3/2 变换计算出相电流。利用空间矢量的分析方法，在定子坐标 系下计算和控制交流电动机的磁链和转矩。通过磁链观测器产生系统所需的磁链和 。通过带滞环脉冲发生器模块为逆变器提供一个六路 pwm 信号来改变电动机的运动 状态，实现了对电动机矢量的控制，基于仿真结果，分析了矢量控制系统的特点。 关键词：关键词：坐标变换；矢量控制；异步电动机；matlab 仿真 abstract:in this paper the torque to the inner with magnetic chain, magnetic chain closed loop vector control system to conduct the research and simulation. use of matlab/simulink tool, to construct the asynchronous motor vector control system of the simulation model for each of the main modules and simulation model, using 3/2 transform three-phase calculated. use of space vector analysis method, the stator frame in calculation and control ac motor of the flux and the torque. through the magnetic flux observer is needed to produce system of the flux and . through the belt hysteresis pulse generator module for inverter to provide a pwm signal to change all the performance of motor, realize the motor vector control, through the simulation get simulation diagram, the simulation diagram analysis, to know the characteristics of vector control system. key words: matrix converter, vector control, induction motor, matlab simulation. 一、绪论 1、引言 工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很 多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损 耗，节约电能也需要调速。过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比 第 2 页 （共 25 页） 较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统 在变速传动领域中占统治地位。但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成 本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很 高，特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前 3000 转/分左右的高速直流电机最大容量只有 400 千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦， 远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。 交流电机特别是鼠笼异步电机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固 耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中 得到了广泛的应用。但是交流电机调速比较困难，早期的应用主要是调压调速，电磁 转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速，30 年代提出了绕线式异步电机串 级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调节转差率， 效率都很低。另一类调速方法是调节电机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速 方法，可以通过变极或变频来实现，其中变极调速只能是有极调速，应用场合有限。 交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电 机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适 当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。 交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下 移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性 能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电 机调速方法。 变频调速系统目前应用最为广泛的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为 恒控制，这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控fv 制系统结构最简单，成本最低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的 场合。 转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限， 要提高静、动态性能，首先要用带转速反馈的闭环控制。对此人们又提出了转速闭环 转差频率控制的变频调速系统，该方法根据异步电机转矩的近似公式:， 2 2 r kt s mme 在转差 s 很小的范围内，只要能够保持气隙磁通 m不变，异步电机转矩就近似与转差 频率 s成正比，控制 s就达到间接控制转矩的目的。但是转差频率控制是从异步电 机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。一般 说来，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电机转速做出快速响应的动态过程 第 3 页 （共 25 页） 中，电机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电机的动 态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电机的转 矩，是影响系统动态性能的关键，人们经过深入的研究，提出了对异步电机更有效的 控制策略。 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其最有效的 控制首推 70 年代提出的矢量控制技术。1971 年德国西门子公司的 f. blaschke 等提出 的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国的 p. c. custman 和 a. a. clark 申请的 专利“感应电机定子电压的坐标变换控制” ，经过不断的实践和改进，形成了现已得到 普遍应用的矢量控制变频调速系统。矢量控制技术的提出，使交流传动系统的动态特 性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。但是经典的矢 量控制方法还存在不少问题，矢量控制要以转子磁链定向，然后才能把定子电流分解 为磁化分量和转矩分量，使两者互相垂直，处于解耦状态，因此要先求得转子磁链的 相位，才能进行坐标变换。但是异步电机，特别使鼠笼式异步电机的转子磁链是无法 直接测量的，只有实测电机气隙磁链后再经过计算才能求得，而且气隙磁场本身也常 由于齿谐波磁场的影响而难以准确测量，这就影响了以转子磁链定向的矢量控制技术 的可靠性。对于这些问题，国内外学者进行了大量的理论分析和实验研究，取得了很 多实际成果。 2、交流调速技术概况 据统计，电机类的耗电量占企业总用电量的 70%以上，因此电机节能对国家经济具 有重要的意义，电气传动及其自动化技术是电气技术的重要组成，电力传动的技术发 展水平也是体现国家科技水平的重要方面。应用变频调速技术对电机进行节能技术改 造，可以有效地节电量，取得很好的经济效益。20 世纪 60 年代以前的调速系统以直流 机组及晶闸管构成的直流 v-m 系统为主。随着 80 年代 igbt 等新型电力电子器件及微 机控制技术的发展，及以矢量控制为代表的各种交流调速理论的发展，也伴随着人们 为解决能源危机的巨大科研投入，交流调速技术得到迅速发展。交流传动系统在性能 上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运 行等良好技术性能，其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美。交流调速系统其结 构简单、功率大、坚固耐用、惯量小、矢量控制等高性能控制动态响应好、效率高、 性价比高、高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式，在传动系 统领域占据了主导地位，在工业应用中远远超过了直流电机调速系统的应用，并有逐 渐取代直流调速的趋势。 第 4 页 （共 25 页） 3、完成的主要工作 基于 matlab/simulink 软件包构建异步电机磁链闭环矢量控制变频调速系统的仿 真模型并且实现仿真。 下面对完成的工作进行概要总结： 1)较为详细地分析了异步电机磁链闭环矢量控制调速系统的基本原理与系统结构 组成。 2)构建了异步电动机磁链闭环矢量控制调速系统各模块的仿真模型。 3)在完成了任务 2 的基础上，构建了磁链闭环矢量控制调速系统的整体仿真模型。 4)完成仿真。 5)以仿真结果为基础，对磁链闭环矢量控制变频调速系统的动静态性能、特点及 适用场合进行了分析。 二、矢量控制系统的介绍 1、异步电动机的数学模型概述 异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，其中 磁链方程和转矩方程为代数方程，电力方程和运动方程是微分方程。 、磁链方程 异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和， 因此，六个绕组的磁链可用下式表示： = （1-1） c a b a b c ccbcacccbca bcbbabcbbba acaba acabaa cccbcaccbca bcbbbabcbba acabaaacaba l m m m mm m l m m mm m m l m mm m m m l mm m m m m lm m m m m m l c b a c b a i i i i i i 式中；、各相定子、转子自感，电磁矩阵中其他元 a l b l c l a l b l c l 素为定子、转子或定转子间的互感。 、电压方程 第 5 页 （共 25 页） =+ （1-2） c b a c b a u u u u u u r r r s s s 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 r r r r r r c b a c b a i i i i i i p c a b a b c 式中；、 定子、转子相电压； a u b u c u a u b u c u 、 定子、转子相电流； a i b i c i a i b i c i 、 、 定子、转子绕组的全磁链； a b c a b c 微分算子。 p 、转矩方程 由能量守恒定律推出电磁转矩。根据能量转换原理，在多绕组电机中，其磁场储 能为: = (1-3) m w 2 1 t i 式中；= t i cbacba i i i i ii t = cbacba 根据能量守恒原理，在异步电机运行时，其电磁力矩等于电流不变时磁场储能 e t 对机械角位移的偏导数。 m = m m e w t ci r m n w p ci 式中；电机磁极对数 n p 电角位移，= r r n p m = (1-4） e t r r sr t ss r rs t rn i m ii m ip 2 1 =- n p rs m rccbbaa iiiiiisin + o raccbba iiiiii120sin + o rbcabca iiiiii120sin 第 6 页 （共 25 页） 式中；定转子间的互感。 rs m 由于转子的旋转，定、转子绕组间的互感是定、转子相对位置的函数，使得交流 电机的数学模型为一组非线性的微分方程式。为了解除定、转子间这种非线性的耦合 关系需要对其进行变量的坐标变换，建立参考坐标系内的异步电机数学模型。即 将三相静止绕组 a、b、c 变换为两相静止绕组、之间的变换，这称为三相静止坐 标系和二相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。 2、矢量控制思想及原理 (1)矢量控制技术思想 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变 换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。交流调速系统的 动态性能不够理想，调节器参数很难设计，关键就是在于只是近似成线性单变量控制 系统而忽略了非线性、多变量的性质。许多专家学者对此进行过潜心的研究，终于获 得了成功。20 世纪 70 年代由德国工程师创立的崭新的矢量控制控制理论，从而实现 了感应电机的具有与直流同样好的调速效果。矢量控制是一种高性能异步电动机控制 方式，它基于电动机的动态数学模型，通过坐标变换，将交流电机模型转换成直流电 机模型。根据异步电动机的动态数学方程式，它具有和直流电动机的动态方程式相同 的形式，因而如果选择合适的控制策略，异步电动机应有和直流电动机相类似的控制 性能，这就是矢量控制的思想。因为进行变换的是电流的空间矢量，所以这样通过坐 标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统，或称矢量控制系统。简单的说，矢 量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的 高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢 量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效 为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。采用矢量控制方 式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机 产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用 变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传 感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器。 (2)矢量控制的原理 矢量控制的思想也就是把异步机经过坐标变换等效成直流机，然后仿照直流机的 控制方法,求得直流电动机的控制;再经过相应的坐标变换，就可以控制交流机了。它 是以旋转磁场不变为准则，进行坐标变换。首先是把三相静止坐标系下得定子交流电 第 7 页 （共 25 页） 流、，通过三相/ 两相变换，等效成两相静止坐标下得交流电流、。然iaibiciaib 后，再把两相静止电流、，通过转子磁场定向得旋转变换 vr，等效成两相旋转坐iaib 标系下得电流、。此时如果观察者站在铁心上与坐标系一起旋转，他所看到得就imit 是一台直流电机，原交流电机的总磁通就是等效直流电机的磁通，相当于直流电机im 的励磁电流，相当于直流机的电枢电流。这样从外部看，他是一台交流电机;从内部it 看，他是一台经过变换的直流电机。可以看到在矢量控制中，定子电流被分解为互相 垂直的两个分量、，其中用以控制转子磁链，称为磁链分量，用于调节电机imitimit 转矩，称为转矩分量。因此，矢量控制的最终结果就是实现了定子电流分解，分别进 行转子磁链和电磁转矩的解藕控制。 参考直流电机中的解耦控制，如果能够把异步电机的定子电流也分解为互相正交 的磁场分量和转矩分量，(这里的磁场分量和转矩分量分别对应于直流电机的励磁idiq 电流 if及电枢电流 ia)，就可以得到异步电机另一种电磁转矩表达式，即 tc =kidiq 显然，如果以定子电流作为控制对象，想办法得到相互解耦的和，则对定子idiq 电流的控制就可转化为对和的控制，而和又是解耦的，对和分别控制就idiqidiqidiq 可以像直流电机一样方便地控制电磁转矩，这就是矢量控制，下面分析整个解耦过程。 根据磁场完全等效的原则，将静止坐标系下的三相定子电流(、)转化1 iiaibic 为与旋转磁场同步旋转的旋转坐标系下的两相正交电流和 (abc 到 dq0 坐标系变idiq 换)。 三相静止坐标系到同步旋转坐标系下的转换矩阵 vr，即 2 1 2 1 2 1 ) 3 2 sin() 3 2 sin(sin ) 3 2 cos() 3 2 cos(cos 3 2 vr (1 1)- 其反变换矩阵为： 第 8 页 （共 25 页） 1) 3 2 sin() 3 2 cos( 1) 3 2 sin() 3 2 cos( 1sincos 1 vr （1-2） 通过上述变换，可将静止坐标系下的三相电流、等效地变换为旋转坐标iaibic 下(与磁场同步旋转)的两相正交的电流和 (在三相对称情况下为 0)，而和idiq0iid 是互相解耦的，最终可以实现类似于直流电机的解耦控制。iq 在旋转坐标 dq0 下，可以得到电机的状态方程及转矩表达式。设有同步旋转坐标 系下的两组正交绕组，它们分别用来等效实际电机的三相定子绕组和三相转子绕组。 其中 ds-qs为定子两相正交绕组的轴线位置，dr-qr为转子两相正交绕组的轴线位置， 而且 ds-qs和 dr-qr在空间的位置始终是重合的。可以将两相旋转坐标系下感应电 机的磁链表达式、电压方程式及电机输出转矩和运动方程写为: 磁链方程： = rq rd sq sd rm rm ms ms ll ll ll ll rq rd sq sd i i i i (1-3） 电压方程： rq rd sq sd rsrdqrmmdqr rdqrrrmdqrm mmdqssssdqs mdqsmsdqsss rq rd sq sd i i i i plrlpll lplrlpl pllplrl lpllplr u u u u （1-4） 转矩方程: () empsqrdsdrqni ii itl (1 5) 运动方程与坐标变换无关，仍为 el p j dw dt tt n (1 6) 以上关系说明，选择转子磁链的空间矢量方向为 m 轴方向进行定向，并控制 m2 的幅值不变，可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间的解耦。这样控制转子转矩电 流，就能达到控制 t 的目的。以磁场进行定向的 m 轴与定子绕组 a 轴间的夹角 可看 第 9 页 （共 25 页） 做是从定子侧面观测到的转子磁通位置，它是一个空间变量，需要通过磁通监测器或 磁通运算回路监测出来。 3、坐标变换 感应电机的控制可以通过矢量的坐标变换来把感应电机的转矩控制等效为直流电 动机的转矩控制。所以，矢量的坐标变换是电动机矢量控制系统中非常重要的步骤。 矢量的坐标变换主要依据以下原则: (1)变换矩阵的确定原则 在确定电机的电流变换矩阵时，应该使得变换前后的旋转磁场等效，即变换前后 的电动机旋转磁场相同。 (2)功率不变原则 功率不变原则所体现的是在确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时应该遵守变换前后 电机的功率不变的原则。 如果能将交流电机的物理模型等效成直流电机的形式，然后再利用直流电机的控 制方式，则可以使问题简化。坐标变换正是按照这一思路进行的，在这里不同电机模 型等效的原则是:在不同的坐标系下产生的磁动势相同。三相平衡的正弦电流 ia，ib，ic通到交流电机三相对称的静止绕组 a、b、c 会产生旋转磁动势 f，在空间呈 正弦分布，并以同步转速 1绕 a-b-c-a 相序旋转。它的物理模型如图 a)所示。 然而任意相平衡电流通入相应相的对称绕组均可以产生旋转磁动势，其中以两相绕组 最为简单，两相静止绕组 和 ，它们在空间相差 90，通以时间上相差 90的两 相平衡电流也产生旋转磁动势 f，当 a)和 b)产生的磁动势相等时，认为图 a)中的三相 绕组和 b)的两相绕组等效。c)中的两个匝数相同的绕组 d 和 q 互相垂直.它们分别被通 以直流电流 id和 iq，产生合成磁动势 f，令整个铁心以同步转速 1旋转，则磁动势 f 成为旋转磁动势，如果将其大小和转速也控制成与图 a)和 b)的旋转磁动势相同，则 这套旋转的直流绕组就和前面两套交流绕组等效。当观察者也站在铁心上和绕组一起 旋转时，在他看来，绕组 d 和 q 是两个通以直流电而相互垂直的静止绕组，如果控制 磁通 的位置在 d 轴上，这就和直流电机模型没有什么区别了。 第 10 页 （共 25 页） a) b) c) 图(a)三相交流绕组 图(b)两相交流绕组 图(c)旋转的直流绕组 图 2.1 等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型 4、3s/2r 变换 (1)三相/两相变换 三相静止绕组 a、b、c 和两相静止绕组之间的变换，称为三相静止坐标系和二相 静止坐标系 和 间的变换，简称 3/2 变换。 二相静止绕组 和 和三相静止绕组 a、b、c 间的变换，称为两相静止坐标系 和三相静止坐标系之间的变换，简称 2/3 变换。 设三相绕组(a、b、c)与二相绕组轴线设定如图 2.2 所示， 相绕组轴线与 相 绕组轴线重合，都是静止坐标，分别对应的交流电流为、和、。采用磁 a i b i c i i i 势分布和功率不变的绝对变换，三相交流电流在空间产生的磁势与二相交流电流产生 的磁势应该相等。 f c a b o a i b i c i i i 图 2.2 三相绕组与两相绕组的轴线设定 通过计算可得到三相系到两相系的变换矩阵如下： 第 11 页 （共 25 页） （2-1） c b a i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 通过计算可以得到两相系到三相系的变换矩阵如下： （2-2） i i i i i c b a 2 3 2 1 2 3 2 1 01 3 2 此变换法以电机各物理量的瞬时值作为对象，不但适用于稳态，也可用于动态变 换。对于各相绕组的电压和磁链，也有同样的变换，且变换矩阵与电流变换矩阵完全 相同。 (2)两相/两相旋转变换 从两相静止坐标系 和 到两相旋转坐标系 m,t 的变换称为两相/两相旋转变换， 简称 2s/2r 变换，其中 s 表示静止，r 表示旋转。把两个坐标系画在一起，得图 2.3。 按照磁动势等效原则，图中两相交流电流、，和两个直流电流, ,应当产生同样 i i m i t i 的以同步转速旋转的合成磁动势 f。 t f m it i i im 图 2.3 两相静止和旋转坐标系的变换 两相/两相旋转及其逆变公式如下 （2-3） t m i i i i cossin sincos 第 12 页 （共 25 页） （2-4） i i i i t m cossin sincos 同样，电压和磁链的旋转变换阵也与电流(磁动势)旋转变换阵相同。 三、仿真模型的建立 1、matlab /simulink 简介 matlab (matrix laboratory)为美国mathworks公司1983年首次推出的一 套高性 能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级，1992年推出划时代的4.0 版，1993年推出了可以配合microsoft windous使用的微机版，95年4.2版，97年5.0版， 99年5.3版，5.x版无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式 和pdf格式，可以方便的浏览。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，继而推 出6.5.1版, 2004年7月matlab7和simulink6.0被推出，目前的最新版本为7.1版。 matlab将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了 一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符 号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征 的新一代软件开发平台。 matlab 可以完成以下工作： 1)数值分析 2)数值和符号计算 3)工程与科学绘图 4)控制系统的设计与仿真 5)数字图像处理技术 6)数字信号处理技术 7)通讯系统设计与仿真 8)财务与金融工程 simulink 是 matlab 中的一种可视化仿真工具，是一种基于matlab 的框图设 计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、 非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink 可以用连续采 样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也 就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (gui)，这个创建过程只需单击和拖动 第 13 页 （共 25 页） 鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看 到系统的仿真结果。 simulink模块库内资源相当丰富，基本模块库包括连续系统、离散系统非线性系 统、信号与函数、输入模块、接收模块等等，使用方便。由基本模块又形成了其它的 一些专用库，matlab中提到的工具箱，很多在simulink中都形成了专用模块库，仿真 起来简单快捷，尤其是其中的电气系统模块库（power system blockset），为电气系 统仿真省去了复杂的电机建模过程，它提供了极为有用的电力电子器件模块，使仿真 变得便捷。 电气系统模块以simulink为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力 系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。运行simulink以后，打开 blockset&toolboxes，就能调出电气系统模块库powerlib。可以在matlab的命令窗口 直接键入powerlib。它由以下6个子模块库组成： 1)、电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可 控电流源等； 2)、基本元件模块库：包括串联rcl负载/支路、并联rcl负载/支路、线性变压器、 饱和变压器、互感、断路器、n相分布参数线路和浪涌放电等； 3)、电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、gto、mosfet、igbt和理想开关等； 4)、电机模块库：包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机 及其简化模型和永磁同步电动机等； 5)、连接模块库：包括地、中性点和母线（公共点）； 6)、测量模块库：包括电流和电压测量。 2、带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的构框图 在图 3.1 中，主电路采用了电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后 增加了转矩控制内环，转速调节器 asr 的输出是转矩调节器 atr 的给定 te*，而转矩反 馈信号 te 是由转矩观测器给定。电路中的磁链调节器 ar 用于对电机定子磁链的控y 制，并设置了磁链观测环节。atr 和 ar 的输出分别是定子电流的转矩分量和励y*ist 磁分量。和经过 2r/2s、2/3 变换后得到三相定子电流的给定值、*ism*ist*ism*isa 、，并通过电流滞环控制 pwm 逆变器控制电动机定子的三相电流。*isb*isc 第 14 页 （共 25 页） 图 3.1 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的构框图 3、各个子模块模型 (1)转速调节器模型 图 3.2 转速调节器模型 该模块采用了 pi 调节器。其中*和分别是给定值和实测值, kp 和 ki 分别为 比例增益系数和积分增益系数.satuiation 用于对输出转矩限幅。 (2)转矩调节器模型 第 15 页 （共 25 页） 图 3.3 转矩调节器模型 该模块采用了 pi 调节器。其中和分别是给定值和实测值, kp 和 ki 分别为*tete 比例增益系数和积分增益系数.satuiation 用于对输出转矩限幅。得到 mt 坐标系中的 转矩分量。 *ist (3)磁链调节器模型 图 3.4 磁链调节器模型 是给定值。是实测值，satuiation 用于对输出转矩限幅。得到 mt 坐标psir*psirpsir 系中的励磁分量*ism (4)转矩观测器模型 由公式 (3-1) pm estr r n l ti l 可建立转矩观测器的模型，如下图： 第 16 页 （共 25 页） 图 3.5 转矩观测器模型 (5)磁链观测器模型 由式 (3-2)1 m st rr l i t (3-3) 1 m sm r rs l i t 建立磁链观测器模型，如下图： 图 3.6 磁链观测器模型 0.09s 是转子时间常数 tr。 (6)带滞环脉冲发生器模型（chbpwm） 第 17 页 （共 25 页） 滞环脉冲发生器模块是为了给逆变器提供一个六路 pwm 信号， 模型如下图： 图 3.7 带滞环脉冲发生器模型 (7)dq_to_abc(2r/3s)和 abc_to_dq(3s/2r)模型 (a)dq_to_abc (b)abc_to_dq 图 3.8 dq_to_abc(2r/3s)和 abc_to_dq(3s/2r)模型 图 3.8a 模块是 2r/3s 的变换，首先在转子磁链定向坐标系中计算定子电流励磁分 量和转矩分量和和，经过饭旋转变换 2r/2s 得到和，在经过 2/3 变*ism*ist*isa*isb 换得到、，图 3.8b 模块反之。*ia*ib*ic 3、带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型 如图： 第 18 页 （共 25 页） 图 3.9 带转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型 其中，直流电源 dc、逆变器 inverter、电动机 acmotor 和电动机测量模块组成了 模型的主电路，逆变器的驱动信号由滞环脉冲发生器模块产生。三个调节器 asr、atr 和 apsir 均是带输出限幅的 pi 调节器。转子磁链观测器使用两相同步旋转坐标系上的 磁链模型，转矩观测器，dq0_to_abc 模块用于 2r/3s 的坐标变换。 四、 simulink 仿真 1、参数设置 (1)电动机参数 表 4-1 电动机参数 pn (va) vn (vrms) fn (hz) rs (ohm) lls (h) np 第 19 页 （共 25 页） 36004505010.0062 rr (ohm) llr (h) lm (h) j (kg.m2) f (n.m.s) 1.10.0060.10.50.006 图 4.1 电动机模块设置 (2)各调节器参数 表 4-2 各个调节器参数 调节器比例放大器 g1 放大倍数 积分放大器 g2 放大倍数 积分器限幅调节器输出 限幅 第 20 页 （共 25 页） 上限下限上限下限 转速调节器 asr 40120-20100-100 转矩调节器 atr 51070-7070-70 磁链调节器 ar 210020-2014-14 图 4.2 磁链调节器输出限幅设置 (3)各给定参数 表 4-3 各给定参数 n 0 i psir 1000010 2、仿真结果 (1)定子磁链轨迹 第 21 页 （共 25 页） 图 4.3 定子磁链轨迹 (2)转矩调节器输出 图 4.4 转矩调节器输出波形图 (3)输出转矩 第 22 页 （共 25 页） 图 4.5 输出转矩波形图 (4)转速响应 第 23 页 （共 25 页） 图 4.6 转速波形图 (5)转速调节器输出 图 4.7 转速调节器输出波形图 (6)经 2r/3s 变换的三相电流给定波形 第 24 页 （共 25 页） 图 4.8 经 2r/3s 变换的三相电流给定波形 (7)uab 图 4.9 uab 波形图 3、分析 在给定转速为 1000r/min，空载起动，在 0.6s 时加载 60nm