《MATLAB与电力电子系统仿真》-第5章

5.1直流拖动系统5.1.1工作原理图5-1桥式可逆PWM变换器电路图5-2双闭环控制的PWM变换器-直流电动机调速系统的原理图UPE：桥式可逆PWM变换器；ASR：转速调节器；ACR：电流调节器；TG：测速发电机。5.1直流拖动系统5.1.1工作原理图5-2双闭环控制的PWM变换器-直流电动机调速系统的原理图图5-2双闭环控制的PWM变换器-直流电动机调速系统的动态结构框图5.1直流拖动系统5.1.2双闭环控制系统设计图5-4电流内环的简化结构框图电流内环设计一般按典型I型系统进行整定设计。对于电流内环来说，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，代表的是转速对电流环的影响；考虑系统电磁时间常数远小于机械时间常数，因而对电流环来说，反电动势是个变化较慢的扰动，可在一定条件下忽略不计。5.1直流拖动系统5.1.2双闭环控制系统设计电流内环设计设计ACR调节器为PI调节器，其传递函数为要按典I系统对电流环整定的话，可令τi=Tl，即用调节器的零点对消掉控制对象中的大常数极点，于是系统的开环传递函数变为基于西门子最佳整定原则，取5.1直流拖动系统5.1.2双闭环控制系统设计转速外环设计

按典I系统设计的电流环可以作为转速外环的一部分，但需要进行简化处理。设计好的电流环闭环传递函数为采用高阶系统的降阶近似处理方法，忽略高次项，上式可近似为5.1直流拖动系统5.1.2双闭环控制系统设计转速外环设计图5-5转速外环的简化结构框图按典II系统进行外环设计设计ASR调节器为PI调节器，其传递函数为则转速外环的开环传递函数变为按照工程设计中的“振荡指标法”有式中h为中频宽，根据动态性能的要求决定，无特殊要求时，一般以选择h=5。5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计

某直流电动机参数为：额定电压UN=400V，额定电流IdN=52.2A，额定转速2610r/min，反电动势系数Ce=0.1459V∙min/r，允许过载倍数λ=1.5。

采用PWM变换器供电，开关频率为8kHz，变换器增益Ks为107.6，电枢回路总电阻R=0.368Ω；电磁时间常数Tl=0.0144s，机械时间常数Tm=0.18s；转速反馈系数α=0.00383V·min/r，电流反馈系数β=0.1277V/A；额定转速给定时对应的给定电压Un*=10V。

设计要求：按照典I系统设计电流调节器，要求电流超调量σi≤5%；按照典II系统设计转速调节器，要求转速无静差，空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤5%。

仿真要求：(1)采用纯传递函数方式进行仿真；(2)采用PWM变换器方式进行仿真。5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计调节器参数计算根据5.1.1节中的内容，计算得到电流调节器的参数为τi=0.0144s，Ki=0.266，即电流调节器为设计得到转速调节器的参数为τn=0.05725s，Kn=124.686，即转速调节器为5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计纯传递函数仿真设计图5-6PWM变换器-直流电动机调速系统的纯传递函数仿真模型(1)仿真的上半部分为PWM变换器及直流电动机部分的传递函数，仿真中反电动势E对电流内环的影响并未忽略。(2)仿真的下半部分为设计的双闭环控制系统，转速给定电压Un*=10V，转速反馈滤波时间Ton为0.01s，电流反馈滤波时间常数Toi为0.0006s。(3)ASR调节器参数以带限幅的PI调节器实现，Kp为124.686，Ki为124.686/0.05725=2177.92，ASR的限幅决定了允许的最大电流值，仿真中设置±10V。(4)ACR调节器参数以PI调节器实现，Kp为0.266，Ki为0.266/0.0144=18.47，由于ACR在整个工作中不允许出现饱和情况，故ACR的限幅可以不设，或者设置为inf和-inf。(5)整个系统以给定Un*=10V启动，在t=5s时，加载50N∙m，在t=8s时，减载50N∙m。5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计纯传递函数仿真设计图5-7PWM变换器-直流电动机调速系统的纯传递函数仿真的转速和电流波形5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计PWM变换器-直流电动机仿真设计图5-8PWM变换器-直流电动机调速系统的实际模块仿真模型直流侧电压给定为500V，PWM变换器采用桥式可逆PWM变换器模块，以并联续流二极管的MOSFET作为功率开关器件；直流电机选择电机库中的DCMachine模块，励磁电压为220V、输入设置为TL输入，电机参数按实际电机参数设置；电枢回路串入5mH的平波电抗器，仿真启动及加减载情况同上。5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计PWM变换器-直流电动机仿真设计图5-8PWM变换器-直流电动机调速系统的实际模块仿真模型直流侧电压给定为500V，PWM变换器采用桥式可逆PWM变换器模块，以并联续流二极管的MOSFET作为功率开关器件；直流电机选择电机库中的DCMachine模块，励磁电压为220V、输入设置为TL输入，电机参数按实际电机参数设置；电枢回路串入5mH的平波电抗器，仿真启动及加减载情况同上。PWM变换器输出UAB给电机电枢电压供电，由于电机自带输出测量为角速度，因而需要乘上9.55获得时间转速n。需要注意的是，在实际仿真中，ACR输出Uc需要跟三角载波比较生成驱动桥式可逆PWM变换器的信号，为使两者匹配，仿真中设置ACR输出限幅为±5V，同时设置三角载波的幅值也为5V、载波频率为开关频率8kHz。5.1直流拖动系统5.1.3仿真设计PWM变换器-直流电动机仿真设计图5-10PWM变换器-直流电动机调速系统的实际模块仿真的波形5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.1工作原理图5-11异步电动机变压变频调速的控制特性变压变频调速是异步电动机基于稳态模型调速的一种常用调速方法，在极对数np一定的情况下，电机同步转速n1随频率变化，即1)基频以下调速恒压频比控制方式。当电机运行频率很低时，Us和Eg都比较小，此时定子电阻和漏感上的压降无法忽略，需要人为对Us进行太高、以补偿上述压降。2)基频以上调速在基频以上调速时，频率从额定频率f1N往上增大，而受电机绝缘耐压等因数影响，定子电压Us无法同步上升、只能保持额定电压UsN值不变，此时电机每极磁通量、即工作在弱磁状态。异步电动机变压变频调速的控制特性如图5-11所示。5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.1工作原理3)控制系统图5-12异步电动机变压变频调速的开环控制原理图图5-13异步电动机变压变频调速的闭环控制原理图5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.2仿真设计-开环控制图5-14异步电动机变压变频调速的开环控制仿真模型仿真中直流侧电压给定为1000V，变频器采用三全桥PWM变换器模块，以并联续流二极管的IGBT作为功率开关器件；异步电动机选择电机库中的AsychronousMachinesSIUnits模块。仿真情况为：t=0时，电机以额定频率50Hz空载启动；t=1s时，额定频率运行加载10N∙m负载；t=2s时，10N∙m负载下同步频率将至20Hz，仿真时间为3s；具体的频率及加减载设置如图5-16所示。图5-16同步频率及加减载设置5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.2仿真设计-开环控制图5-14异步电动机变压变频调速的开环控制仿真模型仿真中直流侧电压给定为1000V，变频器采用三全桥PWM变换器模块，以并联续流二极管的IGBT作为功率开关器件；异步电动机选择电机库中的AsychronousMachinesSIUnits模块。图5-17一维查表模块及参数设置对话框仿真中采用斜率限制函数来作为的频率给定方法，频率升降斜率为±200Hz/s。带定子电压低频补偿的电压/频率特性曲线采用一维查表模块实现，输入同步频率设置为[0,5,25,50,75]，对应的输出电压幅值为[0.1,0.1,0.5,1,1]，具体模块及参数配置如图5-17。5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.2仿真设计-开环控制图5-14异步电动机变压变频调速的开环控制仿真模型仿真中直流侧电压给定为1000V，变频器采用三全桥PWM变换器模块，以并联续流二极管的IGBT作为功率开关器件；异步电动机选择电机库中的AsychronousMachinesSIUnits模块。图5-18异步电动机变压变频控制的脉冲生成模块5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.2仿真设计-开环控制图5-19定子电压频率、幅值、三相电压及触发脉冲波形5.2交流异步电动机的变压变频调速5.2.2仿真设计-开环控制图5-20异步电动机变压变频调速的开环控制时的仿真波形5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.1工作原理矢量控制的基本思路是通过坐标变换，按照磁链定向，实现电机定子电流的磁链与转矩分量的解耦控制；根据所选定向矢量的不同，异步电机的控制可分为基于定子磁链定向的控制、基于气隙磁链定向的控制和基于转子磁链定向的控制。本文选用基于转子磁链定向的矢量控制，将dq旋转坐标系的d轴定向在转子磁链上，这样，转子磁链的q轴分量Ψrq为零，考虑到异步电动机的转子电压为零，应用转子磁链定向矢量控制理论，异步电动机的电压、磁链及转矩方程可表述为5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.1工作原理经过整理可得电机方程为由上式可知，在忽略了反电势引起的交叉耦合项以后，可由定子电压d轴分量控制转子磁链，定子电压q轴分量控制转矩，实现了磁链和转矩的解耦控制，可以获得和直流调速相媲美的调速性能。对于式中的交叉耦合项，应用前馈补偿方法。对应的矢量控制系统的结构框图，如图5-21所示。图5-21异步电动机矢量控制系统的结构框图5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计图5-22异步电动机矢量控制仿真模型系统所采用的逆变器直流电压为650V，图中包括异步电机(鼠笼式异歩电机)模型、三相IGBT逆变桥模型以及建立的SVPWM模块、转子磁链观测模块、前馈补偿模块、PI调节器模块和3s/2s、2s/2r、2r/2s等坐标变换模块等。5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计图5-233s/2s仿真模型坐标变换模块图5-243s/2r仿真模型5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计磁链观测模块按转子磁链定向的矢量控制系统中，转子磁链(包括幅值和相位)的准确获取是关键。由于转子磁链直接检测困难，一般通过易测的电压电流或转速信号，借助于转子磁链模型进行获取。转子磁链模型可以直接从电动机模型中推导出来，也可以利用状态观测器等进行闭环观测，在应用中使用较多的是电流模型和电压模型两种。本仿真以电压模型为例进行介绍。在αβ两相静止坐标系的定子电压方程、磁链方程分别为5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计磁链观测模块图5-25基于电压模型的磁链观测模型5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计控制系统模块图5-26控制系统仿真模型5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计图5-27异步电机转速波形仿真条件为：0s时控制器发出起动指令，给定转速为电机的额定转速1420rpm。电机带额定负载启动，在2.5s时负载突减为50%额定负载，在3.5s恢复额定负载。图5-28电磁转矩波形5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计图5-29定子电流波形5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计图5-30异步电机转速波形图5-31电磁转矩波形仿真条件为：0s时控制器发出起动指令，给定转速为电机的额定转速1420rpm,电机带额定负载启动，在3.5s时发出停止指令。5.3交流异步电动机的矢量控制5.3.2仿真设计图5-31定子电流波形5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.1工作原理图5-34交流异步电动机DTC控制系统的原理框图

直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl,DTC)系统，是即矢量控制系统之后发展的另一种应用广泛的高动态性能的交流电动机调速方法。DTC控制系统的基本思路是根据定子磁链幅值偏差的正负符号、电磁转矩偏差的正负符号，再根据当前时刻定子磁链矢量所在的位置，直接通过选择合适的电压空间矢量来减小定子磁链幅值偏差和电磁转矩偏差，从而实现电磁转矩和定子磁链的控制。5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.1工作原理显然，由上述动态模型可知，usd决定着定子磁链幅值的衰减，而usq决定定子磁链矢量的旋转角速度，从而决定了转差频率和电磁转矩。5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.1工作原理图5-33定子磁链圆形轨迹扇区图以当前定子磁链矢量ΨsI位于第I扇区为例，矢量u2可使定子磁链幅值增加、同时正向旋转；矢量u4可使定子磁链幅值减小、同时正向旋转。当前定子磁链矢量ΨsIII位于第III扇区为例，矢量u2可使定子磁链幅值减小、同时方向旋转；矢量u4可使定子磁链幅值增加、同时朝反向旋转。5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.1工作原理电机正转情况下，当usd作用为“+”时，定子磁链幅值加大；

为“-”时，定子磁链幅值减小；为“0”时，定子磁链幅值维持不变。当usq作用为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大；为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小

。同样的方法可以推广至不同扇区、不同运行状态。5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.2仿真设计图5-35电机控制仿真Demo5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.2仿真设计图5-37DTC仿真Demo的具体组成图5-38DTC控制模块的参数配置对话框5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.2仿真设计图5-39实际磁链、转矩计算模块图5-40基于滞环的磁链、转矩调节模块图5-41查表输出模块5.4交流异步电动机的直接转矩控制5.4.2仿真设计图5-43交流异步电动机的DTC控制仿真波形在t=0s时，电机以500r/min带额定负载启动；在t=1s时，转速降为0；在t=1.5s时，负载从正跳变到负值。5.5交流异步电动机的模型预测控制5.5.1模型预测控制简介图5-44模型预测控制基本原理

模型预测控制是一种应用于工业领域的控制方法，通过最优目标价值函数直接选出逆变器的最优开关组合状态，来控制开关管的动作，具有动态响应快、适用于多参数目标优化等优点，是交流电机高性能调速的第三种应用广泛的控制算法。

模型预测控制又被称为滚动时域控制。模型预测控制算法一般分为三步：第一步利用系统的采样值和系统模型来预测下一时刻的系统状态变量；第二步通过滚动优化，根据每一种输出对应的系统状态及目标函数选出最优的解；第三步，系统每一个时刻的采样都要依据当前的误差值来计算下一个时刻控制量的变化，以新的参数代替旧的参数，滚动向前。图5-45模型预测控制结构图5.5交流异步电动机的模型预测控制5.5.2交流异步电动机的模型预测控制图5-46基于转子磁链定向的异步电机模型预测电流控制结构框图通过外环给定的磁链Ψr*与磁链观测器观测的磁链Ψr之差经过PI调节器，输出得到磁链电流指令isd*；同理，通过给定转速ωr*与编码器测定转速ωr之差经过PI调节器，输出得到转矩电流指令isq*，经过2r/2s坐标变换后得到两相静