劉君，胡傳西

基于RTLAB&MATLAB的三相異步電機矢量控制系統(tǒng)在回路仿真研究

劉君，胡傳西

(武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064)

本文建立了三相異步電機矢量控制數(shù)學模型，利用MATLAB仿真工具和RTLAB半實物仿真平臺搭建了三相異步電機硬件在回路矢量控制系統(tǒng)，并將該仿真系統(tǒng)移植到實際變頻驅(qū)動系統(tǒng)上，半實物仿真與試驗結(jié)果基本吻合，驗證了半實物仿真模型準確，半實物仿真移植到實際系統(tǒng)可行、便利，該仿真研究方法可應用到產(chǎn)品開發(fā)和科研中，具有應用價值。

RTLAB MATLAB 異步電機矢量控制

0 引言

目前，電力電子仿真多為離線的，雖精度高，收斂性好，成本低，但速度慢成為其致命弱點，且仿真效果取決于模型質(zhì)量。而使用實物實驗則受硬件設備及環(huán)境等因素的影響，成本過高，且難以模擬一些極限工況，應用受到限制。另一方面，為縮短開發(fā)時間往往并行設計開發(fā)，控制器與被控設備同時研制，這就要求在原型物理樣機尚不具備的情況下實時實驗，把實物系統(tǒng)放置在計算機仿真環(huán)節(jié)中進行仿真研究即半實物仿真可以解決上述問題。半實物仿真典型應用：1）將實際逆變器—電機—傳感器代之以其實時模型，與實際控制器構(gòu)成閉環(huán)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)回路中具有實際控制計算機及接口硬件，因而稱為硬件在回路；2）快速控制原形，采用控制器實時模型與實際電機系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制回路，實現(xiàn)控制系統(tǒng)快速生成。RT-LAB是加拿大一家Opal-RT Technologies公司推出的針對電機控制系統(tǒng)進行分析、測試的半實物仿真系統(tǒng)。將Matlab/Simulink或MATRIXx/SystemBuild 建立的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型直接應用于仿真，控制，測試以及其它相關領域，實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)的設計，實時仿真，快速原型與硬件在回路測試的全套解決方案。本課題即是基于RT-LAB和MATLAB，搭建了三相異步電機矢量控制系統(tǒng)半實物仿真試驗平臺，實時仿真及試驗結(jié)果證明了該仿真平臺可達到高精度、快速響應及很高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 三相異步電機矢量控制原理及數(shù)學模型

三相異步電機經(jīng)坐標變換，將旋轉(zhuǎn)坐標軸軸定義在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場上,記為MT坐標軸。記θ為旋轉(zhuǎn)坐標軸M軸與定子相軸線的夾角，則有

磁鏈方程為:

電磁轉(zhuǎn)矩為：

電壓方程為:

由以上推導公式可知：三相異步電機經(jīng)（MT）坐標變換后轉(zhuǎn)化為解耦的直流量。通過對轉(zhuǎn)子磁鏈的閉環(huán)控制，保證轉(zhuǎn)子磁鏈大小恒定，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

三相異步電機矢量控制模型如圖1所示。電機電流模型如下：

其中，帶*為給定值。 電流磁鏈觀測模型框圖如圖2所示。

2 試驗平臺搭建及控制軟件設計

基于電力電子系統(tǒng)硬件在回路半實物仿真試驗平臺示意圖如圖4、圖5所示，由DSP核心板，接口驅(qū)動與調(diào)理電路，EMEGASIM實時仿真平臺組成。調(diào)理電路用差分運放、跟隨、濾波實現(xiàn)，脈沖驅(qū)動用電平轉(zhuǎn)換芯片和光耦完成。

程序中采用恒轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制的控制策略，載波頻率固定為2 kHz，可以實現(xiàn)調(diào)制波頻率1～50 Hz變頻功能、死區(qū)功能、過流、過壓檢測保護功能等。DSP晶振為30 MHz，內(nèi)部5倍頻，時鐘頻率為150 MHz。死區(qū)時間為4 μs。T1定時器設置開關頻率2 kHz，T2定時器用作轉(zhuǎn)速檢測，T4定時器設置程序循環(huán)周期0.5 ms，程序中用到三個中斷，包括：外部中斷1、AD中斷，串口中斷。其中，外部中斷1為硬件故障中斷，一旦有故障，程序馬上封鎖PWM脈沖；AD中斷用于采樣；串口中斷用于接收啟動停機、界面參數(shù)等信息。DSP軟件主流程圖及正常工作模式流程圖如6，7所示。

3 實時仿真及試驗結(jié)果

該仿真按照真實需求設置參數(shù)，最小脈寬時間5 μs，死區(qū)時間4.266 μs，載波周期2 kHz，電流環(huán)運行周期0.5 ms，轉(zhuǎn)速環(huán)運行周期2.5 ms；電機、主回路、PWM采集模塊運行周期35 μs，其中PWM采集模塊通過對采樣周期內(nèi)的事件補償，可達到微妙級精度。滿負載時，按啟動開關0.5 s后旁路預充電單元，電機帶載啟動到額定轉(zhuǎn)速1500 RPM（對應額定負載）。

4 結(jié)果分析及結(jié)論

仿真及實驗結(jié)果分析：空載、帶載時定子電壓、電流幅值、頻率比較穩(wěn)定；空載和帶載時電機轉(zhuǎn)子磁鏈保持不變；磁鏈閉環(huán)控制達到保證轉(zhuǎn)子磁鏈恒定目標；空載、帶載時電機均能穩(wěn)定運行在給定轉(zhuǎn)速。由此可見，本文搭建的基于RTLAB&MATLAB半實物仿真平臺不但具有很高的精度，且能夠模擬實時工況，仿真結(jié)果更貼近實際，研究結(jié)果具有一定的應用價值。

[1] 劉寶柱，蘇彥華，張宏林．MATLAB7.0從入門到精通. 人民郵電出版社, 2010.

[2] 郭新，馮麗輝，陳顯寧. 交流異步電動機全數(shù)字矢量控制方法的實現(xiàn). 四川大學學報自然科學版, 2004, (10)：317-321.

[3] Kuo BC etc. MATLAB tools for control system analysis and design. Engle wood cliffs: Prentice Hall，1993.

[4] 賈建強. 基于MATLAB/SIMULINK的交流電機調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真. 電機與控制學報, 2000, (4) :91-93.

[5] Chen Shaotang. Medeling of motor meaning currents in PWM inverter drives. IEEE TRANK, 1996, 32(6).11-16.

Hardware-in-the -loop Simulation of Three-phase Asynchronous Motor Vector Control Based on RTLAB&MATLAB

Liu Jun, Hu Chuanxi

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM343

A

1003-4862（2014）02-0021-03

2013-03-05

劉君（1984－），女，工程師，碩士。研究方向：艦船電力推進系統(tǒng)。