simulink异步电机模型（simulink中异步电机参数设置）

简介：本期主要介绍异步电机矢量控制在滞环CHBPWM调制和SVPWM调制下的控制性能对比。

一、简介

应用PWM控制技术的变压器变频器通常为电压源型，可以根据所需的设计参数来控制输出电压。对于交流电机来说，需要保证输出电流为正弦电流，因为只有在交流电机绕组中通入三相平衡的正弦电流，合成的电磁扭矩才能成为不存在脉动分量的恒定电磁扭矩。因此，有必要对电流采用闭环控制方法，这样可以取得比电压开环控制更好的性能。传统的SPWM控制技术没有考虑输出电流。主要使变压器变频器的输出电压成为正弦波。电流滞环跟踪控制PWM（CHBPWM）直接控制输出电流，使其接近正弦波。为了使电机中产生旋转的圆形磁场，从而发出恒定的电磁扭矩，异步电机需要向异步电机输入三相交流电。根据这一特点，如果将逆变器和异步电机作为一个整体考虑，通过跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作状态，其响应能力会更好。这种方法也称为磁通跟踪控制。即电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术。

为了更好地了解异步电机在不同控制策略下的运行特性，本文利用Matlab/Simulink软件设计了电流滞环跟踪控制技术和电压空间矢量控制技术的数学模型，并在异步电机上实现。对比分析了两种控制方式下的运行特性。

2. 迟滞和SVPWM调制策略

2.1 电流滞环跟踪控制PWM技术

滞环电流控制的基本思想是给出一个三相电流信号，将其与电流传感器测得的三相电流进行比较，利用其差值通过滞环比较器控制功率开关管，使实际电流当前值跟踪参考电流值。

图1 滞环电流跟踪控制

图1为滞环电流跟踪控制原理图，H为滞环比较器的环宽。工作时，ic_ref与ic之间的差异导致误差电流ic始终处于以0为中心、H和-H为上下限的磁滞环内。 H的设置是为了避免逆变器开关状态变化速度过快。在ic_ref的基础上，设计了两个宽度为h的误差滞环。

具体工作过程为：当ic_ref-ic>H时，滞环比较器输出高电平，驱动上臂开关器件S1导通，使ic增大。当ic增加到等于ic_ref时，迟滞比较器仍然输出高电平，S1保持导通，ic继续增加；当ic - ic_ref > H时，磁滞比较器翻转，输出低电平信号关闭S1，并在死区时间后驱动下臂。开关S4。但此时S4可能不导通，因为ic（负载电流）并没有反转方向，而是通过续流二极管D4保持原方向流动，其值逐渐减小。

通过滞环控制，使变频器实际输出电流与给定值的偏差保持在-h~h之间，并在给定电流上下呈锯齿状变化。当给定电流为正弦波时，输出电流也非常接近正弦波。

滞环电流控制方法具有控制精度高、响应速度快、电流跟踪能力强等优点。但滞环宽度H选择是否合适，将直接影响补偿电流跟踪指令电流，进而影响谐波补偿效果。由于电流纹波较大且开关频率不确定，因此很少使用滞环电流控制。

2.2 电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）

在传统的PWM变压变频调速系统中，通常采用六拍步进波逆变器为交流电机提供电源。此时电压空间矢量的运动轨迹如图2所示，三相逆变器-异步电机调速系统主电路原理图如图3所示。

图2 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹

图3 三相逆变器-交流电机主电路原理图

逆变器采用上下管换流方式，功率管有八种工作状态。对于这种六拍阶梯波逆变器，每个输出周期会出现一次有效工作状态，状态切换间隔为/3。为了讨论方便，将正六边形电压矢量转换为放射状形式，如图4所示。各电压空间矢量之间的相位关系保持不变，因此逆变器的工作周期可分为6个区段。

图4 6个扇区的电压空间矢量

在一个周期内，逆变器开关状态顺序为100、110、111、000、000、111、110、100。在实际工程中，系统应尽量减少开关状态变化带来的损耗。因此，每次开关状态切换时只需切换一个开关器件即可满足最小的开关损耗。

综上所述，可以看出SVPWM控制方式的特点是：一个工作周期分为6个扇区。为了使电机旋转磁场接近圆形，控制方法取决于开关频率的设置。开关投切合理，损耗小。各状态的切换以零电压开始并以零电压结束。采用SVPWM控制方式时，输出侧线电压基波的最大值即为直流侧电压，提高了输出能力。

本节讨论SVPWM控制技术的原理基础，并对其工作特性进行动态分析，为后续的仿真对比做好铺垫。

3 仿真模型构建

异步电动机的定子侧为三相绕组，转子侧为闭合导电带。两者通过气隙磁场的耦合来工作。因此，在仿真异步电机时，可以通过坐标变换将其解耦，使其具有与直流电机相似的调速特性。本文采用Matlab/Simulink作为仿真工具，对异步电机的电流滞环控制和电压空间矢量控制方法进行对比分析。设定直流电压为540V，异步电机极对数为2，转动惯量为0.067kgm，仿真时间为1s。

图5 基于SVPWM的异步电机矢量控制系统仿真

图6 基于SVPWM的异步电机矢量控制系统仿真波形变化

图7 基于CHBPWM的异步电机矢量控制系统仿真

图8 基于CHBPWM的异步电机矢量控制系统仿真波形变化

通过图6和图8波形对比可以看出，基于SVPWM的异步电机矢量控制系统在负载和速度突变的情况下，转矩脉动要小得多，定子电流更趋于正弦波。

4. 总结

综上，分析了异步电机的工作特性，阐述了电流滞环控制和空间矢量控制技术（SVPWM）的控制原理。利用Matlab/Simulink软件对采用上述两种控制方法的异步电机的仿真结果进行了分析研究。实验证明，SVPWM控制方法下的异步电机具有更高的稳定性和更快的响应速度。

审稿编辑：唐子红