基于RTLAB&MATLAB的三相异步电机矢量控制系统在回路仿真研究

刘君，胡传西

基于RTLAB&MATLAB的三相异步电机矢量控制系统在回路仿真研究

刘君，胡传西

(武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064)

本文建立了三相异步电机矢量控制数学模型，利用MATLAB仿真工具和RTLAB半实物仿真平台搭建了三相异步电机硬件在回路矢量控制系统，并将该仿真系统移植到实际变频驱动系统上，半实物仿真与试验结果基本吻合，验证了半实物仿真模型准确，半实物仿真移植到实际系统可行、便利，该仿真研究方法可应用到产品开发和科研中，具有应用价值。

RTLAB MATLAB 异步电机矢量控制

0 引言

目前，电力电子仿真多为离线的，虽精度高，收敛性好，成本低，但速度慢成为其致命弱点，且仿真效果取决于模型质量。而使用实物实验则受硬件设备及环境等因素的影响，成本过高，且难以模拟一些极限工况，应用受到限制。另一方面，为缩短开发时间往往并行设计开发，控制器与被控设备同时研制，这就要求在原型物理样机尚不具备的情况下实时实验，把实物系统放置在计算机仿真环节中进行仿真研究即半实物仿真可以解决上述问题。半实物仿真典型应用：1）将实际逆变器—电机—传感器代之以其实时模型，与实际控制器构成闭环测试系统。该系统回路中具有实际控制计算机及接口硬件，因而称为硬件在回路；2）快速控制原形，采用控制器实时模型与实际电机系统构成闭环控制回路，实现控制系统快速生成。RT-LAB是加拿大一家Opal-RT Technologies公司推出的针对电机控制系统进行分析、测试的半实物仿真系统。将Matlab/Simulink或MATRIXx/SystemBuild 建立的动态系统数学模型直接应用于仿真，控制，测试以及其它相关领域，实现电机控制系统的设计，实时仿真，快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案。本课题即是基于RT-LAB和MATLAB，搭建了三相异步电机矢量控制系统半实物仿真试验平台，实时仿真及试验结果证明了该仿真平台可达到高精度、快速响应及很高的系统稳定性。

1 三相异步电机矢量控制原理及数学模型

三相异步电机经坐标变换，将旋转坐标轴轴定义在转子旋转磁场上,记为MT坐标轴。记θ为旋转坐标轴M轴与定子相轴线的夹角，则有

磁链方程为:

电磁转矩为：

电压方程为:

由以上推导公式可知：三相异步电机经（MT）坐标变换后转化为解耦的直流量。通过对转子磁链的闭环控制，保证转子磁链大小恒定，通过调节转矩电流大小来调节转速。

三相异步电机矢量控制模型如图1所示。电机电流模型如下：

其中，带*为给定值。 电流磁链观测模型框图如图2所示。

2 试验平台搭建及控制软件设计

基于电力电子系统硬件在回路半实物仿真试验平台示意图如图4、图5所示，由DSP核心板，接口驱动与调理电路，EMEGASIM实时仿真平台组成。调理电路用差分运放、跟随、滤波实现，脉冲驱动用电平转换芯片和光耦完成。

程序中采用恒转子磁链定向控制的控制策略，载波频率固定为2 kHz，可以实现调制波频率1～50 Hz变频功能、死区功能、过流、过压检测保护功能等。DSP晶振为30 MHz，内部5倍频，时钟频率为150 MHz。死区时间为4 μs。T1定时器设置开关频率2 kHz，T2定时器用作转速检测，T4定时器设置程序循环周期0.5 ms，程序中用到三个中断，包括：外部中断1、AD中断，串口中断。其中，外部中断1为硬件故障中断，一旦有故障，程序马上封锁PWM脉冲；AD中断用于采样；串口中断用于接收启动停机、界面参数等信息。DSP软件主流程图及正常工作模式流程图如6，7所示。

3 实时仿真及试验结果

该仿真按照真实需求设置参数，最小脉宽时间5 μs，死区时间4.266 μs，载波周期2 kHz，电流环运行周期0.5 ms，转速环运行周期2.5 ms；电机、主回路、PWM采集模块运行周期35 μs，其中PWM采集模块通过对采样周期内的事件补偿，可达到微妙级精度。满负载时，按启动开关0.5 s后旁路预充电单元，电机带载启动到额定转速1500 RPM（对应额定负载）。

4 结果分析及结论

仿真及实验结果分析：空载、带载时定子电压、电流幅值、频率比较稳定；空载和带载时电机转子磁链保持不变；磁链闭环控制达到保证转子磁链恒定目标；空载、带载时电机均能稳定运行在给定转速。由此可见，本文搭建的基于RTLAB&MATLAB半实物仿真平台不但具有很高的精度，且能够模拟实时工况，仿真结果更贴近实际，研究结果具有一定的应用价值。

[1] 刘宝柱，苏彦华，张宏林．MATLAB7.0从入门到精通. 人民邮电出版社, 2010.

[2] 郭新，冯丽辉，陈显宁. 交流异步电动机全数字矢量控制方法的实现. 四川大学学报自然科学版, 2004, (10)：317-321.

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

[4] 贾建强. 基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真. 电机与控制学报, 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

刘君（1984－），女，工程师，硕士。研究方向：舰船电力推进系统。