交流電機(jī)控制與MATLAB仿真軟件結(jié)合的教學(xué)實(shí)例探討

魏尚北+牛超

摘 要：矢量控制是交流調(diào)速理論中最抽象、最重要的內(nèi)容之一，本文根據(jù)目前交流電機(jī)控制教學(xué)中存在的問題，將MATLAB仿真技術(shù)運(yùn)用到交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)教學(xué)中，通過對各個(gè)單元模塊的仿真建模，把抽象的理論知識分解成對各個(gè)模型的認(rèn)識，使得一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的輸入、輸出以及控制變得簡單、直觀，從而實(shí)現(xiàn)生動形象地引導(dǎo)學(xué)生理解矢量變頻調(diào)速原理，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：MATLAB；仿真教學(xué)；交流電機(jī)矢量控制

一、引言

交流調(diào)速系統(tǒng)是電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、微電子學(xué)、自動控制理論等多學(xué)科交叉應(yīng)用的一門學(xué)科。傳統(tǒng)教學(xué)方法一般按照原型電機(jī)、坐標(biāo)變換、磁場定向的矢量控制思路進(jìn)行講授， 這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法理論性強(qiáng)，難度大，致使學(xué)生難以理解和掌握相關(guān)內(nèi)容。此外，利用實(shí)驗(yàn)平臺學(xué)習(xí)和研究矢量控制知識，存在實(shí)驗(yàn)裝置有限、實(shí)驗(yàn)平臺對學(xué)生的編程能力要求較高、坐標(biāo)變換、矢量控制的思想也不夠直觀等問題。

利用MATLAB軟件可非常容易地構(gòu)建虛擬與實(shí)際相符合的實(shí)驗(yàn)平臺，使得復(fù)雜系統(tǒng)的輸入、輸出及控制變得相當(dāng)簡單和直觀，從而生動地引導(dǎo)學(xué)生理解矢量控制原理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、交流電機(jī)矢量控制的原理

交流電機(jī)矢量控制的原理是由交流電機(jī)坐標(biāo)變換理論，通過3s/2r靜止和旋轉(zhuǎn)變換，獲得等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電機(jī)，再通過模仿直流電機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制量，最后經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，重新獲得三相輸入電流（或電壓），從而控制感應(yīng)電機(jī)。

三、教學(xué)與仿真軟件的結(jié)合

由矢量控制原理可知，交流電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速包含了坐標(biāo)變換、控制器、變頻電源、速度檢測等相關(guān)單元，系統(tǒng)相對復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來較困難。MATLAB軟件Sim-Power Systems模型庫中包含常見的電源、電力電子器件模塊、電機(jī)模塊及相應(yīng)的驅(qū)動和控制測量模塊，將這些圖形模塊應(yīng)用到交流電機(jī)矢量控制調(diào)速仿真，能夠簡化編程工作，方便對模型的描述。

1.坐標(biāo)變換模塊仿真

矢量控制坐標(biāo)變換主要包含Clarke變換和Park變換，學(xué)生對這種坐標(biāo)變換難以理解。因此可利用實(shí)際平臺進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而提高學(xué)生的編程能力。在Simulink環(huán)境下，只需找到相應(yīng)的功能模塊，手動拖動庫中的功能模塊，將其放在新建的文件中，將其連接起來，并按照要求修改各元器件的參數(shù)即可。如圖1、圖2所示建立的Park變換和Clarke變換仿真模型。

2.變頻電源模塊仿真

交流電機(jī)矢量控制的變頻電源模塊主要包含空間矢量脈寬調(diào)制模塊和IGBT模塊，其實(shí)現(xiàn)主要包含以下三步：首先判斷參考向量Uref所處扇區(qū)。其次計(jì)算基本空間電壓向量的作用時(shí)間，最后確定電壓空間向量的切換點(diǎn)，從而形成PWM波。[1]

3.交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)為PID控制器， 整個(gè)系統(tǒng)分為5個(gè)獨(dú)立的功能模塊[2]： 控制器模塊、交流電機(jī)本體模塊、坐標(biāo)變換模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊、IGBT模塊和磁鏈觀測模塊。

四、教學(xué)內(nèi)容仿真實(shí)驗(yàn)

交流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型建立以后，就可以進(jìn)行課程內(nèi)容的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中各個(gè)環(huán)節(jié)的動態(tài)過程在示波器上能夠形象地展示出來，方便學(xué)生通過圖形理解交流電機(jī)矢量控制。感應(yīng)電機(jī)的參數(shù)如表所示。仿真波形如圖3、圖4所示。

由仿真波形圖可看出，所建立的模型與實(shí)際系統(tǒng)相符合，從系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線可以看出該系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)性能，同時(shí)學(xué)生通過觀測波形圖，可以更好地理解和掌握交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)知識。

MATLAB仿真在交流電機(jī)矢量控制教學(xué)中的應(yīng)用，能使抽象、模糊的理論知識變得清晰和容易理解，并且在模型建立的過程中，仿真方案的設(shè)計(jì)和問題的排除也是對學(xué)生創(chuàng)新思維的一種鍛煉。

將仿真技術(shù)引入到課堂，將理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，能為交流電機(jī)矢量控制的教學(xué)提供一種新的手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈民力，張金霞，樊 明，等.基于SIMULINK異步電動機(jī)SPWM控制的動態(tài)仿真[J].青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，（3）： 34-39.

[2]魏祥林，王曉蘭，周啟華.基于SIMULINK的“異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速”輔助教學(xué)[J].中國電力教育，2011，（9）：189-192.