Simulink 电力电子器件控制设计

感应电机转速控制

使用 Simulink 开发和部署感应电机转速控制算法

Motor Control Blockset 

设计和实现电机控制算法

感应电机转速控制是指控制感应电机中的电流以调节转速的过程。感应电机经常用于定频应用,但在工业驱动和电动汽车等变频应用中也很常见。在变频运行时,使用逆变器调节定子绕组的电流。

感应电机的转差和产生的转矩

图例:
黄色箭头 - 产生的转矩
品红色箭头 - 旋转的定子磁场
蓝色箭头 - 转子转速

感应电机通过定子和转子中的磁场耦合来运转。定子中的电流产生旋转磁场,该磁场在转子中感应电流并产生滞后磁场。磁场相互作用,使转子以小于定子磁场转速的角速度旋转。这种旋转滞后称为转差,它在电机轴上提供转矩。增大电机上的负载将提高转差和电机转矩输出。

对于鼠笼式感应电机,基于磁场定向控制 (FOC) 的转速控制将调节 Id 和 Iq,使得磁通与 Id 成正比,转矩与 I q 成正比。这种方法可以增大转速范围,提高动态和稳态性能。Simulink® 支持在硬件测试之前,使用多速率仿真在电机的整个工况范围内设计、调整和验证 FOC 算法。

此 Simulink 模块图展示了鼠笼式三相感应电机转速控制的典型 FOC 算法。

感应电机转速控制的 FOC 算法。

感应电机转速控制的 FOC 算法。

感应电机控制策略的主要组成部分包括:

  • 内环(比例积分,即 PI)
    • q 轴电流控制:调节 q 轴电流以控制作用于电机的电转矩
    • d 轴电流控制:在弱磁控制中,调节电流以降低 d 轴磁通,以降低转矩为代价,使电机转速能够超过其基本转速
  • 外环 (PI):感应电机转速控制回路。与内环(电流控制)相比,外环的采样率较低,并产生一个转矩设定值。设定值经过处理,为内环创建 d 轴和 q 轴电流参考
  • 克拉克变换、帕克变换和反向帕克变换:在静止和旋转同步坐标系之间转换
  • 转差速度估计:由于感应电机是异步电机,需要估计定子频率和转子频率之间的转差,以计算转子的同步转速和位置
  • 空间矢量调制 (SVM):生成调制脉冲来控制逆变器中的电力电子开关
  • 速度传感器:可使用正交编码器或其他传感器来测量感应电机的转速。在感应电机的无传感器控制中,基于观测器的算法取代了物理传感器,用于实时估计电机转速。

Simscape Electrical™Motor Control Blockset™ 提供感应电机磁场定向控制示例,可用于开发感应电机转速控制的仿真模型。使用 Simulink 进行感应电机转速控制仿真有助于减少对原型测试的需求,并支持在一些难于付诸硬件测试的故障工况下验证控制算法的稳健性。

使用 Simscape Electrical 和 Motor Control Blockset,电机控制工程师可采用以下方式开发感应电机转速控制:

  • 感应电机、逆变器、转速和电流控制器建模
  • 使用控制设计方法自动调节感应电机转速控制回路增益
  • 设计用于估计转子位置和转速的观测器算法。
  • 仿真启动、停机和错误模式,并设计降额和保护逻辑来确保安全运行
  • 运行电机和控制器的闭环仿真以测试正常和异常运行情况下的系统性能
  • 从模型生成 ANSI、ISO 或处理器优化的 C 代码和 HDL,用于快速原型、硬件在环测试和生产实现
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电力电子控制设计

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