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如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!

發(fā)布時(shí)間:2020-07-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文將介紹如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真,首先從整體結(jié)構(gòu)及功能介紹,用MATLAB2013以上版本打開文件,看到如圖1所示界面,可以看到仿真最外層由四個(gè)模塊組成:電源模塊(紅色方框)、電機(jī)與控制模塊(藍(lán)色方框)、控制信號(hào)給定模塊(黃色方框)、信號(hào)分路與顯示模塊(綠色方框)。
    
整體結(jié)構(gòu)及功能介紹
 
用MATLAB2013以上版本打開文件,看到如圖1所示界面:
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖1
 
可以看到仿真最外層由四個(gè)模塊組成:電源模塊(紅色方框)、電機(jī)與控制模塊(藍(lán)色方框)、控制信號(hào)給定模塊(黃色方框)、信號(hào)分路與顯示模塊(綠色方框)。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示:
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖2:最上層原理框圖
 
1、電源模塊
 
提供三相正弦交流電,幅值、頻率、相位可調(diào)。
 
2、控制信號(hào)給定模塊
 
可以設(shè)置電機(jī)的給定速度與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小。
 
3、按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的電機(jī)及其控制模塊
 
此模塊是仿真的主體,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)主體的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制。
 
4、信號(hào)分路與顯示模塊
 
通過demux模塊將復(fù)合信號(hào)進(jìn)行拆分,得到想要觀測(cè)的目標(biāo)信號(hào),并通過示波器進(jìn)行顯示。
 
FOC Induction Motor Drive模塊的詳細(xì)說明
 
右鍵點(diǎn)擊FOC(Field-Oriented Control)Induction Motor Drive模塊,按圖3操作可看到此模塊內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu),按下圖操作可看到此模塊內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)。
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖3
 
其內(nèi)部封裝及模塊功能說明如圖4:
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖4
 
1、不控整流
 
將三相交流電源作為輸入,通過此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)換,得到直流電壓。
 
2、帶制動(dòng)的斬波控制環(huán)節(jié)
 
此環(huán)節(jié)可以對(duì)獲得的DC電壓進(jìn)行變換,通過斬波調(diào)制的方式得到可調(diào)的直流電壓,是一個(gè)DC-DC的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。此外因?yàn)榍奥返腁C-DC環(huán)節(jié)是使用的不控整流,為了解決可能會(huì)有的泵升效應(yīng),此環(huán)節(jié)帶有制動(dòng)功能,將電機(jī)的饋入能量通過制動(dòng)電阻進(jìn)行消耗。
 
3、逆變環(huán)節(jié)
 
此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)DC-AC的變換,其輸入的門極信號(hào)由FOC模塊的輸出提供,由此得到三相電壓對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
 
4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)
 
實(shí)現(xiàn)電機(jī)對(duì)給定轉(zhuǎn)速的追蹤,并作為控制外環(huán),將輸出作為轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)送入轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制模塊。雙擊此模塊,具體結(jié)構(gòu)如圖5:
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖5
 
其簡(jiǎn)化的系統(tǒng)框圖如圖6所示:
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖6
 
由實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速作為輸入量,通過PI控制器得到轉(zhuǎn)矩給定,作為輸出量,送至FOC模塊。其中MagC是一個(gè)二進(jìn)制信號(hào),表示機(jī)器是否足夠磁化以啟動(dòng)(1)或不(0)。該信號(hào)通常由磁場(chǎng)定向控制器FOC提供。
 
5、FOC模塊
 
雙擊打開FOC模塊內(nèi)部封裝,可以看到如圖7結(jié)構(gòu):
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖7
 
其中有11個(gè)模塊,簡(jiǎn)化的原理框圖如圖8:
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖8
 
在FOC控制模塊中總共有11個(gè)子模塊分別是:
 
Flux calculation(轉(zhuǎn)子磁鏈ψr計(jì)算模塊)通過定子電流的d軸分量計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈。
Teta calculation(轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相角Θe計(jì)算)
ABC-DQ(3/2變換)
DQ-ABC(2/3變換)
 
iqs*計(jì)算模塊通過計(jì)算所得的轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩給定求取長生電磁轉(zhuǎn)矩的定子電流q軸分量。
ids*計(jì)算模塊通過給定轉(zhuǎn)子磁通計(jì)算產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通的定子電流d軸分量。
電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器(Current regulator)通過電流滯環(huán)比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)逆變器的脈沖。
開關(guān)控制模塊(Switching control)將逆變器換向頻率最大值限制為用戶給定的最大值。
磁通控制器(Flux_PI)通過PI控制,減少穩(wěn)態(tài)磁通誤差,控制磁通動(dòng)態(tài)變化。
磁化矢量模塊(M_vector)創(chuàng)建電機(jī)初始磁通矢量。
磁化控制模塊(Magnetization)提供磁化和正常工作模式下的邏輯信號(hào),也即產(chǎn)生MagC信號(hào)。
 
6、測(cè)量及異步電機(jī)模塊
 
對(duì)逆變器輸出量進(jìn)行測(cè)量,并且可以對(duì)異步電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
 
波形分析
 
運(yùn)行仿真,得到如圖9所示波形
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖9
 
0-0.045s:開始的時(shí)候,轉(zhuǎn)速為零,轉(zhuǎn)矩為零,定子電壓和直流側(cè)電壓不為零,此階段為磁化階段,定子電流建立磁場(chǎng)。
 
0.045-0.5s:磁化完成,電機(jī)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速升高。定子電流頻率隨著轉(zhuǎn)速升高減小。
 
0.5-0.6s:到0.5s時(shí),負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加為設(shè)定值,為了維持轉(zhuǎn)速的增加,電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增大,定子電流增加,定子電流頻率隨著轉(zhuǎn)速升高進(jìn)一步下降。第0.6s,電機(jī)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速500r/min,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩
 
0.6-1s:電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行,轉(zhuǎn)矩與定子電流不再變化。
 
1-1.5s:此時(shí)轉(zhuǎn)速給定變?yōu)?,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小,電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下進(jìn)行減速,定子電流幅值減小,頻率增加。
 
1.5-1.55s:此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值,電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行,此時(shí)轉(zhuǎn)速不為零,為了跟隨給定轉(zhuǎn)速,電磁轉(zhuǎn)矩要比負(fù)載轉(zhuǎn)矩要小,這樣才能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)減速,從而跟隨給定,至1.55s時(shí)轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪?/div>
 
1.55-3s:電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)速度為零且保持不變。
 
電機(jī)參數(shù)
 
如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真!
圖10:電機(jī)參數(shù)表
 
(來源:貿(mào)澤工程師社區(qū),轉(zhuǎn)載自:張飛實(shí)戰(zhàn)電子)
 
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