用FOC電機控制MATLAB仿真案列分析
2020-7-21 10:49:02??????點擊：
整體結構及功能介紹
用MATLAB2013以上版本打開文件，看到如圖所示界面：
可以看到仿真最外層由四個模塊組成，電源模塊（紅色方框），電機與控制模塊（藍色方框），控制信號給定模塊（黃色方框），信號分路與顯示模塊（綠色方框）。其系統原理框圖如下：
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。
2.控制信號給定模塊
可以設置電機的給定速度與負載轉矩大小。
3.按轉子磁鏈定向的電機及其控制模塊
此模塊是仿真的主體，實現對異步電機主體的轉子磁鏈定向控制。
4.信號分路與顯示模塊
通過demux模塊將復合信號進行拆分，得到想要觀測的目標信號，并通過示波器進行顯示。
0 2
Field-Oriented Control Induction Motor Drive模塊的詳細說明
右鍵點擊Field-Oriented Control InducTIon Motor Drive模塊，按下圖操作可看到此模塊內部的具體結構。
其內部封裝及模塊功能說明如下：
1、不控整流
將三相交流電源作為輸入，通過此環節實現AC-DC的轉換，得到直流電壓。
2、帶有制動的斬波控制環節
此環節可以對獲得的DC電壓進行變換，通過斬波調制的方式得到可調的直流電壓，是一個DC-DC的轉換環節。此外因為前路的AC-DC環節是使用的不控整流，為了解決可能會有的泵升效應，此環節帶有制動功能，將電機的饋入能量通過制動電阻進行消耗。
3、逆變環節
此環節實現DC-AC的變換，其輸入的門極信號由FOC模塊的輸出提供，由此得到三相電壓對異步電機進行驅動。
4、轉速調節環節
實現電機對給定轉速的追蹤，并作為控制外環，將輸出作為轉矩的給定信號送入轉子磁鏈定向控制模塊。雙擊此模塊，具體結構如下：
其簡化的系統框圖為：
由實際轉速和給定轉速作為輸入量，通過PI控制器得到轉矩給定，作為輸出量，送至FOC模塊。其中MagC是一個二進制信號，表示機器是否足夠磁化以啟動（1）或不（0）。該信號通常由磁場定向控制器FOC提供。
5、FOC模塊
雙擊打開FOC模塊內部封裝，可以看到如下結構：
其中有11個模塊，簡化的原理框圖如下：
在FOC控制模塊中總共有11個子模塊分別是：
1）Flux calculaTIon（轉子磁鏈ψr計算模塊）通過定子電流的d軸分量計算轉子磁鏈。
2）Teta calculaTIon（轉子磁場相角Θe計算）
3）ABC-DQ（3/2變換）
4）DQ-ABC（2/3變換）
5）iqs*計算模塊通過計算所得的轉子磁通和轉矩給定求取長生電磁轉矩的定子電流q軸分量。
6）ids*計算模塊通過給定轉子磁通計算產生轉子磁通的定子電流d軸分量。
7）電流滯環調節器（Current regulator）通過電流滯環比較產生驅動逆變器的脈沖。
8）開關控制模塊（Switching control）將逆變器換向頻率最大值限制為用戶給定的最大值。
9）磁通控制器（Flux_PI）通過PI控制，減少穩態磁通誤差，控制磁通動態變化。
10）磁化矢量模塊（M_vector）創建電機初始磁通矢量。
11）磁化控制模塊（MagneTIzation）提供磁化和正常工作模式下的邏輯信號，也即產生MagC信號。
6、測量及異步電機模塊
對逆變器輸出量進行測量，并且可以對異步電機的參數進行設置。
0 3
波形分析
運行仿真，得到如下波形
（1） 0-0.045s：開始的時候，轉速為零，轉矩為零，定子電壓和直流側電壓不為零，此階段為磁化階段，定子電流建立磁場。
（2） 0.045-0.5：磁化完成，電機開始進行轉速調節，轉速升高。定子電流頻率隨著轉速升高減小。
（3） 0.5-0.6s：到0.5s時，負載轉矩增加為設定值，為了維持轉速的增加，電磁轉矩相應增大，定子電流增加，定子電流頻率隨著轉速升高進一步下降。第0.6s，電機達到給定轉速500r/min，此時電磁轉矩等于負載轉矩
（4） 0.6-1s：電動機恒速運行，轉矩與定子電流不再變化。
（5） 1-1.5s：此時轉速給定變為0，電機電磁轉矩減小，電機在負載轉矩的作用下進行減速，定子電流幅值減小，頻率增加。
（6） 1.5-1.55s：此時負載轉矩變為負值，電機變為發電機運行，此時轉速不為零，為了跟隨給定轉速，電磁轉矩要比負載轉矩要小，這樣才能繼續實現減速，從而跟隨給定，至1.55s時轉速變為零。
（7） 1.55-3s：電磁轉矩等于負載轉矩，電機速度為零且保持不變。
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電機參數
用MATLAB2013以上版本打開文件，看到如圖所示界面：
可以看到仿真最外層由四個模塊組成，電源模塊（紅色方框），電機與控制模塊（藍色方框），控制信號給定模塊（黃色方框），信號分路與顯示模塊（綠色方框）。其系統原理框圖如下：
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。
2.控制信號給定模塊
可以設置電機的給定速度與負載轉矩大小。
3.按轉子磁鏈定向的電機及其控制模塊
此模塊是仿真的主體，實現對異步電機主體的轉子磁鏈定向控制。
4.信號分路與顯示模塊
通過demux模塊將復合信號進行拆分，得到想要觀測的目標信號，并通過示波器進行顯示。
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Field-Oriented Control Induction Motor Drive模塊的詳細說明
右鍵點擊Field-Oriented Control InducTIon Motor Drive模塊，按下圖操作可看到此模塊內部的具體結構。
其內部封裝及模塊功能說明如下：
1、不控整流
將三相交流電源作為輸入，通過此環節實現AC-DC的轉換，得到直流電壓。
2、帶有制動的斬波控制環節
此環節可以對獲得的DC電壓進行變換，通過斬波調制的方式得到可調的直流電壓，是一個DC-DC的轉換環節。此外因為前路的AC-DC環節是使用的不控整流，為了解決可能會有的泵升效應，此環節帶有制動功能，將電機的饋入能量通過制動電阻進行消耗。
3、逆變環節
此環節實現DC-AC的變換，其輸入的門極信號由FOC模塊的輸出提供，由此得到三相電壓對異步電機進行驅動。
4、轉速調節環節
實現電機對給定轉速的追蹤，并作為控制外環，將輸出作為轉矩的給定信號送入轉子磁鏈定向控制模塊。雙擊此模塊，具體結構如下：
其簡化的系統框圖為：
由實際轉速和給定轉速作為輸入量，通過PI控制器得到轉矩給定，作為輸出量，送至FOC模塊。其中MagC是一個二進制信號，表示機器是否足夠磁化以啟動（1）或不（0）。該信號通常由磁場定向控制器FOC提供。
5、FOC模塊
雙擊打開FOC模塊內部封裝，可以看到如下結構：
其中有11個模塊，簡化的原理框圖如下：
在FOC控制模塊中總共有11個子模塊分別是：
1）Flux calculaTIon（轉子磁鏈ψr計算模塊）通過定子電流的d軸分量計算轉子磁鏈。
2）Teta calculaTIon（轉子磁場相角Θe計算）
3）ABC-DQ（3/2變換）
4）DQ-ABC（2/3變換）
5）iqs*計算模塊通過計算所得的轉子磁通和轉矩給定求取長生電磁轉矩的定子電流q軸分量。
6）ids*計算模塊通過給定轉子磁通計算產生轉子磁通的定子電流d軸分量。
7）電流滯環調節器（Current regulator）通過電流滯環比較產生驅動逆變器的脈沖。
8）開關控制模塊（Switching control）將逆變器換向頻率最大值限制為用戶給定的最大值。
9）磁通控制器（Flux_PI）通過PI控制，減少穩態磁通誤差，控制磁通動態變化。
10）磁化矢量模塊（M_vector）創建電機初始磁通矢量。
11）磁化控制模塊（MagneTIzation）提供磁化和正常工作模式下的邏輯信號，也即產生MagC信號。
6、測量及異步電機模塊
對逆變器輸出量進行測量，并且可以對異步電機的參數進行設置。
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波形分析
運行仿真，得到如下波形
（1） 0-0.045s：開始的時候，轉速為零，轉矩為零，定子電壓和直流側電壓不為零，此階段為磁化階段，定子電流建立磁場。
（2） 0.045-0.5：磁化完成，電機開始進行轉速調節，轉速升高。定子電流頻率隨著轉速升高減小。
（3） 0.5-0.6s：到0.5s時，負載轉矩增加為設定值，為了維持轉速的增加，電磁轉矩相應增大，定子電流增加，定子電流頻率隨著轉速升高進一步下降。第0.6s，電機達到給定轉速500r/min，此時電磁轉矩等于負載轉矩
（4） 0.6-1s：電動機恒速運行，轉矩與定子電流不再變化。
（5） 1-1.5s：此時轉速給定變為0，電機電磁轉矩減小，電機在負載轉矩的作用下進行減速，定子電流幅值減小，頻率增加。
（6） 1.5-1.55s：此時負載轉矩變為負值，電機變為發電機運行，此時轉速不為零，為了跟隨給定轉速，電磁轉矩要比負載轉矩要小，這樣才能繼續實現減速，從而跟隨給定，至1.55s時轉速變為零。
（7） 1.55-3s：電磁轉矩等于負載轉矩，電機速度為零且保持不變。
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電機參數
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