教你如何用FOC電機(jī)控制MATLAB仿真！

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：

圖1

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(jī)與控制模塊（藍(lán)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(tǒng)原理框圖如圖2所示：

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)對異步電機(jī)主體的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制。4、信號分路與顯示模塊通過demux模塊將復(fù)合信號進(jìn)行拆分，得到想要觀測的目標(biāo)信號，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)。

圖3

其內(nèi)部封裝及模塊功能說明如圖4：

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、帶制動的斬波控制環(huán)節(jié)此環(huán)節(jié)可以對獲得的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，為了解決可能會有的泵升效應(yīng)，此環(huán)節(jié)帶有制動功能，將電機(jī)的饋入能量通過制動電阻進(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，其輸入的門極信號由FOC模塊的輸出提供，由此得到三相電壓對異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電機(jī)對給定轉(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：

圖5

其簡化的系統(tǒng)框圖如圖6所示：

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是一個二進(jìn)制信號，表示機(jī)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(nèi)部封裝，可以看到如圖7結(jié)構(gòu)：

圖7

其中有11個模塊，簡化的原理框圖如圖8：

圖8

在FOC控制模塊中總共有11個子模塊分別是：

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，也即產(chǎn)生MagC信號。

6、測量及異步電機(jī)模塊

對逆變器輸出量進(jìn)行測量，并且可以對異步電機(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

圖9

0-0.045s：開始的時候，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。

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，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，此時電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩

0.6-1s：電動機(jī)恒速運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩與定子電流不再變化。

1-1.5s：此時轉(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時轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪?/p>

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)

圖10：電機(jī)參數(shù)表