matlab的電機模型仿真測試

模型搭建背景電機控制器是電機驅動系統中的關鍵部分，其中，控制器及其功率驅動模塊的好壞直接影響電機控制的性能及安全性，因此，在電機的研究和評估過程中，往往需要真實的電機和機械負載來檢驗電機的控制能力。由于傳動機械電機臺架的機械負載獲取及安裝不易，若采用連接同軸發(fā)電機的方式模擬電機運行，會使測試方式能耗、成本等大大增加，同時靈活性也會變差，從而在某些條件或復雜工況下運行測試困難。為解決這一問題，如果將電機及機械負載被視為電機驅動的一個功率負載，通過功率換流器來模擬電機端口電壓和電流，來實現對電機的模擬不失為一種很好的選擇，采用此種方法模擬的設備一般統稱為電子負載，如果用來模擬電機，一般稱作電機模擬器。電機模擬器系統結構電機模擬器可以理解為通過換流器來模擬電機的特性，本質上看，電路結構與常說的并網換流器并沒有區(qū)別，不同的是控制的電流目標不一樣。電機模擬器的整體系統一般包括交流電網，四象限換流器，電機模擬換流器以及電機驅動換流器及控制器等幾部分構成，整體結構一般如下圖所示：

圖1電機模擬器結構框圖

其中： 交流電網主要為整體設備提供電源支撐； 四象限換流器的作用是為與之連接的電機模擬功率換流器提供穩(wěn)定的直流電壓，一般采用常規(guī)的電壓—電流雙閉環(huán)控制即可，同時，四象限換流器還為電機模擬功率換流器充當功率傳輸通道，通過四象限換流器，電機模擬器可以從電網吸收或發(fā)出功率； 電機模擬功率換流器主要根據電機數學模型，結合當前的交流側電壓，通過對換流器的控制，輸出能夠對應電機工作點的三相電流（當然，根據電機數學模型的情況，也可以是根據電流，使換流器輸出對應的電壓。這兩種請容許我稱之為電流源型和電壓原型電機模擬器，電流源型電機模擬器通常，電流源型電機模擬器更容易被廣泛接受及使用，因此本文也采用此類型）。可以看出，相對真實電機而言，如果采用電機模擬器，當電機參數或電機類型發(fā)生變化時，一般無需更換功率硬件，只需修改軟件電機參數或更換軟件中的電機數學模型即可，具備相當的靈活性；

圖2電機模擬器及電機控制框圖

電機控制換流器及其其控制主要為電機的功率驅動單元以及對應驅動單元的控制器，主要實現對電機的控制。 從電路結構上看，四象限換流器、電機模擬功率換流器、電機控制（驅動）換流器等部電路基本相同，一般都可以是通常的兩電平或三電平換流器結構：

圖3換流器常見拓撲

當然，通過上述圖可以看出，如果將系統中電機數學模型部分換成其他設備的數學模型，便可獲得其他設備的模擬器。

電機模擬仿真模型

根據上述圖描述，搭建基于永磁同步電機的電機模擬器simulink模型，其中交流電網電壓380V，四象限換流器直流側電壓600V，額定功率150kW。其中電機數學模型采用我們之前介紹過的數學模型（基于simulink的永磁同步電機數學建模仿真）。

圖4電機數學模型

驗證模型 1

為驗證本文所搭建的電機模擬器模型的正確性，搭建電路結構及參數完全相同的簡單電路模型，電機直接接三相交流電網，并給定電機完全相同的負載轉矩，進行測試。

圖5電機模擬器模型

四象限換流器采用并網換流器常見的雙閉環(huán)控制，外環(huán)為直流電壓控制，內環(huán)為電流控制。

圖6四象限換流器雙閉環(huán)控制

電機模擬器換流器采用電機電流閉環(huán)控制，采樣換流器出口交流側電壓作為電機數學模型的輸入，電機數學模型根據電壓計算出電機電流，將此電流作為電流參考值，與換流器電流進行比較，進而控制換流器，使換流器輸出與電機一致的電流。

圖7電機電流閉環(huán)控制

圖7電機數學模型

運行仿真后結果如下：

圖8直流電壓波形

圖9電機交流側電壓波形（電機模擬器_simulink電機）

圖10 電機定子電流波形（電機模擬器_simulink電機）

圖11 給定負載轉矩變化時電磁轉矩波形（電機模擬器_simulink電機）

圖12負載轉矩變化時轉速輸出波形

驗證模型 2為進一步驗證本文所搭建的電機本模擬器模型，搭建電路結構及參數完全相同的基于FOC控制的永磁同步電機調速控制仿真模型，并給定電機模擬器和電機完全相同的負載轉矩及轉速指令，進行測試。

圖13整體電機模擬器模型

圖14直流電壓波形

圖15 給定電機負載轉矩變化時轉速波形對比

圖16 電機負載轉矩變化時電磁轉矩波形對比

圖17 電機負載轉矩變化時定子電流波形對比

圖18 FOC控制轉速給定變化時電機轉速輸出波形對比

圖19 FOC控制轉速給定變化時電機轉矩輸出波形對比

圖20 FOC控制轉速給定變化時電機轉速輸出波形對比

通過上述仿真結果可以看出，在相同電路拓撲及輸入給定的情況下，搭建的永磁同步電機模擬器模型仿真結果波形與matlab自帶的電機模型仿真結果幾乎完全重合，驗證了所建模型的正確性。

審核編輯：彭菁