构建您自己的驱动器
简介
以下信息描述了如何使用 Simulink® 和 Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems 模块构建电机驱动器模型。您将构建磁场定向控制电机驱动器，与 AC3 模型非常相似。下图显示了该驱动器的框图。
磁场定向变频感应电机驱动器
驱动器描述
感应电机由电流控制型 PWM 逆变器供电，该逆变器作为三相正弦电流源运行。电机转速 ω 与参考值 ω* 进行比较，误差由速度控制器处理以产生转矩指令 Te*。
如下所示，转子磁链和转矩可以分别通过定子直轴电流 i_ds 和交轴电流 i_qs 进行独立控制。
磁场定向控制原理
定子交轴电流参考值 i_qs* 根据转矩参考值 T_e* 计算如下：
其中 L_r 是转子电感，L_m 是互感，|ψ_r|_est 是估计的转子磁链，由下式给出：
其中 τ_r = L_r / R_r 是转子时间常数。
定子直轴电流参考值 i_ds* 从转子磁链参考输入 |ψ_r|* 获得。
坐标变换所需的转子磁链位置 Θ_e 由转子速度 ω_m 和转差频率 ω_sl 生成。
转差频率根据定子参考电流 i_qs* 和电机参数计算。
i_qs* 和 i_ds* 电流参考值被转换为用于电流调节器的相电流参考值 i_a, i_b, i_c*。调节器处理测量电流和参考电流以产生逆变器门极驱动信号。
速度控制器的作用是在稳态下保持电机速度等于速度参考输入，并在瞬态过程中提供良好的动态性能。控制器可以是比例积分类型。
感应电机驱动器建模
打开 power_acdrive 模型，并将其另存为工作目录中的 case3，以便您可以在不更改原始文件的情况下进行进一步修改。
下图显示了 power_acdrive 模型，其中使用了 Simscape Electrical Specialized Power Systems 和 Simulink 库中的模块来对感应电机驱动器进行建模。
交流电机驱动器的矢量控制 (power_acdrive)
感应电机由异步电机模块建模。本案例研究中使用的电机是一台 50 HP、460 V、四极、60 Hz 的电机，具有以下参数：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| Rs | 0.087 Ω |
| Lls | 0.8 mH |
| Lm | 34.7 mH |
| Rr | 0.228 Ω |
| Llr | 0.8 mH |
施加到电机轴上的参考速度和负载转矩都可以通过手动开关块选择，以便使用恒定值或阶跃函数。初始时，参考速度设置为恒定值 120 rad/s，负载转矩也保持恒定在 0 N.m。
磁场定向控制由矢量控制块建模，如交流电机驱动器的矢量控制 (power_acdrive) 所示。该块由下图所示的 Simulink 块组成。
矢量控制块
IGBT 逆变器由通用桥模块建模，其中电力电子器件和端口配置选项分别选择为 IGBT/二极管和 ABC 作为输出端子。直流母线输入电压由 780 V 直流电压源表示。
电流调节器由三个滞环控制器组成，并使用 Simulink 块构建。电机电流由异步电机模块的测量输出提供。
abc 和 dq 坐标系之间的转换由 abc_to_dq0 变换和 dq0_to_abc 变换块执行。
abc_dq
dq_abc
转子磁链由 Flux_Calculation 块计算。
转子磁链位置 (Θe) 由矢量控制块中的 Teta Calculation 计算。电机速度由异步电机模块的测量输出提供。
定子交轴电流参考值 (iqs) 由 iqs_Calculation 块计算。
定子直轴电流参考值 (ids) 由 id_Calculation 块计算。
速度控制器为比例积分类型，并使用 Simulink 块实现。
仿真感应电机驱动器
为了提高仿真速度，该模型使用 2 µs 的采样时间进行离散化。当您打开此模型时，变量 Ts = 2e-6 会自动加载到您的工作区。此采样时间 Ts 同时用于主电路（在 Powergui 中指定的 Ts）和控制系统。
运行仿真。
电机电压和电流波形以及电机速度和转矩显示在连接到变量 Vab、Iabc、ωm 和 Te 的示波器的四个轴上。
启动驱动器
您可以通过为异步电机块指定 [1,0,0,0,0,0,0,0] 作为初始条件来启动驱动器（初始转差 = 1，三相中无电流流动）。速度参考值为 120 rad/s。
感应电机驱动器启动期间观察到的电机速度、机电转矩和电流如启动感应电机驱动器所示。
请注意，您可以保存最终的系统状态向量，并将其用作后续仿真的初始状态，以便仿真可以从稳态条件开始。
启动感应电机驱动器
稳态电压和电流波形
当达到稳态时，您可以停止仿真并放大示波器信号。
此图显示了当电机以 120 rad/s 的速度空载（转矩 = 0 N.m）运行时获得的电机电压、电流和转矩波形。
滞环电流调节器施加的 20 A 带宽容限在三相电机电流上清晰可见。
稳态电机电流、电压和转矩波形
速度调节动态性能
您可以通过对驱动器施加两种变化的运行条件来研究驱动器的动态性能（速度调节性能相对于参考值和负载转矩的变化）：速度参考值的阶跃变化和负载转矩的阶跃变化。
使用参考速度选择开关和转矩选择开关，在 t = 0.2 s 时将速度参考值从 120 rad/s 阶跃到 160 rad/s，并在 t = 1.8 s 时将负载转矩从 0 N.m 阶跃到 200 N.m。可以使用先前仿真获得的最终状态向量作为初始条件，以便仿真从稳态开始。加载 power_acdrive_init.mat 文件，该文件创建 xInitial 变量。在仿真选项卡中，单击模型设置。选择数据导入/导出。选择初始状态，然后单击确定。重新启动仿真。
感应电机驱动器对速度参考值和负载转矩连续变化的响应如下所示。
感应电机驱动器的动态性能
参考文献
[1] Leonhard, W., Control of Electrical Drives, Springer-Verlag, Berlin, 1996.
[2] Murphy, J. M. D., and Turnbull, F. G., Power Electronic Control of AC Motors, Pergamon Press, Oxford, 1985.
[3] Bose, B. K., Power Electronics and AC Drives, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1986.