交流電機控制與MATLAB仿真軟件結合的教學實例探討

魏尚北+牛超

摘 要：矢量控制是交流調速理論中最抽象、最重要的內容之一，本文根據目前交流電機控制教學中存在的問題，將MATLAB仿真技術運用到交流電機矢量控制系統教學中，通過對各個單元模塊的仿真建模，把抽象的理論知識分解成對各個模型的認識，使得一個復雜系統的輸入、輸出以及控制變得簡單、直觀，從而實現生動形象地引導學生理解矢量變頻調速原理，提高教學質量的目的。

關鍵詞：MATLAB；仿真教學；交流電機矢量控制

一、引言

交流調速系統是電機學、電力電子學、微電子學、自動控制理論等多學科交叉應用的一門學科。傳統教學方法一般按照原型電機、坐標變換、磁場定向的矢量控制思路進行講授， 這種傳統的教學方法理論性強，難度大，致使學生難以理解和掌握相關內容。此外，利用實驗平臺學習和研究矢量控制知識，存在實驗裝置有限、實驗平臺對學生的編程能力要求較高、坐標變換、矢量控制的思想也不夠直觀等問題。

利用MATLAB軟件可非常容易地構建虛擬與實際相符合的實驗平臺，使得復雜系統的輸入、輸出及控制變得相當簡單和直觀，從而生動地引導學生理解矢量控制原理，激發學生學習興趣，提高教學質量。

二、交流電機矢量控制的原理

交流電機矢量控制的原理是由交流電機坐標變換理論，通過3s/2r靜止和旋轉變換，獲得等效成同步旋轉坐標系下的直流電機，再通過模仿直流電機的控制方法，求得直流電機的控制量，最后經過相應的坐標反變換，重新獲得三相輸入電流（或電壓），從而控制感應電機。

三、教學與仿真軟件的結合

由矢量控制原理可知，交流電機矢量控制變頻調速包含了坐標變換、控制器、變頻電源、速度檢測等相關單元，系統相對復雜，學習起來較困難。MATLAB軟件Sim-Power Systems模型庫中包含常見的電源、電力電子器件模塊、電機模塊及相應的驅動和控制測量模塊，將這些圖形模塊應用到交流電機矢量控制調速仿真，能夠簡化編程工作，方便對模型的描述。

1.坐標變換模塊仿真

矢量控制坐標變換主要包含Clarke變換和Park變換，學生對這種坐標變換難以理解。因此可利用實際平臺進行坐標變換，從而提高學生的編程能力。在Simulink環境下，只需找到相應的功能模塊，手動拖動庫中的功能模塊，將其放在新建的文件中，將其連接起來，并按照要求修改各元器件的參數即可。如圖1、圖2所示建立的Park變換和Clarke變換仿真模型。

2.變頻電源模塊仿真

交流電機矢量控制的變頻電源模塊主要包含空間矢量脈寬調制模塊和IGBT模塊，其實現主要包含以下三步：首先判斷參考向量Uref所處扇區。其次計算基本空間電壓向量的作用時間，最后確定電壓空間向量的切換點，從而形成PWM波。[1]

3.交流電機矢量控制系統仿真模型

交流電機矢量控制系統采用雙閉環控制，轉速環和電流環為PID控制器， 整個系統分為5個獨立的功能模塊[2]： 控制器模塊、交流電機本體模塊、坐標變換模塊、空間矢量脈寬調制模塊、IGBT模塊和磁鏈觀測模塊。

四、教學內容仿真實驗

交流電機控制系統的仿真模型建立以后，就可以進行課程內容的驗證性實驗，實驗中各個環節的動態過程在示波器上能夠形象地展示出來，方便學生通過圖形理解交流電機矢量控制。感應電機的參數如表所示。仿真波形如圖3、圖4所示。

由仿真波形圖可看出，所建立的模型與實際系統相符合，從系統速度響應曲線可以看出該系統具有良好的調節性能，同時學生通過觀測波形圖，可以更好地理解和掌握交流電機矢量控制系統知識。

MATLAB仿真在交流電機矢量控制教學中的應用，能使抽象、模糊的理論知識變得清晰和容易理解，并且在模型建立的過程中，仿真方案的設計和問題的排除也是對學生創新思維的一種鍛煉。

將仿真技術引入到課堂，將理論教學與仿真實驗手段相結合，能為交流電機矢量控制的教學提供一種新的手段。

參考文獻：

[1]賈民力，張金霞，樊 明，等.基于SIMULINK異步電動機SPWM控制的動態仿真[J].青海師范大學學報（自然科學版），2012，（3）： 34-39.

[2]魏祥林，王曉蘭，周啟華.基于SIMULINK的“異步電機矢量控制變頻調速”輔助教學[J].中國電力教育，2011，（9）：189-192.