基于MATLAB的异步电机变频调速系统的仿真与分析

伏哲东

摘  要：针对异步电机变频调速系统传统PI控制器存在超调大、响应速度慢及系统稳定性差的问题，提出采用滑模控制器代替PI控制的转速环，以解决PI控制器参数固定带来的调速缺点。通过MATLAB/SIMULINK软件搭建仿真模型，将仿真实验结果与传统PI控制器对比，仿真结果表明，异步电机在滑模控制的速度环下有较强的鲁棒性和稳定性。

关键词：异步电机;变频调速;PI控制;滑模控制

中图分类号：TM343 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0016-02

Abstract： In order to improve the problem of large overshoot， slow response speed and poor system stability in traditional PI controllers for asynchronous motor variable frequency speed regulation systems， a sliding mode controller is proposed to replace the PI-controlled speed loop. The simulation model was built by MATLAB/SIMULINK software， and the experimental results were compared with traditional PI controllers. The simulation results show that the asynchronous motor has strong robustness and stability under the speed loop of sliding mode control.

Keywords： asynchronous motor; variable frequency speed regulation; PI control; sliding mode control

引言

在國民经济生产和人民生活中，异步电机由于造价低、结构简单、可靠性高及方便维护等优点得以广泛应用[1-2]。但异步电机在实际的应用中参数变化复杂，调速控制系统控制困难，传统的PI控制器控制参数是确定的，其难以满足复杂运行状态下的调速要求。滑模控制方式具有不受系统内部参数和外部扰动的影响，及其响应速度快的特点[3-4]，因此，将滑模控制应用在异步电机变频调速系统中，以改善调速系统的调速特性。本文对异步电机采用直接转矩控制的控制方式，实现对电机转速的控制目的。

1 电机控制模型

异步电机直接转矩控制的本质是随时生成合适的电压矢量用以改变磁链的轨迹[5-6]，从而控制电磁转矩。异步电机转矩可表示为式（1），以异步电机转速为控制目标，实际是以电机电磁转矩为控制对象来实现转速的精确控制。

式中：Te为电磁转矩;np为极对数;Lm为定转子互感; Ls为定子自感;Lr为转子自感;？鬃s为定子磁链;？鬃r为转子磁链;？兹为定转子磁链夹角。

电机的运动方程可表示为：

式中：TL为负载转矩;J为转动惯量;？棕为电机的角速度。

2 调速控制系统设计

2.1 传统PI控制调速系统

异步电机传统调速系统结构如图1所示，调速系统中开关向量表的形成主要由三个信号决定，即转矩和磁链的增减信号以及磁链的角度信息，用以选取合适的电压矢量。调速系统速度调用PI调节器，控制输出给定转矩量，另外，将定子电压电流做Clark变换，估算出电机转矩大小、定子磁链小和磁链角度。

图1 异步电机传统调速系统结构图

2.2 滑模控制调速系统

利用滑模控制方法的特性以改善PI控制器控制精度低等一些问题，将转速环由滑模控制器替代。其中转速作为被控对象，设计的滑模函数为：

采用的指数趋近律为：

滑模控制律为电磁转矩，则基于指数趋近律的滑模控制器的输出：

采用李雅普诺夫函数验证系统的稳定性，其函数求导为：

异步电机滑模调速系统结构如图2所示，速度环ASR由滑模控制器替换。

3 仿真验证

3.1 仿真图

在Matlab/Simulink环境下进行仿真研究，将滑模趋近律控制方法与传统PI控制器和传统滑模控制器的仿真结果进行对比，则更好地验证了该方法在调速性能和抗干扰能力上的优势。异步电机调速系统SIMULINK仿真图如图3所示。

3.2 仿真结果分析

电机仿真条件：转速给定为1200r/min，定子磁链给定为0.8，仿真时长为5s。异步电机转速波形曲线如图4所示。

速度仿真波形曲线中虚线为滑模控制下的转速波形，实线为PI控制下的转速波形。转速环在PI控制器下转速超调大，超调接近100转，调节时间长，而在滑模控制器下电机转速响应迅速，保持了原先PI控制器的优越性，且转速无超调。

为分析转速稳定时转速抖振的情况，了解调速系统的稳定性，将异步电机电机转速波形图进入稳态后进行局部放大如图5所示。

与传统PI速度环相比，滑模速度环控制下转速的抖振小，转速稳定，抖振的降低可改善电机的机械抖振情况，延长电机的寿命。

对电机突然减速时仿真结果进行分析，仿真时长6s，在4s转速给定突变为400r/min，转速仿真波形如图6所示，并对转速波形进入稳态区域时进行局部放大。

电机减速进入稳速调节时，速度环滑模控制下电机转速调节时间小，响应速度快，并且无超调，调速特性好。

4 结束语

本文结合滑模控制器的特性，将其应用在异步电机调速系统中，与PI速度环相比，滑模速度环既保持了PI控制器响应速度快的优点，且具有转速无超调、转速抖振小的优点，另外，在抗干扰特性上更强。因此，滑模控制方式大大提高了电机调速系统的稳定性和鲁棒性。

参考文献：

[1]林远，卢子广，卢泉，等.基于模糊PI矢量控制的异步电机调速系统[J].电气传动，2017，47（8）：15-18.

[2]付光杰，张旭东，石英辰.改进的SVPWM异步电机矢量控制[J].吉林大学学报（信息科学版），2020，38（1）：42-77.

[3]蒋林，刘梁鸿，李坤，等.基于滑模控制的异步电机全解观测器研究[J].电气传动，2019，49（4）：19-22.

[4]李少龙，唐新雯，李文龙，等.滑模控制的异步电机直接转矩控制系统[J].电子科技，2018，31（2）：1-7.

[5]刘小勇，郑爱红.一种改进的异步电机直接转矩控制方法[J].电力电子技术，2016，50（9）：44-47.

[6]冯洪高，王成群.双馈感应电动机新型直接转矩控制技术[J].电气传动，2019，49（5）：18-24.