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1、基于MATLAB/SIMULINK的异步主轴电机弱磁运行仿真【摘要】本文介绍了异步电机间接磁场定向控制IFOC的模型与弱磁控制的方法。在MATLAB/SIMUlink仿真平台建立了异步主轴电机间接磁场定向的双闭环控制模型，并在该控制模型的根底上进行弱磁控制算法的仿真验证。仿真结果说明，异步主轴电机的弱磁控制能够有效扩宽异步电机的调速范围，且具有较快的速度响应特性。【關键词】异步电机；间接磁场定向；弱磁；MATLAB/SIMUlink；仿真【Abstract】ThispaperintroducesthemodelofindirectmagneticfieldorientationcontrolI
2、FOCandthemethodoffieldweakening.basedonMATLAB/SIMUlinksimulationplatform，adoubleclosed-loopcontrolmodelofindirectmagneticfieldorientationofasynchronousspindlemotorisestablished.Simulationoffieldweakeningcontrolalgorithmiscarriedoutonthebasisofthecontrolmodel.Thesimulationresultsshowthatthefieldweake
3、ningcontroloftheinductionmotorcaneffectivelywidenthespeedrangeoftheasynchronousmotorandhaveafastspeedresponsecharacteristic.【Keywords】AsynchronousMotor；IndirectMagneticFieldOrientation；FieldWeakening；MATLAB/SIMUlink；Simulation0引言作为数控机床的重要组成局部，异步主轴电机的驱动控制需具备动态响应快、控制精度高与调速范围广三个根本的特性【1】。“间接磁场定向控制【2】与“弱
4、磁控制组合是异步主轴电机常用的驱动控制方式。间接磁场定向控制通过磁场定向和坐标变换，实现电机转矩与磁链的解耦，对电机的磁链与转矩进行单独调节控制，获得类似直流调速系统的优异性能，使异步电机具备较快的动态响应特性与较高的控制精度；弱磁控制是在异步电机的高速运行阶段，通过减少异步电机励磁电流的分配进行弱磁控制，使异步电机具备较宽的调速范围。本文分析了异步电机间接磁场定向控制与弱磁控制的原理与方法，并在MATLAB/SIMUlink平台搭建相应的仿真模型，对其进行验证。1间接磁场定向控制原理异步电机是一个多变量的多输入多输出系统。其转速、频率、电流、磁通之间都存在着相互影响的关系，是一个强耦合的多变
5、量系统。其数学模型是一组非线性方程，不便于分析，通常采用坐标变换的方法对其进行等效简化。把异步电机的数学模型变换到以同步角速度旋转的同步坐标系mt坐标中，并取m轴与转子磁链方向一致，即转子磁场定向，可得到转子磁场定向后的异步电机数学模型【3】为：其中：usm与ust为电机定子电压在m轴与t轴的分量、Rs为定子电阻，为漏磁系数、Ls为定子电感、Lm为互感、Lr为转子电感、p为微分算子、r为转子磁链、1为同步角速度、s为转差角速度、Tr为转子时间数、np为电机极对数。1式为异步电机的电压方程，2式为异步电机磁场定向后的控制方程。根据控制方程可得到异步电机的解耦数学模型为如图1所示：其中：iA、iB
6、与iC为定子相电流、3/2与VR为坐标变换、为同步角度、r为转子角速度。经转子磁场定向后，电机转子磁链可由定子电流m轴分量ism进行控制，与定子电流力矩分量ist无关。当转子磁链稳定时，电机力矩与定子电流t轴分量呈线性关系。因此转子磁场定向解除了电机转子磁链与力矩之间的耦合关系，可通过对力矩电流ist的控制实现电机力矩的线性控制，具有优异的控制性能，这也是异步电机矢量控制的根本思想。2弱磁控制原理由4式可知，异步电机运行过程中，电机定子侧的电压与电机的运行角速度成正比。当电机需要运行于额定频率以上时，受电机驱动器输出电压umax的限制，电机定子侧没有足够的电压保证电机电流的跟踪调节，致使电机转
7、矩下降、转速不能进一步升高。为了解决异步主轴电机调速范围广的需求，需对异步主轴电机进行弱磁控制，通过降低异步电机的励磁电流分量，实现异步电机的升速控制。在异步电机空载运行时，输出力矩很小，从而认为力矩电流ist为0。根据mt坐标系下定子电压方程4式可知，此时电机定子侧m轴电压分量usm很小，近似为0，定子侧的电压主要集中于t轴分量，近似1Lsism为。因此，在异步电机的弱磁控制中，只要保证励磁电流ism与转速r的乘积不大于逆变器的最大输出电压umax，即励磁电流ism与转速r成反比，就能保证电机运行频率的进一步升高，据此得到传统弱磁电流分配策略1/r法如下【4】：3总体控制方案根据异步电机的间
8、接磁场定向控制原理，结合弱磁控制方法，可得到异步主轴电机间接磁场定向控制方案如图2所示【5】。速度控制局部将给定速度与反响速度误差经控制器调节后，输出力矩电流给定值，控制力矩以调节转速。而磁链控制局部那么是当电机需要运行于高速阶段时，调节励磁电流给定值，对电机转子磁链进行弱化，实现电机的弱磁升速控制。电流控制局部主要实现电机电流的跟踪控制，将采样到的电机相电流经坐标变换后得到mt坐标系下的对应电流，与给定电流一起经调节后输出mt坐标系下的给定电压值与。与经坐标变换后用于SVPWM调制。SVPWM局部采用磁链跟踪技术，把逆变器与电机作为一个整体，控制逆变器的输出电压矢量。根据输入电压矢量的大小，
9、通过控制IGBT的通断，交替使用不同的空间电压矢量跟踪圆形旋转磁链，比SPWM调制具有更好的控制效果。PG局部为安装的位置传感器，输出特定信号反响电机转子位置信息。转差估计局部为转子磁链观测，根据转子磁链的电流观测模型，以电机的两相电流计算电机转子磁链与转差，再将转差与PG局部反响回来的转速叠加后积分，即可得到电机的同步角度，用于磁场定向。4仿真分析根据异步电机间接磁场定向与弱磁控制的原理，在MATLAB/SIMUlink的仿真平臺搭建了相应的仿真模型，对控制原理进行验证。仿真中异步主轴电机参数为：功率5.5KW，额定电压380V，额定电流12.5A，额定转速1500RPM，定转子互感0.10
10、24H，漏感5.06mH，转子电阻0.531，定子电阻0.813。仿真模型如图3所示，为方便后续将仿真程序移植到基于DSP的硬件平台进行调试，仿真中将速度控制与磁链控制、电流控制、SVPWM调制、坐标变换及转差估计局部仿真程序集成于一个S-Function模块内，由C语言进行编程实现。仿真中设置电机给定速度为8000RPM，在0.2秒使能电机正转，通过示波器模块观察电机的力矩电流、励磁电流与响应速度的给定跟踪情况。试验结果如图4-图6所示。从仿真结果可看出，采用间接磁场定向控制与弱磁控制后，异步主轴电机力矩电流与励磁电流跟踪速度快，0-8000RPM的升速用时2.0秒。5结语文中分析了异步主轴
11、电机间接磁场定向控制与弱磁控制的原理，并在MATLAB/SIMUlink平台搭建了相应的仿真模型对控制方法进行验证。仿真结果说明，在该控制方法下，异步主轴电机具有较快的响应速度、较高的控制精度及较宽的调速范围，可满足数控机床对主轴系统的要求，具有较高的实现价值。【参考文献】【1】王丽梅，王炎，郭庆鼎，等.数控机床主轴驱动中的交流电机及其控制策略J.电工技术学报，199903：35-39.【2】刘洋，赵金.考虑铁耗的感应电机间接矢量控制方法J.微电机，202111：26-31.【3】王成元.现代电机控制技术M.北京：机械工业出版社，2021.1.【4】XingyiX，NovotnyDW.Selectingthefluxreferenceforinductionmachinedrivesinthefieldweakeningregion.IndustryApplicationsSocietyAnnualMeetingJ，1991.，ConferenceRecordofthe1991IEEE，Dearborn，MI，USA，1991：361-367.【5】彭仁勇.感应电机高速主轴驱动控制技术研究D.武汉.华中科技大学.2021.责任编辑：朱丽娜