异步电机矢量控制与弱磁调速仿真系统

资 源 简 介

本系统深度集成了转子磁链定向的矢量控制理论（FOC）与先进的弱磁控制策略，旨在构建一个覆盖全速度范围的高性能异步电机驱动仿真平台。在基速以下区域，系统通过精确的坐标变换（Clark变换和Park变换）实现定子电流的解耦，将其分解为励磁分量和转矩分量，模拟直流电机的控制特性，从而实现高效率、快速动态响应的恒转矩调速。当电机运行需求超过额定转速且端电压受限于逆变器直流母线电压时，系统自动切入弱磁控制模式，通过优化算法（如电压反馈补偿法或基于负d轴电流注入的方法）实时调节磁链给定，强制降低定子磁链以换取更高的运

详 情 说 明

异步电机矢量控制变调速及弱磁控制仿真系统

项目介绍

本系统是一个基于转子磁链定向（FOC）的高性能异步电机驱动仿真控制平台。系统实现了从基速以下恒转矩区到基速以上恒功率弱磁区的平滑过渡，旨在通过全数值仿真的方式证明矢量控制在宽调速范围内的稳定性和有效性。该系统不依赖于外部仿真工具箱（如Simulink），完全采用MATLAB脚本编写，通过高精度的数值积分算法模拟电机的物理特性和控制器的逻辑行为。

功能特性

1. 转子磁链定向控制（FOC）：实现了定子电流的解耦控制，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，模拟直流电机的控制性能。
2. 双闭环控制体系：内置速度外环和电流内环，均采用PI调节器实现零静差跟踪和快速动态响应。
3. 电压反馈式弱磁控制：通过监测逆变器输出电压的饱和程度，动态调整转子磁链给定值，实现电机在超额定转速工况下的稳定运行。
4. 空间矢量脉宽调制（SVPWM）：模拟实际电力电子开关过程，优化直流母线电压利用率，降低电流谐波。
5. 前馈解耦补偿：在电流环中加入了旋转电动势补偿和交叉耦合补偿项，提升了动态调速时的解耦精度。
6. 高精度电机物理模型：采用四阶龙格库塔法（RK4）求解异步电极五阶非线性微分方程，确保仿真过程的物理真实性。

实现逻辑说明

系统主程序按照电力电子驱动系统的实际工作时序运行，主要逻辑步骤如下：

1. 参数初始化：定义4.0kW异步电机的额定参数（电阻、电感、惯量等）及控制环路的比例积分增益。
2. 指令生成：设定动态转速曲线，模拟电机从静止加速至基速（1400 RPM），再进入弱磁区（2200 RPM），最后降速的过程，并在运行中途施加负载转矩。
3. 状态反馈：实时从电机模型中提取定子电流和机械转速，并根据转子磁链定向原理计算当前的电角度和同步转速。
4. 弱磁调节：判断当前输出电压幅值，若接近直流母线限制，则通过积分补偿器减小磁链给定，从而强制降低励磁电流。
5. 电流控制：根据转速偏差计算转矩电流给定，结合磁链电流给定，在同步旋转坐标系下进行PI调节，并叠加解耦补偿项计算电压参考值。
6. PWM产生与物理演变：将电压矢量通过SVPWM算法分解为开关执行时间，驱动电机微分方程模型进行一个采样周期的状态更新。

关键算法设计

1. 坐标变换算法：

系统中集成了Clark和Park变换的数学实现，用于将静止坐标系下的三项物理量转换为同步旋转系下的直流量，简化了控制算式。

1. 弱磁补偿算法：

采用电压反馈闭环的方法。当电压矢量幅值超过最大不失真电压（Vmax）时，产生误差负反馈，通过减小d轴电流指令，使电机定子电压维持在直流母线的安全限值内。

1. 前馈解耦结构：

在电压给定环节，引入了包含转子磁链和电流耦合项的补偿系数，消除了由于坐标系旋转引起的d-q轴互相干扰，保证了控制系统的独立调节能力。

1. 物理模型数值仿真：

为了模拟真实的模拟电路行为，系统在子函数中定义了异步电机的六阶微分方程（含电角度积分），并使用RK4算法进行离散化求解。该方法比简单的欧拉法具有更高的数值稳定性和收敛精度。

1. 空间矢量调制逻辑：

通过扇区判断和矢量作用时长计算，将电压参考矢量转换为逆变器的开关信号占空比，准确模拟了SVPWM的七段式调制过程。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
2. 硬件要求：标准PC即可，无须特殊的图形卡或加速卡，代码运行耗时与采样步长设置相关。
3. 知识背景：建议用户具备电机学、电力电子技术及自动控制理论的基础知识。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，将工作路径切换至脚本所在文件夹。
2. 在命令行窗口直接输入主程序函数名并运行。
3. 仿真结束后，系统将自动弹出可视化窗口，展示包含速度跟踪、转矩脉动、轴向电流、相电流波形、磁链轨迹以及电压利用率在内的六组核心指标曲线。
4. 用户可根据需要修改主程序开头的电机参数或控制增益，以研究不同工况下的系统行为。