电气系统模块库-simulink与电气系统接口

2018-09-17

Powerlib

2007-05-04 23:13

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电气传动系统仿真的新工具

——MATLAB5.2电气系统模块库

韦榕　许镇琳　王秀芝

摘要：电气传动控制系统的仿真通常采用MATLAB4.X或PSPICE软件，但它们都有不足之处。本文以永磁同步电动机变频调速系统为例，说明采用MATLAB5.2中的电气系统模块库Power System Blockset可以克服两者的不足。

关键词：MATLAB　电气系统模块库　永磁同步电动机

A New Simulation Tool of Electric Drive System

——Power System Blocrset of MATLAB5.2

Wei Rong　Xu Zhenlin　Wang Xiuzhi

Abstract:MATLAB4.X and PSPICE are usually used in the simulation of the electric drive control system,but neither of them meets all demands.In this paper,the power system blockset of MATLAB5.2 is adopted to build the permanent magnet synchronous

motor control system model as an example,and its usage and advantage is shown.

Keywords:MATLAB　power system blockset　permanent magnet synchronous motor

1　引言

MATLAB凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，已成为科研和工程技术人员的有力开发工具。然而，对于电气传动工作者来说，一直被一个问题所困扰，即：如何准确而快速地对电路以及更复杂的电气系统进行仿真。如果各环节用简化传递函数来表示，则很多重要细节会被忽略；若用Simulink提供的基本模块(如开关和触发器)来构造模型，则相当费时费力。虽然可以使用PSPICE来实现电子电路的仿真，但是它主要适用于微电子领域，难于与电气传动控制系统设计所需要的复杂算法和先进控制理论相结合。

MATLAB5.2中的电气系统模块库(Power System Blockset)终于解决了这个问题。

电气系统模块库以Simulink为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。运行Simulink以后，打开Blocksets&Toolboxes，就能调出电气系统模块库Powerlib。也可以在MATLAB的命令窗口，直接键入Powerlib。它由以下6个

子模块库组成。

(1)电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。

(2)基本元件模块库：包括串联RCL负载/支路、并联RCL负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、N相分布参数线路、单相Π型集中参数传输线路和浪涌放电器等。

(3)电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET和理想开关等。为满足不同目的的仿真要求并提高仿真速度，还有晶闸管简化模型。

(4)电机模块库：包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。

(5)连接模块库：包括地、中性点和母线(公共点)。

(6)测量模块库：包括电流和电压测量。

在6个基本子模块库的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库中去。实际上，附加模块库(Powerlib Extras)中的“三相电气系统”就是用6个基本子库中的各模块构造并封装起来的。可以用“Look Under Mask”命令打开其中的各模块，查看其内部结构以了解构造方法和规律。附加模块库中还包括：均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。

2　电气系统模块库的运行原理与应用

2.1　基本运行原理

电气系统模块库中的Powerlib模块与常规的Simulink模块两者本质上是有区别的。所以，在Simulink内部，进行仿真前有一个初始化的过程，把包含Powerlib模块的系统转化为Simulink能够仿真的等效系数，具体操作如下。

(1)调用power2sys函数，把所有的模块划分为常规模块和Powerlib模块，其中的Powerlib模块又分为线性模块和非线性模块。

(2)调用power2sys函数求出模块的网络拓扑结构，得到其参数，并对每个电气结点都赋予一个结点号。

(3)调用circ2sys函数求出线性模块的状态空间模型(状态变量为电感电流和电容电压)。

(4)调用power2sys函数根据Simulink的内部预定义的模型求出非线性模块的Simulink模型。

初始化完成以后，Simulink开始对此系统仿真。

power2sys和circ2sys函数都能以命令行的形式在MATLAB命令窗口直接调用，而且使用上更为灵活，可以构造出Powerlib中所没有的模块(如具有3个以上绕组的互感)，此处不再赘述。

2.2　应用方法

当然，上述复杂的预处理过程对用户来说都是屏敝的。电气系统模块库中的模块在使用上，与常规的Simulink模块类似，将其拷贝到自己的模型中并设置合适的参数即可。但是，Powerlib模块与常规的Simulink模块毕竟是两类本质不同的模块。所以，对于同时使用两类模块的仿真模型

，必然会有两类模块之间的信号流动，这就需要中间接口模块。具体地说，当Simulink模块的信号送入Powerlib模块时，应根据其性质，采用可控电压源或可控电流源模块作为中间环节；反之，当Powerlib模块中的信号反馈给Simulink模块构造的控制系统时，应采用电流或电压测量模块。

对于包含非线性Powerlib模块(例如电力电子开关器件)的系统，需要采用刚性的数值积分方法。一般选择ode15s通常可以达到较快的仿真速度，并采用其缺省参数(最大阶次：5；最大步长和初始步长：auto；相对容差：le-3；绝对容差的选取通常和系统中的状态变量的最大幅值有关，一般千伏和千安级的系统取0.1～1，而低压系统取le-3～le-2)即可。

由于在仿真初始化过程中，power2sys函数将逐个检查模型中的各个模块是否为电气系统模块，所以，对于大规模的系统，在一定程度上会降低仿真的速度。为避免这种负面影响，可以人为地迫使power2sys不去检查那些常规模块，方法是在常规模块以及包含常规模块的子系统的模块名

前加一个“ ”符号，如“ PID”，但必须确保子系统内的模块皆为常规模块。

Powergui是电气系统模块库提供的一个有力的工具。通过它，能以图形用户界面(GUI)的方式来方便地计算和显示出系统中各状态变量和测量变量的稳态值；可以修改系统的初始状态来实现从任一初始条件开始仿真，能避免较长的过渡过程；还可以实现对包含电机的三相电网潮流的计

愫统跏蓟 Ｊ褂肞owergui，只需将其拷贝到模型中，打开即可进行查看和设置。

3　基于电气系统模块库的PMSM系统模型

3.1　模型的构造

永磁同步电动机(PMSM)在d-q坐标系中的状态空间模型如式(1)和式(2)所示。采用电气系统模块库，可以建立PMSM控制系统的仿真模型。系统为典型的双闭环结构，见图1。

(1)

(2)

图1　PMSM控制系统的仿真模型

PMSM直接使用电机模块库中基于式(1)和式(2)的模型。转速调节器为PI型，其输出经dq/abc坐标变换，得到a、b和c三相定子电流的给定，作为电流调节器(PWM逆变器)的输入。电流调节器为滞环型，用Simulink模块构造，如图2所示。根据电流偏差的符号相应地直接输出±155

V，然后采用可控电压源模块将此仅有数学意义的Simulink信号转化为具有电气意义的电压信号，送入PMSM的定子绕组输入端。当然，这仅是一种简化方法，逆变器的构造也可如图3所示。电流调节器输出功率器件的触发脉冲，控制由6个功率器件模块构造的逆变器，构成电流控制的电压源

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图2　PWM逆变器

图3　MOSFET PWM逆变器

PMSM输出为矢量，由PMSM Measurement

Demux模块分解为10个标量输出(1～3为三相电流ia、ib和ic，4和5为iq和id，6和7为uq和ud，8为电角速度ωe，9为电角度θe，10为电磁转矩Te)，作为反馈和观测信号，可以直接送入Simulink模块，不必通过电压或电流测量模块。但是，由于仿真的预处理过程需要把等效Simulink模型存

⒃谙低车囊桓霾饬磕？橹校 裕 谑褂肞owerlib模块的系统中，至少应有一个电压或电流测量模块。

3.2　仿真结果

该系统的电流限幅值设为30 A，系统空载启动，在0.04 s时突加负载转矩3 Nm。在转速阶跃给定为700 rad/s及负载突变的情况下，对该模型进行仿真，得到三相定子电流和转速的响应曲线如图4和图5所示。

图4　三相电流

图5　转速阶跃给定和突加负载响应

4　结束语

由此可见，采用MATLAB5.2的电气系统模块库，可以在Simulink环境中高效率地完成对电路、电力电子变换装置以及电气传动控制系统的仿真和分析。它为分析和设计复杂的电气系统提供了一个强有力的手段。

教育部博士点专项基金资助项目

韦榕(天津大学)

许镇琳(天津大学)

王秀芝(天津大学)

参考文献

1，Power System Blockset User"s Guide,Version 1.0,The MathWorks,Inc.1998

2，SIMULINK User"s Guide,Version 2.1,The MathWorks,Inc.1998

不过Simulink里面附带的Demo不知道你看了没有，那个我觉得就可以直接进行仿真了。最多需要修改参数，我正在做，一个人挺不好弄，呵呵。

看看SimPowerSystem的帮助文档，再看看它的Demo，基本类型全有。DC，AC各种调速系统(Demo具体位置：Help——Demos——Simulink——SimPowerSystems——Electric Drives Models)

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