基于MATLAB的交流拖動仿真實驗室設計*

楊振興，張 亞，李俊鋒

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

1 引言

虛擬仿真實驗技術是利用軟、硬件的結合，取代傳統的常規實驗儀器設備，在計算機或計算機網絡上進行模擬、仿真技術的特點，其實際應用于各種實驗的技術。虛擬教學和虛擬實驗，由于虛擬現實在理工科的教學中應有廣大作為，尤其在建筑、機械、物理、化學等學科有著質的突破。

建立一個完整的虛擬現實系統是成功進行虛擬現實應用的關鍵，而要建立一個完整的虛擬現實系統，首先是選擇實際可行的虛擬現實系統解決方案。GUI是MATLAB軟件中專門用于圖形用戶界面(GUI)程序設計的快速開發環境，是使用圖像、輸入文字、帶圖表屏幕的計算機界面，可取代許多鍵盤的功能。SIMULINK是MATLAB軟件的重要工具箱之一，主要功能是實現動態功能的建模、仿真與分析，可在實驗系統制作完成之前預先進行仿真和分析，以使系統達到最佳性能效果［1］。

筆者采用MATLAB/GUI(圖形用戶界面)設計交流電動機調速的仿真實驗系統，以彌補高校實驗設備缺乏，也可以起到輔助教學的作用。MATLAB軟件中包括了圖形用戶界面編輯GUI，改變了以前單一的在指令窗口通過文本形的指令進行各種操作的狀況。

2 幾種典型模型的SIMULINK仿真

對異步電動機的機械特性進行描述，從而引出能夠改變其機械特性的因子。異步電動機運行中的主要問題包括起動、調速和制動，根據適用場合不同，異步電動機也有多種起動方法、調速方法和制動方法。

2.1 異步電動機機械特性的MATLAB仿真

定義:指在定子電壓、頻率和其他參數固定，而負載不斷變化時，電磁轉矩與轉速(或轉差率)之間的函數關系。兩者的關系如下列公式所示［2］。

式(1)中，T=f(s)即是異步電機的機械特性，當轉子電阻，定子電壓或頻率等參數發生變化時，可得到對應不同參數時的機械特性。

式(2)表明異步電動機轉速與定子頻率、轉差率及極對數有關，調節這3個參數即可改變轉速。異步電動機機械特性仿真結果如圖1所示。

圖1 異步電動機機械特性仿真

2.2 轉子回路串電阻減壓起動模型

建立該仿真模型，可采用SIMULINK提供的仿真模塊，如交流電源、電壓測量、異步電動機、電機測量等。其中，異步電動機模塊位于［Power System］庫中，其仿真模型如圖2所示。

圖2 轉子串電阻減壓起動仿真

其仿真結果如圖3所示，被測量依次是轉子電流、定子電流、轉速及轉矩。

圖3 異步電動機參數設置

三相異步電動機起動時，串聯電阻值必須大小合適，其目的是為了增加起動轉矩，減小起動電流，實現快速起動。若電阻阻值過大，則可能適得其反。

2.3 調壓調速模型

三相異步電動機調壓調速屬于改變轉差率調速，由于此時電機內部旋轉磁場轉速不變，因此電機的轉速變化范圍小。而且電機通常額定工作電壓一定，因此三相異步電機調壓調速的變壓范圍也會受到限制。該仿真模型和直接起動完全相同如圖4所示［3］。仿真參數設置如圖5所示，仿真結果如圖6所示。

圖4 調壓調速運行仿真模型

圖5 仿真參數設置

圖6 調壓調速仿真結果

需要注意的是，三相異步電動機調壓調速模型運行后遇到初始值設置問題時，首先運行模型，得到穩態值，再將這些穩態值設置為下一次運行前的初始。修改模型輸入并運行，則模型將在最新初始值(也就是上一次運行的穩態值)的基礎上重新運行并實現狀態改變。這類仿真方法，對于狀態需要變化的模型非常適合。

2.4 單向反接制動

反接制動簡單、制動效果較好，但必須有自動控制裝置控制電機，在轉速接近0時將電機與電源斷開。單向反接制動模型與調壓調速模型相同如圖4所示。

反接制動與反轉的不同之處在于，反接制動最終要使電機停車，而反轉則要在電機轉速為0后繼續改變方向［4］。如果仿真時間過長，會出現電機反轉的現象，因此需要適當限制仿真時間，在電機轉速接近0時停止仿真過程。仿真結果如圖7所示。

圖7 反接制動仿真結果

三相異步電動機的轉動方向有旋轉磁場的轉動方向決定。旋轉磁場的轉向取決于定子繞組通入的三相交流電的相序。因此要改變三相異步電動機的轉動方向很容易，將電動機輸入電壓電源的三根電源線中任意兩根對調一下，則通過定子繞組的電流相序改變，旋轉磁場方向改變，電動機的轉速將迅速減小為0并及時改變轉向。

從仿真結果來看，模型重新開始運行后，電磁轉矩瞬間變成負值，經過渡后逐漸趨近于0，但仍然略小于0。如果認為負載轉矩始終是負轉矩，則電磁轉矩應與負載轉矩相反，且值為正才對。其實這種解釋有誤，因為無論電機轉向如何，負載都是阻轉矩，即負載轉矩都應該與電機轉向相反;電機改變狀態之前，假設轉向為順時針，則負載轉矩逆時針，電磁轉矩順時針。電機狀態改變后，電磁轉矩首先改變方向，即改變為逆時針，而此時電機轉向來不及變化，仍然為順時針，負載轉矩繼續保持逆時針方向，故電機轉速迅速減小至0，此過程中電磁轉矩與負載轉矩同方向。然后，電機改變方向為逆時針，與電磁轉矩同方向，而負載轉矩則變成逆時針，直到電機進入穩定運行狀態。假設順時針為正，則逆時針為負，與仿真結果吻合。

3 仿真實驗室的建立

本節將利用GUI界面設計實現實驗目標如下:

(1)建立一個電機類型子菜單(listbox1)窗口，列出電機類型供選擇。

(2)選擇電機類型后，通過電機特性下拉菜單(listbox2)選擇電機的實驗內容。

(3)選擇實驗內容后，通過按鍵可打開該實驗對應的仿真模型并運行。

(4)通過按扭關閉用戶界面或返回主界面。

根據設計目標，系統界面包含1個文本框(名稱)、2個列表框(電機類型框、實驗內容框)、2個按鈕(運行和退出)。編輯主界面見圖8。在主界面中，要對StaticText1、Listbox1、Listbox2、PushButton1 Push-Button2控件進行初始化設置。

圖8 編輯主界面

(1)StaticText1靜態文本框:String:交流拖動仿真實驗室。

(2)電機類型框(Listbox1):設置BackgroundColor文本框顏色與背景圖片一致;Max設置為［1］;Min設置為［0］;Value設置為［1］;String輸入:單相異步電動機，三相異步電動機(繞線式異步電動機、鼠籠型異步電動機)，同步電動機等。

(3)實驗內容框(Listbox2)。設置使Max［1］;Mini-0］;Value［1］;String輸入;機械特性;轉子串電阻減壓起動;調壓調速;矢量控制變頻調速;單向反接制動;退出按鈕(btnexit):Callback［close］;string［退出］;Tag［btnexit］。

提示對話框設計:在運行程序時，常會出現正在運行的程序錯誤或者程序運行完畢要退出的情況。為避免錯誤操作引起的錯誤關閉，需要建立一個子GUI。當點擊關閉或退出按鈕時，系統即彈出提示對話框，需征求確認信息后方可關閉運行窗口。提示對話框設計如圖9所示。

圖9 退出提示對話框

回調函數如下:

%---Executes on button press in RUN.

function Exit_Callback(hObject，eventdata，handles)

%hObject handle to RUN(see GCBO)

%eventdata reserved-to be defined in a future version of MATLAB

%handles structure with handles and user data(see GUIDATA)

繼續插入以下函數:

%Get the current position of the GUI from the handles structure

%to pass to the modal dialog.

pos_size=get(handles.figure1，'Position'.

%Call modaldlg with the argument'Position'.

user_response=modaldlg('Title'，'guanbi');

switch user_response

case{'No'}

%take no action

case'Yes'

%Prepare to close GUI application window

delete(handles.figure1

end

4 結論

筆者依托MATL AB強大的計算功能和豐富的圖形處理功能，基于MATLAB/GUI設計交流電機仿真實驗系統，開發效率高且方便建立人機交互的仿真平臺，便于演示及交互操作，對研究參數變化對電機性能的影響，以及進一步豐富教學手段，引導學生進行研究性學習方面有很好的輔助作用。對初學者而言，只要掌握了界面設計的方法，結合MATALB內置的各種庫函數SIMULINK中的各種工具就可以迅速開發出滿足各種需要的界面友好的仿真平臺。

［1］ 顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.第4版.北京:機械工業出版社，2009.

［2］ 丁學文.電力拖動運動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］ 鄧 薇.MATLAB函數速查手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［4］ 潘曉晟.MATLAB電機仿真精華50例［M］.北京:電子工業出版社，2007.