FOC控制变频调速系统仿真结果及分析

图12-37给出了电动机转矩与转速的仿真波形图。可以看出，电动机的转矩可以较好地进行控制，并在稳态情况下与负载转矩相平衡。电动机转速可以进行较好地控制，具有较好的负载扰动能力。

图12-37 电动机转矩与转速仿真波形图

图12-38给出了电动机的三相定子电流仿真波形图。在起动加速阶段，电流都保持在较大值，从而产生较大的转矩；当速度稳定下来后，由于负载较小，所以电流较小；0.1s后，当负载转矩增加时，电动机电流迅速增加，从而产生较大转矩抵抗扰动，并最终与负载平衡。

图12-38 电动机三相定子电流仿真波形图

图12-39给出了图12-35中is_a观测器的波形——A相电流指令值与实际值波形。可以看出两者总体上比较接近，电流得到了较好的闭环控制。

图12-39 电动机一相定子电流仿真波形图

图12-40、12-41、12-42分别给出了起动阶段、小负载稳定运行、大负载稳定运行时的定子电流波形图。从中可以明显看出，不同阶段的电流跟踪波形略有不同，这与本书前面分析的CHBPWM的特点相吻合——转速、电流、反电动势都会影响到实际电流的上升、下降规律。从图中可以看出在起动阶段存在实际电流与给定电流有较大偏离的情况，此时对应了电动机速度较高、输出转矩较大，在逆变器直流侧电压较小的情况下，这种情况很容易出现。

图12-40 起动阶段电动机定子A相电流波形

图12-41 电动机稳定运行时定子A相电流波形（轻载）

图12-43给出了电动机定子绕组相反电动势与三相电流波形。由于图12-25中采用了i_d=0控制策略，所以定子相电流与相反电动势保持同相。重新设定i_d的指令值，修改为-5A以后，仿真波形如图12-44所示，可以看出，电流的相位超前于绕组相反电动势，这是弱磁控制时的电流波形特点。

图12-42 电动机稳定运行时定子A相电流波形（重载）

图12-43 定子绕组相反电动势与三相电流波形（i_d=0）

图12-45给出了图12-29 ASR中名为PI的Scope模块观测的波形，上图为比例调节器的输出，下图为积分调节器的输出。可以看出：

1）在转速调节的动态过程中，比例调节器响应速度明显高于积分调节器；(www.xing528.com)

2）在转速无静差的稳态情况下，i_q电流指令值的产生依赖于积分调节器；

3）比例调节器根据当前转速误差量直接产生电流指令值，而积分调节器需要根据转速变化的整个过程得到电流指令值，后者有较大的滞后。

图12-44 定子绕组相反电动势与三相电流波形（i_d=-5）

图12-45 ASR调节器比例与积分作用的输出

表12-1给出了不采用与采用弱磁控制的PMSM电流、电压、磁链等变量的仿真数据。从中可以看出实施弱磁控制以后，定子电流从滞后于相电压变成了超前于相电压，所以从吸收无功功率变成了发送无功功率，功率因数得到了提高。另外，从定子磁链幅值对比中可以看出定子磁链幅值得到了削弱；弱磁控制可以明显降低电动机定子电压的需求，在逆变器直流侧电压u_d恒定的情况下，增加了电动机电流的可控性。

表12-1 不同i_d电流指令下电动机运行数据对比

下面采用SIMULINK中的Powergui图形用户程序对A相定子电流进行频谱分析。分析前需要将该变量通过sinks库中的to workspace模块按照StructureWithTime的格式保存到工作空间中，如图12-46a所示。在系统仿真结束后，双击图12-25左上角的Powergui图标，可以出现图12-46b所示的工具。

图12-46 电流变量保存与powergui功能设置界面

单击Powergui中的FFT Analysis后出现图12-47的频谱分析界面。在右侧Structure下拉菜单中选择电流变量sim_ia，在Start time（s）中键入分析的起始时间，在Number of cycles中键入分析波形的周波数目，在Fundamental frequency（Hz）中键入基波的频率。因为电动机速度稳定在880rad/s，所以基波频率为880/2/π≈140Hz。在Max frequency（Hz）中键入待分析的最高频率，在Frequency Axis下拉菜单中选择横坐标为谐波次数（Harmonic order），在显示样式（Display style）中选择样式Bar（Relative to Fund.or DC）。最后单击Display，即可出现频谱分析的结果。

图12-47 FFT Analysis频谱分析界面

注意频谱分析界面左上角的图是时域波形图，横坐标为时间（s）。左下角的波形图为频谱分析结果，横坐标表示频率，纵坐标是以基波分量幅值为基值进行标幺化处理的结果，可以通过选择对话框最上方菜单中的编辑工具对图形进行编辑。

图12-48分别给出了i_d=0与i_d=-5两种情况下的电流频谱分析结果。

图12-48 FFT Analysis频谱分析结果