畢業(yè)設(shè)計三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制研究

1、目錄摘要：1Abstract：21前言31.1 交流電機控制技術(shù)的發(fā)展與展望31.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點51.3 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢62三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理82.1 三相異步電動機的數(shù)學(xué)模型82.1.1 三相異步電機的數(shù)學(xué)模型8電壓空間矢量對定子磁鏈的影響9電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響112.2三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)11逆變器的開關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài)11電壓空間矢量12圓形磁鏈軌跡的形成132.3電壓空間矢量開關(guān)信號的選擇142.4本章小結(jié)163 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略173.1定子磁鏈矢量空間位置檢測173.2 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的估計18定子磁鏈

2、估計183.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩估計223.3磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)223.4 起動問題233.5 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)233.6 本章小結(jié)254 直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真264.1 仿真軟件MATLAB簡介264.2 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真284.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析294.4本章小結(jié)30結(jié)論31謝辭32參考文獻33三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制研究摘要異步電動機以其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、經(jīng)濟耐用的優(yōu)點，在工、農(nóng)、國防等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其總用電量占全國工業(yè)用電量的60%以上。直接轉(zhuǎn)矩控制是上世紀80年代繼矢量控制之后的又一新型高性能交流電機控制技術(shù)，它直

3、接對電機轉(zhuǎn)矩進行控制，解決了矢量控制計算復(fù)雜、特性易受電機參數(shù)影響等問題。本論文在掌握直接轉(zhuǎn)矩控制理論的基礎(chǔ)上，對異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了仿真研究。本文首先概述了交流電機控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展過程，并對它們的發(fā)展趨勢做了展望。然后，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本概念，理論基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型。分析了電壓空間矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用及圓形磁鏈的形成原理。介紹了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的各部分組成。最后，運用MATLAB/SIMULINK進行了基于六矢量異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究，搭建了系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果體現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點。關(guān)鍵詞:異步電動機;直接轉(zhuǎn)矩控制;空間矢量;定

4、子磁鏈觀測; MATLAB仿真AbstractAsynchronous motor has been avidly applied in industry, agriculture andnational defence because of its simple structure, easy manufacture, good economy and durability. Its electric energy consumption is 60% of the industrialelectric energy consumption. DTC Direct torque contro

5、l) was first presented in 1980's. It is another new high performance AC motor control technology after VC (vector control). DTC controls the motor torque directly and solves the VC's problems of complex computation and unstable performance affected by motor parameters.In the first part, a su

6、mmary and a prospect of AC motor control technology and DTC's development are given. Several schemes of DTC system are introduced briefly.In the second part, the basic concepts, theory and mathematical model are expatiated. The effect on flux linkage and torque by voltage space vector and the fo

7、rming principle of round flux linkage are analyzed. Then the composition of DTC system is introduced.In the third part, .the simulation research on asynchronous motor DTC system base on six voltage space vectors is realized in MATLAB/Simulink. Keywords：asynchronous motor; DTC; space vetor;flax linka

8、geobserver; simulation1前言統(tǒng)計表明，在我國電機驅(qū)動系統(tǒng)的能源利用率極低，與國外平均水平相比要低20，存在非常嚴重的電能浪費情況，這對我國本來就十分嚴峻的用電現(xiàn)狀可以說更加不利。因此，為了滿足不斷發(fā)展的實際需求，同時減小能源損耗，延長電機壽命，必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機調(diào)速技術(shù)。這不僅關(guān)乎我們當前的經(jīng)濟發(fā)展，更重要的，因為它與能源開發(fā)和節(jié)約息息相關(guān)，還對我們未來的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的進步，交流電機調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天，有了長足的進步。特別是20世紀70年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和80年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交

9、流電機調(diào)速系統(tǒng)性能可以與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。而交流電機尤其是鼠籠異步電動機由于其自身結(jié)構(gòu)和運行特性的優(yōu)點，使得交流電機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢高于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。因此，交流電機調(diào)速系統(tǒng)的市場占有率不斷擴大，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防等領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。1.1交流電機控制技術(shù)的發(fā)展與展望交流電機控制技術(shù)的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和控制策略的 展。電力電子技術(shù)對電機控制技術(shù)發(fā)展的影響電機控制技術(shù)的發(fā)展與電力電子器件制造工藝的提高、產(chǎn)品的更新密不可分.早在19世紀末，交流電機便己面世。但是其調(diào)速困難，調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性都趕不上直流電機調(diào)速系統(tǒng)，因此在調(diào)速傳動領(lǐng)域中多采用直流電機調(diào)速系統(tǒng)。上

10、世紀20年代，人們開始意識到變頻調(diào)速是一種較理想的交流電機調(diào)速技術(shù)，然而其所需設(shè)備龐大，可靠性差的缺點限制了它的發(fā)展。直到20世紀80年代第一代電力電子器件SCR (Silicon Controlled Rectifier)的出現(xiàn)，才使交流調(diào)速技術(shù)有了新的轉(zhuǎn)機。之后電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使了電機控制技術(shù)水平有了突破性的提高o SCR作為最早的電力電子元件，以其高電壓、大電流的特性，至今仍在大功率直流驅(qū)動和大功率高電壓的交流變頻調(diào)速驅(qū)動應(yīng)用中占有不可動搖的地位。自第二代以GTR (Giant Transistor), GTO(Gate-Turn-Thyristor)、MOSFET (Meta

11、l Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)至第三代以IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)為代表的電力電子器件的發(fā)展中，除了自關(guān)斷能力外，元件的開關(guān)頻率不斷提高，元件通態(tài)壓降不斷降低，在電機控制中應(yīng)用的結(jié)果是使電機控制性能有了很大的提高。例如采用了GTR做成的通用型變頻器，GTR的開關(guān)頻率約為2 kHz左右，變頻器輸出的最低工作頻率約為3 Hz，最高頻率120 Hz左右。而采用IGBT做成的通用型變頻器，IGBT的開關(guān)頻率約達20 kHz左右，變頻器的最低輸出頻率可達0.5 Hz，最高工作頻率可達400

12、500 Hz。用它控制電機運行，則噪聲更小，運行更平穩(wěn)。高開關(guān)性能元件的問世是現(xiàn)代矢量變換控制應(yīng)用于中小功率、高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的保證。第四代電力電子器件IPM(Intelligent Power Module)和PIC (Power Integrated Circuit)的出現(xiàn)，大幅度降低了開發(fā)時間和費用，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。它們不但可以提供一定的功率輸出能力，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和自診斷等功能。其內(nèi)含驅(qū)動電路、保護電路，可實現(xiàn)過流、短路、欠壓和過壓等保護，還可實現(xiàn)電機的再生制動。外界只需提供PWM (Pulse Width Modulation)信號給IPM，就可以實

13、現(xiàn)以往復(fù)雜的主電路及其外圍電路的功能?？傊?，電力電子技術(shù)是電機控制技術(shù)發(fā)展的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。數(shù)字控制技術(shù)對交流電機控制技術(shù)發(fā)展的影響最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電子技術(shù)的進步，基礎(chǔ)電路甚至電機控制專用集成電路被大量在電機控制中引用，這些電路大多為模擬、數(shù)字混合電路，在很大程度上提高了電機控制器的可靠性、抗干擾能力，又縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了研制費用，因而發(fā)展很快。隨著數(shù)字技術(shù)的進步，在電機控制中開始引入數(shù)字芯片作為控制器。市場上較通用的變頻器大多采用了單片機來控制。但單片機的處理能力有限，對采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，單片機

14、往往不能滿足要求。之后DSP (Digital Signal Processor)被應(yīng)用到電機控制中，改善了電機控制的實時性和運算精度。為了在廣闊的電機控制市場搶占份額，各大DSP生產(chǎn)廠商紛紛推出自己的內(nèi)嵌式DSP電機控制專用集成電路。如占DSP市場份額45%的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出了電機控制器專用DSP-TMS320C 24x。電機控制技術(shù)發(fā)展的多樣化、復(fù)雜化，使其對電機控制電路的要求更加苛刻，這樣自己開發(fā)電機專用的控制芯片顯得非常必要。CPLD (Complex Programmable Logic Device)和FPGA (Field-Programmable Gate

15、 Array)是一種很好的解決方案。作為開發(fā)器件，CPLD或FPGA具有用戶可編程的特性。利用CPLD或FPGA，工程師可以在實驗室中設(shè)計出專用的電機控制集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)、上市的時間，降低了開發(fā)成本。一片CPLD或FPGA就可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。數(shù)字控制技術(shù)對電機控制的影響是深遠的，它大大推動了電機控制技術(shù)的發(fā)展和電機控制行業(yè)的繁榮。近年來，隨著電力電子技術(shù)、各種傳感技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流電機調(diào)速的研究進入了一個高速發(fā)展的階段，涌現(xiàn)出了很多卓有成效的調(diào)速控制算法。其中比較有代表性的幾種調(diào)

16、速控制方法如下。(1)基于恒壓頻比的標量控制技術(shù)。(2)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全解耦的矢量控制技術(shù)，也稱矢量控制。(3)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的矢量控制技術(shù)，也稱直接轉(zhuǎn)矩控制。在這些方法中，尤其以直接轉(zhuǎn)矩控制最為引人注目。由于它較之其他算法的確存在巨大優(yōu)勢，而且其缺點可以隨著新的控制技術(shù)以及高性能的數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展被不斷克服，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究成為目前交流調(diào)速研究領(lǐng)域最大的熱點。目前，國外的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)己經(jīng)成功地實現(xiàn)了產(chǎn)品化。鑒于以上所述，對于直接轉(zhuǎn)矩控制的研究以及盡早地產(chǎn)品化具有非常重要的實際意義和良好的經(jīng)濟前景?？梢灶A(yù)見，具備寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良

17、好技術(shù)性能的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速產(chǎn)品是未來發(fā)展的主流。因此，研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制算法是大勢所趨，非常必要。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼控制和矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法，最早是由德國教授Depenbrock和日本學(xué)者Takahashi提出的。它的主要思想是利用滯環(huán)比較器實現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，結(jié)合扇區(qū)信息，通過一個開關(guān)表有選擇地輸出基本空間電壓矢量，來控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈按要求快速變化。相比于開環(huán)的控制，采取閉環(huán)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制具有不可比擬的控制精度，具有更好的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。相比于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制采用了定子坐標系，摒棄了復(fù)雜的坐標變換

18、和解耦過程，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)也更好。直接轉(zhuǎn)矩控制之所以從誕生到現(xiàn)在一直受到人們的普遍關(guān)注，是因為其具有其它控制策略不可比擬的優(yōu)點:（1）直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，所需要的信號處理工作簡單。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制所需電機參數(shù)只有定子電阻，使其性能受電機參數(shù)變化的影響很小。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制使用空間矢量的概念分析交流電機數(shù)學(xué)模型和控制機理，使其控制理論通俗易懂。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制直接對交流電機轉(zhuǎn)矩進行控制，強調(diào)轉(zhuǎn)矩的控制效果，并不關(guān)心電流、電壓等間接物理量，動態(tài)響應(yīng)快。綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制是一種針對交流電機自身特點，提出的適用于交流調(diào)

19、速的高性能控制策略。1.3直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1985年，由德國魯爾大學(xué)的M. Depenbrock教授和日本的I. Takahashi教授分別提出了各自的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，英文稱為DTC (Direct Torque Control) 。1987年，直接轉(zhuǎn)矩控制被推廣到弱磁調(diào)速技術(shù)范圍5。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不需要將異步電動機與直流電動機作比較、等效和轉(zhuǎn)化:既不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解藕而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計算，因此它所需要的信號處理工作簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受

20、到了普遍的關(guān)注，得到迅速發(fā)展。在國外以德國和日本為主，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論已經(jīng)比較成熟，美國、法國等國家緊隨其后，使直接轉(zhuǎn)矩控制的推廣逐步擴大.現(xiàn)在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于電力機車牽引系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)等大功率調(diào)速應(yīng)用場合。市場應(yīng)用方面，ABB公司于1995年推出了其直接轉(zhuǎn)矩控制產(chǎn)品ACS600，隨后的ACS800, ACS1000也都應(yīng)用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究的主要側(cè)重方面有:低速性能的改善:轉(zhuǎn)矩脈動的削弱;與智能控制相結(jié)合;與無速度傳感器技術(shù)結(jié)合;變結(jié)構(gòu)方案。可以預(yù)見，未來的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在實際應(yīng)用方面將逐步推廣開來，各種產(chǎn)品也將陸續(xù)出現(xiàn)。在理論研究方面，針

21、對直接轉(zhuǎn)矩控制的缺陷，結(jié)合各種交叉控制技術(shù)，一些改善直接轉(zhuǎn)矩控制性能的新方法將被不斷提出。2三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理2.1 三相異步電動機的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機的數(shù)學(xué)模型異步電動機的空間矢量等效電路圖如圖2.1所示圖2.1異步電動機空間矢量等效電路圖將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量，在正交的軸上的投影稱為分量，則有電壓公式:(2-1)其中，下標,分別表示對應(yīng)空間矢量和分量和分量。移項并積分可得定子磁鏈公式:(2-2)轉(zhuǎn)矩公式：(2-3)式中 電磁轉(zhuǎn)矩（N） 電機極對數(shù)磁通角（rad）電機運動公式(2-4)式中負載轉(zhuǎn)矩（N） J轉(zhuǎn)動慣量（kg）電壓空間矢量對定子磁鏈的影響對于式(2-

22、3)，若忽略定子電阻壓降的影響，則有: (2-5)所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關(guān)系，該關(guān)系見圖2.1。圖2.2中， (x=16)表示電壓空間矢量，表示定子磁鏈空間矢量，、表示正六邊形的六條邊，也表示等分的六個區(qū)間。當定子磁鏈空間矢量，在圖2-4所示位置時，其頂點在邊上，如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為(011)，根據(jù)式(2-5)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關(guān)系，定子磁鏈空間矢量的頂點將沿著邊的軌跡，朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運動，到達和的交點時，這時如給逆變器加上電壓空間矢量(001)，則定子磁鏈空間矢量，頂點會按照與(001)平行的方向，沿著邊的軌跡運動。到達和的交點時，

23、若給逆變器加上電壓空間矢量 (101)，則定子磁鏈空間矢量頂點會按照與 (101)平行的方向，沿著邊的軌跡運動。同樣如依次給出 (100) , (110), (010)，定子磁鏈空間矢量，將依次沿著、的軌跡運動。圖2.2 電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量間的關(guān)系至此可以得到如下結(jié)論:1.定子磁鏈空間矢量頂點的運動方向和軌跡對應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向，只要定子電阻壓降影響相對較小，的運動軌跡近似平行指示的方向;2.在適當?shù)臅r刻，比如在圖2.2中正六邊形的相鄰的邊與邊的交點處，依次給出定子電壓空間矢量u1-u2-u3-u4-u5-u6，則定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊-，形成正六邊形定子磁鏈軌跡

24、;3.一個正六邊形代表定子磁鏈一個周期的運動軌跡，母殺邊代表看一個周期定子磁鏈軌跡的1/6 ，稱之為一個區(qū)段。直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài)，簡單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用于控制電動機的轉(zhuǎn)矩。這種方法是最初的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角有關(guān)。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分發(fā)揮電動機的性能，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負載決定，要改變電動機轉(zhuǎn)矩，可以通過改變磁通角來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈斷續(xù)旋轉(zhuǎn)，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度

25、，從而改變磁通角，以達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。電壓空間矢量對電動機轉(zhuǎn)矩的影響如圖2.3所示。在時刻，磁通角為()，此時施加電壓空間矢量(110)，定子磁鏈將從 ()旋轉(zhuǎn)到 ()，運動軌跡為 (t)，平行于(110)。而轉(zhuǎn)子磁鏈不直接跟隨定子磁鏈，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角由()增加到()，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。如果在時刻，施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量，則定子磁鏈靜止不動或反向旋轉(zhuǎn)，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。 圖2.3 電壓空間矢量對電動機轉(zhuǎn)矩的影響2.2三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)2.2.1逆變器的開關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài)一臺電壓型逆變器如圖2.4所示。由三組、六個開關(guān)

26、器件組成。圖2.4電壓型逆變器原理圖由于同一相上下橋臂的兩個開關(guān)器件一個導(dǎo)通，則另一個關(guān)斷，所以三組開關(guān)器件有八種可能的開關(guān)組合。分別用、來表示三相上橋臂的開關(guān)狀態(tài)，以相為例，當相上橋臂導(dǎo)通時，記作Sa = 0。當相上橋臂關(guān)斷時，記作Sa = 0。這樣，八種可能的開關(guān)狀態(tài)如表2.1。表2.1逆變器的開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)12345678000111101100011001110010八種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類:一類是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài)“1”到“6”，它們的特點是三相負載并不都是接到相同的電位上去;另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài)“7”和狀態(tài)“8”，它們的特點是三相負載都接到

27、相同的電位上去。對于逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)，對外部負載來說，逆變器輸出七種不同的電壓狀態(tài)。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類:一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“1”至“6”；分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“1”至“6”;另一類是零電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“7”和“8”。2.2.2電壓空間矢量理想交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等都是在空間位置上互差120度的三維物理量，可以把它們定義為空間矢量。以定子電壓空間矢量為例。為了將三維物理量轉(zhuǎn)換成二維物理量，以便合成空間矢量，這里引入Park矢量變換。取三相定子坐標系的“軸與Park矢量復(fù)平面的實鐘“重合，則電壓空間矢量的Park矢量變換為:(2-6

28、)式中三相定子繞組的相電壓（V）對于圖2.4所示的電壓型逆變器，可以得到電壓空間矢量在坐標系中的離散位置，如圖2.5。其中開關(guān)狀態(tài)(000) (111)對應(yīng)坐標系的原點。電壓空間矢量的幅值不變，都等于4E/3?？臻g矢量的順序從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆時針旋轉(zhuǎn)。所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)是010-011-001-101-100-110，所對應(yīng)的逆變器電壓狀態(tài)，即電壓空間矢量是u1-u2-u3-u4-u5-u6。零電壓矢量位于六邊形的中心點。圖2.5電壓空間矢量圓形磁鏈軌跡的形成逆變器六個可能的工作電壓狀態(tài)輸出六個工作電壓空間矢量。由于定子磁鏈空間矢量的運動方向由電壓空間矢量的方向確定，所以定子磁鏈只能在這

29、六個方向上運行。定子磁鏈的任何其他方向的運行，都只能通過六個電壓空間矢量的組合來實現(xiàn)。用六個電壓空間矢量的組合的方法，就可以實現(xiàn)近似圓形定子磁鏈軌跡的運行方式，如圖2.6所示。只要每個區(qū)段中的施加的電壓空間矢量的數(shù)目足夠多，圓形定子磁鏈軌跡就能夠得到很好地近似。這要求配合轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器等控制單元，提供相應(yīng)的電壓開關(guān)信號。圖2.6 圓形定子磁鏈軌跡的實現(xiàn)綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)是通過定子電壓空間矢量的適當選擇，使定子磁鏈的運動軌跡近似圓形，運動速度發(fā)生變化，進而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。2.3電壓空間矢量開關(guān)信號的選擇當定子磁鏈空間矢量位于不同區(qū)間時，都要解決一個既要考慮轉(zhuǎn)矩

30、偏差又要兼顧磁鏈偏差，如何合理優(yōu)選開關(guān)電壓矢量的問題。圖2.1給出了定子磁鏈矢量軌跡在區(qū)間的情形，在此區(qū)間內(nèi)選擇和是不合適的，因為會使復(fù)制急劇變化，而難以將其控制在滯環(huán)帶寬內(nèi)?？晒┻x擇的電壓矢量有、以及、。由每個開關(guān)電壓矢量在定子磁鏈矢量運動軌跡徑向和切向方向的投影，可以判斷出該開關(guān)電壓矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩所起的作用。前四個開關(guān)電壓矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用分別用、和、來表示，下標“+”號表示增加，下標“-”號表示減小。于是可根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出信號來合理選擇其中的開關(guān)電壓矢量。對于其他區(qū)間可做出同樣的合理選擇，表2.2給出了六個區(qū)間的開關(guān)電壓矢量查詢表，表中用來表示區(qū)間。表2.2 開關(guān)電壓

31、矢量查詢表110-1-110-1表2.2中，的正負是根據(jù)滯環(huán)比較器的數(shù)字輸出來確定的，即有：若，則輸出為1，取1。若 ，則輸出為0，取-1。表2.2中，的符號由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的三個輸出信號來確定，當需要定子磁鏈矢量向前旋轉(zhuǎn)時，既有若 ，則輸出為1，取1。若 ，則輸出為0，取0。當需要定子磁鏈矢量向后旋轉(zhuǎn)時，既有若 ，則輸出為-1，取-1。若 ，則輸出為0，取0。同定子磁鏈矢量控制不同的是，電磁轉(zhuǎn)矩控制中采用了零電壓矢量和，主要是為了減小轉(zhuǎn)矩脈動。圖2.7表示當電磁轉(zhuǎn)矩實際值達到滯環(huán)比較器下限值后，即，選擇合適的開關(guān)電壓矢量向前快速旋轉(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大，當轉(zhuǎn)矩由圖2.7中A點升高到時候，開始采

32、用零電壓矢量，此時轉(zhuǎn)矩不會立刻停止變化，當時，零電壓矢量依然起作用，在其作用下，可以使轉(zhuǎn)矩的變化放緩慢。與此相反，電磁轉(zhuǎn)矩達到上限值之后，即，在選擇合適的開關(guān)電壓矢量博士轉(zhuǎn)矩下降的過程中，也采用了零電壓矢量?？梢杂纱丝闯觯汶妷菏噶磕軌蚴沟秒姶呸D(zhuǎn)矩的劇烈變化變的緩和。通過利用零電壓矢量的這種作用，來進一步對開關(guān)電壓矢量選擇進行優(yōu)化，由此來減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。圖2.7采用零電壓矢量對應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，電壓空間矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。 一種是通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點式或三點式調(diào)節(jié)信號和定子磁鏈所在區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表，最后通過所選電壓空間矢量輸出開關(guān)

33、脈沖信號給逆變器。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)節(jié)得到的參考電壓空間矢量的兩個分量，合成所需要施加的參考電壓空間矢量。但是，此時的電壓空間矢量是旋轉(zhuǎn)坐標系下的，還需疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標系下的電壓空間矢量，最后通過SVPWM方式輸出開關(guān)脈沖信號給逆變器。2.4本章小結(jié)本章介紹了三相異步電機的數(shù)學(xué)模型。闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制涉及到的基本概念，介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，并對逆變器的開關(guān)狀態(tài)、電壓空間矢量開關(guān)信號的選擇等問題做出了相應(yīng)的解釋和分析。3 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略3.1定子磁鏈矢量空間位置檢測圖3.1是直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)的簡化框圖。途中VSI表示電壓源逆變

34、器，它能提供8個開關(guān)電壓矢量。將定子磁鏈矢量實際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環(huán)比較器，同時將轉(zhuǎn)矩實際值與給定值比較厚的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，根據(jù)兩個滯環(huán)比較器的輸出，由表2-2給出的開關(guān)電壓矢量查詢表，可以確定開關(guān)電壓矢量的選擇。但是，在查詢前，需要提供定子磁鏈矢量的位置信息。圖3-1中的表示的是區(qū)間順序號。圖3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)定子磁鏈空間矢量可以用DQ軸系統(tǒng)表示。（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）式中 （3-5）這樣。可以通過估計定子磁鏈交，直軸分量值和確定的空間相位和幅值。但是，與矢量控制的要求不同，這里并不需要定子磁鏈矢量確切的位置信息，只要知道定子磁鏈矢量處

35、于哪個區(qū)間就可以了。因此，可以簡單的利用定子磁鏈兩個分量的符號信息，不利用三角函數(shù)的計算，只是利用比較器就可以完成了。例如，對于區(qū)間，>0，但這時可能存在>0，也可能存在<0這兩種情況。可以進一步利用定子B相繞組磁鏈的信息。如圖3-2所示，當定子磁鏈位于區(qū)間時，應(yīng)小于0.同理，對于其他區(qū)間可以采用同樣的方法來確定。3.2定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的估計3.2.1定子磁鏈估計要實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，就必須將磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實際值準確地檢測出來.實際上，很難采用直接手段檢測出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實際值，因此一般都是采用間接法，利用定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等直接測量的量，來重構(gòu)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的觀測值。所以

36、定子磁鏈的準確觀測是異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要組成部分，起著決定性作用。磁鏈觀測模型，共有三種形式: u-i模型、i-n模型、u-n模型。電壓-電流模型:定子磁鏈的u-i模型如圖3.3所示。圖3.3定子磁鏈的u-i模型在計算過程中唯一所需要了解的電動機參數(shù)是易于確定的定子電阻.定子電壓u,和定子電流i同樣也是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測出來.u-i模型只有在被積分的差值較大時才能提供正確的結(jié)果。其誤差是由定子電阻的存在引起的。由于這個原因，u-i模型在30%額定轉(zhuǎn)速以上時，測量誤差及積分漂移的影響變的微不足道，采用此模型才能比較準確地觀測出定子磁鏈。但是當定子頻率接近零時，

37、用這種方法來確定定子磁鏈是不可能的，因為用做積分的定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失了，以致在穩(wěn)定情況下只有誤差被積分。根據(jù)式(2-3)，在電機高速運行時，特別是在30%額定轉(zhuǎn)速以上時，電壓u較大，u-Ri較大，定子電阻壓降的影響很小，由此引起的誤差較小，此時u-i模型可以很好地確定定子磁鏈，且結(jié)構(gòu)簡單，精度較高。在30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)，電壓u較小，u-Ri較小，定子電阻壓降的影響很大，由此引起的誤差較大，此時磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算。由定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的方法稱為i-n模型法。根據(jù)圖3-1可以推導(dǎo): (3-6) (3-7)由此可以得到定子磁鏈的i-n模型，如圖3.4所示。圖

38、3.4 i-n模型與u-i模型相比i-n模型中不出現(xiàn)定子電阻，也就是說不受定子電阻變化的影響。但是i-n模型受轉(zhuǎn)子電阻、漏電感,主電感L變化的影響。此外i-n模型還要求精確的測量角速度。的測量誤差對i-n模型的結(jié)果影響很大。綜合以上u-i模型和i-n模型的特點，我們可以采用兩種模型相結(jié)合的方法(即u-n模型)，用定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。如圖3.5所示:圖3.5 u-n模型圖2-9中，電流調(diào)節(jié)“PI”單元的作用是強迫電動機模型電流和實際的電動機電流相等.如果電動機模型得到的電流與實際測量到的電動機電流不相等.就會產(chǎn)生一個差值送入到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。電流調(diào)節(jié)器就會輸出補償信號加到積分單元的

39、輸入端，以修正和電流值，直至完全等于為止，才為零，電流調(diào)節(jié)器才停止調(diào)節(jié)。由此可見，由于引入了電流調(diào)節(jié)器，使得電動機模型的仿真精度大大提高了。 電動機模型綜合了u-i模型和i-n模型的優(yōu)點，又很自然地解決了切換問題。高速時，電動機模型實際工作在u-i模型下，磁鏈實際上只是由定子電壓與定子電流計算得到。由定子電阻誤差、轉(zhuǎn)速測量誤差以及電動機參數(shù)誤差引起的磁鏈誤差在這個工作范圍內(nèi)將不再有意義。低速時，電動機模型實際工作在i-n模型下。3.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩估計利用公式3-3可以進行電磁轉(zhuǎn)矩估計 （3-8）式中是估計值，為實測值。3.3磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)磁鏈調(diào)節(jié)有兩種形式，第一種是施密特兩點式或三點式調(diào)

40、節(jié)，或稱Bang-Bang調(diào)節(jié)，如圖3.6 a) 為給定的定子磁鏈幅值，為觀測到的定子磁鏈幅值，將兩者做差，得到的差值送入滯回比較器:當差值大于設(shè)定容差時，輸出信號為“1”，說明需要增大定子磁鏈;當差值小于設(shè)定容差時，輸出信號為“0”，說明需要減小定子磁鏈。另一種形式是PI調(diào)節(jié)，如圖3.6 b)所示。它是將定子磁鏈幅值和觀測到的定子磁鏈幅值的差值送入PI調(diào)節(jié)器，輸出所需要的電壓空間矢量分量，方向與定子磁鏈空間矢量平行，用來調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值。圖3.6磁鏈調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)類似，也分為施密特兩點式或三點式調(diào)節(jié)和PI調(diào)節(jié)，如圖3.7 a),圖3.7 b)所示。調(diào)節(jié)原理與磁鏈調(diào)節(jié)相同。轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)

41、節(jié)輸出的是與定子磁鏈空間矢量垂直方向上的所需電壓空間矢量，用以調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。圖3.7轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)3.4 起動問題當電動機開始起動時，即在t=0時刻，控制系統(tǒng)給定定子磁鏈參考值,然后又在=時刻，給定電磁轉(zhuǎn)矩指令值。由于定子歷次需要一個過程，定子磁場是逐步建立起來的，所以定子磁鏈矢量的幅值在=這個時刻之前，甚至過了時刻可能都還沒有達到參考值。因為如此，在起動初始時刻，若按照表2-2規(guī)定的規(guī)則選擇定子開關(guān)電壓矢量，那么在電磁轉(zhuǎn)矩達到其指令值之前，就只有一種狀態(tài)，即為“+”號，定子磁鏈的狀態(tài)也為“+”號。如此，逆變器只能在這個規(guī)則下一次選擇非零開關(guān)電壓矢量，在這種情況之下，既不能選

42、擇零電壓開關(guān)矢量，又沒有辦法實現(xiàn)對定子磁鏈的調(diào)制，這樣的結(jié)果是定子磁鏈矢量的軌跡呈靈變形，而不是圓形。在六分之一個周期內(nèi)，定子磁鏈的幅值在拐角處達到最大，而后再減小，在下一個拐角處又一次達到最大。解決這一問題的方法是，在起動期間想轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸入載波信號，例如方波信號，頻率控制在500，這樣既能有效利用零電壓開關(guān)矢量，又能改善定子磁鏈和電流的波形。3.5 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過磁場定向和控制定子電流矢量的勵磁分量來間接控制電磁轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩作為直接控制變量，利用離散的逆變器開關(guān)電壓矢量對定子磁鏈矢量軌跡控制的同時實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，對磁鏈

43、軌跡的控制設(shè)定有兩種模式，一種是正六邊形模式，另一種是近似圓形模式。正六邊形磁鏈軌跡造成定子磁場和轉(zhuǎn)矩脈動很大，盡管其具有控制簡單，逆變器開關(guān)頻率低等優(yōu)點，但在性能要求較高的伺服驅(qū)動中還很少采用，主要用于大功率傳輸系統(tǒng)。進寺院模式是目前高性能伺服驅(qū)動應(yīng)用最廣泛的模式。由于直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過定子電流來間接控制轉(zhuǎn)矩，因此省略掉了電流或者電壓的控制環(huán)節(jié)，這對于提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力是非常有利的。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接將轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值進行滯環(huán)比較，根據(jù)比較結(jié)果選擇開關(guān)電壓矢量，開關(guān)電壓矢量可以直接控制定子磁鏈適量的速度，也就實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩的直接控制。滯環(huán)比較器相當于一個亮點是調(diào)節(jié)器，置換比較屬于B

44、ang-Bang控制，使轉(zhuǎn)矩能快速調(diào)節(jié)。另外，直接轉(zhuǎn)矩控制的運算均在靜止的定子坐標系中進行，不需要旋轉(zhuǎn)軸系的變換，也就不需要像矢量控制那樣進行復(fù)雜的矢量變換或坐標變換；由于不需要磁場定向，也就不需要復(fù)雜的磁場定向算法，大大簡化了運算處理過程，提高了控制運算速度。以上原因是直接轉(zhuǎn)矩控制可以獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，使伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的動態(tài)性能。矢量控制需要利用磁場定向技術(shù)，隨時準確地檢測出轉(zhuǎn)自磁鏈矢量（定子磁鏈矢量或者氣隙磁鏈矢量）的空間位置，然后通過嚴格控制定子電流矢量的香味和幅值來控制磁場和電磁轉(zhuǎn)矩。矢量控制的前提是磁場定向，它對定向磁場檢測的精度要求很高，對電動機參數(shù)的依賴性很強。直接轉(zhuǎn)矩控

45、制是將轉(zhuǎn)矩直接作為控制變量，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的控制效果，追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準確性。直接轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈使其走走停停，通過控制定子磁鏈矢量相對于轉(zhuǎn)自磁鏈矢量的平均旋轉(zhuǎn)速度來控制電磁轉(zhuǎn)矩，這種控制過程始終是在動態(tài)下進行的。不需要給出定子磁鏈矢量精確的空間位置，只需要了解定子磁鏈矢量所在區(qū)間的位置，因此位置檢測比較簡單。矢量控制要嚴格控制轉(zhuǎn)自磁鏈的幅值。與此同時，矢量控制理論是建立在磁場按正弦分布基礎(chǔ)之上的，為此對磁場波形要求是嚴格的。直接轉(zhuǎn)矩控制直接以轉(zhuǎn)矩偏差作為控制變量，力求把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)。定子磁鏈矢量幅值的變化對轉(zhuǎn)矩的影響相對其速度變化來說要小得多

46、，所以直接轉(zhuǎn)矩控制并不可以追求磁場的正弦化，但是由滯環(huán)控制的結(jié)果可以獲得近似圓形的定子磁鏈軌跡和近似正弦的定子電壓和電流波形。當矢量控制系統(tǒng)采用電壓源逆變器時，為了能獨立地控制定子電流的兩個分量（解耦控制），需要附加電壓解耦電路，或者增加電流快速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，把電壓源逆變器構(gòu)成為電流可控PWM逆變器。直接轉(zhuǎn)矩控制的解耦體現(xiàn)在選擇合適的矢量開關(guān)電壓，通過它們的徑向分量和切向分量來獨立地控制定子磁鏈矢量的幅值或轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)自磁場定向控制系統(tǒng)一般需要的哥調(diào)節(jié)器，二直接轉(zhuǎn)矩控制只需要速度，位置調(diào)節(jié)器和兩個滯環(huán)控制器，這不僅使控制系統(tǒng)得到簡化，也有利于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的控制思想明確，控

47、制方法直接，控制方法簡單，相對于矢量控制具由某些優(yōu)勢。但是，直接轉(zhuǎn)矩控制還有許多技術(shù)問題有待研究和解決。3.6 本章小結(jié)本章給出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的簡化框圖，并介紹了三種定子磁鏈估計的模型。簡要介紹了電磁轉(zhuǎn)矩估計方法。然后介紹了磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的原理和方法。最后對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了簡要總結(jié)。4 直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真4.1 仿真軟件MATLAB簡介隨著計算機在電力、航空、機械、汽車、制造等各個行業(yè)的深入廣泛的應(yīng)用，用計算機解決數(shù)學(xué)模型成為了各行業(yè)革命性的話題，這場革命的方向是高度自動化、智能化、科學(xué)規(guī)劃化、集成化。此外，控制理論經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，取得了豐富的研究成果

48、，并在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前控制理論的大量研究成果，如經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和自適應(yīng)控制等都是基于對控制對象的動力學(xué)特性進行一定精度的數(shù)學(xué)建模，因此盡可能獲得控制對象的精確數(shù)學(xué)模型是成功地進行控制器設(shè)計的重要因素。而計算機的出現(xiàn)使這成為可能。計算機仿真就是應(yīng)用計算機對所研究對象的數(shù)學(xué)模型進行分析和計算，模仿真實系統(tǒng)的情況，得出運行結(jié)果。計算機仿真在現(xiàn)代工程系統(tǒng)設(shè)計、評估和產(chǎn)品研究開發(fā)中越來越受到重視，特別是對系統(tǒng)的可行性、可靠性研究，具有事半功倍的效果。使開發(fā)者對系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、性能優(yōu)點有個整體的把握，為實際系統(tǒng)的開發(fā)做好準備。由MathWork公司推出的MATLAB使得為解決這些具體問題而

49、建立數(shù)學(xué)模型變得輕松、便捷，為科學(xué)和工程技術(shù)人員節(jié)約了寶貴的精力，并贏得了時間。MATLAB憑借其強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境以及豐富的算法工具箱，己成為科研和工程技術(shù)人員的有力開發(fā)工具。它將數(shù)值分析、矩陣計算、圖形圖象處理和仿真等諸多強大功能集成在一個極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程工具，集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理等于一體。MATLAB/SIMULINK軟件是當今國際上科學(xué)和工程技術(shù)界具有廣泛影響力的軟件之一。SIMULINK是The Math Works公司于1990年推出的

50、產(chǎn)品，經(jīng)過十幾年的發(fā)展己經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其是S-函數(shù)的引入使得SIMULINK更加充實，處理能力更加強大，使用戶可以根據(jù)自己的意圖來實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。MATLABISIMULINK中的SimPowerSystems庫的模塊組提供了大量電力、電機系統(tǒng)的基本模塊，使得這些系統(tǒng)模型的建立更加容易，縮短了建模時間。 MATLAB具有三大特點: 1.功能強大。包括數(shù)值計算和符號計算，計算結(jié)果和編程可視化，數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理，離線和在線計算。 2.界面友好，語言自然。MATLAB以復(fù)數(shù)矩陣為計算單元，指令表達與標準教科書的數(shù)學(xué)表達式相近。 3.開放性強。MATLAB有很好的可擴充性，可以把它當

51、作一種更高級的語言去使用.用它容易地編寫各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序。 MATLAB有許多工具箱Toolbox，這些工具箱大致可分為兩類:功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。前者主要用來擴充MATLAB的符號計算功能、視圖建模功能和文字處理功能以及與硬件實時交互功能:而后者專業(yè)性較強，如各種工具箱，使MATLAB在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值計算及優(yōu)化，數(shù)理統(tǒng)計和隨機信號分析、電路與系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)、信號和圖像處理、控制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)、財政金融等眾多領(lǐng)域的理論研究和工程設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。作為MATLAB的重要組成部分，Simulink具有相對獨立的功能和使用方法.確切的說

52、，它是對動態(tài)進行建模、仿真和分析的一個軟件包。Simulink的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊。然而，對于電氣傳動研究人員來說，一直被一個問題所困擾，即:如何準確而快速地對電路以及更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)進行仿真.如果各環(huán)節(jié)用簡化傳遞函數(shù)來表示，則很多重要環(huán)節(jié)會被忽略。而MATLAB中的電氣系統(tǒng)模塊庫Power System Blockset)解決了這個問題。電氣系統(tǒng)模塊庫以Simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電力傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。它由電源模塊庫、基本元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫等6個子模塊庫組成。在這6個基

53、本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫中去?？傊琈ATLAB非常適用于自動化領(lǐng)域的研究與開發(fā)。4.2 三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真本系統(tǒng)仿真模型完全基于實際情況，實際存在的異步電動機、逆變器均采用SimPowerSystems模塊中的模型，而且認為異步電動機的三相定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速都是可以方便測出的，這些都可以歸為硬件部分;其它模塊則屬于算法，歸為軟件部分。這樣使整個系統(tǒng)條理清晰，為以后的實際系統(tǒng)開發(fā)做好鋪墊。采用總分總的建模步驟:首先將整個系統(tǒng)按照算法分成幾個子模塊;然后利用SIMULINK中的基本模塊分別構(gòu)建各個子系統(tǒng)，通過封裝技術(shù)將它們

54、封裝起來:最后把各個子模塊連接起來，構(gòu)成整個系統(tǒng)的仿真模型網(wǎng)。系統(tǒng)的仿真模型如圖4.1所示。圖4.1 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型電機模型主要參數(shù):=149.2 KVA =460V =60 Hz =0.01485 J=3.1kg速度PI模塊系數(shù):=30 =200根據(jù)前面所述，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型。模型中包括三相交流異步電機模型、逆變器模塊、整流模塊以及最重要的控制算法模型。在控制算法模型中，主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模塊、磁鏈和計算控制模塊、區(qū)間選擇模塊以及開關(guān)表選擇模塊等。4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析仿真結(jié)果如圖4.2圖4.3和圖

55、4.4所示。圖4.2 定子電流定子電流在初始的波動后，逐漸呈現(xiàn)為正弦波形。圖4.3 轉(zhuǎn)速電機的實際轉(zhuǎn)速能夠跟上給定值的變化。圖4.4轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩的實際值能夠跟上給定值的變化。通過以上三圖可以看出，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制能夠保證轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有很好的動態(tài)性能，能在短時間內(nèi)跟隨給定值變化，并保證輸出電流波形保持正弦。但是，從圖中也要看到，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法下定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩相對于給定值的脈動仍然比較大，電流波形不夠圓滑。根據(jù)上一節(jié)的仿真結(jié)果以及前面章節(jié)的理論分析，可以很清楚地看到，與矢量控制以及V/F控制等方法相比，直接轉(zhuǎn)矩控制方法是一種完全不同的控制算法，具有以下三個明顯的優(yōu)點: (1)算

56、法理論簡單明了，不需要復(fù)雜的坐標變換和數(shù)學(xué)計算，對電機參數(shù)依賴非常小，僅僅需要定子電阻這一很容易得到的參數(shù)。(2) DTC算法直接對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行控制，并采用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙閉環(huán)的控制策略，可以使得被控制量快速準確地跟隨給定值變化，動態(tài)性能良好。(3)總體控制結(jié)構(gòu)非常簡單，僅僅需要簡單的PI調(diào)節(jié)器和滯環(huán)比較器;此外，由于采用了空間電壓矢量的概念，直接通過數(shù)字量控制逆變器的通斷，使得控制大大簡化，非常有利于DSP實現(xiàn)。當然，作為一種在近年來才逐步發(fā)展起來的控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制自身還存在很多問題，具體表現(xiàn)在下面三個方面:(1)由于在控制過程中只考慮了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的方向性，而忽略了誤差的大小，這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過程中誤差超過滯環(huán)比較的帶寬，從而使實際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動，影響實際性能。(2)由于采取根據(jù)控制信號選取開關(guān)表控制逆變器開關(guān)的方法，必然導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率不能固定，變化較大，導(dǎo)致電流脈動大且會影響逆變器的使用壽命。(3)在定子磁鏈觀測時采用了U-I模型，導(dǎo)致在低速運行區(qū)間，由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響，使得定子磁鏈觀測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的