三相異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究

1、武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文保密類別       編 號      武漢大學珞珈學院畢 業(yè) 論 文異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的研究系 別 電氣工程與自動化 專 業(yè) 電氣工程與自動化 年 級 2012級電氣四班學 號 20120801155姓 名 顏東明 指導教師 應黎明 武漢大學珞珈學院摘 要直接轉矩控制技術簡稱為 DTC，是繼矢量控制技術之后，發(fā)展起來的另一種新型的，高動態(tài)性能變頻調(diào)速技術。具有控制結構較簡單、轉矩響應快并且易實現(xiàn)全數(shù)字化等特點。但由于其轉矩脈動較大，啟動電流過大等不足，阻礙了其

2、發(fā)展跟應用。為此，本文針對感應電機直接轉矩控制系統(tǒng)的性能展開相應的理論跟實驗研究，主要研究內(nèi)容如下：（1）建立三相異步電機的數(shù)學模型，通過變換矩陣得到電機在二相靜止和兩相旋轉坐標系下的數(shù)學模型。（2）闡述三相異步電機的直接轉矩控制原理，利用Matlab/Simulink仿真軟件，設計出直接轉矩控制模型。（3）對直接轉矩控制進行的系統(tǒng)的分析，包括系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。 關鍵詞：感應電機 ；直接轉矩控制；Matlab/Simulink仿真Study of the induction motor direct torque control systemABSTRACTAbbreviation f

3、or DTC direct torque control technology, which is after the vector control technology, developed a kind of new,High dynamic performance of frequency control technology. Have control structure is simple, fast torque response and easy to realize the fully digital, etc.But due to the large torque rippl

4、e, the start current is too large, such as insufficient, hinder its development and application. Therefore, in this paper should be motor direct torque control system about the performance of the corresponding theory and experimental research, the main research content is as follows:(1) to establish

5、 the mathematical model of three-phase asynchronous motor, the motor is obtained by transformation matrix under the second phase stationary and two phase rotating coordinate system mathematical model.(2) in this paper, the three-phase asynchronous motor direct torque control principle, using Matlab/

6、Simulink simulation software, design the model of the direct torque control.(3) the analysis of direct torque control system, including the static characteristic and dynamic characteristic of the system.目 錄第一章 緒論1.11.2之間轉矩控制技術發(fā)展狀況以及研究1.2.1直接轉矩控制技術的發(fā)展1.2.2直接轉矩控制（DTC）1.2.3直接轉矩額定特點1.2.4直接轉矩控制技術熱門研究1.2.

7、5定子電阻辨識和磁鏈補償1.2.6低速轉矩脈動大和開關頻率不固定的研究第2章 感應電機數(shù)學模型及其原理2.1異步電機在兩相任意旋轉坐標系上的數(shù)學模型2.1.1變換關系2.1.2變換過程2.1.3轉矩和運動方程2.1.4異步電機在上地數(shù)學2.1.5異步電機在兩相同步旋轉坐標系上的數(shù)學模型2.1.6兩相靜止坐標系下的異步電動機方程第3章 傳統(tǒng)直接轉矩控制的仿真3.1異步電動機數(shù)學仿真模型的建立3.2六邊形磁鏈軌跡直接轉矩控制系統(tǒng)仿真3.2.1仿真模塊的建立3.2.2開環(huán)仿真3.2.3閉環(huán)仿真3.3.1仿真模塊的建立3.3.2仿真結果與分析3.4全速范圍內(nèi)直接轉矩控制系統(tǒng)仿真研究3.4.2仿真結果結

8、論后記參考文獻第1章 緒論隨著現(xiàn)代化的工廠、企業(yè)的自動化，微電子技術以及集成化程度的逐步上升，高速微處理器的應用日益普及。目前電氣傳動設備能夠實現(xiàn)良好的速度控制精度和高穩(wěn)態(tài)精度等比較優(yōu)秀的性能。電氣傳動往大多都已以電動機作為它的控制對象，采用電力電子功率變換裝置來做為它的執(zhí)行部分，以此來作為自動控制系統(tǒng)。因此交流伺服系統(tǒng)所擁有的市場相當?shù)膹V闊，而且其研究也具有非凡的意義，相信不久之后，它將在現(xiàn)代工業(yè)上嶄露頭角，廣泛應用。變頻調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)自動化必不可少的基礎技術。感應電機其價格低、高性高、容量大的特點，使其在工業(yè)，企業(yè)中都具有相當廣闊的發(fā)展空間。感應電機不僅在變頻調(diào)速系統(tǒng)中應用非常廣泛，而且在

9、伺服運用控制系統(tǒng)中也占相當大的比例。 1.1直接轉矩控制技術發(fā)展狀況以及研究1.1.1直接轉矩控制技術的發(fā)展20 世紀80 年代之前，由于直流電機調(diào)速性能非常優(yōu)異，控制起來也很簡單、所以直流電機調(diào)速在調(diào)速領域長期坐擁著主導地位。但是由于直流電機上存在電刷和機械換向器等一些硬件結構，導致其在轉動慣量、單機容量等多方面受到了一定的程度的限制，使它不能滿足向大型化，可靠性、快速性等方面提高的目的，嚴重的限制了它的應用范圍。與直流電機相對比，交流電機就擁有了很多非常明顯的優(yōu)點。比如它的結構簡單、制造成本很低、運行比較可靠和能夠在惡劣工況下工作，在一定的工業(yè)領域同時也擁有相應的廣泛應用。但是異步電機本身

10、是高階、強藕合、非線性、多變量的一種復雜系統(tǒng)，想要實現(xiàn)其控制則有一定的難度。異步電機的控制技術中，具有一定代表性的有兩種：矢量控制技術跟直接轉矩控制技術。它們的控制性能比較優(yōu)越，特別是直接轉矩控制技術，由于它簡單高效，因此在現(xiàn)代的交流電氣傳動領域中擁有了一席之地。1.1.2直接轉矩控制(DTC)由于矢量控制在實踐上存在不足之處，1985年德國魯爾大學DePenbrock教授發(fā)現(xiàn)直接控制異步電動機的電磁轉矩和電機定子磁鏈，而刪去電流閉環(huán)環(huán)節(jié)將能得到更好的動態(tài)性能。特別是在大功率機車中，若定子磁鏈控制成六邊形，則能減少功率管的切換次數(shù)，大大改善了電力電子器件的發(fā)熱性能。這種控制方法稱為直接自控制(

11、DirectSelf Control, DSC)。定子磁鏈六邊形方案雖然控制簡單，但它使電機的電磁轉矩脈動加大。在大功率的牽引機車中，由于有很大的慣性，這中轉矩脈動能被大慣量濾去，轉速不會出現(xiàn)明顯波動。但是在中小功率系統(tǒng)中，這種轉矩脈動會使轉速波動到不允許的地步，因此希望定子磁鏈控制成圓形而不是六邊形。于是，1986年日本LTakahashi教授提出了定子磁鏈為圓形的異步電動機直接轉矩控制方案。定子磁鏈為圓形的異步電動機直接轉矩控制常稱為DTC(Direct Torque Control，直接轉矩控制)。不同于矢量控制，直接轉矩控制克服了矢量控制中計算復雜、受電動機參數(shù)的影響、實際性能不佳等缺

12、點。因此，直接轉矩一誕生，便受到了普遍的關注，并得到了迅速的發(fā)展1.1.3直接轉矩的特點直接轉矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以使電機的磁場接近于圓形，諧波小，損耗低，噪聲及溫升均比一般逆變器驅動的電機要小得多。直接轉矩控制系統(tǒng)具有如下特點:(1) 直接轉矩控制直接在定子坐標系下來分析交流電動機的模型，直接控制電動機的磁鏈和轉矩。省去了復雜的坐標變換和計算，信號處理工作比較簡單。(2) 采用定子磁鏈定向，只需知道定子電阻便可以觀測出定子磁鏈。而矢量控制采用轉子磁鏈定向，磁鏈的觀測需要依據(jù)數(shù)值會發(fā)生變化的轉子側電阻。所以直接轉矩控制減少了矢量控制中對電動機轉子電阻的依賴性。(3) 直接轉矩控制引入了空間

13、矢量的概念，使得交流電動機數(shù)學模型的分析過程變得簡單明了。(4) 直接轉矩控制不是通過控制電流、磁鏈來間接控制轉矩的，而是直接將轉矩作為控制量，因此控制效果不取決于電動機的數(shù)學模型是否得到簡化，而是取決于轉矩的實際情況，1.2.2直接轉矩的基本思想直接轉矩控制將電動機與逆變器視為一個整體，通過空間矢量和定子磁鏈定向的分析方法，在定子坐標下觀察分析電機的數(shù)學模型，直接計算與控制電機的轉矩，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)器(Band-Band控制，比較檢測轉矩值和指令轉矩值的大小，產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，從而獲得較高的動態(tài)該控制即直接又簡單。性能。它省略了矢量變換方式的坐標

14、變換及電動機數(shù)學模型的簡化過程，控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調(diào)。因此它是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。直接轉矩控制具有結構簡單、轉矩響應快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點，但它卻是建立在單一矢量、轉矩和磁鏈滯環(huán)的Bang-Bang控制基礎之上的控制方法，不可避免地造成了低速下開關頻率低、開關頻率不固定以及轉矩脈動大等問題，限制了直接轉矩控制在低速區(qū)的應用。直接轉矩控制控制技術簡稱DTC，是新型的，具有高性能的交流調(diào)速技術。它是繼矢量控制技術發(fā)展起來的。它通過利用定子磁場定向、空間矢量的分析，在定子交流直流坐標系下，直接分析電機的數(shù)學模型，計算出定子磁鏈

15、跟轉矩值，把轉矩的命令值和估算值，磁鏈指令值和估算值進行差值比較，限制輸出轉矩跟定子磁鏈的波動在允許的誤差范圍內(nèi)。與矢量控制技術不同，直接轉矩控制技術有著其自身的相關特點。1985年，直接轉矩控制理論由德國魯爾大DePenbrock教授第一次提出。過了兩年，就把它推廣到了弱磁調(diào)速范圍。直接轉矩控制理論的提出很快就受到了眾多學者的普遍關注。在不同的年代，調(diào)速技術也得到了一些較快發(fā)展:070年代：以控制直流電機與晶閘管(SCR)直流供電作為調(diào)速執(zhí)行部件，直流調(diào)速系統(tǒng)占據(jù)了一定的主導地位。 80年代： 伴隨著電子器件GTR、GTO等的發(fā)展，以 VVVF 為基本控制方式，交流異步電動變頻調(diào)速開始其發(fā)展

16、路程。 90年代: 電力電子器件IGBT，IGCT 等數(shù)字化技術得到了利用和開發(fā)，其中特別是矢量控制技術的發(fā)展，讓變頻器的應用發(fā)展達到了質的飛躍。 2000 年：隨著能源及環(huán)保問題的提出，節(jié)能成為異步電機的研究主題。其中，中大容量永磁式電機開發(fā)跟其價格比與性能控制都受到特別的關注。 2010 年：環(huán)保型變頻器的開發(fā)跟應用，變頻器需要適用于新能源的使用。并且要求交流電機具備一定的高效率。 直接轉矩控制是基于電機定子磁鏈變量，直接控制轉矩的一種非線性控制方式，并被看作與 FOC并列的控制策略。DTC 摒棄了解藕的思想，取消掉了旋轉坐標變換，只檢測電機的定子電流、電壓，定子磁鏈以及轉矩的計算則根據(jù)瞬

17、時空間矢量理論來進行，最后把它們的值于它們各自的給定值相互比較之后來獲得相應差值，從而實現(xiàn)了磁鏈、轉矩的相關控制。表 1.1是兩種控制方案的性能與特點比較。表 1.1特點、性能矢量控制直接轉矩控制磁鏈控制 轉子磁鏈 定子磁鏈閉環(huán)控制轉矩控制。 連續(xù)控制，比較平滑Bang-bang控制，有轉矩脈動坐標變換旋轉坐標變換，較復雜靜止坐標變換，較簡單 轉子參數(shù)變化影響有電流模型估計磁鏈時有調(diào)速范圍 寬逐步改進式轉矩動態(tài)響應不夠快比較快從上所述來看，直接轉矩控制技術表現(xiàn)出的特征是：控制定子磁鏈，在定子靜止坐標系下，通過空間矢量的概念，通過檢測定子電壓、電流得出相應的電磁轉矩、磁鏈，PWM 信號則由離散滯

18、環(huán)調(diào)節(jié)器來得到，實現(xiàn)直接對逆變器開關狀態(tài)的最佳控制，以此來實現(xiàn)轉矩的高性能控制。同矢量控制比較，它省去了電機數(shù)學模型的相應處理與矢量變換的復雜度。 雖然直接轉矩控制具有眾多的優(yōu)點，但由于其還是一種新技術，在理論上的不夠完善和控結構上的缺陷使本身存在許多不足之處。如低速時轉矩脈動比較嚴重；定子電阻的變化會引起磁鏈畸變和電流的脈動；使用零矢量引起開關頻率低；速度傳感器影響其系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題，限制了其控制性能，這些存在的問題阻礙了其進一步的發(fā)展與應用。因此怎樣才能行之有效的解決這些問題已經(jīng)成為了目前的熱門研究。 1.2.4直接轉矩控制技術熱門研究經(jīng)過一系列良好的發(fā)展，控制技術其各方面的性能都得到了

19、較大的提升，并且已經(jīng)進入到了實際應用階段，目前國外己成功的將該技術應用于大功率高速電力機車的主傳動系統(tǒng)當中。德國和日本在這方面的研究也居于遙遙領先的地位。直接轉矩轉矩動態(tài)響應快、想法新穎、對參數(shù)依賴性不高并且結構簡單等優(yōu)點，但是因其建立在單一的矢量控制、磁鏈和轉矩的滯環(huán)控制基礎之上，難以避免的產(chǎn)生了低速轉矩脈動大、速度傳感器昂貴還影響其控制性能等方面的缺陷，為此，該控制技術成為了當今社會研究探索的熱點。下面介紹了直接轉矩控制技術目前的幾個熱點研究： 1.2.5 定子電阻辨識和磁鏈補償 直接轉矩控制技術中還存在許多的難解之題，特別是在定子電阻的辨識問題，己經(jīng)阻礙了它的進一步發(fā)展，各國學者都為之困

20、擾。定子電阻的參數(shù)在定子磁鏈觀測和電機轉速辨識等方面尤為重要，特別在低速狀態(tài)下的準確辨識會直接影響磁鏈觀測和轉速辨識的精度，受電機運行溫度、集膚效應和電壓頻率等多方面因素影響，定子電阻具有時變性、非線性等特點。定子電阻的變化會帶來相應的很多問題，尤其是定子磁鏈跟電流的畸變，已經(jīng)達到了十分嚴重的程度。要能夠辨識的了定子電阻，則能夠從本質上消除電流與定子磁鏈方面的變形，隨之的問題就可以得到很好的解決。但實踐表明，從電機自身為出發(fā)點來改善直接轉矩控制技術是不可能的了，必須要再想良方。各國研究者地把現(xiàn)代控制技術越來越多的應用于交流電機的調(diào)速系統(tǒng)當中。直接轉矩控制技術作為一種新興的先進技術，需各種相關的

21、輔助技術來作為其技術支撐，各種新技術的應用推廣也給直接轉矩控制技術帶來了新的動力，使得它得到不斷的完善與發(fā)展。最近，人工神經(jīng)網(wǎng)絡已經(jīng)開始應用在直接轉矩控制的定子電阻辨識當中了，這是一個很好的開端。將現(xiàn)代控制理論應用到直接轉矩控制技術研究之中，絕對是當代學者們值得深入研究1.2.6 低速轉矩脈動大和開關頻率不固定的研究 直接轉矩控制中，由于轉矩和磁鏈的控制建立在兩個滯環(huán)比較器的基礎上，兩點式控制通過滯環(huán)比較器的容差范圍設定來控制，由于離散電壓矢量所能夠提供的數(shù)量有限，因此肯定會產(chǎn)生轉矩脈動。與此同時，因為使用了過多的零矢量在低速控制時，因此致使逆變器開關頻率不能夠保持固定，再加上滯環(huán)比較器，因此

22、產(chǎn)生了一定的電流諧波進而影響了它的控制性能。為改善直接轉矩控制低速轉矩脈動大和開關頻率不固定問題，國內(nèi)外研究者提出了不同的改良方法。多位滯環(huán)比較器控制法的提出，通過增加轉矩、磁鏈偏差分級，電壓矢量則根據(jù)其所處不同的速度范圍來進行相應的選擇，這在一定程度上減小了轉矩脈動，但改進效果十分的有限度。有些學者提出預期電壓矢量法，根據(jù)上一個采樣周期的磁鏈，轉矩的偏差來確定下個采樣周期所期望的電壓矢量，而這個矢量可以由兩個相鄰非零開關電壓矢量和零電壓矢量線性組合而成，并以它能逼近期望電壓矢量為目標來確定這三個開關電壓矢量各自的作用時間，由此來構成預期電壓矢量。該方法減小了轉矩脈動并且提高了電壓矢量利用率。

23、第2章 感應電機數(shù)學模型及其原理兩相坐標系可以是靜止的，也可以是旋轉的，其中以任意轉速旋轉的坐標系為最一般的情況，有了這種情況下的數(shù)學模型，要求出某一具體兩相坐標系上的模型就比較簡單了。2.1異步電機在兩相任意旋轉坐標系(dq坐標系)上的數(shù)學模型 2.1.1變換關系： 設兩相坐標軸與三相坐標軸的夾角為， 而為坐標系相對于定子的角轉速，為坐標系相對于轉子的角轉速。圖1.12.1.2變換過程圖1.2具體的變換運算比較復雜: （2.1）另0軸為假想軸d軸和A軸夾角為 可得: （2.2）寫成矩陣形式: （2.3） 合并以上兩個方程式得三相靜止ABC坐標系到兩項旋轉dq0坐

24、標系的變換式（2.4）(1) 磁鏈方程    利用變換將定子的三項磁鏈和轉子的三項磁鏈變換到dqo坐標系中去，定子磁鏈的變換陣是其中d軸與A軸的夾角為，轉子磁鏈的變換陣是是旋轉三相坐標系變換到不同轉速的旋轉兩相坐標系。其中 d 軸與 軸的夾角為 。 (2.5) (2.6)(2) 則磁鏈的變換式為: (2.7)把定子和轉子的磁鏈表達成電感陣和電流向量乘積，在用和的反變換陣把電流變換到dq0坐標上:(3) (2.8)(4) 磁鏈的零軸分量為 （2.9）    它們各自獨立對dq軸磁鏈沒有影響，可以不考慮則可以

25、簡化。(5) 控制有關。    代入?yún)?shù)計算，并去掉零軸分量則dq坐標系磁鏈方程為 （2.10）或寫成 （2.11）式中  （2.12）- dq坐標系定子與轉子同軸等效繞組間的互感;- dq坐標系定子等效兩相繞組的自感;-dq坐標系轉子等效兩相繞組的自感。 異步電機在兩相旋轉坐標系dq上的物理模型（圖2.3）異步電動機在兩相旋轉坐標系dq上的物理模型(2) 電壓方程    利用上式A得定子電壓變換的關系為 （2.13）先討論A相的關系 （2.14）同理（2.15）（2.16）在ABC坐標系下A相

26、的電壓方程，代入得 （2.17）為dq0旋轉坐標系對于定子的角速度    由于為任意值因此下式三式成立 （2.18）同理轉子電壓方程為（2.19）式中為dq0旋轉坐標系相對于轉子的角速度同理利用B相和C相的電壓方程求出的結果與上面一致。    (2)電壓方程    上面的方程整理有定子和轉子的電壓方程： （2.20） （2.21）令旋轉電動勢向量則式(6-106a)變成這就是異步電機非線性動態(tài)電壓方程式。與第6.6.2節(jié)中ABC坐標系方程不同的是:此處電感矩陣 L 變成 44

27、 常參數(shù)線性矩陣，而整個電壓方程也降低為4維方程。    (3)轉矩和運動方程 dq坐標系上的轉矩方程為    運動方程與坐標變換無關，仍為    其中-電機轉子角速度。    階數(shù)下降，但非線性、強耦合、多變量性質未變。    異步電機在dq坐標系上的動態(tài)等效電路 (a)d軸電路（a）q軸電路2. 異步電機在坐標系上的數(shù)學模型    在靜止坐標系

28、上的數(shù)學模型是任意旋轉坐標系數(shù)學模型當坐標轉速等于零時的特例。當時，即轉子角轉速的負值，并將下角標改成，則式(6-105)的電壓矩陣方程變成 代入式(6-107)并整理后，即得到坐標上的電磁轉矩式(6-108)式(6-110)再加上運動方程式便成為坐標系上的異步電機數(shù)學模型。這種在兩相靜止坐標系上的數(shù)學模型又稱作Kron的異步電機方程式或雙軸原型電機(Two Axis Primitive Machine)基本方程式。    3. 異步電機在兩相同步旋轉坐標系上的數(shù)學模型    另一種很有用的坐標系是兩相同步旋轉坐標

29、系，其坐標軸仍用d，q表示，只是坐標軸的旋轉速度等于定子頻率的同步角轉速。而轉子的轉速為，因此 dq 軸相對于轉子的角轉速，即轉差。代入式(6-105)，即得同步旋轉坐標系上的電壓方程     在二相同步旋轉坐標系上的電壓方程3.1 磁鏈方程、轉矩方程和運動方程均不變。    兩相同步旋轉坐標系的突出特點是，當三相ABC坐標系中的電壓和電流是交流正弦波時，變換到dq坐標系上就成為直流。    3.1.1按轉子磁場定向下的數(shù)學模型  &#

30、160; 在dq坐標系放在同步旋轉磁場下使d軸與轉子磁場的方向重合此時轉子的d軸的磁通分量為0，既有下式。帶入式(6-111)三四行出現(xiàn)零元素，減少了耦合，簡化了模型.上式中解得，帶入dq坐標系中的轉矩方程有如下結果，這個關系和直流電機的轉矩方程非常接近了，如果是鼠籠電機結果會更加簡單。2.1兩項相靜止坐標系下的的異步電動機方程為了方便地對異步電動機進行直接轉矩控制，需要分析其在兩相靜止坐標系下的電機模型。通過對三相靜止坐標系下的電動機數(shù)學模型進行坐標變換，可以建立起參考坐標下的電機模型，如圖2.1所示。直接轉矩控制就是在定子的靜止兩相坐標系分析電機的。 圖2.1異步電動機在三相坐標

31、系和兩相坐標系下的數(shù)學模型兩相靜止坐標下的方程式如下:(1) 電壓方程坐標下定子電壓為 （2.1）坐標下定子電壓為 （2.2）(2)電流方程坐標下定子電流為 （2.3）坐標下定子電流為 （2.4）(3)磁鏈方程坐標下定子磁鏈： （2.5）坐標下定子磁鏈: （2.6）坐標下轉子磁鏈：（2.7）坐標下轉子磁鏈:（2.8)(4) 轉矩方程:電流與磁鏈形式: （2.9）式(2.13)還可以寫成如下形式: （2.10）(5)轉速方程 （2.11）其中，轉子和定子電流 電機轉矩轉子和定子電壓 電機負載轉矩轉子和定子磁鏈電機的轉動慣量定子和轉子電阻電機級數(shù)定子和轉子電感電機轉速定子和轉子間的互感漏感漏感3傳

32、統(tǒng)直接轉矩控制的仿真 本章在對傳統(tǒng)的直接轉矩控制系統(tǒng)進行了理論分析的基礎上，首先通過建立異步電動機的仿真模型為直接轉矩控制系統(tǒng)提供控制對象。然后分別針對六邊形磁鏈和圓形磁鏈兩種控制策略下的直接轉矩系統(tǒng)進行仿真研究，得出其動態(tài)性能極其使用范圍。3.1異步電動機數(shù)學仿真模型的建立 異步電動機的仿真模型主要有電壓模塊、磁鏈模塊、轉矩模塊和速度模塊等組成。通過分別構建上述各個模塊，并進行組合即可構成異步電動機的數(shù)學仿真模型。 在Matlab/Simulink的仿真環(huán)境下，根據(jù)方程式(2.1)一(2.4)即三相靜止坐標系下的電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程以及運動方程建立電壓、磁鏈、轉矩和速度等異步電動機仿

33、真模型的子模塊。經(jīng)過連接可形成異步電動機仿真模型，如圖3.1所示。圖3.1異步電動機仿真模型 本文仿真用到的異步電動機參數(shù)如下40 額定功率=2Kw，額定電壓 =380V，額定頻率=SOHz，定子電阻 = 3.5252 ,轉子電阻 = 4.32，定子自感 =1.216H，轉子自感 =1.216H，定、轉子互感=0.800H，極對數(shù)=2，J=0.0075。3.2六邊形磁鏈軌跡直接轉矩控制系統(tǒng)仿真 為了得出六邊形磁鏈直接轉矩控制系統(tǒng)性能，本節(jié)在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，根據(jù)六邊形磁鏈軌跡直接轉矩控制的原理和結構構建其仿真模型，并分別在開環(huán)和閉環(huán)條件下進行仿真研究。3.2.1仿真模塊的建

34、立 六邊形磁鏈直接轉矩控制系統(tǒng)分別由電壓電流坐標變換模塊、磁鏈和轉矩估計模塊、磁鏈和轉矩調(diào)節(jié)模塊、逆變器模塊和作為控制對象的異步電動機組成。為了完成六邊形磁鏈DTC的仿真研究，本節(jié)實現(xiàn)該控制系統(tǒng)仿真模塊的建立。 (1)坐標變換模塊 在實際應用中，可檢測到的電壓、電流量都是基于三相靜止坐標系的，因此需要坐標變換將三相靜止坐標系中的各個量轉換到兩相靜止坐標系中。利用SIMULINK搭建的CLARK坐標變換模型如圖3.2所示。圖3.2電壓變換模塊圖3.3電流變換模塊（2)磁鏈和轉矩估計模塊定子磁鏈觀測采用的是電壓電流(u-i)模型，具體仿真模塊如圖3.4所示。根據(jù)轉矩的磁鏈與電流表示形式(2.13)

35、建立模塊計算電機轉矩。如圖3.5所示。圖3.4定了磁鏈觀測模型 根據(jù)六邊形磁鏈軌跡控制原理，建立如圖3.6所示的磁鏈自調(diào)節(jié)模塊。有磁鏈估計模塊得到定子磁鏈在兩相靜止坐標下的分量Y' a Y' /3 '然后經(jīng)過坐標變換到三相靜止坐標系中得到夢、·夢。·夢。，施密特觸發(fā)器進行磁鏈調(diào)節(jié)后得到的磁鏈開關信號SSA ,S、S，經(jīng)過關系式(2.31)得到和電壓U, Up U。的開關信號。圖3.5轉矩觀測模型磁鏈自調(diào)節(jié)模塊和轉矩調(diào)節(jié)模塊 根據(jù)六邊形磁鏈軌跡控制原理，建立如圖3.6所示的磁鏈自調(diào)節(jié)模塊。有磁鏈估計模塊得到定子磁鏈在兩相靜止坐標下的分量、 '然

36、后經(jīng)過坐標變換到三相靜止坐標系中得到、，施密特觸發(fā)器進行磁鏈調(diào)節(jié)后得到的磁鏈開關信號、,，經(jīng)過關系式(2.31)得到和電壓、。的開關信號。圖3.6磁鏈白調(diào)節(jié)模塊 轉矩調(diào)節(jié)模塊如圖3.7所示。在閉環(huán)控制中轉矩給定值為給定轉速與電動機實際專速的差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到的。為電動機輸出的電磁轉矩值。與比較后經(jīng)過滯不調(diào)節(jié)得到轉矩開關信號TQo圖3.7轉矩調(diào)節(jié)模塊 (4)逆變器模塊 電壓開關信號需經(jīng)過逆變器作用于三相異步電動機，圖3.8建立的是電壓源型逆變器模塊，由電壓開關信號得出電壓值。圖3.8逆變器模塊3.2.2開環(huán)仿真 為了能深入理解直接轉矩控制調(diào)速系統(tǒng)的原理，本文首先對六邊形磁鏈直接轉矩控制系統(tǒng)進行

37、了開環(huán)仿真。首先，在仿真中不加入轉矩調(diào)節(jié)，得出定子磁鏈選擇頻率與電機轉速之間的關系。其次，加入大小不同的轉矩調(diào)制占空比，分析得出轉矩調(diào)節(jié)與電機轉速之間的聯(lián)系。 開環(huán)仿真一:不考慮轉矩的調(diào)節(jié)，且電機空載運行。分別對以下兩種情況進行仿真，分析其轉速和磁鏈的變化。T = 0.02(定子磁鏈走完一個周期時間)，f =1/T=50Hz(2) T=0.0333，.f=1/T=60Hz(a)轉速波形（b）磁鏈軌跡圖3.9 f= 50Hz時六邊形磁鏈DTC開環(huán)仿真波形 (a)轉速波形(b)磁鏈軌跡 圖3.10 f = 60Hz時六邊形磁鏈DTC開環(huán)仿真波形 通過仿真結果觀測得，f = 50Hz時，n, =15

38、05r/min，如圖3.9 (a)所示:f = 60Hz時，n,=1795r/min，如圖3.10 (a)所示。 仿真結果表明，隨著頻率的增大，轉速增加。不同頻率并且空載條件下的轉速近似等于=60f / p=30f。對比磁鏈軌跡圖3.9 (b)和圖3.10 (b)可得，頻率增大，定子磁鏈運動周期減小，定子磁鏈幅值減小即六邊形變小。 開環(huán)仿真二:考慮轉矩的調(diào)節(jié)，定子磁鏈實現(xiàn)走走停停，但定子磁鏈幅值不變，保持仿真一(1)中磁鏈幅值大小，觀測速度的變化。(1)轉矩調(diào)制占空比為D=75%(2)轉矩調(diào)制占空比為D=50%(a) D=75%(b) D=50%圖3.11磁鏈軌跡 (a) D=75% (b)

39、D=50% 圖3.12局部放大的逆變器SA橋臂開關信號、相電壓波形、轉速波形 通過對仿真結果觀測得，兩種情況下磁鏈幅值的大小符合限定條件即磁鏈幅值大小保持不變，如圖3.11 (a)和(b)所示。由于閉環(huán)調(diào)速中磁鏈給定值為固定值。則在滿足這一條件前提下，分析逆變器開關信號、電壓波形和轉速情況便可得到直接轉矩調(diào)節(jié)的具體原理，如圖3.12所示。 觀測圖3.12 (a)和(b)中逆變器SA橋臂開關信號波形，當電壓開關狀態(tài)信號為1時，SA開通與關斷時間比分別為3: 4和1: 1。當D=75%，定子磁鏈旋轉時間大于停止時間;當D=50%時定子磁鏈在每一扇區(qū)內(nèi)走和停所需時間相同。轉矩調(diào)制占空比D越小，定子磁

40、鏈旋轉一個扇區(qū)時間越長，周期越長。觀測圖3.12中相電壓波形，逆變器上下橋臂開通、關閉作用于電機輸出斷斷續(xù)續(xù)相電壓，表現(xiàn)為定子磁鏈走走停停，即轉矩調(diào)制的作用。通過仿真結果得，D=75%時，穩(wěn)定時空載速度-，D = 50%穩(wěn)定時 = 75550% = 750。定子磁鏈停時間越長，其旋轉平均速度越低，導致電機轉速度相比D=75%時明顯下降。 仿真結果表明，在保持定子磁鏈幅值恒定的情況下，定子磁鏈走停比例越小電機轉速越小。且定子磁鏈走走停停是轉矩進行調(diào)節(jié)的結果，則控制轉速的大小實際上是控制定子磁鏈的平均旋轉速度。 綜上分析，可清楚看到直接轉矩控制中轉矩調(diào)節(jié)的原理。即控制定子磁鏈的走走停停來調(diào)節(jié)轉速的

41、大小。3.2.3閉環(huán)仿真 閉環(huán)仿真分別針對低速域(30%額定轉速及以下)和高速域(30%額定轉速以上)兩種情況進行仿真，確定六邊形磁鏈軌跡直接轉矩控制模型的正確性及不同速度域中該模型的動靜態(tài)性能，并分析得出此模型的適用范圍。 正六邊形磁鏈控制的閉環(huán)仿真結果如圖3.13和圖3.14所示。低速域中給定轉速150r/min空載啟動，0.25s后加負載TL=6N.m，仿真結果如圖3.13所示。仿真得出，低速情況下采用六邊形磁鏈控制導致定子磁鏈畸變嚴重，電流諧波分量大且轉矩脈動大。故在低速時不宜采用六邊形磁鏈控制方法。 高速域中速度最先給定1000r/min, 0.2s后跳變?yōu)?500r/min，且在0

42、.3 s后負載由最初的空載跳變?yōu)門L=6N.m，仿真結果如圖3.14所示。由圖得出在高速范圍內(nèi)采用六邊形磁鏈控制轉速響應迅速，電流諧波分量小，且轉矩脈動較小。 在六邊形磁鏈控制中，每1/6周期電壓空間矢量切換一次，逆變器開關切換一次，所以這種控制方式下逆變器開關頻率較低，開關損耗較小，但在低速時產(chǎn)生較大的磁鏈脈動。 圖3.13低速域仿真波形圖3.14高速域仿真波形 仿真結果表明，六邊形磁鏈控制在低速時定子磁鏈畸變嚴重且電流諧波大，轉矩脈動大;在高速范圍內(nèi)動靜態(tài)性能都有所提高，所以六邊形磁鏈控制只適合用在電動機高速范圍內(nèi)。3.3圓形磁鏈軌跡直接轉矩控制系統(tǒng)仿真 六邊形磁鏈控制的直接轉矩控制由于其

43、在每1/6周期磁鏈開關一次，導致轉矩脈動大，因此引入圓形磁鏈控制方法對其進行改善。在第二章介紹的理論基礎上，本節(jié)分別針對磁鏈和轉矩估計與調(diào)節(jié)模塊、扇區(qū)判斷模塊以及開關選擇表模塊進行建模，并進行仿真研究。3.3.1仿真模塊的建立 在六邊形磁鏈控制中已經(jīng)對坐標變換模塊、轉矩估計和調(diào)節(jié)模塊、逆變器模塊進行了建模，所以在圓形磁鏈控制中不再進行介紹。 (1)磁鏈估計模塊和磁鏈調(diào)節(jié)模塊在圓形磁鏈軌跡控制中，定子磁鏈幅值保持恒定，根據(jù)式(2.32)建立磁鏈估計模塊，且磁鏈調(diào)節(jié)模塊采用施密特觸發(fā)器進行調(diào)節(jié)，圖3.巧為磁鏈估計及調(diào)節(jié)模塊。 圖3.巧磁鏈估計模塊 (2)扇區(qū)判斷模塊 為了選擇合適的電壓矢量，在辨識

44、磁鏈的幅值的同時還要計算磁鏈運行的區(qū)間。利用2.4.2節(jié)介紹的區(qū)間劃分的標方法構建出區(qū)間判斷模塊，如圖3.16所示。 圖3.16區(qū)問判斷模塊 (3)開關選擇表模塊 開關矢量選擇表采用SIMULINK系統(tǒng)自帶的Lookup Table(2-D)模塊，如圖3.17所示。由于該模塊為雙輸入單輸出，因此需要將磁鏈和轉矩開關信號轉換(Cin=2 +)為一種輸出狀態(tài)。Lookup Table(2-D)模塊中第一行為磁鏈所在扇區(qū)編號，第一列為經(jīng)過變換的磁鏈和轉矩開關信號Cin。圖3.17開關矢量選擇表模塊3.3.2仿真結果與分析 圓形磁鏈軌跡控制的仿真分別針對低速域和高速域兩種情況進行仿真，確定圓形形磁鏈軌

45、跡直接轉矩控制模型的正確性及不同速度域中該模型的動靜態(tài)性能，并分析得出此模型的適用范圍。在高低速仿真時，仿真條件與六邊形磁鏈控制相同。 圖3.18 (a)和3.19 (a)分別為低速和高速仿真得到的定子磁鏈軌跡圖，可以看出在圓形磁鏈控制中磁鏈軌跡光滑，磁鏈脈動小，近似圓形。 圖3.18 (b)和3.19 (b)分別為低高速時仿真得出的磁鏈開關信號，高速范圍內(nèi)磁鏈開關信號頻率快，這樣在實際中會對開關器件要求較高，損耗大。 圖3.18 (c)和3.19 (c)分別為低高速時仿真得出的A相電壓、A相電流、電磁輸出轉矩、電機轉速和磁鏈幅值波形。由圖3.18 (c)得出低速時采用圓形磁鏈控制具有電流諧波

46、分量小波形近似正弦波、轉矩脈動較小、對于負載擾動響應迅速的優(yōu)越性能。3.19 (c)反映出高速范圍內(nèi)圓形磁鏈控制的優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。圖3.18(a)圖3.19(a)圖3.18 (b)圖3.19 (b)圖3.18圓形控制低速域仿真波形 圖3.19圓形控制高速域仿真波形 仿真結果表明，圓形磁鏈軌跡控制的直接轉矩控制系統(tǒng)電流諧波分量小、轉矩脈動較小、對于負載擾動響應迅速的優(yōu)越性能。但是考慮到快速的磁鏈開關頻率對開關器件的影響，圓形磁鏈控制較適宜在低速范圍內(nèi)使用。3.4全速范圍內(nèi)直接轉矩控制系統(tǒng)仿真研究 由3.1節(jié)和3.2節(jié)的仿真結果分析得，六邊形磁鏈控制方法在高速范圍內(nèi)有較好的性能，而圓形磁鏈控制

47、方式在低速范圍內(nèi)保證滿足性能要求外，磁鏈開關頻率較低，損耗較小。由這兩種方法結合即可以形成全速范圍內(nèi)直接轉矩控制系統(tǒng)。全速范圍內(nèi)關于模型的切換可以通過對電機轉速的判斷實現(xiàn)。3.4.1模型切換 全速范圍內(nèi)進行直接轉矩控制仿真主要是實現(xiàn)圓形磁鏈控制和六邊形磁鏈控制之間的切換，因此準確進行模型切換起著關鍵的作用。如果只設置一個速度切換值，則可能影響過渡過程，無法順利完成模型之間的切換。為此，本文利用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)對電機轉速的判斷和模型切換，當測得轉速小于正向閩值時，輸出高電平1，工作在圓形磁鏈控制模型;若電機轉速升到正向閩值后，輸出低電平0，工作在六邊形磁鏈控制模型，進行模型切換。如果轉速大于反向

48、閩值則輸出低電平，模型不變。從而保證轉速改變后模型能可靠切換。轉速下降時情況類似。3.4.2仿真結果為了驗證全速范圍內(nèi)直接轉矩控制系統(tǒng)模型的正確性，本文對上述方案進行了仿真。控制速度切換的施密特觸發(fā)器正向閩值設為450，即速度上升到額定轉速的30%(在本文參考電機模型中額定速度為1500r/min)后進行切換，反向閥值設為440仿真中起始速度給定為80r/min，運行3s后速度給定上升到500 r/min。則在速度上升到450r/min后模型進行切換，從圓形磁鏈控制模型切換到六邊形磁鏈控制模型。如圖3.20 (a)為定子磁鏈軌跡，可得磁鏈軌跡順利完成了兩模型直接的切換。圖3.20 (b)為仿真

49、所得A相定子電壓、A相定子電流、電機輸出電磁轉矩和電機輸出轉速以及磁鏈開關波形圖。從圖可得此模型電磁轉矩脈動較小，轉速過渡平滑，開關頻率較小的優(yōu)越性能。 圖3.20全速范圍內(nèi)仿真波形 仿真結果表明，在全速范圍內(nèi)上述兩模型之間實現(xiàn)了平滑過渡，且切換到正六邊形磁鏈后磁鏈開關3.5本章小結 本章對傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)進行了仿真研究。在Matlab/Simulink的仿真平臺上，構建了三相坐標系下異步電動機仿真模型，建立了傳統(tǒng)六邊形和圓形磁鏈軌跡控制系統(tǒng)的仿真模型，并對其進行仿真。仿真結果表明六邊形磁鏈軌跡直接轉矩控制開關頻率低，適用于在高速范圍內(nèi)使用;圓形磁鏈軌跡直接轉矩控制轉矩脈動相對較小，但開關

50、頻率高，適用于在低速范圍內(nèi)使用。在此基礎上引入速度切換模塊，構建了全速范圍內(nèi)的直接轉矩控制模型，并對其進行仿真研究，仿真結果表明全速范圍內(nèi)兩種控制模型可以實現(xiàn)平滑過渡。結 論 在對大量的國內(nèi)外文獻分析研究的基礎上，對異步電機直接轉矩控制方法進行了全面和深入的研究。針對不同的控制策略，詳細對傳統(tǒng)的六邊形磁鏈和圓形磁鏈控制方法進行了理論分析和仿真研究。針對傳統(tǒng)直接轉矩控制存在的問題，采用了基于空間矢量調(diào)制的控制策略進行改進。此外，對基于速度自適應磁鏈觀測器法的無速度傳感器方法進行了理論和仿真研究。本文的主要工作和研究成果歸納如下 (1）在對直接轉矩控制原理分析的基礎上，詳細介紹了六邊形磁鏈軌跡的產(chǎn)

51、生原理和方法，并對六邊形磁鏈直接轉矩控制進行建模仿真，結果表明低速定子磁鏈畸變嚴重，電流諧波大且轉矩脈動大，此模型適用于高速范圍。 (2)為了改善六邊形低速性能引入了圓形磁鏈軌跡控制策略。根據(jù)圓形磁鏈直接轉矩控制的原理和結構建立了其仿真模型，并進行了仿真研究。結果表明采用圓形磁鏈控制低速范圍電流諧波減小，轉速波形平滑，魯棒性好，高速域磁鏈開關頻率快，導致功率損耗嚴重，因此適用于低速范圍。并針對兩模型的不同適用范圍構建了全速范圍內(nèi)仿真模型，實現(xiàn)了平滑過渡。 (3)針對傳統(tǒng)直接轉矩控制存在的問題，引入了基于空間矢量調(diào)制(c svPwM >的方法，形成了基于空間矢量調(diào)制的的直接轉矩控制(SVM-DTC)系統(tǒng)。詳細介紹了SVPWM形成的方法和原理結構，并進行了建模和仿真研究。仿真結果表明采用SCM-DTC的控制方法低速范圍轉矩脈動明顯較小，定子磁鏈軌跡平滑，性能較傳統(tǒng)直接轉矩控制得到了提高。 (4)對基于速度自適應磁鏈觀測器法的無速度傳感器方法進行了理論和仿真研究，結果表明此方法可以對轉速進行準確辨識。后 記 大學的日子到此快結束了，校園生活也隨之要結束了，到此真是感慨萬千。 這段日子里的成績，首先要感謝我的導師應黎明教授，他的指導和意