《異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究》12000字

第頁目錄6605第1章緒論 1315891.1直接轉(zhuǎn)矩控制的提出 1185941.2直接轉(zhuǎn)矩控制的特點 1236261.3直接轉(zhuǎn)矩控制的不足與改進(jìn) 2314611.4異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究及意義 228493第2章異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理 4190992.1異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 4213922.2電壓空間矢量 6232422.2.1逆變器的開關(guān)狀態(tài) 615732.2.2電壓空間矢量的定義 7260092.2.3電壓空間矢量對定子磁鏈的影響 8143272.2.4電壓空間矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響 1020889第3章直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu) 10270553.1直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu) 11278823.2定子磁鏈的模型 12208533.3磁鏈自控制環(huán)節(jié) 12100033.4轉(zhuǎn)矩控制 13293543.5ASR速度調(diào)節(jié)器 14266263.6電壓空間矢量選擇 141870第4章直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真 16215944.1仿真環(huán)境介紹 16126974.2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真 17156574.3異步電動機(jī)的仿真 1780054.4定子電壓電流的坐標(biāo)變換 18241874.5轉(zhuǎn)矩和磁鏈計算模塊 19216074.6磁鏈自控制模塊 20274964.7轉(zhuǎn)矩控制模塊 21168364.8電壓矢量開關(guān)狀態(tài)選擇模塊 227043第5章仿真結(jié)果 22110065.1空載，給定速度的仿真結(jié)果 23196735.2給定負(fù)載，速度不變的仿真結(jié)果 25171745.3空載，速度較低時的仿真結(jié)果 269956結(jié)論 2820001參考文獻(xiàn) 313286附錄1標(biāo)題 3229979附錄2標(biāo)題 33第1章緒論1.1直接轉(zhuǎn)矩控制的提出自交流調(diào)速技術(shù)發(fā)明以來，依托電力電子技術(shù)的進(jìn)步與研究創(chuàng)新，各式各樣的交流電機(jī)調(diào)速策略被提出并不斷發(fā)展，如今，效率卓越的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)普遍利用在國民經(jīng)濟(jì)各種行業(yè)的傳動方面，被認(rèn)為是最有前途的調(diào)速方式。尤為突出的是矢量控制方案以及直接轉(zhuǎn)矩控制方案。使得交流調(diào)速的凈、動性能幾乎可以媲美于直流的傳動。矢量控制方案，利用轉(zhuǎn)子磁場確定向量，采用矢量變換的方法，仿照直流電機(jī)的控制，完成了對交流電動機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)速和磁鏈的控制的完全解耦REF_Ref23142\r\h[3]。這個理論具有重要的時代影響。矢量控制觀測的是電動機(jī)的定子電壓和電流，然后通過計算得出磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流的值，然后和已給定的設(shè)定要求值去比較，進(jìn)行進(jìn)一步的控制。然而，矢量控制也有一定的局限，比如交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈不容易準(zhǔn)確獲得，以及電動機(jī)地參數(shù)會很大程度影響矢量控制的系統(tǒng)特性，還有為了仿照直流電機(jī)的控制手段，矢量旋轉(zhuǎn)變換過程十分復(fù)雜，矢量控制方案的理論上結(jié)果很好，實際控制效果并不能達(dá)到。為了克服矢量控制的不足，科學(xué)家們提出了新的方法，就是直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制采用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈模型，還有電壓空間矢量的pwm逆變器，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和定子磁鏈的非線性“砰-砰”控制REF_Ref23142\r\h[3]。比較成功的解決了矢量控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，特性容易受到電機(jī)參數(shù)的干擾等等問題。提出之后，受到很多研究人員以及各種企業(yè)的探索。因此發(fā)展的很快。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制的特點直接轉(zhuǎn)矩控制有以下優(yōu)勢：直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標(biāo)系下的建立了交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，也是在直接在其坐標(biāo)系下表達(dá)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。不用像矢量控制那樣，設(shè)法使交流電動機(jī)按照直流電的那樣進(jìn)行比較和轉(zhuǎn)換。這樣做就減少了矢量控制里矢量旋轉(zhuǎn)變換等一系列繁復(fù)的變算和轉(zhuǎn)換。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制的信號處理工作可以變得非常簡單，控制信號的觀測也能更明確的表示出交流電機(jī)內(nèi)部的物理過程。直接轉(zhuǎn)矩控制計算的是定子磁鏈，區(qū)別于矢量控制方案的轉(zhuǎn)子磁鏈。由于計算定子磁鏈時用的電壓公式中沒有轉(zhuǎn)子參數(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制的魯棒性比矢量控制好一些。同時，由于定子磁鏈的特性導(dǎo)致系統(tǒng)的控制規(guī)律并不突出，沒有矢量控制那種很容易定向解耦的特點，因此采用的是一個非線性的“砰-砰”控制器。這樣在逆變器中直接用兩個控制信號去產(chǎn)生對應(yīng)的空間電壓矢量進(jìn)行控制，可以簡化控制器的結(jié)構(gòu)。直接轉(zhuǎn)矩的直接控制的思想很明確。利用交流電動機(jī)模型直接獲得轉(zhuǎn)矩參數(shù)，并且直接去控制轉(zhuǎn)矩，這和矢量控制中利用其它物理量去間接控制轉(zhuǎn)矩的方法有很大的區(qū)別。這種控制方式很直接，也很有效。是一種十分創(chuàng)新地思想。所以，直接轉(zhuǎn)矩控制克服了以前控制方案很多方面的不足。利用交流電動機(jī)在定子坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)方程組的特性，減少了調(diào)速過程中的有關(guān)于解耦控制的坐標(biāo)變換計算任務(wù)；直接轉(zhuǎn)矩控制使用了定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而且使得控制過程于電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)沒有影響，提高了整個系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種交流調(diào)速手段，有著十分清晰簡潔的控制結(jié)構(gòu)和相當(dāng)明確的控制思想以及很不錯的控制效果，在提出之后就受到了相當(dāng)程度的關(guān)注，如今直接轉(zhuǎn)矩控制也發(fā)展出了很多具體的改良的控制手段了。1.3直接轉(zhuǎn)矩控制的不足與改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)也有著不可避免的不足，由于沒有像矢量控制那樣達(dá)到完全解耦，只能使用兩個非線性的砰-砰控制器去進(jìn)行控制，這樣就會使得電動機(jī)實際轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動，而且在低速的時候，這種脈動會變得更明顯，并沒有很好的控制性，直接轉(zhuǎn)矩控制的適用速度區(qū)間就變得有局限性。由于直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)用到的電機(jī)參數(shù)主要是定子電阻，比矢量控制系統(tǒng)要少一些但是在某些情況下定子電阻的參數(shù)也會發(fā)生變化導(dǎo)致直接影響直接轉(zhuǎn)矩控制的運行性能。因此直接轉(zhuǎn)矩控制的低速情況下的改進(jìn)也一直是一個很熱門的課題。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)使用了滯環(huán)比較器導(dǎo)致逆變器的電壓脈沖不固定。使得直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對逆變器器件的要求會比較高，頻率有較大變化也會產(chǎn)生大量的電磁干擾。這個可以通過連續(xù)型直接轉(zhuǎn)矩控制來得到改善。所謂連續(xù)型直接轉(zhuǎn)矩，是指控制用的空間電壓矢量個數(shù)并不是固定的六個而是使得數(shù)量盡可能多，這樣逆變器的開關(guān)頻率會有很好的改善，一些可以考慮的控制方法有：（1）轉(zhuǎn)矩與磁鏈的雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制使用了兩個pi線性控制器來頂替滯環(huán)控制器的控制。由定子電壓電流得到的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的數(shù)據(jù)與控制要求的參考值進(jìn)行比較后的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的作用后可以獲得參考的電壓矢量，再經(jīng)過一次變換就可以驅(qū)動SVPWM。帶有PI調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的彌補轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差，也能提高調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)對電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性。（2）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差拍控制。無差拍控制技術(shù)使用的是交流電機(jī)的離散化模型，用一種圖形化的分析方式，講定子和轉(zhuǎn)子磁鏈化為狀態(tài)變量畫在了定子磁場定性坐標(biāo)系中實現(xiàn)了多個電壓矢量的使用方式REF_Ref29581\r\h[1]。這種方法是將無差拍理論和直接轉(zhuǎn)矩控制組建到一起的。具有十分精確的控制效果，而且系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)會快很多而且無超調(diào)，但是這種方式比較依賴控制系統(tǒng)建立的精確的系統(tǒng)模型，如果模擬的對象和其實際情況有參數(shù)出入，嚴(yán)密的控制會使電壓振蕩嚴(yán)重調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定。直接轉(zhuǎn)矩控制是在電力電子技術(shù)，自控技術(shù)飛速發(fā)展下的成果，而如今各個學(xué)科依然有迅速的發(fā)展，可以想見的是會有更好的更適合的電力電子器件的產(chǎn)生，也會有更迅速的微處理器和控制方案，可以彌補直接轉(zhuǎn)矩控制的一些問題。甚至可以產(chǎn)生新的控制方法。直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展在國外已經(jīng)有了很實際的應(yīng)用，德國的研究成果已經(jīng)可以應(yīng)用到兆瓦級的電力機(jī)車牽引之類的大功率調(diào)速的電機(jī)應(yīng)用場合。日本學(xué)者也有很全面的研究，而在國內(nèi)一些高校也不斷的進(jìn)行著直接轉(zhuǎn)矩控制的深入研究。1.4異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究及意義直接轉(zhuǎn)矩控制是在電力電子技術(shù)，自控技術(shù)飛速發(fā)展下的成果，本篇主要研究的是異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)策略。異步電動機(jī)是最常見使用最普遍的交流電機(jī)，起優(yōu)點主要在于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，運行時性能穩(wěn)定，機(jī)械效率比較高。然而由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特定性，使其在控制調(diào)速方面并不能像直流調(diào)速那般簡單易行，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速手段越來越多越來越精，使得異步電動機(jī)的控制問題得到很大改善，一來異步電動機(jī)由于自身優(yōu)勢在社會生產(chǎn)生活中越來越普及，由此交流調(diào)速系統(tǒng)不斷發(fā)展不斷創(chuàng)新出更科學(xué)的手段。研究異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制就是一個很好的課題，直接轉(zhuǎn)矩控制在高速時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)非常高效，而且由于使用電機(jī)參數(shù)較少其魯棒性也很好，在一些大功率的直接轉(zhuǎn)矩控制做為一個興起不久的交流調(diào)速方法。這種新興的手段依靠著高效率的電力電子器件和微處理器可以是交流電機(jī)的速度控制和直流的一樣迅速高效，這種方法可以節(jié)約能源，可以改善電機(jī)性能，而且體現(xiàn)了一種新世紀(jì)的新興科學(xué)的魅力。直接轉(zhuǎn)矩控制的深入探索發(fā)展和應(yīng)用，可以不斷的提升交流電機(jī)的潛力和地位。本文研究的方法主要基于計算機(jī)軟件仿真，這種研究方式是目前最普遍的，只要在計算機(jī)中設(shè)計參數(shù)搭建模型進(jìn)行仿真就能得到一個值得參考的系統(tǒng)效果，這樣做就避免了實物研究的時候出現(xiàn)嚴(yán)重失誤導(dǎo)致財產(chǎn)損失的后果。第2章異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制最初便是為異步電動機(jī)設(shè)置的。為了改善矢量調(diào)速的不足，科學(xué)家采用了直接轉(zhuǎn)矩的理論。也就是直接去觀測轉(zhuǎn)矩然后去控制轉(zhuǎn)矩。這種方法科學(xué)的避開了矢量控制中的復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而且利用的是定子坐標(biāo)系以及定子磁鏈去估算轉(zhuǎn)矩，也避免了交流電機(jī)內(nèi)部參數(shù)變化的干擾。直接轉(zhuǎn)矩控制的利用了三相逆變器產(chǎn)生電壓空間矢量去直接控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采取的反饋量定子電壓電流。通過三相異步電機(jī)在定子坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，分析出需要的物理量值進(jìn)行參考值比較控制。2.1異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)的輸入輸出變量有很多，不僅有電壓和電流的輸入，頻率也可以作為一個輸入量，而一部電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩磁通都是獨立的變量REF_Ref32318\r\h[9]。各變量的相互關(guān)系還不是線性的，有著很多的交叉相乘的關(guān)系。因此建立的數(shù)學(xué)模型有著多個變量，而且有著高階，非線性，強耦合的性質(zhì)。在建立異步電動機(jī)的動態(tài)情況數(shù)學(xué)模型時，需要建立以下假設(shè)：（1）忽略空間諧波，電機(jī)的三相繞組在空間上對稱分布（互相差120電角度），各相產(chǎn)生的磁動勢按照正弦規(guī)律分布在電機(jī)氣隙周圍；（2）忽略磁路飽和。電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感是不會改動的恒值；（3）忽略電機(jī)鐵芯損耗；忽略頻率和環(huán)境溫度的作用對電機(jī)電阻參數(shù)的影響REF_Ref157\r\h[8]；在本文中，利用了異步電動機(jī)的時空向量等效圖及其數(shù)學(xué)模型方程組。等效電路如下：圖2-SEQ圖\*ARABIC1異步電動機(jī)等效電路由此，可以得到異步電動機(jī)在α-β坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。1）電壓方程2）磁鏈方程轉(zhuǎn)矩方程運動方程上述各式中：、——定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻；、——定子自感和轉(zhuǎn)子自感；、——定子電壓的α、β分量；、——轉(zhuǎn)子電壓的α、β分量；、——定子電流的α、β分量；、——轉(zhuǎn)子電流的α、β分量；、——定子磁鏈的α、β分量；、——定子電流的α、β分量；——定轉(zhuǎn)子互感；——電機(jī)轉(zhuǎn)速；——微分算子；——電機(jī)轉(zhuǎn)矩；——電機(jī)極對數(shù)；——電機(jī)漏感系數(shù)；——機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量；——電棟機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；——定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角；2.2電壓空間矢量2.2.1逆變器的開關(guān)狀態(tài)一個電壓型逆變器（見圖X）由六個開關(guān)元器件（和、和、和）兩兩分組組成。每組的兩個開關(guān)器件同在一個橋臂上因此不能同時導(dǎo)通，所以當(dāng)一個接通的時候另一個必須關(guān)斷避免短路，所以根據(jù)每組開關(guān)通斷情況，電壓型逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)（如下）。圖SEQ圖\*ARABIC2電壓型逆變器示意圖ABCABC在這八種開關(guān)狀態(tài)中，狀態(tài)0和狀態(tài)8由于三組開關(guān)器件開關(guān)情況一致，使得負(fù)載上面的電壓為零因此稱之為零狀態(tài)，狀態(tài)1到狀態(tài)6的負(fù)載是有電壓的所以稱之為工作狀態(tài)。表格SEQ表格\*ARABIC1逆變器開關(guān)狀態(tài)表狀態(tài)01234567010101010011001100001111

2.2.2電壓空間矢量的定義異步電動機(jī)的電壓電流磁鏈等等參數(shù)都是三維的，每個物理量三個參數(shù)都是在空間上相差120°，如果利用Park變換，可以把三維的標(biāo)量變成一個二維的矢量，這樣就是空間矢量的變換REF_Ref2381\r\h[2]。以定子電壓空間矢量為例，將三相定子坐標(biāo)系的α軸和park矢量復(fù)平面實軸α重合，就可以用park矢量變換得到相應(yīng)的電壓空間矢量。用公式表達(dá)就是通過計算，可以得到八個電壓狀態(tài)，然后得到空間矢量分布圖；；；圖2-SEQ圖\*ARABIC3六邊形電壓矢量示意

2.2.3電壓空間矢量對定子磁鏈的影響對于異步電動機(jī)，定子磁鏈?zhǔn)噶亢投ㄗ佣穗妷簲?shù)學(xué)上有著一種積分的計算：如果不顧及定子電阻的壓降，他們的關(guān)聯(lián)就能簡化成不難看出，此時定子磁鏈?zhǔn)噶渴峭耆茈妷嚎刂频?，如果給定一個方向的電壓空間矢量時，定子磁鏈?zhǔn)噶恳矔S電壓空間矢量的變向。如圖中所示，圖2-SEQ圖\*ARABIC4定子磁鏈變化示意如圖中，是電機(jī)定子磁鏈的在上一時刻的位置。此時給電機(jī)加上方向如圖中所示方向的電壓空間矢量，定子磁鏈就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)和數(shù)量變化，在下一秒定子磁鏈就會到達(dá)圖中的位置上面。這就是電壓空間矢量的作用。在實際應(yīng)用時，有六邊形磁鏈控制和近似圓形磁鏈控制兩種方法。六邊形磁鏈控制思想十分明確，通過依次給到呈六邊形順序的定子電壓空間矢量，電子定子磁鏈也會跟隨著六邊形的輪廓旋轉(zhuǎn)起來。在控制過程中，空間電壓矢量被按照順時針方向依次給定，磁鏈會跟隨電壓矢量的運動，圖中定子磁鏈在區(qū)段正在向方向旋轉(zhuǎn)，此時給的電壓矢量就是，定子磁鏈就會在電壓矢量的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后定子磁鏈到達(dá)區(qū)域的時候，此時給定電壓矢量是，這樣定子磁鏈就會繼續(xù)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。通過連續(xù)不斷的控制，定子磁鏈就會在有順序的定子電壓矢量作用下走出來一個六邊形。這就是六邊形磁鏈的獲得。如圖圖SEQ圖\*ARABIC5六邊形磁鏈控制近似圓形的磁鏈控制也是利用了定子磁鏈會跟隨電壓矢量轉(zhuǎn)向的性質(zhì)去控制磁鏈旋轉(zhuǎn)，不同的是，在每個區(qū)間，需要兩種電壓空間矢量來進(jìn)行控制。實現(xiàn)的方式是需要先劃定一個磁鏈的環(huán)形區(qū)域。通過施加不同的電壓空間矢量是定子磁鏈的數(shù)量值變大或者變小如圖當(dāng)定子磁鏈在S1區(qū)域的時候，如果其幅值比較低，就利用u2電壓矢量來是定子磁鏈的幅值變大一些，同時也向S2方向偏轉(zhuǎn)了一些，如果其幅值比較高，就利用u3電壓矢量來把定子磁鏈的幅值變小了一些。這樣定子磁鏈的幅值就會在這個環(huán)形里面不停的走，形成一個近似圓形的磁鏈軌跡運動。S1S1S6S5S1S1S6S5S4S3S2圖2-SEQ圖\*ARABIC6近似圓形磁鏈控制

2.2.4電壓空間矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響在直接轉(zhuǎn)矩控制中，想要控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，就需要利用電磁轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子磁鏈以及他們所加的角的辦法來控制。實際上，通過電壓空間矢量來控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，就是通過電壓空間矢量去改變定轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的與電機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也有正比的關(guān)系但是如果想要使電機(jī)的鐵芯的充分利用，最好能夠保持電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定所以只能改變定兩個磁鏈的夾角。上文提到在直接轉(zhuǎn)矩控制中給定電壓空間矢量可以改變定子磁鏈的角度。所以想要改變定子轉(zhuǎn)子磁鏈相加的角，只要使定子磁鏈的轉(zhuǎn)動比轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)動快一些或者慢一些，定轉(zhuǎn)子磁鏈的相對位置就會發(fā)生變化從而改變他們的夾角，進(jìn)而可以改變電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。如圖中就表示了電壓矢量如何將夾角變大的過程。在上一時間，可以看出定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈以及他們相加的角。通過電壓空間矢量的作用，使得定子磁鏈向左轉(zhuǎn)動一定的夾角，此時轉(zhuǎn)子也有一點點的旋轉(zhuǎn)角度。由于定子磁鏈的轉(zhuǎn)動角度比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度多，所以兩個磁鏈之間的夾角變?yōu)??？梢钥闯鰜泶沛溨g的夾角變大了。隨著夾角變大，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也會變大。要是想要電機(jī)轉(zhuǎn)矩變小一些，就要給電機(jī)加上零電壓矢量，這是定子磁鏈就會保持空間位置不變，轉(zhuǎn)子磁鏈會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這樣他們的夾角就會變小，從而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變小。這種利用空間電壓矢量改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，然后改變定轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角的辦法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的辦法，可以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。圖2-SEQ圖\*ARABIC7直接轉(zhuǎn)矩控制

第3章直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)3.1直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制是在電動機(jī)的靜止定子坐標(biāo)系中，利用電機(jī)定子電流和定子電壓，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型，獲得電機(jī)磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，以及定子磁鏈所在扇區(qū)，經(jīng)過控制模塊進(jìn)行電壓空間矢量控制電動機(jī)的方法。逆變器逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇ASRIM滯環(huán)比較器滯環(huán)比較器磁鏈模型磁鏈模型圖3-1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖中采用了兩個滯環(huán)比較器來分別控制轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。這種非線性的控制可以減少計算量提高動態(tài)性能。運行中，需要從電動機(jī)處獲得定子電壓和定子電流，然后講數(shù)據(jù)通過磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就可以計算出來電機(jī)此時的轉(zhuǎn)矩和磁鏈以及磁鏈?zhǔn)噶克诘纳刃螀^(qū)間。得到這些數(shù)據(jù)之后，使用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器來獲得參考的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號和磁鏈調(diào)節(jié)信號以及磁鏈區(qū)間信號，通過開關(guān)狀態(tài)選擇表就可以控制逆變器輸出需要的電壓空間矢量。這種“砰砰”控制結(jié)構(gòu)是一種非線性的控制?？梢垣@得很好的動態(tài)性能。

3.2定子磁鏈的模型本次仿真的定子磁鏈模型主要利用了公式。這個方法利用的參數(shù)主要是定子電阻，定子電壓，電流時是可以很方便的測出來的，所以這種方法計算簡單，參數(shù)不復(fù)雜而且比較可靠。圖3-2定子磁鏈模型利用定子電阻來進(jìn)行磁鏈模型的搭建這個方法雖然十分方便，但是也有局限性。她利用的是這個差值的積分。容易理解的是這個差值在比較大的時候，得到的磁鏈就會比較準(zhǔn)確。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10%以上的時候，這個模型就可以使用，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到30%的時候，這個模型提供的定子磁鏈結(jié)果準(zhǔn)確度很可靠，誤差只有電機(jī)定子阻值因為環(huán)境氣溫而產(chǎn)生的參數(shù)微變。但是在低速的時候，由于這個差值會變得幾乎沒有，這個模型就不能準(zhǔn)確的去通過積分來獲得磁鏈。本篇論文采用這個模型的原因是因為這個模型比較簡單，利用操作控制，而且主要研究高速的話也不會有嚴(yán)重誤差。3.3磁鏈自控制環(huán)節(jié)根據(jù)電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到定子坐標(biāo)系的定子磁鏈之后，需要利用磁鏈調(diào)節(jié)器來獲得磁鏈方面的控制信號給開關(guān)選擇表參數(shù)。同時，得到定子磁鏈在定子坐標(biāo)系的矢量后，還需要通過一定的計算獲得的磁通矢量所在的扇形區(qū)域號，這個參數(shù)也是開關(guān)選擇表所必須的。計算磁鏈區(qū)間，以及將磁鏈的值和給定值比較的環(huán)節(jié)，叫做磁鏈自控制環(huán)節(jié)。如圖，通過把給定的和通過計算得來的進(jìn)行比較之后就可以得到一個差值，經(jīng)過滯環(huán)控制器?？梢垣@得一個可用的控制信號，這個信號可以控制定子磁通矢量的幅值。當(dāng)計算磁鏈的值大于給定值的時候，經(jīng)過開關(guān)控制器之后可以向電動機(jī)輸入一個相應(yīng)的電壓空間矢量來控制電動機(jī)使定子磁鏈變小一些。另一方面，磁鏈?zhǔn)噶客ㄟ^一個角度計算的模塊，可以得到當(dāng)時定子磁鏈的角度，進(jìn)一步可以確定所在定子坐標(biāo)系的哪一個區(qū)間。這個區(qū)間信號也是直接轉(zhuǎn)矩方案中，一個必要的參數(shù)。圖3-4磁鏈自控制3.4轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是直接轉(zhuǎn)矩控制的中心貫徹思維。這個模塊主要目標(biāo)是獲得一個可用的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號。圖3-5轉(zhuǎn)矩控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號有兩種，分為正轉(zhuǎn)的和反轉(zhuǎn)，在正反轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，來確定電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是否變大或變小。經(jīng)過滯環(huán)比較器，最后給出一個轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的信號。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的參考信號是根據(jù)一個速度調(diào)節(jié)器模塊獲得而來的。轉(zhuǎn)矩信號直接參與控制，而后通過空間電壓矢量直接控制轉(zhuǎn)矩，是直接轉(zhuǎn)矩控制的核心思想。轉(zhuǎn)矩控制數(shù)據(jù)主要有三個，分別是-1,0,1?？刂茢?shù)據(jù)-1表示轉(zhuǎn)矩需要變大，0表示轉(zhuǎn)矩的值是正確的，1表示轉(zhuǎn)矩需要變小。為之后的空間矢量選擇提供信息。

3.5ASR速度調(diào)節(jié)器這個環(huán)節(jié)主要是用來產(chǎn)生參考轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)。這里利用的PID控制來進(jìn)行速度的閉環(huán)控制，通過將電動機(jī)處速度傳感器的速度值與給定值比較，給出控制信號來達(dá)到控制速度的目的。圖3-6速度調(diào)節(jié)器直接轉(zhuǎn)矩控制中ASR只是用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩調(diào)整數(shù)據(jù)的。通過轉(zhuǎn)矩調(diào)整信號，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)可以利用她與系統(tǒng)內(nèi)部依據(jù)電動機(jī)模型計算得來的轉(zhuǎn)矩信號進(jìn)行控制計算進(jìn)而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這樣也能達(dá)成一個閉環(huán)控制。3.6電壓空間矢量選擇這個表格是直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)中選取合適的電壓的依據(jù)。根據(jù)前面幾項的輸出，可以得到直接轉(zhuǎn)矩控制所需要的控制指標(biāo)，分別是，定子磁鏈的調(diào)整數(shù)據(jù)（1,-1）轉(zhuǎn)矩調(diào)整數(shù)據(jù)（1，0，-1）和定子磁鏈的區(qū)域號（1,2,3,4,5,6），經(jīng)過查表，可以根據(jù)以上各值得到應(yīng)該選擇的電壓矢量。當(dāng)定子磁鏈在區(qū)間1的時候，依照磁鏈調(diào)整數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)矩調(diào)整數(shù)據(jù)的不同值有以下情況：=-1，=-1=-1時，說明此時的定子磁鏈，幅值比較高已超過上限；需要減小。=-1是說明電磁轉(zhuǎn)矩也已經(jīng)達(dá)到最高值，此時應(yīng)該是磁鏈反轉(zhuǎn)降低轉(zhuǎn)矩。綜合看來需要使用電壓矢量=-1，=0=-1時，說明此時的定子磁鏈的值比較高已超過上限；需要降下來。=0是說明電磁轉(zhuǎn)矩還沒有達(dá)到上限值或者下限值，此時應(yīng)該是磁鏈保持不變。綜合看來需要使用零矢量或者。利用開關(guān)變化數(shù)量較少的原則來決定具體使用哪一個。=-1，=1=-1時，說明此時的定子磁鏈的值比較高已超過上限，需要降下來。=-1是說明電磁轉(zhuǎn)矩也已經(jīng)達(dá)到下限值，此時應(yīng)該是磁鏈正轉(zhuǎn)升高電磁轉(zhuǎn)矩。綜合看來需要使用電壓矢量=1，=-1=1時，說明此時的定子磁鏈的值比較小已低于要求，需要提升。=-1是說明電磁轉(zhuǎn)矩也已經(jīng)達(dá)到幅值，此時應(yīng)該是磁鏈反轉(zhuǎn)降低電磁轉(zhuǎn)矩。綜合看來需要使用電壓矢量=1，=0與第二種情況一樣使用零矢量。=1，=1=1時，說明此時的定子磁鏈的值比較高已低于要求，需要提升。=-1是說明電磁轉(zhuǎn)矩也已經(jīng)達(dá)到幅值，此時應(yīng)該是磁鏈反轉(zhuǎn)降低電磁轉(zhuǎn)矩。綜合看來需要使用電壓矢量123456-1-1011-101表格3-1電壓開關(guān)信號表

第4章直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真4.1仿真環(huán)境介紹做科學(xué)研究就需要實驗和觀察。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)也是如此，然而由于實際上實物實驗所用的材料都十分昂貴，不管是大功率的異步電動機(jī)還是具有優(yōu)秀性能的逆變器元件都是實物試驗中承擔(dān)不起的器材。而且實物實驗會很有可能發(fā)生燒毀器件的危險，不僅浪費器材甚至危害人身安全。這些原因使我們更愿意去尋找一些代替的方法。比如計算機(jī)仿真技術(shù)。將實驗的原理進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化，研究其中的聯(lián)系之后轉(zhuǎn)化成一組公式之后，利用計算機(jī)可以方便的進(jìn)行大規(guī)模的計算，計算結(jié)果可靠快捷，是一種與實物實驗不同但很有效的研究方法。本文使用的仿真平臺是matlab程序下的simulink。這是使用最普遍的計算機(jī)仿真平臺，經(jīng)過多年的發(fā)展完善，擁有十分全面的仿真功能，內(nèi)部資源十分豐富，許多實際元器件都可以找到，而且其操作界面十分友好，有許多方便的巧妙設(shè)置，不僅簡化了模型搭建過程，還可以實時的動態(tài)的監(jiān)控各種參數(shù)，并給出仿真結(jié)果。Simulink中有一個電氣工程的元件庫，稱為simscape，本文利用的許多元器件皆是來于此，比如仿真用到的逆變器異步電動機(jī)等等器件。Simulink豐富的元器件庫有效的降低了成本，簡單的操作提高了效率，很大的提升了研究的效果。在simulink的仿真過程中，有一件十分重要的事情就是選擇合適的軟件算法。系統(tǒng)仿真模型搭建的一樣，選擇不同的算法也可以產(chǎn)生不同的效果，對整個系統(tǒng)的仿真過程和仿真結(jié)果都有影響。字常用的仿真算法有很多，本文選用的一種變步長的隆哥庫塔法。是一種基于泰勒級數(shù)的算法。

4.2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真下圖就是在計算機(jī)軟件中仿真模型的總圖。整個模型大致分為逆變器模塊；異步電動機(jī)模塊；坐標(biāo)變換模塊；磁鏈與轉(zhuǎn)矩計算模塊；速度調(diào)節(jié)器模塊；磁鏈開關(guān)選擇模塊；以及示波器。利用simulink中封裝數(shù)個子模塊，使實驗界面更簡潔，參數(shù)調(diào)整更方便。圖4-SEQ圖\*ARABIC\s11仿真系統(tǒng)總圖4.3異步電動機(jī)的仿真實驗中，選擇電動機(jī)是要做的第一件事情。在有些文獻(xiàn)中，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真的時候，會利用simulink的基本元件去搭建一個異步電動機(jī)模型REF_Ref12769\r\h[6]，其中會有很多的公式和參數(shù)，搭建起來十分費力，優(yōu)點是利用好這個自己搭建的模型，許多控制量可以直接拿出來用，仿真結(jié)果中需要的結(jié)果量也可以方便的獲得。不過本文使用了simulink里面一個現(xiàn)有的，已經(jīng)集成好了的感應(yīng)電機(jī)模塊。本文中使用的異步電動機(jī)15kw，400v，1400轉(zhuǎn)。試驗中模擬的異步電動機(jī)是由逆變器輸出的三相電壓驅(qū)動的，其外部還有連接一個負(fù)載，用來模擬空載啟動或者負(fù)載變化的情況。該模型的輸出是一個總線的形式，經(jīng)過總線選擇之后能獲得模擬異步電動機(jī)的輸出，比如轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，以及定轉(zhuǎn)子電流和電壓。其內(nèi)部參數(shù)如圖，圖4-2異步電動機(jī)參數(shù)4.4定子電壓電流的坐標(biāo)變換上述感應(yīng)電動機(jī)模塊可以提供許多輸出的參數(shù)，比如電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)矩，等等。有些參數(shù)我們可以直接使用，有些不能。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，由于計算定子磁鏈的異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是搭建在定子坐標(biāo)系下的，所以這里的定子電壓和定子電流的值并不能直接使用，需要經(jīng)過一個簡單的坐標(biāo)變換。根據(jù)磁動勢相等的原則，由三相對稱繞組通以三相對稱電流產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場也可以用兩相繞組來等效，所以異步電動機(jī)的三相定子繞組的電流電壓值可以等效成一個兩相坐標(biāo)系上的電流電壓值。這就是坐標(biāo)變換的原理REF_Ref13507\r\h[4]。他們之間滿足的公式如下，基于這個公式，在simulink中可以利用fcn工具制作出定子電壓電流3/2變換作用的塊。圖中定子電流使用的是三相電流，所以通過函數(shù)之后就變成了兩相靜止坐標(biāo)系的電流分量，電壓則是由于使用了線電壓，所以先經(jīng)過了一次變換到相電壓的過程。圖4-3坐標(biāo)變換模塊4.5轉(zhuǎn)矩和磁鏈計算模塊得到α-β坐標(biāo)系下的電壓和電流量之后，就可以通過仿真系統(tǒng)中的磁通矢量和轉(zhuǎn)矩模型來得到控制量，定子磁通矢量和電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。其主原理前文已有敘述，下面是內(nèi)部的示意。圖4-4定子磁鏈計算模型定子磁鏈的仿真模型。其輸入為兩相坐標(biāo)電壓電流，輸出電機(jī)頂子磁鏈。頂子磁鏈的計算模型為比較簡單的“u-i”模型，這樣做的主要目的是為了方便。在得到電機(jī)定子磁鏈之后，可以通過簡單的計算模塊獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

4.6磁鏈自控制模塊磁鏈的自控制模塊的主要作用是獲得磁鏈調(diào)整控制信號和定子磁鏈得所在扇形區(qū)間號。模型如下圖4-5磁鏈自控制模型中主要輸入有三個，分別是磁通矢量的參考值和兩個計算值。通過一個復(fù)數(shù)運算環(huán)節(jié)，將定子磁鏈的兩個分量值進(jìn)行計算可以獲得磁鏈幅值和磁鏈?zhǔn)噶康慕嵌取４沛湻岛徒o定磁通矢量參考值的差值是磁鏈調(diào)整數(shù)據(jù)的來源。圖中的relay是一個滯環(huán)控制模塊，通過他可以向空間電壓矢量選擇模塊中輸入一個磁鏈調(diào)整數(shù)據(jù)（1,0）另一方面得到的磁鏈?zhǔn)噶拷嵌仁怯脕泶_定扇形區(qū)間號的。為了獲得一個可用的信號，區(qū)間選擇器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-6磁鏈區(qū)間信號選擇

4.7轉(zhuǎn)矩控制模塊上文中有提到已經(jīng)得出了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模塊就是將計算值和參考值的差值通過一個滯環(huán)控制模塊，獲得轉(zhuǎn)矩控制信號（-1,0,1）。模型如下，圖4-7轉(zhuǎn)矩控制電級轉(zhuǎn)矩的給定是和轉(zhuǎn)速一致的，由ASR給出。ASR模塊需要輸入的是異步電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速紙和給定轉(zhuǎn)速值的差值。ASR內(nèi)部的計算是一個PI調(diào)節(jié)器，其kp值設(shè)為50，ki值設(shè)為10。圖4-8速度調(diào)節(jié)器內(nèi)部

4.8電壓矢量開關(guān)狀態(tài)選擇模塊電壓空間矢量的選擇其實就是對逆變器開關(guān)順序的控制，在直接轉(zhuǎn)矩控制中利用的空間電壓矢量總共有八個，一共對應(yīng)八組逆變器開關(guān)狀態(tài)，這里對于三個輸入一個輸出的控制，選擇一個折中的辦法，先將轉(zhuǎn)矩控制信號和磁鏈控制信號進(jìn)行一次分組，再將組號和定子磁鏈的的區(qū)間號作為輸入量，通過查表選擇獲得需要的電壓空間矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)。其中,lookuptable模塊的真值表如下。可以看出，這與上文敘述的是一致的。選擇好電壓空間矢量信號之后，就能夠?qū)⒄_的開關(guān)順序送到逆變器中，逆變器依照開關(guān)指令對應(yīng)輸出電壓波形驅(qū)動電動機(jī)，即可達(dá)到控制目的。圖4-9逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇

第5章仿真結(jié)果5.1空載，給定速度的仿真結(jié)果本實驗使用的異步電動機(jī)前文有述，其額定轉(zhuǎn)速為1460rpm。在仿真模型中給定磁鏈0.8Wb，磁鏈容差0.00001Wb，轉(zhuǎn)矩容差0.5N*m，異步電動機(jī)使用串行啟動，空載。初始給定轉(zhuǎn)速為1420rpm，在0.4s時給定轉(zhuǎn)速降至1200rpm，在0.7s時給定轉(zhuǎn)速回至1420rpm。得到仿真波形如下。圖5-SEQ圖\*ARABIC\s11磁鏈波形本圖為電機(jī)定子磁鏈的波形。在磁鏈容差為0.001Wb的標(biāo)準(zhǔn)下，得到磁鏈近似為圓形，符合控制要求?？梢钥闯龃沛?zhǔn)悄鏁r針旋轉(zhuǎn)的，在仿真過程中也能看出來磁鏈的走勢確實是曲折的，但是近似為圓形。圖5-SEQ圖\*ARABIC\s12電動機(jī)轉(zhuǎn)速波形本圖為電動機(jī)轉(zhuǎn)速波形，在0.4s和0.7s時轉(zhuǎn)速都發(fā)生了變化，與給定轉(zhuǎn)速要求，可以看出，其轉(zhuǎn)速響應(yīng)很快，整個響應(yīng)時間不超過30ms。如果進(jìn)一步調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器，可以獲得更好的響應(yīng)速度和精度。圖5-SEQ圖\*ARABIC\s13電動機(jī)轉(zhuǎn)矩波形如圖為電磁轉(zhuǎn)矩模型?？梢钥闯鰡訒r的電磁轉(zhuǎn)矩非常大，在速度改變時，轉(zhuǎn)矩響如圖為電磁轉(zhuǎn)矩模型?？梢钥闯鰡訒r的電磁轉(zhuǎn)矩非常大，在速度改變時，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也特別快。這是直接轉(zhuǎn)矩的特點。

圖5-4定子電流波形如圖為電動機(jī)定子電流的波形。定子電流波形基本上近似正弦波。表明仿真過程定子電流穩(wěn)定，諧波分量也比較小。在空載下的異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速仿真結(jié)果，說明直接轉(zhuǎn)矩控制能夠獲得高效率的速度和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)，定子磁鏈基本為圓形說明，在速度較高時其定子磁鏈模型也是比較準(zhǔn)確的。5.2給定負(fù)載，速度不變的仿真結(jié)果保持前述異步電動機(jī)參數(shù)不變，轉(zhuǎn)矩容差磁鏈容差均不變。改變電動機(jī)的給定負(fù)載，其初始值為25N*m，在0.4s時變?yōu)?5N*m，在0.7s時降回25N*m。如圖為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩波形?？吹狡滢D(zhuǎn)矩響應(yīng)特別迅速，完全符合控制要求。圖5-5電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形圖5-6電機(jī)定子電流波形如圖為電動機(jī)定子電流的波形。與上一次試驗一致。定子電流波形比較接近正弦波，幅值變化是波動較小，電流諧波不明顯。圖5-7電機(jī)轉(zhuǎn)速波形