課程設(shè)計(jì)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

1、異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究課程設(shè)計(jì)II摘要隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，為非線性，所以控制起來(lái)極為不便。20世紀(jì)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)，使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能可以與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美。而交流電動(dòng)機(jī)尤其是鼠籠異步電動(dòng)機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的優(yōu)點(diǎn)，使得交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)強(qiáng)于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)中調(diào)壓調(diào)頻控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Dir

2、ect Torque Control簡(jiǎn)稱DTC）具有代表性。其中應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種高性能的控制調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)交流傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一種最優(yōu)的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，它可以對(duì)所有交流電動(dòng)機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。本文在理解了直接轉(zhuǎn)矩控制原理的基礎(chǔ)上，在MATLAB中進(jìn)行了仿真，得到了較為理想的結(jié)果。關(guān)鍵字：異步電動(dòng)機(jī)、MATLAB仿真、直接轉(zhuǎn)矩控制、電壓矢量目 錄摘要I第1章 緒論11.1 課題研究背景11.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2.2目前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題及解決方法21.3本文研究的主要內(nèi)容3第2章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論42.1概述42.2 異

3、步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型42.3 逆變器的數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量62.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成82.5 磁鏈調(diào)節(jié)102.6 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)102.7 空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響112.7.1 空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈的影響112.7.2空間電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響13第3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的MATLAB仿真153.1異步電機(jī)及PWM控制模塊仿真153.2三相-兩相變換（3/2變換）163.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）173.4定子磁鏈的計(jì)算和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊183.5空間電壓矢量的選擇模塊18第4章 仿真結(jié)果及分析20致謝22參考文獻(xiàn)23武漢理工大學(xué)現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第1章 緒論1.1 課題研究

4、背景自從電氣化時(shí)代開(kāi)始以來(lái)，電動(dòng)機(jī)就成為重要的動(dòng)力來(lái)源。直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)和交流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在19世紀(jì)中期先后誕生。直流電機(jī)由于勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)完全解耦，這樣可以根據(jù)調(diào)速性能的要求，按照經(jīng)典控制理論的方法獨(dú)立設(shè)置調(diào)節(jié)器，分別對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，因此直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，調(diào)速平滑且易于控制，在高性能電氣傳動(dòng)領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，各類大功率半導(dǎo)體器件如GTO、MOSFET、IGBT等的不斷出現(xiàn)，使交流傳動(dòng)調(diào)速在近十年來(lái)得到飛快進(jìn)步，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這時(shí)，直流電機(jī)和交流電機(jī)相比的缺點(diǎn)日益顯露出來(lái)，例如具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修，換向火花

5、使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等等。于是，用交流可調(diào)傳動(dòng)取代直流可調(diào)傳動(dòng)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的MDepenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論直接轉(zhuǎn)矩控制。這種方法是在定子坐標(biāo)系對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計(jì)算量大，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能受電機(jī)參數(shù)影響較大等缺點(diǎn)，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方式。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問(wèn)世便受到廣泛關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

6、1.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)從物理關(guān)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦關(guān)系，可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，很快就得到廣泛的推廣與應(yīng)用。而傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在低速運(yùn)行區(qū)段與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)段還存在很多問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究。僅從電機(jī)本身出發(fā)來(lái)完善直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)是不可能的事情，必須另辟蹊徑?，F(xiàn)代的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，需要各種先進(jìn)的控制技術(shù)作支撐，它已經(jīng)不是單一的一項(xiàng)技術(shù)，而是發(fā)展成多種學(xué)科交叉的一項(xiàng)綜合技術(shù)。下面就直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)所需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)：(1)先進(jìn)控制策略在現(xiàn)代直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中的應(yīng)用，改善穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能問(wèn)題對(duì)于現(xiàn)代直

7、接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，空間矢量調(diào)制模塊需要控制器來(lái)生成給定的空間電壓矢量，這樣可以充分發(fā)揮線性控制與各種非線性控制方法的各自優(yōu)點(diǎn)，如線性控制的平滑性、變結(jié)構(gòu)控制的快速性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的智能性與魯棒性，盡管在一定程度上增加了控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，然而控制器可以大大改善控制性能。(2)磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)問(wèn)題對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)精度直接影響控制性能的好壞，甚至?xí)?dǎo)致控制失敗。高速運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)有的估計(jì)方法可以得到滿意的精度，而低速時(shí)，尤其接近零速時(shí)，很多估計(jì)方法往往會(huì)失效解決低速時(shí)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)問(wèn)題具有重要意義。(3)速度估計(jì)問(wèn)題近年來(lái)，無(wú)速度傳感器技術(shù)受到了電氣傳動(dòng)領(lǐng)域普遍的關(guān)注。針對(duì)已有的

8、速度估計(jì)方法精度差，超低速及零定子頻率運(yùn)行條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速不可觀測(cè)性，開(kāi)發(fā)高精度及適用于超低速及零定子頻率條件下的速度估計(jì)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。(4)空載或者欠載條件下如何優(yōu)化參考的定子磁鏈問(wèn)題。1.2.2目前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題及解決方法異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算方便，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好。但在低速運(yùn)行時(shí)，存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題成為目前DTC研究的熱點(diǎn)。主要體現(xiàn)在以下兩方面：(1)低速時(shí)，由于定子電阻的變化帶來(lái)的一系列問(wèn)題。主要表現(xiàn)在定子電流和磁鏈的畸變非常嚴(yán)重。主要解決方法：(1.1)采用un模型。使用電流PI調(diào)節(jié)器，強(qiáng)迫電機(jī)模型電流和實(shí)際電機(jī)電流相等，精度大大提高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。(1.2)

9、模糊定子電阻辨識(shí)器(FLI)，以定子磁鏈大小和相角誤差作為輸入，通過(guò)推論和解模，對(duì)定子電阻進(jìn)行辨識(shí)御。(2)低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)、開(kāi)關(guān)頻率問(wèn)題。主要解決方法：(2.1)使用改進(jìn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，改進(jìn)控制參數(shù)與開(kāi)關(guān)量的關(guān)系，使之產(chǎn)生更優(yōu)的控制電壓波形。(2.2)運(yùn)用Fuzzy PI轉(zhuǎn)矩控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，即引入模糊控制和智能控制，用軟件來(lái)解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。(2.3)引入模糊控制方法，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行辨識(shí)，從而得到穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)頻率并降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 1.3本文研究的主要內(nèi)容本文主要研究和設(shè)計(jì)了異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。首先闡述了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理。通過(guò)了解定子電壓

10、矢量對(duì)定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用，以及對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型的學(xué)習(xí)，利用MatlabSimulink搭建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證理論的正確性和可行性。本文的主要內(nèi)容如下：第 1 章為緒論部分，闡述了電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況，以及直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展現(xiàn)狀，提出異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論以及目前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。最后論述論文研究的內(nèi)容。第 2 章闡述了課題設(shè)計(jì)的主要思想和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理。本章首先給出了最后搭建的仿真模型，介紹了異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，逆變器的數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量。然后再對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的各部分模塊作了理論的描述和分析，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。第3章利

11、用 Matlab軟件的Simulink模塊對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)分別建立仿真模型，構(gòu)建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。第4章對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)所搭建的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。第2章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論2.1概述自從70年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來(lái)，交流傳動(dòng)技術(shù)就從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上與直流傳動(dòng)相媲美的問(wèn)題。矢量控制技術(shù)模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全控制。它的提出具有跨時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測(cè)、系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大以及在模擬直流電

12、動(dòng)機(jī)過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制針對(duì)電動(dòng)機(jī)的核心變量作直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的正負(fù)符號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的正負(fù)符號(hào)，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理搭建的MATLAB模型如圖2.1所示。圖2.1 MATLAB中搭建的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型接下來(lái)，本章將從異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，闡述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理，對(duì)系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。2.2 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型交流異

13、步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，它是一個(gè)高階，非線性，強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的目的就是要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。在討論交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前假設(shè)電機(jī)有如下特性:(l)電動(dòng)機(jī)三相定、轉(zhuǎn)子繞組完全對(duì)稱。(2)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子表面光滑，無(wú)齒槽效應(yīng)。(3)電動(dòng)機(jī)氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間正弦分布。(4)鐵心渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計(jì)。在滿足上述理想電動(dòng)機(jī)假設(shè)條件下，經(jīng)推導(dǎo)可得異步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法，以定子磁鏈定向，建立在靜止正交定子坐標(biāo)系上，圖2.2是異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。圖2.2電動(dòng)機(jī)空間矢量等效電路圖圖2.2中各變量的意義如下：電角速度（機(jī)械角速度與

14、極對(duì)數(shù)的積）定子電壓空間矢量、定子、轉(zhuǎn)子電流空間矢量、定子、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量、單相定子電阻、電感折算到定子側(cè)的單相轉(zhuǎn)子電阻單相轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感之和由圖2.2可以得出定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程： （2-1） （2-2） 而定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈： （2-3） （2-4） 轉(zhuǎn)矩方程：消去電壓方程和磁鏈方程中的和，可以得到以定子磁鏈、為狀態(tài)變量的異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程。 （2-5）其中電機(jī)漏感系數(shù) （2-6）電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的形式: （2-7） 此外電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示成定子磁鏈和定子電流形式： （2-8）運(yùn)動(dòng)方程： （2-9）式2-7中，為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。

15、在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電機(jī)，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。當(dāng)維持定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值都恒定不變時(shí)，只要改變它們兩者之間的夾角就可以改變轉(zhuǎn)矩，這實(shí)際上就是直接轉(zhuǎn)矩控制之所以簡(jiǎn)單的根本所在。2.3 逆變器的數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量逆變器如圖2.3所示，每一組的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)相反，這樣逆變器共有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合。逆變器上、下橋臂的開(kāi)關(guān)器件在任一時(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通，一個(gè)處于開(kāi)通的狀態(tài)另一個(gè)必須處于斷開(kāi)的狀態(tài)，兩者處于開(kāi)關(guān)互逆狀態(tài)。圖2.3電壓型逆變器原理圖由于同一相上下橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件一個(gè)導(dǎo)通，則另一個(gè)關(guān)斷，所以三組開(kāi)關(guān)器件有八種可能的開(kāi)關(guān)組合。分別用、來(lái)表示三相

16、上橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以a相為例，當(dāng)a相上橋臂導(dǎo)通時(shí)，記作=1，當(dāng)a相上橋臂關(guān)斷時(shí)，記作=0。這樣八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表2.1所示：表2.1 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)狀態(tài)01234567000011110110001100111001八種可能的開(kāi)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(diǎn)是三相負(fù)載并不都是接到相同的電位上去；另一類開(kāi)關(guān)狀態(tài)是零開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。對(duì)于逆變器的八種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)外部負(fù)載來(lái)說(shuō)，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(duì)應(yīng)于開(kāi)

17、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(duì)應(yīng)于零開(kāi)關(guān)狀態(tài)“0”和“7”，由于對(duì)外來(lái)說(shuō)，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。逆變器輸出電壓狀態(tài)的空間矢量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2-10） （2-11） （2-12） 把逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量來(lái)表示，則逆變器的各種電壓狀態(tài)和次序就有了空間的概念。在這里我們引入Park矢量變換，選三相定子坐標(biāo)系中的a軸和Park矢量復(fù)平面正交的實(shí)軸重合，則其三相物理量、的Park矢量為： （2-13） 從而我們可以得到逆變器的7個(gè)電壓狀態(tài)，(000和111為零狀態(tài))六個(gè)為有效電壓矢量，幅值均為，相鄰矢量相差

18、60度，把整個(gè)平面均勻的劃分成六個(gè)扇區(qū)如圖2.4所示。圖2.4電壓空間矢量在坐標(biāo)系里的離散位置2.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，通過(guò)不斷變化電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，并通過(guò)零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來(lái)改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的變化，從而控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)速的主題就是在于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩完全是按照輸入轉(zhuǎn)矩的設(shè)定。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖如圖2.5所示。圖2.5直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖圖2.5為典型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)磁鏈轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。速度給定

19、與電機(jī)的速度觀測(cè)值進(jìn)行比較后經(jīng)過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)。另一方面系統(tǒng)檢測(cè)三相定子電流和電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到靜止坐標(biāo)系，由此計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、磁鏈幅值和磁鏈所在的扇區(qū)N。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定和反饋信號(hào)送入轉(zhuǎn)矩和磁通比較器，其差值經(jīng)控制器輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器根據(jù)不同的扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)確定下一個(gè)時(shí)刻逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而確定電機(jī)的端電壓，保證電機(jī)在定子磁通不變情況下轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載的要求。從圖中可看到，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:(l)磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器:由電流、電壓的采樣值經(jīng)過(guò)3/2變化按照電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩;(2)磁鏈調(diào)節(jié)器:為了控制

20、定子磁鏈在給定值的附近變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩點(diǎn)式控制，輸出磁鏈控制信號(hào);(3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器:利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩，也是采用兩點(diǎn)式滯環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩;(4)開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇單元:根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號(hào)以及定子磁鏈位置，輸出合適的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是建立在靜止定子坐標(biāo)系下的，首先異步電機(jī)定子相電壓、相電流的采樣值經(jīng)3/2坐標(biāo)變換，得到坐標(biāo)下的分量，再按照異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的兩個(gè)分量、，這樣就可以計(jì)算出定子磁鏈幅值和磁鏈位置。將測(cè)量得到實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)給定

21、轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值輸出給定轉(zhuǎn)矩。將給定轉(zhuǎn)矩和送入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，得到轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，磁鏈調(diào)節(jié)器根據(jù)給定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的差值輸出磁鏈控制信號(hào)。最后開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇單元根據(jù)磁鏈控制信號(hào)、轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)和磁鏈位置，查逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，輸出正確合理的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正確運(yùn)行。下面簡(jiǎn)要地分析一下這些基本組成部分。(l)速度PI調(diào)節(jié)器單元由圖2.5可知，給定轉(zhuǎn)矩由給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。偏差經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)器得到。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可知電磁轉(zhuǎn)矩與速度偏差之間是比例積分的關(guān)系。因此，通過(guò)速度調(diào)節(jié)器能獲得理想中的轉(zhuǎn)矩值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。而公式中的字母所代表的參數(shù)通常根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行整

22、定。(2)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較單元定子磁鏈計(jì)算采用較為簡(jiǎn)單的U-I模型，磁鏈與定子電壓之間的關(guān)系為： （2-14）由于定子電阻通常比較小，在分析時(shí)忽略釘子電阻壓降的影響，則有： （2-15）式(2-15)表明單位時(shí)間內(nèi)的定子的電壓矢量實(shí)際上就是磁鏈?zhǔn)噶康脑隽浚ㄗ与妷旱拇笮『头较驔Q定了磁鏈軌跡的運(yùn)行速度和方向。由此可知控制異步電機(jī)的輸入電壓矢量，就可以控制定子磁鏈的大小、旋轉(zhuǎn)方向和速度。2.5 磁鏈調(diào)節(jié)磁鏈的調(diào)節(jié)通過(guò)磁鏈滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)比較器如圖2.6所示。磁鏈誤差為，將誤差進(jìn)行滯環(huán)比較，當(dāng)誤差超過(guò)允許值就進(jìn)行電壓切換，使誤差控制在滯環(huán)寬度內(nèi)。調(diào)制規(guī)則為:當(dāng)時(shí)，此時(shí)選擇電壓矢量使增加;當(dāng)時(shí)，

23、此時(shí)選擇擇電壓矢量使得減小;當(dāng)時(shí)，不變，此時(shí)電壓矢量不變。圖2.6磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器為了檢測(cè)定子磁鏈的位置，將坐標(biāo)系分為六個(gè)區(qū)域： （2-16）其中N=1,2,3,4,5,6，每個(gè)區(qū)域占角度，定子磁鏈在第n區(qū)域，我們就稱其在n區(qū)域。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)一樣，也采用滯環(huán)比較器輸入量為轉(zhuǎn)矩給定值及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值，輸出量為，為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍。2.6 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個(gè)功能:(l)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩;(2)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。通過(guò)電壓矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐?/p>

24、間的夾角，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，用定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠e來(lái)表達(dá)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際運(yùn)行中要確保要保證定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐槎ㄖ担闺妱?dòng)機(jī)的鐵芯得到充分的利用；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆涤呻妱?dòng)機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載決定?？梢酝ㄟ^(guò)改變磁通角的大小來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。通過(guò)加載有效空間電壓矢量，改變空間電壓矢量，使空間電壓矢量的幅值更合理，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速的大小使磁通角增大，從而增加轉(zhuǎn)矩；加載零電壓矢量，控制定子磁鏈停止運(yùn)行使磁通角變小，從而使轉(zhuǎn)矩減小。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)：若時(shí)，則；若時(shí)，則；若時(shí)，則保持不變。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)：若時(shí)，則;若時(shí)，則；若時(shí)，則保持不變圖2.7轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器2

25、.7 空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響2.7.1 空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈的影響與磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡成-60度和-120度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。圖2.8為圓形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖。定子磁鏈處于第一扇區(qū)，假設(shè)運(yùn)動(dòng)至A點(diǎn)，則有，此時(shí)，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號(hào)為,輸出電壓矢量應(yīng)使增加。綜合考慮轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出，如果需要作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選擇電壓矢量；如果需要作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量。同理，對(duì)于B點(diǎn)有，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號(hào)=l，此時(shí)應(yīng)選擇電壓矢量使減小。如果需要作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選擇電壓矢量;如果需要作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選

26、擇電壓矢量或。因此，磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)變化。將異步電機(jī)的定子磁鏈方程式離散化得: (2-17)式中，為采樣周期，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系如圖2.9所示。,可以看出:如對(duì)異步電動(dòng)機(jī)施加工作狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向和幅值都將發(fā)生變化;施加零電壓矢量的時(shí)候，則定子磁鏈就會(huì)相應(yīng)的停止運(yùn)動(dòng)。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁鏈的相位和幅值的控制。圖2.8圓形磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)過(guò)程示意圖圖2.9定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系示意圖在定子電壓壓降比起足夠小的前提下，至此可以

27、得到以下結(jié)論:(l)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角的絕對(duì)值小于90度的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值增加。(2)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角的絕對(duì)值大于90度的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值減小。(3)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角的絕對(duì)值等于90度或施加零電壓矢量的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值基本保持不變。2.7.2空間電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性能。電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： （2-18）電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的幅值以及它們之間的夾角（磁

28、通角)決定?？梢詫?xiě)成： （2-19）對(duì)式2-19兩邊進(jìn)去微分計(jì)算，再乘以，可得以下式子： (2-20)式中 (2-21)將代入式可得 (2-22）因此，單純從數(shù)學(xué)式(2-22)上來(lái)看，可以得到以下結(jié)論：(l)當(dāng)施加超前于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加。(2)當(dāng)施加落后于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心；轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定，要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，可通過(guò)改變磁通角的大小來(lái)實(shí)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(guò)電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到控制定子磁鏈的目的，從而控制改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)

29、速度的大小，從而改變磁通角的大小，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，如圖2.10所示。圖2.10電壓空間矢量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響時(shí)刻的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈及磁通角的位置如圖2.10所示。從時(shí)刻考察到時(shí)刻，若此時(shí)給出的定子電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量由的位置旋轉(zhuǎn)到的位置。轉(zhuǎn)子磁鏈的位置變化實(shí)際上不受該期間定子頻率的平均值的影響。因此從時(shí)刻到時(shí)刻這段時(shí)間里，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度要大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，磁通角由變大為，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也會(huì)增大。若從時(shí)刻考察到時(shí)刻，若此時(shí)給出的定子電壓空間矢量為零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量的位置保持靜止不動(dòng)，而轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量卻繼續(xù)以定子頻率的平均速度旋轉(zhuǎn)，從而磁通角將減小，轉(zhuǎn)

30、矩因磁通角的減小變小。因此，通過(guò)合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。第3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的MATLAB仿真3.1異步電機(jī)及PWM控制模塊仿真異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。在本次仿真的設(shè)計(jì)中，為了減少設(shè)計(jì)時(shí)間，異步電機(jī)的模塊直接在庫(kù)中選擇。異步電機(jī)的選取如圖3.1所示。圖3.1異步電機(jī)仿真模塊異步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖3.2所示。圖3.2異步電機(jī)參數(shù)設(shè)置PWM控制模塊即逆變器模塊，這里

31、根據(jù)書(shū)本的要求選取一個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)它的8種可能的開(kāi)關(guān)組合。來(lái)控制異步電機(jī)的運(yùn)行。逆變器模塊的選取以及參數(shù)的設(shè)置如圖3.3和3.4所示。圖3.3逆變器模塊選取圖3.4逆變器參數(shù)設(shè)置3.2三相-兩相變換（3/2變換）在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組a、b之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)稱3/2 變換。這里需要將電壓和電流進(jìn)行3/2變換。3/2變換的模塊如圖3.5和3.6所示。 圖3.5電壓3/2變換 圖3.6電流3/2變換在模塊內(nèi)部的設(shè)置如圖3.7和3.8所示。圖3.7電壓3/2變換設(shè)置圖3.8電流3/2變換設(shè)置3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的目的是為

32、了是轉(zhuǎn)速等于給定值，實(shí)際上它是通過(guò)調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響最后達(dá)到平衡，但是這種調(diào)節(jié)只有在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用，為了改善動(dòng)態(tài)性能，可以采用轉(zhuǎn)矩控制方式，常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種：轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加除法環(huán)節(jié)。ASR的設(shè)置如圖3.9所示。圖3.9轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)置3.4定子磁鏈的計(jì)算和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，定子磁鏈的計(jì)算模塊需要將電壓電流經(jīng)過(guò)3/2變換后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁鏈。再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊得到一個(gè)轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較。模塊的設(shè)置如圖3.10所示。圖3.10計(jì)算模塊的設(shè)置3.5空間電壓矢量的選擇模塊直接轉(zhuǎn)矩控制是電機(jī)的量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為變頻器需要的量。其中的轉(zhuǎn)化是直接轉(zhuǎn)矩控制，然后把最終量給變頻器。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中就要考慮到扇區(qū)的選擇和空間電壓矢量的選擇。這里的選擇方法采用了老師上課時(shí)講到的方法。具體的模塊如圖3.11所