三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真報(bào)告

1、三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真報(bào)告摘 要： 利用直接轉(zhuǎn)矩控制 ( DTC ) 理論，研究異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的基本組成 和工作原理，建立了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。利用MATLAB /Simulink 軟件對(duì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。結(jié)果表明 : DTC 系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、精度 高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該模型的正確性和該控制系統(tǒng)的有效性。關(guān)鍵詞： 異步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制； MATLAB 仿真1 引言自從 20 世紀(jì) 70 年代矢量控制技 術(shù)發(fā)展以來(lái)，交流拖動(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 上與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的問(wèn)題。所

2、 謂矢量控制，就是將交流電動(dòng)機(jī)模擬 成直流電動(dòng)機(jī)來(lái)控制 ,通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí) 現(xiàn)電機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分 量的解耦，然后分別獨(dú)立控制，從而 獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 (Direct Torque Control DTC) 是在矢量控制基礎(chǔ)之上 發(fā)展起來(lái)的，是繼矢量控制以后提出 的又一種異步電動(dòng)機(jī)控制方法。其思 路是把異步電動(dòng)機(jī)和逆變器看成是一 個(gè)整體，采用電壓矢量分析方法直接 在靜止坐標(biāo)系下分析和計(jì)算電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩和磁鏈， 通過(guò)磁鏈跟蹤得出 PWM 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)從而直 接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 "與矢量控制相比， 直接轉(zhuǎn)矩控制的主要優(yōu)點(diǎn)是 :在定

3、子坐 標(biāo)系下對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，摒棄了矢 量控制中的解藕思想，直接控制電動(dòng) 機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并用定子磁鏈的定 向代替轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，避開(kāi)了電動(dòng) 機(jī)中不易確定的參數(shù) (轉(zhuǎn)子電阻 )" 由于 定子磁鏈的估算只與相對(duì)比較容易測(cè) 量的定子電阻有關(guān)，所以使得磁鏈的 估算更容易、更精確，受電動(dòng)機(jī)參數(shù) 變化的影響也更小 "此外，直接轉(zhuǎn)矩控 制通過(guò)直接輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差來(lái) 確定電壓矢量，與以往的調(diào)速方法相 比，它具有控制直接 ! 計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化的 優(yōu)點(diǎn)"因此，直接轉(zhuǎn)矩控制一問(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。2 三相異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成 三相異

4、步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊圖標(biāo)如圖 1 所示，其仿真模型 如圖 2 所示，模型由 7 個(gè)主要模塊組 成：三相不控整流器(Three-phase diode rectifier )、Braking chopper、三相逆變 器(Three-phase inverter)、測(cè)量單元( Measures)、 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 模 塊(I nduction machi ne)組成系統(tǒng)的主要 電路；轉(zhuǎn)速控制器( Speed Controller) 和直接轉(zhuǎn)矩控制模塊 DTC ，其中主電 路模塊和轉(zhuǎn)速控制模塊結(jié)構(gòu)基本與磁 場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)相同。圖 1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖標(biāo) 直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC 模塊

5、結(jié)構(gòu)圖如 圖2所示，轉(zhuǎn)矩給定Torque*、磁通給 定 Flux* 、電流 I_ab 和電壓 V_abc 輸 入信號(hào)都經(jīng)過(guò)采樣開(kāi)關(guān)， DTC 模塊包 括轉(zhuǎn)矩和磁通計(jì)算、滯環(huán)控制、磁通 選擇、開(kāi)關(guān)表、開(kāi)關(guān)控制等單元。 DTC 模塊輸出時(shí)三相逆變器 Three-phase inverter 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用 6 個(gè)開(kāi)關(guān) 器件組成的橋式三相逆變器，該逆變 器有 8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以得到 6 個(gè)互 差 60°的電壓空間矢量和兩個(gè)零矢量。 交流電機(jī)定子磁鏈 里受電壓空間矢量 us控制Ws? /usdt，因此改變逆變器開(kāi) 關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈Ws的運(yùn)行軌跡，從而控制交流

6、電機(jī)的運(yùn)行。圖 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖 3 直接轉(zhuǎn)矩控制模塊結(jié)構(gòu)3 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計(jì)算轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計(jì)算(單元 結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，它首先將檢測(cè) 到的異步電動(dòng)機(jī)三相電壓 V_abc 和 電 流 I_AB 經(jīng) 模 塊標(biāo)系(ap)上的電壓和電流， dq_V_transform和dq_I_transform 變換模塊結(jié)構(gòu)如 圖 5 所示。圖 4 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計(jì)算單元結(jié)構(gòu)dq_V_transform和 3.1 定子磁鏈計(jì)算dq_I_transform 邊換，得到二相坐定子磁鏈的模擬和離散計(jì)算式為Compels模塊得到復(fù)數(shù)形式表示(usRsis )dt(3-1)s（3-2）式中，us和is為兩

7、相坐 的磁鏈s，并由 Compels to Magnitude_Angle計(jì)算定子磁鏈s的幅值和轉(zhuǎn)角。3.2轉(zhuǎn)矩計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為標(biāo)系上的定子電壓和電流，K為 積分系數(shù)，Ts為采樣時(shí)間。磁鏈計(jì)算采用離散梯形積Te P（ s iss is ）（3-3）式中，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。分，模塊phi_d和phi_q分別輸出定子磁鏈的和軸分量s和，s 和 s 經(jīng) Real_Imag to圖5 abc/ a姿標(biāo)系變換模塊結(jié)構(gòu)4模塊結(jié)構(gòu)4.1磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用 滯環(huán)控制，磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制 器（Flux & Torque hysteresis 結(jié) 構(gòu)如圖6所示。轉(zhuǎn)矩控制史三

8、位 滯環(huán)控制方式，在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度 設(shè)為dTe是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差 （T； Te）dTe 和（T； Te） dTe 時(shí)，滯2 2環(huán)模塊dTe/2和dTe/2分別輸出 狀態(tài)“ 1和“ 3”當(dāng)滯環(huán)模塊dTe/2 和dTe/2輸出為“ 0時(shí)，經(jīng)或非門 NOR輸出狀態(tài)為“ 2。磁鏈控制 是二位滯環(huán)控制方式，在磁鏈滯 環(huán)寬度設(shè)為dW是，當(dāng)磁鏈偏差 （；e）寧和（；e）牛時(shí),2 2模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“ 1和“ 24.2磁鏈選擇器直接轉(zhuǎn)矩控制將磁鏈空間劃 分為6個(gè)區(qū)間，磁鏈選擇模塊的位置角，判斷磁鏈s運(yùn)行在哪一個(gè)分區(qū)。磁鏈選擇器結(jié)構(gòu)如 圖7所示，模塊輸入時(shí)磁鏈計(jì)算 模塊輸出的磁鏈位置角angle,通 過(guò)計(jì)較和

9、邏輯運(yùn)算輸出磁鏈所在 的分區(qū)編號(hào)。圖 6 Flux & Torque hysteresis模塊圖7磁鏈選擇器模塊結(jié)構(gòu)4.3開(kāi)關(guān)表表 1 Lookup Table 表格H phi狀態(tài)H Te狀態(tài)磁鏈選擇器狀態(tài)1234561(Flux=1)1234561207070736123451(Flux=-1)434561257070706561224圖 8 switching table 開(kāi)關(guān)表開(kāi)關(guān)表(switching table)(如 圖8)用于得到三相逆變器6個(gè) 開(kāi)關(guān)器件的通斷狀態(tài)，它由兩張Lookup Table 表格(Flux=1 和Flux=-1 )和三個(gè)多路選擇器組 成。兩張Look

10、up Table表格對(duì)應(yīng) 的輸出見(jiàn)表1.表格輸出加1后通 過(guò)選擇開(kāi)關(guān) 2( Multiport Switch2 ) 輸出對(duì)應(yīng)的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的8種 開(kāi)關(guān)狀態(tài)V0V7 ,其中包含了兩 種零狀態(tài)V0和V7。開(kāi)關(guān)表中，Magnetisation模塊結(jié)構(gòu)如圖 9 所示，其作用是將 磁鏈反饋值與設(shè)定值比較，當(dāng)反 饋值大于設(shè)定值時(shí)， S-R flip-flop 觸發(fā)器 Q 端輸出 “1，”當(dāng)反饋值 器 Q 端輸出 “ 0，”從而控制電動(dòng) 機(jī)啟動(dòng)時(shí)逆變器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工 作狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生初 始磁通。4.4 開(kāi)關(guān)控制模塊 開(kāi)關(guān)控制模塊（如圖 10）包 含了三個(gè) D 觸發(fā)器，目的是限制 逆變器開(kāi)關(guān)的切換頻

11、率，并且確小于設(shè)定值時(shí)， S-R flip-flop 觸發(fā)圖 9 Magnetisation 模塊保逆變器每相上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)處于相反的工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)的切換頻 率可以在模塊的對(duì)話框中設(shè)置。圖 10 開(kāi)關(guān)控制模塊5 仿真結(jié)果圖 11 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)仿真模型如圖 11 所示，系統(tǒng)由 三相交流電源、直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)模塊和檢測(cè)單元等模塊組成。 三相電源線電壓 360V、 60HZ， 電源內(nèi)阻0.02Q，電感0.05mH。 電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)： 149kW、360V、 60HZ ，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)輸 入，在調(diào)速的同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也在 發(fā)生變化。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩給定實(shí)用 離散控制

12、模型庫(kù) Discrete ControlDrive 中的 timer 模塊， Speed reference 設(shè)定值為： t=0s、1s 時(shí) 轉(zhuǎn)速分別為 500 r/min 、0r/min。Torque refere nee設(shè)定值為：t=0、0.5s、1.5s時(shí)轉(zhuǎn)矩分別為0 N*m、 792 N*m、 -792N*m。模型采用混合步長(zhǎng)的離散算法，基本采樣時(shí)間Ts=0.2 s轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器采用時(shí)間為1.4 s。仿 真得到的結(jié)果如圖 13所示。c）電磁轉(zhuǎn)矩圖 13 仿真結(jié)果從仿真波形可以看到在 t=0s 時(shí)，轉(zhuǎn)速按設(shè)定的上升率（900r/min/s）平穩(wěn)升高，在啟動(dòng)0.6s時(shí)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速500r/min。在00.5s范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)是空載啟 動(dòng)，電動(dòng)機(jī)電流為200A（幅值）； 0.5s時(shí)加載792T，電流上升為 400A （幅值） ，加載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩 瞬時(shí)達(dá)到1200N*m，但是在系統(tǒng) 的控制下，加載對(duì)轉(zhuǎn)速的上升和 穩(wěn)定運(yùn)行沒(méi)有明顯影響。 1s 后電 動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速，定子電流減小， 并且電流頻率下降。在t=1.5s時(shí) 轉(zhuǎn)速下降為 0，這時(shí)轉(zhuǎn)矩給定從792 N*m 變化為 -792 N*m ，轉(zhuǎn) 速仍穩(wěn)定為0r/min，表明系統(tǒng)