交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究--本科畢業(yè)論文

1、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究摘要本文主要研究交流異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制系統(tǒng)。首先介紹了現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史及其研究現(xiàn)狀，詳述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理。然后介紹了交流異步電動(dòng)機(jī)在定子靜止兩相坐標(biāo)系OAB 上的數(shù)學(xué)模型，電磁轉(zhuǎn)矩模型以及磁鏈模型。最后利用MATLAB/SIMULINK 建立異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真 結(jié)果表明采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)能夠達(dá)到良好的調(diào)速性能。AbstractDirect torque control speed regulation system of AC asynchronous motor is mainly stu

2、died on in this article. Firstly, development history and research actuality of modern AC speed regulation technique is introduces, basic theory of direct torque control recounted. Secondly, math model, electromagnetic torque model and flux linkage model of an motor in static two-phase coordinate of

3、 stator are recommended. Finally by using MATLAB/SIMULINK to establish a simulation model of asynchronous motor direct torque control system, has carried on the simulation results, the simulation results show that the direct torque control system can achieve good performance of speed adjustment.目錄 2

4、第一章緒論 31.1 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀 31.2 仿真工具M(jìn)ATLAB/SIMULINK介紹 4第二章交流異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 52.1 交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 52.1.1 坐標(biāo)變換 62.1.2 靜止兩相坐標(biāo)系下的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 72.2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論 82.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制介紹 82.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制相關(guān)概念 92.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成 152.4 變頻與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系 18第三章MATLAB/SIMULINK 仿真模型的建立 203.1 MATLAB/SIMULINK仿真算法介紹 203.2 MATLAB/SIMULI

5、NK仿真模塊的建立 203.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的MATLAB/SIMULINK仿真系統(tǒng) 203.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模塊建立 213.3 仿真結(jié)果的分析 28第四章 總結(jié) 30致謝 31參考文獻(xiàn) 32第一章 緒論1.1 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀現(xiàn)代社會(huì)中，不論在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、還是在日常生活等各個(gè)方面，都廣泛使用電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備。根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類。其中交流電動(dòng)機(jī)形式多樣、用途多、其擁有量最多。交流電動(dòng)機(jī)又分為同步電動(dòng)機(jī)和異步 （感應(yīng)） 電動(dòng)機(jī)兩大類。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)用電量占電機(jī)總用電量的85%左右， 可見交流電

6、動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位，因此研究交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速具有重大意義。交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、性價(jià)比高、維修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)它可在惡劣的環(huán)境中工作，而且便于向高速、大功率等方向發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)1 ，因此近幾十年來世界各國(guó)都在致力于交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。然而交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性的多變量系統(tǒng)，其速度和轉(zhuǎn)矩的控制性能較低。但是隨著當(dāng)代變頻調(diào)速控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)獲得了突破性的進(jìn)展。近年來，隨著著電力電子技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展。在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域已成功的實(shí)現(xiàn)了各種先進(jìn)的方法。采用簡(jiǎn)單實(shí)用的辦法使異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)

7、到滿意的動(dòng)靜態(tài)性能是目前各國(guó)學(xué)者竟相研究的課題2。己經(jīng)得到應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)控制策略有：1 .異步電機(jī)的矢量控制1972年 ,德國(guó)工程師Blascheke提出了一種精確的控制方案，即矢量控制。矢量控制根據(jù)交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過模仿自然解耦的直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的控制方式，利用數(shù)學(xué)上的坐標(biāo)變換手段，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。通過對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的分別控制，以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。采用由轉(zhuǎn)子磁鏈的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時(shí)，定子電流即被分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類似直流電機(jī)的模型。通過控制定子電流矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置及大小，即可控制勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流

8、分量的大小，從而實(shí)現(xiàn)像直流電動(dòng)機(jī)那樣對(duì)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。2 .異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制20 世紀(jì) 80 年代掀起了交流調(diào)速熱，矢量控制理論進(jìn)一步簡(jiǎn)化與合理，一些新的控制方案相繼提出并被采用，1985 年另一位德國(guó)學(xué)者Depenbrock 提出直接轉(zhuǎn)矩控制法，和以往采用的解耦控制法不同，直接轉(zhuǎn)矩控制是一種快速的轉(zhuǎn)差控制方法。它是在定子坐標(biāo)系下，根據(jù)空間矢量的概念，在定子磁鏈方向上通過檢測(cè)到的定子電壓，電流等量，直接就在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。由于磁鏈控制選用了定子磁鏈，因而避開了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)，故參數(shù)魯棒性好。轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈閉環(huán)均采用雙位式砰砰控

9、制，一方面避免了控制信號(hào)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，使控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，另一方面可以獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但該控制方案具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，調(diào)速范圍受限的缺點(diǎn)。除此之外,近幾年還發(fā)展了一些新的控制方法，比如非線性控制、智能控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等。今后交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的研究趨勢(shì)有如下幾個(gè)方面：（ 1）算法簡(jiǎn)單但有較高動(dòng)態(tài)性能的新型控制策略；（ 2）能夠抑制交流電機(jī)參數(shù)變化和擾動(dòng)的新型非線性控制策略。由于交流電機(jī)是一個(gè)非線性多變量系統(tǒng)，因此只有應(yīng)用非線性控制理論才能真正解決交流電機(jī)的控制問題。雖然這幾年交流電機(jī)各種非線性控制理論成果很多，但由于電機(jī)參數(shù)受溫度等環(huán)境因素原因的影響不可避免的變化，因此至今尚未形成

10、能穩(wěn)定有效又能面向?qū)嶋H應(yīng)用的非線性控制策略。（ 3）結(jié)合智能控制方法的新型控制策略及其分析設(shè)計(jì)理論：由于智能控制能擺脫對(duì)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴，從而對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化無需考慮，這引起了人們的關(guān)注。但是也沒有必要完全脫離經(jīng)典的控制方法，而單純滴采用的智能控制。應(yīng)該在經(jīng)典控制的方法基礎(chǔ)上，結(jié)合智能控制手段，從而達(dá)到消除電機(jī)參數(shù)變化和外界擾動(dòng)的影響。（ 4）高動(dòng)態(tài)性能的無速度傳感器或位置傳感器控制策略：前面所述的控制方案都需要速度閉壞控制，閉環(huán)控制中的速度反饋信號(hào)來自于速度傳感器。但是速度傳感器需要精確的安裝和妥善的維護(hù)，另外，低速時(shí)也影響轉(zhuǎn)速信號(hào)。因此，取消速度傳感器同時(shí)能獲得高動(dòng)態(tài)性能便成為當(dāng)前的

11、研究熱點(diǎn)。1.2 仿真工具M(jìn)ATLAB/SIMULINK 介紹八十年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，我們可以利用仿真軟件建立起實(shí)際的電機(jī)及其傳動(dòng)、控制的仿真模型。在仿真軟件中設(shè)置人為模擬的環(huán)境參數(shù)，讓這個(gè)電機(jī)模型在這個(gè)仿真環(huán)境中運(yùn)行，替代真實(shí)電機(jī)在實(shí)際場(chǎng)合的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。這樣做既可得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時(shí)間及費(fèi)用。通常來說，對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，首先應(yīng)建立該控制系統(tǒng)模型，然后根據(jù)模型編制仿真程序，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)求解并將結(jié)果加以顯示。由此可知，在仿真模型建立過程中，編制與修改仿真程序是一項(xiàng)很耗時(shí)的工作。MATLAB 的出現(xiàn)為系統(tǒng)仿

12、真提供了一個(gè)強(qiáng)大助力，它是一款功能強(qiáng)大同時(shí)又便于使用的仿真軟件。MATLAB軟件是由美國(guó)NewMexico 大學(xué)的 CleveMoler 博士于 1980 年開始開發(fā)的。1984年由 CleveMoler 等人創(chuàng)立的MathWorks 公司正式推出了第一個(gè)商業(yè)版本。MATLAB 以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互的工作環(huán)境中，在這里可以實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、建模與仿真、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)（包括圖形用戶界面設(shè)定）等等功能，而且，MATLAB提供的工具箱為各行各業(yè)的用戶提供了豐富而實(shí)用的資源。MATLAB語言具有以下特點(diǎn):1 .起點(diǎn)高：每個(gè)變量

13、代表一個(gè)矩陣，它可以有nxm 個(gè)元素，每個(gè)元素都看作是復(fù)數(shù)，各種運(yùn)算對(duì)矩陣和復(fù)數(shù)都有效。2 .功能強(qiáng)大MATLAB在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算方面具有強(qiáng)大的功能，同時(shí)在計(jì)算結(jié)果可視化分析方面也有著巨大優(yōu)勢(shì)。此外，MATLAB 的 SIMULINK 功能則將其應(yīng)用擴(kuò)展到各行各業(yè)的仿真領(lǐng)域。此外，很多公司針對(duì)各專業(yè)應(yīng)用推出相應(yīng)的MATLAB工具箱。3 .界面友好、編程效率高M(jìn)ATLAB是一種以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)語言，其指令表達(dá)方式與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式非常接近。因此， 它易讀易寫，易于科技人員交流。同時(shí) MATLAB是以解釋方式運(yùn)行的，若程序有錯(cuò)誤立即會(huì)做出反應(yīng)，便于編程者立即改正，這些特點(diǎn)大大減

14、輕了編程和調(diào)試的工作量。在交流調(diào)速這一領(lǐng)域，這些年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般使用MATLAB/SIMULINK語言進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真。這也就是本課題采用MATLAB語一言作為仿真工具的原因。MATLAB 提供了一個(gè)名叫SIMULINK的軟件包，利用該軟件包可以對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。SIMULINK 支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散時(shí)間系統(tǒng)以及連續(xù)和離散混合系統(tǒng)。通過SIMULINK，仿真工作可以以結(jié)構(gòu)圖的形式進(jìn)行。SIMULINK軟件包提供各種功能模塊，包括了連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)等幾個(gè)基本系統(tǒng)構(gòu)成模塊。同時(shí)它還包括連接、運(yùn)算類模塊、輸入輸出模塊。而輸入源模塊和接收模塊則為模

15、型仿真提供了信號(hào)源和結(jié)果輸出設(shè)備。用戶只要從SIMULINK模塊庫(kù)中拖放合適的模塊，然后將它們組合在一起， 就可以直接對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真。用戶可以選擇合適的輸入源模塊作仿真信號(hào)輸入，用適當(dāng)?shù)慕邮漳K觀察仿真系統(tǒng)響應(yīng)。還可以通過對(duì)話框來設(shè)置各種數(shù)值算法，仿真步長(zhǎng)等重要參數(shù)，同時(shí)可以借助模擬示波器將仿真結(jié)果動(dòng)態(tài)顯示，這大大提升了仿真工作的效率。第二章 交流異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)2.1 交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量的特征3，要獲得高動(dòng)態(tài)調(diào)速性能，必須充分研究異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。為了建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將作如下假設(shè)：(1) 電動(dòng)機(jī)的三

16、相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均勻?qū)ΨQ分布在空間中，即在空間互差120電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布，忽略空間諧波；(2) 忽略磁路飽和的影響，各相繞組的自感和互感都是恒定不變的；(3) 忽略鐵芯損耗，渦流；(4) 不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。2.1.1 坐標(biāo)變換在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，一般采用空間矢量數(shù)學(xué)分析方法，在靜止兩相定子坐標(biāo)系下對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。由于異步電動(dòng)機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，因此需通過坐標(biāo)變換簡(jiǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以便于進(jìn)行分析和計(jì)算。異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是靜止的，只需進(jìn)行坐標(biāo)變換，即三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系(3s/2s 變換

17、)， 而轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，需要通過3s/2s 變換和2r/ 2s變換(兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)變換)，得到靜止兩相坐標(biāo)系。坐標(biāo)變換必須在功率不變的條件下，需要按照磁動(dòng)勢(shì)相等的原則進(jìn)行3。(1) 3s/2s 變換(三相/兩相變換)在功率不變的條件下，三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為：2-1 )則其逆變換矩陣為：C2s/3sC3s/ 2s3212032321212122-2)(2) 2r/2s 變換令靜止兩相坐標(biāo)系中 、 繞組與旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系中d 、 q 繞組匝數(shù)相同，磁動(dòng)勢(shì)矢量F 相等。 如圖 2-1 所示， 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d q 到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為C2r/2s為：則其逆變

18、換矩陣為：圖 2-1 2r/2s 坐標(biāo)變換cos sin2r /2s sin cos(2-3)cos sin2s/ 2r sin cos2-4)2.1.2 靜止兩相坐標(biāo)系下的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型經(jīng)過坐標(biāo)變換，得到- 兩相靜止坐標(biāo)系下的交流異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為3：(1)電壓方程ususururRsLsp0Lmp00RsLsp0LmpLm prLmRrLr prLrrLmLmprLrRrLrprs2-5)式中， u s , us 分別是定子繞組三相電壓的 、 軸分量；is ， is 分別定子繞組三相電流的 、 軸分量；u r ， ur 分別轉(zhuǎn)子繞組三相電壓的 、 軸分量；i r ， i r

19、分別為轉(zhuǎn)子繞組三相電流的 、 軸分量；Rs 為定子繞組電阻；Rr 為轉(zhuǎn)子繞組電阻；Lm為定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感；Ls， L r分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的自感；r為轉(zhuǎn)子速度；p為微分算子。對(duì)于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子是短路的，所以轉(zhuǎn)子側(cè)電壓分量u r 和 ur 為零。(2) 磁鏈方程sLs0Lm0iss0Ls0Lmis( 2-6)rLm0Lr0irr0Lm0Lrir式中，s ， s 分別為定子繞組三相磁鏈的 、 軸分量；r ， r 分別為轉(zhuǎn)子繞組三相磁鏈的 、 軸分量。(3)轉(zhuǎn)矩方程3Te 2 n p s is s i s(2-7)Jdrnp dt(4)運(yùn)動(dòng)方程(2-8)TeTL式中，TL 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

20、J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論2.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制介紹通過坐在異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，標(biāo)變換在兩相靜止- 坐標(biāo)系下建立異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位，也就是在兩相靜止- 坐標(biāo)系下扇區(qū)位置，通過電壓空間矢量表選擇此刻最合理的電壓空間矢量，以達(dá)到控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是1985 年由德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock 教授首次提出，它在很大程度上解決了矢量控制技術(shù)中計(jì)算控制復(fù)雜、特性易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響，實(shí)際性能難于達(dá)到理論分析結(jié)果的一些重大問題。直接轉(zhuǎn)矩控制有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)4:(1)直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電

21、動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制不像矢量控制需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化；直接轉(zhuǎn)矩控制也不需要為了解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。因此直接轉(zhuǎn)矩省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。因此， 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)所需要的信號(hào)處理工作特別簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)使觀察者對(duì)于交流機(jī)的物理過程能夠做到直接和明確的判斷。(2)直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來。(3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡(jiǎn)單明了。(4)直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制和效果，它不是通過控制電流、磁場(chǎng)

22、等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。(5)與矢量控制技術(shù)不同，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是選擇定子磁鏈作為被控制量，只需知道定子電阻即可觀測(cè)得到，因此定子磁鏈觀測(cè)模型受電機(jī)參數(shù)變化的影響小，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性。（6）直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過程中，可獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。但是，由此帶來的過大電流沖擊必須加以限制。（7）直接轉(zhuǎn)矩控制不需要電壓解耦，它可以直接對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的解耦體現(xiàn)在如下方面：選擇合適的開關(guān)電壓矢量，通過它們的徑向分量和切向分量來獨(dú)立地控制定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛托D(zhuǎn)速度；因此控制線路簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。

23、根據(jù)等式（2-7），可以得出異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式5：3L3Lr sin sr(2-9)Te3 npLmsr3 npLme2 pLsLrsr2 pLsLr式中，1- L2m / LsLr為電機(jī)漏感系數(shù)，sr為定子磁鏈空間矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量之間的夾角，即負(fù)載角。根據(jù)式 （ 2-9） ， 若定子磁鏈幅值s 和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值r 保持不變，電磁轉(zhuǎn)矩的變化僅與負(fù)載角有關(guān)。由式（2-9）可得dTe3 np Lm s r cos sr （ 2-10）d sr 2LsLr通常，負(fù)載角sr 的值較小，從式（2-10）可知，sr對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制和調(diào)節(jié)作用是明顯的。 在動(dòng)態(tài)控制中，由于控制的響應(yīng)時(shí)間比轉(zhuǎn)子時(shí)間常

24、數(shù)小得多，因此可以認(rèn)為在短暫的過程中轉(zhuǎn)子磁鏈r 近乎不變。由此可見，只要通過控制保持定子磁鏈s 的幅值不變，就可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載角sr 來改變和控制電磁轉(zhuǎn)矩，這是直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)質(zhì)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本控制方法就是通過改變外加電壓矢量us 來控制定子磁鏈?zhǔn)噶縮的幅值和相位變化的。2.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制相關(guān)概念在介紹直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)之前，有如下幾個(gè)概念需要闡述：逆變器的8 種開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓模式電壓空間矢量的概念。電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響。電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響。（ 1）逆變器的8 種開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓模式圖 2-2 是一般三相異步電動(dòng)機(jī)供電的逆變器原理圖。電壓通過三個(gè)開關(guān)Sa、

25、 Sb、 Sc，以不同的方式接到電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的輸入電壓完全取決于這三個(gè)開關(guān)的切換模式。逆變器的八種可能的開關(guān)組合狀態(tài)見表2-1 所示。狀態(tài)01234567Sa01010101Sb00110011Sc00001111表 2-1 逆變器的開關(guān)組合狀態(tài)2-2 逆變器原理圖逆變器的開關(guān)組合狀態(tài)分為兩類：一類是 6 種工作狀態(tài)，表中的狀態(tài)1 6。 另一類是零態(tài)，表中的狀態(tài)0 和7。這兩種狀態(tài)也稱電壓輸出狀態(tài)和零電壓狀態(tài)。若 us(t)表示逆變器的輸出電壓狀態(tài)的空間矢量，則逆變器的電壓狀態(tài)可由如下序列符號(hào)表示為：us(011)us(001)us(101)us(100)us(110) us(010)us(

26、000)us(111)它的特點(diǎn)是：逆變器的六個(gè)工作狀態(tài)給出六個(gè)不同方向的電壓矢量，周期性順出現(xiàn)，相鄰的兩個(gè)矢量相位差為60 ；電壓空間矢量幅值不變，六個(gè)矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形；六個(gè)電壓空間矢量順序沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，零電壓狀態(tài)位于六邊形的中心。由式 (2-9) 轉(zhuǎn)矩公式可知，轉(zhuǎn)矩Te的大小與定子磁鏈s、轉(zhuǎn)子磁鏈r 的幅值和磁通角sr 的乘積成正比。通過改變磁通角sr 的大小來改變交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。具體方法是由電壓空間矢量u(t)來控制1 的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變其平均速度1 的大小，進(jìn)而改變sr的大小，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩Te的目的。設(shè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值是T3，實(shí)際值為T 。 當(dāng) T 和 T3相差較大時(shí)

27、，盡可能使1 的轉(zhuǎn)速加快，從而增加轉(zhuǎn)矩。反之，當(dāng) T達(dá)到T3時(shí)，就要盡可能使轉(zhuǎn)矩緩慢變化，減小逆變器的開關(guān)切換頻率，也可以選用零電壓矢量，使 1 運(yùn)有三個(gè)：定子磁鏈的振幅，轉(zhuǎn)矩的正負(fù)偏差狀態(tài)，動(dòng)暫停，讓電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，使得T 迅速下降為T3。影響交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的因素1 所處的區(qū)域sr 。因此，可以預(yù)先設(shè)定一個(gè)逆變器開關(guān)切換表，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的ROM 中。 運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過帶滯環(huán)的轉(zhuǎn)矩比較器和磁鏈比較器，會(huì)同sr的狀態(tài)，從ROM 中讀取相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)電壓矢量u1(Sa,Sb,Sc) 從而對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。( 2)電壓空間矢量的概念圖 2-3 空間電壓矢量如圖 2-2 所示的逆

28、變器，若令a、 b、 c 為三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量us(t)的 Park 矢量變換表達(dá)式為us(t)23ua ubej2 /3 ucej4 /3( 2-11)其 ua、 ub 、 uc分別是a、 b、 c 三相定子負(fù)載繞組的相電壓。在逆變器無零狀態(tài)輸出的情況下，其波形、幅值及與逆變器開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)情況如圖2-12 所示，在前面我們已經(jīng)分析過，這樣就可以用電壓空間矢量u s(t)來表示逆變器的三相輸出電壓的各種狀態(tài)。對(duì)2 34 的電壓空間矢量us(t) 可以舉例說明。對(duì)于狀態(tài)1 ， Sabc 011時(shí)，由圖2-4可知ua2ud /34E/3 ( 2-12)ubucud

29、/3 2E/3 ( 2-13)將 ua、 ub 、 uc代入式2-11 得us(011) 2( 4E) 2Eej2 /3 2Eej4 /333334jEe32-4 無零狀態(tài)輸出時(shí)相電壓波形及所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài)同理， 依次計(jì)算可得各個(gè)開關(guān)狀態(tài)的電壓空間矢量。前面我們已經(jīng)直接給出了有關(guān)電壓空間矢量的結(jié)論，這里在綜述如下： 逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。他們周期性的順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60。 電壓空間矢量的幅值不變，都等于 4 E /3。 因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)。 六個(gè)電壓空間矢量的順序是：us(011)us (001)us(

30、101)us(100)us (110)us(010) 。 它們依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 零電壓狀態(tài)7 位于六邊形的中心。( 3)電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響逆變器的輸出電壓us(t) 直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子上，則定子電壓也為us(t)。由定子磁鏈(t)與定子電壓u s (t)之間的關(guān)系可經(jīng)變換得(t) (us(t) is(t)Rs)dt( 2-14)若忽略定子壓降的影響，則(t) us(t)dt ( 2-15)上式表示定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間為積分關(guān)系。該關(guān)系見圖2-5。2-5 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系圖 2-5 中， u s (t)表示電壓空間矢量，表示磁鏈空間矢量，S

31、1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6是正六邊形的六條邊。當(dāng)磁鏈空間矢量(t) 在圖 2-5 所示位置時(shí)，如果逆變器加到定子上的電壓空間矢量us(t)為 us(011) ，則根據(jù)式2-15，定子磁鏈空間矢量的頂點(diǎn)，將沿著S 1 邊的軌跡， 朝著電壓空間矢量us(011)所作用的方向移動(dòng)。當(dāng) (t)沿著邊 S1 運(yùn)動(dòng)到 S1 與 S2的交點(diǎn)時(shí)，如果給出電壓空間矢量us (001) ，則磁鏈空間矢量(t)的頂點(diǎn)沿著邊S2 的軌跡運(yùn)動(dòng)。同樣的方法依次給出us(101)、 us(100) 、 us (110) 、 us(010) ，則(t)的頂點(diǎn)依次沿著邊S3、 S4、 S5、 S6 的軌跡運(yùn)動(dòng)。

32、至此可以得到以下結(jié)論： 定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向。 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻依次給出定子電壓空間矢量us(011)、 us(001) 、 us(101)、 us(100) 、us(110) 、 us(010)，則得到定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿著S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6運(yùn)動(dòng)，形成了正六邊形磁鏈。 正六邊形的六條邊代表著磁鏈空間矢量(t)一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡。每條邊代表一個(gè)周期磁鏈軌跡的1/6，稱之為一個(gè)區(qū)段。六條邊分別稱為磁鏈軌跡的區(qū)段S1、區(qū)段S2、區(qū)段 S3、區(qū)段S4、區(qū)段S5和區(qū)段S6。直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài)，簡(jiǎn)單地得到六邊形的

33、磁鏈軌跡已控制電動(dòng)機(jī)，這種方法是DTC控制的基本思想。( 4)電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可通過改變磁通角的大小來實(shí)現(xiàn)。在DTC 控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量us(t)來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈的走走停停， 以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度s 的大小，從而改變磁通角sr 的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，見圖2-6。圖 2-6 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響t1時(shí)刻的定子磁鏈(t1) 和轉(zhuǎn)子磁鏈r(t1) 以及磁通角的位置見圖2-14 所示。從 t1 到 t2， 如此時(shí)給出的定子電壓空間矢量us(t)為 us (110)， 則定子磁鏈空間矢量由

34、(t1)(t2) 的位置，其運(yùn)動(dòng)軌跡(t)沿著區(qū)段S5運(yùn)動(dòng)，這個(gè)期間轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)不直接跟隨超前于它的定子磁鏈。因此在 t1 到 t 2這段時(shí)間里，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角加大，由圖上的(t1) 變?yōu)?t2)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。如果在 t2時(shí)刻，給出零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量(t2)保持在t2 時(shí)刻的位置靜止不動(dòng)，而轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則磁通角變小。 通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)來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角速度的 大小。通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成2-7 直接轉(zhuǎn)矩

35、控制理論的原理圖直接轉(zhuǎn)矩控制的簡(jiǎn)單工作過程為：被測(cè)信號(hào)有兩個(gè)，即U s 和 I s 。這兩個(gè)信號(hào)由AMM 處理后得到， 和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值Tf 。， 通過 UCT后得到磁鏈的三個(gè)分量信號(hào)a，b 和 c 。再由 DMC 得到磁鏈開關(guān)信號(hào)S a ， S b ， S c ， AZS 產(chǎn)生零狀態(tài)開關(guān)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的任務(wù)是選擇正確的區(qū)段，即確定磁鏈區(qū)域。 Tf 與轉(zhuǎn)矩給定值T 經(jīng) ATR 處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ。 ATRg的容差寬度由f 調(diào)節(jié)。磁鏈給定值g 和磁鏈反饋值f 由 A R 綜合產(chǎn)生磁鏈量開關(guān)信號(hào)gQ， f 由 AMA根據(jù) a， b和 c計(jì)算得到，ASS 綜合四個(gè)輸入信號(hào)：磁鏈開關(guān)信號(hào)，轉(zhuǎn)矩開

36、關(guān)信號(hào)，磁鏈量開關(guān)信號(hào)和零狀態(tài)開關(guān)信號(hào)，產(chǎn)生正確的電壓開關(guān)信號(hào)SUa ， SUb ，SUc 。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各組成部分：（ 1）異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型我們?cè)谶@里所說的異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型6 ，是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型所組成，主要任務(wù)是根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)到得定子電壓、定子電流，利用電動(dòng)機(jī)自身的參數(shù)，分別計(jì)算出定子磁鏈分量， ，以及電磁轉(zhuǎn)矩Tf 。定子磁鏈的觀測(cè)通常利用u i 模型來完成，即利用電動(dòng)機(jī)的定子電壓和定子電流來計(jì)算。(t) (Us(t) Is(t)Rs)dt ( 2-16)2-17)(t)(us (t) is (t)Rs)dt(t)(us (t) is (t)Rs)dt( 2-1

37、8)該模型中只用一個(gè)電動(dòng)機(jī)參數(shù)定子電阻Rs ， Rs 非常容易確定。模型中用到的us(t) 、同樣容易精確的檢測(cè)到，因此該模型具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。AMM 單元的功能除了定子磁鏈計(jì)算外，還包括電磁轉(zhuǎn)矩Tf 的計(jì)算3Tf2( is is ) ( 2-19)(2) 坐標(biāo)變換器坐標(biāo)變換器UCT的功能是將AMM 計(jì)算出的兩分量x ， x 變換得到三相分量xa 、 xb、xc，提供給幅值計(jì)算單元和磁鏈區(qū)域判斷單元。該兩相 /三相坐標(biāo)變換基于下式實(shí)現(xiàn)a( 2-20)b 31( 2-21 )c 31( 2-22)22三相 /兩相坐標(biāo)變換為該變換的逆變換。(3) 磁鏈幅值構(gòu)成單元在直接轉(zhuǎn)矩控制中，需要對(duì)不斷變化

38、的磁鏈幅值進(jìn)行調(diào)解，為使其被限制在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)，首先要求檢測(cè)出當(dāng)前磁鏈幅值。對(duì)于六邊形磁鏈，磁鏈分量a 、 b 、 c 對(duì)稱 ,即a(t) b(t) c(t) 0( 2-23)所以定子磁鏈的幅值為f 0.5( a b c)( 2-24)對(duì)于圓形磁鏈，磁鏈分量a ， a ， a 不對(duì)稱，因此需要用 、 分量計(jì)算(2-25)(4) 磁鏈調(diào)節(jié)器電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于定子電阻壓降等因素的影響，定子磁鏈將會(huì)不斷減小，因此不斷“校正”定子磁鏈到一個(gè)指定的變化范圍內(nèi)。為了避免定子磁鏈幅值減小到容差以外，引入磁鏈調(diào)節(jié)閉環(huán)，由磁鏈調(diào)節(jié)器給出一個(gè)定子電壓空間矢量，加大定子磁鏈幅值，這就是磁鏈調(diào)節(jié)器所需完成的工

39、作。磁鏈的調(diào)節(jié)過程是通過磁鏈電壓來完成的。所謂磁鏈電壓是指這樣一個(gè)定子電壓空間矢量， 它的主要作用是根據(jù)磁鏈調(diào)節(jié)器的作用，在需要時(shí)被開啟用以增加磁鏈幅值。根據(jù)起步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，若忽略定子電阻Rs，則(t) us(t)dt (2-26)從式中可以看出：定子磁鏈?zhǔn)噶颗c定子電壓空間矢量us之間為近似積分關(guān)系，并可由此得出定子磁鏈運(yùn)動(dòng)方向與空間電壓矢量作用方向一致的結(jié)論。據(jù)此， 定子磁鏈任一位置時(shí)能夠增大磁鏈幅值的電壓矢量有兩個(gè)，分別是與磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡成-60和-120的電壓矢量。磁鏈調(diào)節(jié)器的工作要求預(yù)先給定一個(gè)容差寬度， 它是定子磁鏈幅值對(duì)于給定值s 所允許的波動(dòng)寬度。磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是施密

40、特觸發(fā)器，對(duì)磁鏈幅值進(jìn)行兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，如圖 2-13 所示。圖 2-8 磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(5) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的任務(wù)是對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，直接轉(zhuǎn)矩控制即由此得名。類似于磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器也有一個(gè)施密特觸發(fā)器構(gòu)成，如圖2-9。施密特觸發(fā)器的輸入為轉(zhuǎn)矩實(shí)際值Tf 和轉(zhuǎn)矩給定值Tg ，調(diào)節(jié)器的容差是T ，輸出為轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ ， TQ 的取值它決定著轉(zhuǎn)矩電壓的開啟和關(guān)閉。圖 2-9 轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(6) 開關(guān)信號(hào)選擇單元論述至此，已得到磁鏈區(qū)域，轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ ，磁鏈開關(guān)信號(hào)Q 。直接轉(zhuǎn)矩控制中所有上述信號(hào)將共同決定施加于逆變器的開關(guān)信號(hào)。如何綜合這些信號(hào)，并根據(jù)他們的組合產(chǎn)

41、生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，使開關(guān)信號(hào)選擇單元的任務(wù)。實(shí)際應(yīng)用中，一般將各種開關(guān)信號(hào)的組合以及所對(duì)應(yīng)的電壓矢量制表，編制軟件是通過查表的方法來確定電壓矢量。定一個(gè)開關(guān)信號(hào)TQT -TTTTTg Tfgf-TTTQ 、 Q 信號(hào)和決定的電壓矢量如表2-2 所示QTQ定子磁鏈所在扇區(qū)(1)(2)(3)(4)(5)(6)11u6u2u3u1u5u40u0u0u0u0u0u001u2u3u1u5u4u60u0u0u0u0u0u0表 2-2 定子電壓矢量開關(guān)表2.4 變頻與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。如公式2-27 所示n 60f / p （2-27）由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)

42、的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2 的倍數(shù)，例如極數(shù)為2， 4， 6），所以一般不適和通過改變?cè)撝祦碚{(diào)整電機(jī)的速度。另外， 頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此， 以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制算法。這是因?yàn)槿绻麅H改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過電壓（過勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機(jī)的額定電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時(shí) , 變頻器的輸出電壓為380V, 電流

43、為30A。這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz, 變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A. 很顯然輸出功率不變。所以我們稱之為恒功率調(diào)速.這時(shí)轉(zhuǎn)矩情況如下：P WT2-28)W：角速度，T：轉(zhuǎn)矩。因?yàn)镻不變, W增加了, 所以轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小。從另外一個(gè)角度來看：電機(jī)的定子電壓U = E + I*R （I 為電流 , R 為電子電阻, E 為感應(yīng)電勢(shì)） 可以看出, U,I 不變時(shí) , E 也不變。而E = k*f*X, （k: 常數(shù) , f: 頻率 ,X: 磁通 ）, 所以當(dāng) f 由 50Hz 變?yōu)?60Hz 時(shí) , X 會(huì)相應(yīng)減小。而對(duì)于電機(jī)來說,T=K*I*X, （K: 常數(shù) , I:

44、電流 , X: 磁通 ）, 因此轉(zhuǎn)矩T會(huì)跟著磁通X減小而減小。因此我們可以得出如下結(jié)論：變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。型（AMM）、扇區(qū)選擇模塊（號(hào)生成模塊（Vector-Choice模塊采用S函數(shù)編寫。第三章 MATLAB/SIMULINK 仿真模型的建立3.1 MATLAB/SIMULINK 仿真算法介紹SIMULINK 提供了幾乎所有的仿真過程中的常用的算法，為我們應(yīng)用提供了極大的方便。本課題選擇仿真算法時(shí)要考慮如下幾個(gè)因素：精度，求解速度，能否自啟動(dòng)，執(zhí)行時(shí)間。對(duì)于系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜的情況，如選用ode45 算法，執(zhí)行速度相當(dāng)慢，為了加快運(yùn)行

45、速度，選用了定步長(zhǎng)的ode5 算法，選用這種算法還是有一種考慮，那就是在真實(shí)系統(tǒng)中，開關(guān)元件有最小開關(guān)時(shí)間的限制，在模型中采用定步長(zhǎng)的算法，可以解決這一問題。3.2 MATLAB/SIMULINK 仿真模塊的建立3.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的MATLAB/SIMULINK仿真系統(tǒng)根據(jù)原理圖2-15 ，把直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分為若干個(gè)子系統(tǒng)，然后在SIMULINK 環(huán)境下利用模塊庫(kù)中提供的各個(gè)基本模塊搭建各個(gè)子系統(tǒng)，利用子系統(tǒng)封裝技術(shù)把各個(gè)子系統(tǒng)封裝起來， 最后構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，本系統(tǒng)除了一些基本環(huán)節(jié)外還包括：異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模Sector-Choice ）、磁鏈調(diào)節(jié)器（Flux-Relay ）和 P

46、WM 控制信）等，直接轉(zhuǎn)矩控制的MATLAB仿真系統(tǒng)如圖3-1 所示。部分3-1 直接轉(zhuǎn)矩控制的Matlab 仿真系統(tǒng)S 函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)（System Function）的簡(jiǎn)稱，是指采用非圖形化的方式描述的一個(gè)功能塊。 用戶可以采用MATLAB代碼，C， C+等語言編寫S函數(shù)。 S函數(shù)由一種特定的語法構(gòu)成，用來描述并實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單來說，用戶可以從以下幾個(gè)角度來理解S函數(shù)：（ 1） S 函數(shù)為 Simulink 的“系統(tǒng)”函數(shù)。2）能夠響應(yīng)Simulink 求解命令的函數(shù)。3）采用非圖形化的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)4）可以開發(fā)新的Simulink 模塊5）可以與已

47、有的代碼相結(jié)合進(jìn)行仿真6）采用文本方式輸入復(fù)雜的系統(tǒng)方程7）擴(kuò)展Simulink 功能。3.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模塊建立（ 1）異步電動(dòng)機(jī)仿真模塊調(diào)速系統(tǒng)仿真用的電機(jī)是直接采用SIMULINK 下電氣系統(tǒng)仿真模型庫(kù)（Sim PowerSystems）中提供的異步交流電機(jī)模塊，該模塊是基于- 兩相靜止坐標(biāo)系下的交流異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于該數(shù)學(xué)模型與之前章節(jié)所論述的數(shù)學(xué)模型一樣。因此， 無需再對(duì)電機(jī)的仿真模型進(jìn)行編程，這樣大大減少了研究時(shí)間，把更多的時(shí)間精力放在直接轉(zhuǎn)矩控制算法的研究上。應(yīng)用交流異步電機(jī)模塊時(shí)要注意將交流異步電機(jī)模塊特定的輸出信號(hào)向量通過電機(jī)測(cè)量環(huán)節(jié)（Machines

48、 Measurement Demux）模塊進(jìn)行分解，產(chǎn)生所需要的4 組測(cè)量信號(hào)，即將電機(jī)模塊的m端口與測(cè)量環(huán)節(jié)模塊的m端口連接。如圖 2-2 所示。 這樣， 測(cè)量環(huán)節(jié)輸出端口就可以可輸出各測(cè)量值，同時(shí)也可把電機(jī)的一些輸出量接回輸入端，從而構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，Asynchronous Machines 模塊和 Machines Measurement Demux 模塊可作為一個(gè)整體使用，它們一起就構(gòu)成了交流異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真對(duì)象。3-2 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型（ 2） 3/2 坐標(biāo)變換模塊該模塊的結(jié)構(gòu)如圖3-3 ,3-4 所示，它包括兩組模塊。分別將三相電壓轉(zhuǎn)換成兩相電壓，三相

49、電流轉(zhuǎn)化為兩相電流。3-3 電壓 3/2 坐標(biāo)變換模塊圖 3-4 電流 3/2 坐標(biāo)變換模塊( 3)扇區(qū)選擇模塊扇區(qū)選擇模塊的目的是識(shí)別磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的區(qū)段，然后給出正確的磁鏈開關(guān)信號(hào)，以產(chǎn)生相應(yīng)的電壓空間矢量，控制磁鏈按照?qǐng)A形軌跡旋轉(zhuǎn)。其工作原理是把兩個(gè)磁鏈分量分別作為復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部，然后分別取它的模和幅角，利用一個(gè)可以查表的子系統(tǒng)來判斷磁鏈所處的扇區(qū)，再將模給磁鏈調(diào)節(jié)器。該模塊兩個(gè)磁鏈分量作為輸入，扇區(qū)號(hào)和磁鏈幅值作為輸出。本文使用S函數(shù)實(shí)現(xiàn)扇區(qū)選擇模塊。S函數(shù)主要代碼如下：function sys,x0,str,ts = swtable(t,x,u,flag)switch flag,ca

50、se 0,sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case 1,2,4,9sys=;otherwiseerror( Unhandled flag = ,num2str(flag);end function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes = simsizes;sizes.NumContStates = 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 6;sizes.NumInputs = 3;sizes.DirFeedthro

51、ugh = 1;sizes.NumSampleTimes = 1;% at least one sample time is neededsys = simsizes(sizes);x0 = ;str = ;ts = 0 0;functionsys=mdlOutputs(t,x,u)if (u(1)=1)a1=1;a2=0;elseif (u(1)=0)a1=0;a2=1;endif (u(2)=1)b1=1;b2=0;elseif (u(2)=0)b1=0;b2=1;endif (u(3)=1)c1=1;c2=0;elseif (u(3)=0)c1=0;c2=1;endsys=a1;a2;b

52、1;b2;c1;c2;( 4)電壓磁鏈調(diào)節(jié)器電壓磁鏈調(diào)節(jié)器采用的是兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，它的輸入信號(hào)包括反饋值、給定值和容差三個(gè)部分，輸出為二進(jìn)制的數(shù)字量0、1。以磁鏈調(diào)節(jié)為例，當(dāng)反饋值與給定值之差大于容差上限時(shí)，輸出為零；當(dāng)兩者差值小于容差下限時(shí)，輸出為1 。本文使用S函數(shù)實(shí)現(xiàn)電壓磁鏈調(diào)節(jié)器。S函數(shù)代碼如下：function sys,x0,str,ts = cilian(t,x,u,flag)switch flag,case 0,sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes;case 3,sys=mdlOutputs(t,x,u);case 1,2,4,9sys=;otherwiseerror( Unhandled flag = ,num2str(flag);endfunctionsys,x0,str,ts=mdlInitializeSizessizes = simsizes;sizes.NumContStates = 0;sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 1;sizes.NumInputs = 2;sizes.DirFe