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，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)相媲美的問題。所謂矢量控制，就是將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控

2、制，通過坐標(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(DirectTorqueControlDTC)是在矢量控制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，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，通過磁鏈跟蹤得出PWM逆變器的開關(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

3、定向，避開了電動(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)矩控制通過直接輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差來確定電壓矢量，與以往的調(diào)速方法相比，它具有控制直接！計(jì)算過程簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)”因此，直接轉(zhuǎn)矩控制一問世便受到廣泛關(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-phasedioderectifier)、Braki

4、ngchopper、三相逆變器(Three-phaseinverter)、測(cè)量單元(Measures)、異步電動(dòng)機(jī)模塊(Inductionmachine)組成系統(tǒng)的主要電路；轉(zhuǎn)速控制器(SpeedController)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模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，轉(zhuǎn)矩名定Torque*、磁通名定Flux*、電流I_ab和電壓V_abc輸入信號(hào)都經(jīng)過采樣開關(guān)，DTC模塊包括轉(zhuǎn)矩和磁通計(jì)算、滯環(huán)控制、磁通選擇、開關(guān)表、開關(guān)控制等單元。DTC模塊輸出時(shí)三相逆變器Three-phaseinver

5、ter開關(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)開關(guān)器件組成的橋式三相逆變器，該逆變器有8種開關(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y5三Iusdt因此改變逆變器開關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈聯(lián)的運(yùn)行軌跡，從而控制交流電機(jī)的運(yùn)行。broilerFhuCBj-KUO1MagCPTCTp兇詡解百l_abThree-pfuseGainThree-phaseMeasuresLib_abcIfflaMibV_CGfflMIC.Indudionmschlne*ODMHJtorWt4Mmj>圖2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)FluxS；Tor

6、que昨忸日與目圖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)如圖所示，它首先將檢測(cè)到的異步電動(dòng)機(jī)三相電壓Vabc和電流IAB經(jīng)模:s；=(us/,|.:.'Rsis.:.)dt:s,|：,：(us：-Rsis：-)KTs(z1)(3-1)2(z1)(3-2)dq_V_transform到二相坐標(biāo)系（和dq_I_transform邊換,a3）上的電壓和電流,式中，us0P和i叼p為6日兩相坐標(biāo)系上dq_V_transform和dq_I_transform變換模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。的定子電壓和電流，K為積分系數(shù)，Ts為采圖4轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計(jì)算單元結(jié)構(gòu)樣時(shí)間。磁鏈計(jì)

7、算采用離散梯形積分，模塊phi_d和phi_q分別輸出定子磁鏈的«和軸分量甲近和中sP,中我和中sP經(jīng)Real_ImagtoCompels模塊得到復(fù)數(shù)形式表3.1定子磁鏈計(jì)算定子磁鏈的模擬和離散計(jì)算式為本的磁鏈中s,并由CompelstoMagnitude_Angle計(jì)算定子磁鏈里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13、Te=-P"s"s.-Ps/s)2'-(3-3)式中，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。圖5abc/a隹標(biāo)系變換模塊結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差(Te*-Te).dT4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

8、器（Flux&Torquehysteresis）結(jié)構(gòu)如圖6所示。轉(zhuǎn)矩控制史三位滯環(huán)控制方式，在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度設(shè)為dTe（T；Te）<-強(qiáng)時(shí)，滯環(huán)模塊dTe/2和2當(dāng)磁鏈偏差（望；_pe）>+*d堂和'e.e2（空；-孔）<-學(xué)時(shí)，模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“1和“2：4.2 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，磁鏈選擇模塊中s的位置角中,判斷磁鏈Ts運(yùn)行在哪一個(gè)分區(qū)。磁鏈選擇器結(jié)構(gòu)dTe/2分另ij輸出狀態(tài)“1和“3,”當(dāng)滯環(huán)模塊dTe/2和YTe/2輸出為“叫，經(jīng)或非如圖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,通過計(jì)較和邏輯運(yùn)算輸出

9、磁鏈所在的分區(qū)編號(hào)。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,dPhiFlui圖6Flux&Torquehysteresis模塊4.3開關(guān)表HPhiBFlux=1(01P1C1(1oo1c1COSectorHTecz>vOj4(101001(oiioai：-(011010)(口1G1。)(10311。)Mvector表1LookupTable表格Hphi狀態(tài)HTe狀態(tài)磁鏈選擇器狀態(tài)1234561(Flux=1)1234561207070736123451(Flux=-1)434561257070706561224如e(101010)0

10、FluxestFluxestStartMagnetisation圖8switchingtable開關(guān)表開關(guān)表（switchingtable）（如圖8）用于得到三相逆變器6個(gè)開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，它由兩張LookupTable表格（Flux=1和Flux=-1）和三個(gè)多路選擇器組成。兩張LookupTable表格對(duì)應(yīng)的輸出見表1.表格輸出加1后通過選擇開關(guān)2（MultiportSwitch2）輸出對(duì)應(yīng)的6個(gè)開關(guān)器件的8種開關(guān)狀態(tài)V0V7,其中包含了兩種零狀態(tài)V0和V7。開關(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-Rflip-f

11、lop觸發(fā)器Q端輸出“1；當(dāng)反饋值小于設(shè)定值時(shí)，S-Rflip-flop觸發(fā)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。圖9Magnetisation模塊4.4開關(guān)控制模塊開關(guān)控制模塊（如圖10）包含了三個(gè)D圖10開關(guān)控制模塊觸發(fā)器，目的是限制逆變器開關(guān)的切換頻率，并且確保逆變器每相上下兩個(gè)開關(guān)處于相反的工作狀態(tài)，開關(guān)的切換頻率可以在模塊的對(duì)話框中設(shè)置。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.

12、02,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)用離散控制模型庫(kù)DiscreteControlDrive中的timer模塊，Speedreference設(shè)定值為：t=0s、1s時(shí)轉(zhuǎn)速分別為500r/min、0r/min。Torquereference設(shè)定值為：t=0、0.5s、1.5s時(shí)轉(zhuǎn)矩分別為0N*m、792N*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因，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用時(shí)間為1.4s。仿真得到的結(jié)果如圖13所示。a）轉(zhuǎn)速響應(yīng)b）a相定子電流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)行沒有明顯影響。1s后電動(dòng)機(jī)開始減速，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792N*m變化為-792