三相異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)仿真報告

1、三相異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)仿真報告摘要：利用直接轉矩控制(DTC)理論，研究異步電動機直接轉矩控制調速系統(tǒng)的基本組成和工作原理，建立了異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)的仿真模型。利用MATLAB/Simulink軟件對異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)進行建模和仿真。結果表明：DTC系統(tǒng)具有動態(tài)響應速度快、精度高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。仿真結果驗證了該模型的正確性和該控制系統(tǒng)的有效性。關鍵詞：異步電機；直接轉矩控制；MATLAB仿真1引言自從20世紀70年代矢量控制技術發(fā)展以來，交流拖動技術就從理論上解決了交流調速系統(tǒng)在靜動態(tài)性能上與直流調速系統(tǒng)相媲美的問題。所謂矢量控制，就是將交流電動機模擬成直流電動機來控

2、制，通過坐標變換實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量和轉矩分量的解耦，然后分別獨立控制，從而獲得高性能的轉矩和轉速響應特性。直接轉矩控制(DirectTorqueControlDTC)是在矢量控制基礎之上發(fā)展起來的，是繼矢量控制以后提出的又一種異步電動機控制方法。其思路是把異步電動機和逆變器看成是一個整體，采用電壓矢量分析方法直接在靜止坐標系下分析和計算電動機的轉矩和磁鏈，通過磁鏈跟蹤得出PWM逆變器的開關狀態(tài)切換的依據(jù)從而直接控制電動機轉矩”與矢量控制相比，直接轉矩控制的主要優(yōu)點是：在定子坐標系下對電動機進行控制，摒棄了矢量控制中的解藕思想，直接控制電動機的磁鏈和轉矩，并用定子磁鏈的定向代替轉子磁鏈的

3、定向，避開了電動機中不易確定的參數(shù)(轉子電阻)"由于定子磁鏈的估算只與相對比較容易測量的定子電阻有關，所以使得磁鏈的估算更容易、更精確，受電動機參數(shù)變化的影響也更小"此外，直接轉矩控制通過直接輸出轉矩和磁鏈的偏差來確定電壓矢量，與以往的調速方法相比，它具有控制直接！計算過程簡化的優(yōu)點”因此，直接轉矩控制一問世便受到廣泛關注，目前國內外圍繞直接轉矩控制的研究十分活躍。2三相異步電機的直接轉矩控制系統(tǒng)組成三相異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)模塊圖標如圖1所示，其仿真模型如圖2所示，模型由7個主要模塊組成：三相不控整流器(Three-phasedioderectifier)、Braki

4、ngchopper、三相逆變器(Three-phaseinverter)、測量單元(Measures)、異步電動機模塊(Inductionmachine)組成系統(tǒng)的主要電路；轉速控制器(SpeedController)和直接轉矩控制模塊DTC,其中主電路模塊和轉速控制模塊結構基本與磁場定向矢量控制系統(tǒng)相同。圖1直接轉矩控制系統(tǒng)圖標直接轉矩控制DTC模塊結構圖如圖2所示，轉矩名定Torque*、磁通名定Flux*、電流I_ab和電壓V_abc輸入信號都經過采樣開關，DTC模塊包括轉矩和磁通計算、滯環(huán)控制、磁通選擇、開關表、開關控制等單元。DTC模塊輸出時三相逆變器Three-phaseinver

5、ter開關器件的驅動信號。直接轉矩控制系統(tǒng)采用6個開關器件組成的橋式三相逆變器，該逆變器有8種開關狀態(tài)，可以得到6個互差60°的電壓空間矢量和兩個零矢量。交流電機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狀態(tài)可以控制定子磁鏈聯(lián)的運行軌跡，從而控制交流電機的運行。broilerFhuCBj-KUO1MagCPTCTp兇詡解百l_abThree-pfuseGainThree-phaseMeasuresLib_abcIfflaMibV_CGfflMIC.Indudionmschlne*ODMHJtorWt4Mmj>圖2直接轉矩控制系統(tǒng)模型結構FluxS；Tor

6、que昨忸日與目圖3直接轉矩控制模塊結構3轉矩和定子磁鏈計算轉矩和定子磁鏈計算（單元結構如圖所示，它首先將檢測到的異步電動機三相電壓Vabc和電流IAB經模:s；=(us/,|.:.'Rsis.:.)dt:s,|：,：(us：-Rsis：-)KTs(z1)(3-1)2(z1)(3-2)dq_V_transform到二相坐標系（和dq_I_transform邊換,a3）上的電壓和電流,式中，us0P和i叼p為6日兩相坐標系上dq_V_transform和dq_I_transform變換模塊結構如圖5所示。的定子電壓和電流，K為積分系數(shù)，Ts為采圖4轉矩和定子磁鏈計算單元結構樣時間。磁鏈計

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Real_ImagtoCompels模塊得到復數(shù)形式表3.1定子磁鏈計算定子磁鏈的模擬和離散計算式為本的磁鏈中s,并由CompelstoMagnitude_Angle計算定子磁鏈里s的幅值和轉角。3.2轉矩計算電動機轉矩計算式為13、Te=-P"s"s.-Ps/s)2'-(3-3)式中，p為電動機極對數(shù)。圖5abc/a隹標系變換模塊結構當轉矩偏差(Te*-Te).dT4模塊結構4.1 磁通和轉矩滯環(huán)控制器電動機的轉矩和磁鏈都采用滯環(huán)控制，磁通和轉矩滯環(huán)控制

8、器（Flux&Torquehysteresis）結構如圖6所示。轉矩控制史三位滯環(huán)控制方式，在轉矩滯環(huán)寬度設為dTe（T；Te）<-強時，滯環(huán)模塊dTe/2和2當磁鏈偏差（望；_pe）>+*d堂和'e.e2（空；-孔）<-學時，模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“1和“2：4.2 磁鏈選擇器直接轉矩控制將磁鏈空間劃分為6個區(qū)間，磁鏈選擇模塊中s的位置角中,判斷磁鏈Ts運行在哪一個分區(qū)。磁鏈選擇器結構dTe/2分另ij輸出狀態(tài)“1和“3,”當滯環(huán)模塊dTe/2和YTe/2輸出為“叫，經或非如圖7所示，模塊輸入時磁鏈計算模塊輸出的磁鏈位置角angle,通過計較和邏輯運算輸出

9、磁鏈所在的分區(qū)編號。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)寬度設為dW是,dPhiFlui圖6Flux&Torquehysteresis模塊4.3開關表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開關表開關表（switchingtable）（如圖8）用于得到三相逆變器6個開關器件的通斷狀態(tài)，它由兩張LookupTable表格（Flux=1和Flux=-1）和三個多路選擇器組成。兩張LookupTable表格對應的輸出見表1.表格輸出加1后通過選擇開關2（MultiportSwitch2）輸出對應的6個開關器件的8種開關狀態(tài)V0V7,其中包含了兩種零狀態(tài)V0和V7。開關表中，Magnetisation模塊結構如圖9所示，其作用是將磁鏈反饋值與設定值比較，當反饋值大于設定值時，S-Rflip-f

11、lop觸發(fā)器Q端輸出“1；當反饋值小于設定值時，S-Rflip-flop觸發(fā)器Q端輸出“0；從而控制電動機啟動時逆變器和轉速調節(jié)器工作狀態(tài)，使電動機啟動時產生初始磁通。圖9Magnetisation模塊4.4開關控制模塊開關控制模塊（如圖10）包含了三個D圖10開關控制模塊觸發(fā)器，目的是限制逆變器開關的切換頻率，并且確保逆變器每相上下兩個開關處于相反的工作狀態(tài)，開關的切換頻率可以在模塊的對話框中設置。5仿真結果圖11直接轉矩控制系統(tǒng)仿真模型異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)仿真模型如圖11所示，系統(tǒng)由三相交流電源、直接轉矩控制系統(tǒng)模塊和檢測單元等模塊組成。三相電源線電壓360V、60HZ,電源內阻0.

12、02,電感0.05mH。電動機額定參數(shù)：149kW、360V、60HZ,系統(tǒng)由轉速和轉矩兩項輸入，在調速的同時負載轉矩也在發(fā)生變化。轉速和轉矩給定實用離散控制模型庫DiscreteControlDrive中的timer模塊，Speedreference設定值為：t=0s、1s時轉速分別為500r/min、0r/min。Torquereference設定值為：t=0、0.5s、1.5s時轉矩分別為0N*m、792N*m、-792N*m。模型采用混合步長的離散算法，基本采樣時間Ts=0.2因，轉速調節(jié)器采用時間為1.4s。仿真得到的結果如圖13所示。a）轉速響應b）a相定子電流c）電磁轉矩圖13仿真結果從仿真波形可以看到在t=0s時，轉速按設定的上升率（900r/min/s）平穩(wěn)升高，在啟動0.6s時達到設定的轉速500r/min。在00.5s范圍內電動機是空載啟動，電動機電流為200A（幅值）；0.5s時加載792T,電流上升為400A（幅值），加載時電磁轉矩瞬時達到1200N*m，但是在系統(tǒng)的控制下，加載對轉速的上升和穩(wěn)定運行沒有明顯影響。1s后電動機開始減速，定子電流減小，并且電流頻率下降。在t=1.5s時轉速下降為0,這時轉矩給定從792N*m變化為-792