三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)仿真

1、1 設(shè)計(jì)總體思路1.1主電路的設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)DTC(Direct torque control)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在他的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。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)，再根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈的矢量所在的位置，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。 系統(tǒng)主電路如圖1.1所示，由三相不控橋、交流母線、三相逆變器和異步電機(jī)組成，2812DSP的脈沖信號(hào)控制全控器件的導(dǎo)通。PW1

2、 PW2 PW3 PW4 PW5 PW62812 DSP隔離驅(qū)動(dòng)電路MFBSVD4VD2VD3VD6VD5V1V3V5V2V6V4C圖1.1 系統(tǒng)主電路圖1.2 基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1.2示，途中的和ATR分別為定子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，兩者均采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器，他們的輸出分別為定子磁鏈幅值偏差的符號(hào)函數(shù)sgn()和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號(hào)函數(shù)sgn()，如圖1.2所示。圖中，定子磁鏈給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速有關(guān)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持恒定，在額定轉(zhuǎn)速以上，隨著的增加而減小。P/N為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器，當(dāng)渴望的電磁轉(zhuǎn)矩為正時(shí)，P/N=1，當(dāng)渴望的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)時(shí)，P/N=0，對(duì)于不同的

3、電磁轉(zhuǎn)矩期望值，同樣符號(hào)函數(shù)sgn()的控制效果是不同的。 PWM控制電壓矢量選擇iASBSCSgn()sgn()sgn()M定子磁鏈計(jì)算3/2變換轉(zhuǎn)矩計(jì)算P/NATR- Te- ASR- iBuAuBSAFBSFBS圖1.2制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 sgn()sgn()10圖1.2 帶有滯環(huán)的雙位式控制器當(dāng)渴望的電磁轉(zhuǎn)矩為正，即P/N=1時(shí)，若電磁轉(zhuǎn)矩偏差=-0，其符號(hào)函數(shù)sgn()=1，應(yīng)使定子磁場(chǎng)正向旋轉(zhuǎn)，使實(shí)際轉(zhuǎn)矩加大；若電磁轉(zhuǎn)矩偏差=-0，sgn()=0,一般采用定子磁場(chǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即P/N=0時(shí)，若電磁轉(zhuǎn)矩偏差=-0，sgn()=1，一般采用定子磁場(chǎng)停止

4、轉(zhuǎn)動(dòng)，使電磁轉(zhuǎn)矩反向減小。2 單元電路設(shè)計(jì)2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型DTC Induction Motor Drive圖2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖標(biāo)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2.1所示，仿真模型如圖2.2所示。該模塊由7個(gè)主要模塊組成：三相不可控整流器（three-phase diode rectifier）、Braking chaopper、三相逆變器（three-phase inverter）、測(cè)量單元（Measures）、異步電動(dòng)機(jī)模塊（Induction machine）、直接轉(zhuǎn)矩控制模塊DTC。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（Three-pha

5、se inverter），該逆變器有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以得到6個(gè)互差度的電壓空間矢量和兩個(gè)零矢量。交流電動(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)盏诫妷嚎臻g矢量us控制，因此改變逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈的運(yùn)行軌跡（磁鏈的幅值和旋轉(zhuǎn)速度），從而控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。2.2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)2.2 轉(zhuǎn)速控制器 如圖2.3所示，轉(zhuǎn)速給定N*經(jīng)過(guò)加減速限制環(huán)節(jié)，使階躍輸入時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速給定有一定的上升和下降，轉(zhuǎn)速反饋N經(jīng)過(guò)了低通濾波器，得到轉(zhuǎn)速偏差（N*-N）。Proportional gain、Integral gain和discrete模塊組成帶限幅的離散PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)輸出經(jīng)過(guò)了選擇開(kāi)關(guān)，根據(jù)對(duì)話(huà)框中設(shè)定的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制

6、方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)速控制的輸出。加減速斜率、PI調(diào)節(jié)器比例和積分系數(shù)、低通濾波器截止頻率等參數(shù)都在對(duì)話(huà)框中設(shè)定。圖2.3 轉(zhuǎn)速控制器Speed Controller結(jié)構(gòu)2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制器直接轉(zhuǎn)矩控制模塊由轉(zhuǎn)矩給定Torque*、磁通給定Flux*，電流I_abc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（Torque&Flux calculator）、滯環(huán)控制(Flux&Torque hystere-sis)、磁通選擇(Flux sector seeker)、開(kāi)關(guān)表(Switching table)、開(kāi)關(guān)控制(Switching control)等單元。DTC模塊是輸出三

7、相逆變器Three-phase inverter 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 圖2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制模塊結(jié)構(gòu)2.4 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的計(jì)算轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計(jì)算（Torque&Flux calculator）單元結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，它首先檢測(cè)到異步電機(jī)三相電壓V-AB經(jīng)模塊dq-transform和dq-transform變換，得到二相坐標(biāo)系上的電壓和電流，dq-transform和dq-transform變換模塊結(jié)構(gòu)如2.6所示。定子磁鏈的模擬和離散計(jì)算公式為 （2-1） （2-2） 式中, 和為二相坐標(biāo)系上定子電壓和電流，K為積分系數(shù)，為采樣時(shí)間。磁鏈計(jì)算采用離散梯形積分，模塊phi-d和phi-q分

8、別輸出定子磁鏈的和軸分量s和s，s和s經(jīng)Real-Imag to Complex模塊得到復(fù)數(shù)形式表示的定子磁鏈s，并由Complex to Magnitude-Angle計(jì)算定子磁鏈s的幅值和轉(zhuǎn)角。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為 （2-3）圖2.5 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計(jì)算單元結(jié)構(gòu)圖 圖2.6 dq-V-transform和dq-I-tranform變換模塊圖2.5 磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁療都采用滯環(huán)控制，磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器（Flux&Torque hystore-sis）結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。轉(zhuǎn)矩控制是三位滯環(huán)控制方式，在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度設(shè)為時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差和時(shí)，滯環(huán)模塊和分別輸出狀態(tài)1和3，滯環(huán)

9、模塊和分別輸出為0時(shí)，經(jīng)或非門(mén)NOR輸出狀態(tài)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)為時(shí)，當(dāng)磁鏈偏差和時(shí)，模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“1”和“2”。圖2.7 磁通和滯環(huán)控制器2.6 磁鏈選擇器 圖2.8 磁鏈選擇器模塊輸入是磁鏈計(jì)算模塊輸出的磁鏈位置角angle通過(guò)比較和邏輯運(yùn)算輸出磁鏈所在偏號(hào)。2.7 開(kāi)關(guān)表圖2.9 Magnetisation模塊開(kāi)關(guān)表2.10用于得到三相逆變器6個(gè)開(kāi)關(guān)期間的通斷狀態(tài)，開(kāi)關(guān)表中，Magnetisation模塊結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，其作用是將磁鏈反饋與設(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)反饋值小于設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)斷

10、輸出0，從而控制電機(jī)起動(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)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生初始磁通。圖2.10 開(kāi)關(guān)表2.8 開(kāi)關(guān)控制模塊 開(kāi)關(guān)控制模塊如圖2.11所示，包括三個(gè)D觸發(fā)器（D Flip-Flop），目地是限制逆變器開(kāi)關(guān)的切換頻率，并且確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對(duì)話(huà)框中設(shè)置。 圖2.11 開(kāi)關(guān)控制模塊3 實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)波形記錄及分析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖形如圖3.1所示，系統(tǒng)由三相交流電源、直接轉(zhuǎn)矩系統(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0.02，電感0.05mL。電動(dòng)機(jī)參數(shù)：149kW、460V、60HZ，圖3.2是

11、電動(dòng)機(jī)和控制器參數(shù)頁(yè)，系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速（speed reference）和轉(zhuǎn)矩（Torque reference）兩項(xiàng)輸入，在調(diào)速的同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也在變化。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩給定使用離散控制模型庫(kù)中的timer模塊，speed reference設(shè)定值為：t=0、1s時(shí)轉(zhuǎn)速分別為500、0r/min。Torque reference設(shè)定值為：t=0、0.5、1.5s時(shí)轉(zhuǎn)速分別為0、792、-792N*m。模型采用混合步長(zhǎng)的離散算法，基本采樣時(shí)間Ts=0.2us，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采樣時(shí)間為1.4us，仿真波形如圖3-3所示。圖3.1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型從仿真波形可以看到在t=0時(shí)，轉(zhuǎn)速按設(shè)定的上升率（900r/min）平穩(wěn)升高，在起動(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)是空載起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)為200A；0.5s時(shí)加載792T*m，電流上升到400A，加載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩