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基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 摘要 感应电机直接转矩控制技术是近年来发展迅速的一种高性能的交流调 速传动控制技术，与矢量控制相比具有计算简单、对电动机参数依赖性小、 动静态性能优良等特点。 本文首先分析了三相感应电动机在不同坐标系下的数学模型，并建立 了电动机在这些坐标系下的仿真模型，为控制算法的仿真研究打下基础。 接着从异步电机数学模型和逆变器工作原理出发，论述了空间电压矢量与 电磁转矩、定子磁链之间的关系，给出了直接转矩控制系统的基本结构， 介绍了感应电机直接转矩控制的基本原理。然后，通过m a t l a b s i m u l i n k 对 传统的直接转矩控制系统进行仿真，指出了其系统转矩脉动较大、低速性 能较差等不足之处，并进行了理论分析和改进探讨。 模糊控制具有较强的鲁棒性，是改进传统的直接转矩控制系统较好的 手段。本文介绍了感应电机的通过模糊处理来实现对逆变器开关状态的选 择，从而实现了对电机的直接转矩控制，通过仿真表明它能显著地提高系 统的动态响应速度，并能减小电动机的转矩脉动。 无速度传感器转速估算是现代交流传动研究中的一个重要方向，本文 探讨了几种主要的转速估计方法，着重分析了基于模型参考自适应的速度 辩识算法，并通过仿真研究验证了该方法的可行性。 最后，文中初步给出了采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，从硬件和软件两 方面实现感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计。 关键词：直接转矩控制模糊控制空间矢量s i m u l i n k 仿真 无速度传感器数字信号处理器 i f u z z yc o n t r o l l e rf o rdir e c tt o r q u ec o n t r o lo f in d u c tio n m a c hin e s b a s e do nd s p a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i s d e v e l o p i n gr a p i d l yi n r e c e n t y e a r s ，i ti s ah i g h - p e r f o r m a n c ea cs p e e dd r i v ec o n t r o l t e c h n o l o g y , c o m p a r e dw i t ht h ev e c t o rc o n t r o l ，d t ch a sr o b u s tp e r f o r m a n c e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，a n dl e s sd e p e n d e n to nm o t o rp a r a m e t e r s t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e p h a s ei n d u c t i o n m o t o ra td i f f e r e n tc o o r d i n a t e s ，e s t a b l i s hi t ss i m u l a t i o nm o d e l si n d i i f f e r e n t c o o r d i n a t e s y s t e m t h e ni n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fd t ca n dg i v e st h e b a s i cs t r u c t u r eo fd t c ，c a r r i e d o nt h es i m u l a t i o nw i t hm a t l a b s i i i 【u l i n k s o f t w a r e p o i n t e do u tt h a tt h ec o n v e n t i o n a ld t ch a sah i g h e rt o r q u er i p p l ea n d p o o rp e r f o r m a n c ei nl o ws p e e d ，t h e nc a r r i e do u tt h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d f u z z y c o n t r o lh a s s t r o n gr o b u s t n e s s ，i sag o o dw a yt oi m p r o v et h e c o n v e n t i o n a ld t co fb e a e rm e a n s b y f u z z yp r o c e s s i n gt oa c h i e v et h ec h o i c eo f i n v e r t e rs w i t c hs t a t et or e a l i z et h em o t o rt o r q u ec o n t r o l ，s i m u l a t i o ns h o w s t h a ti t c a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e d ，a n dc a nr e d u c et h em o t o r t o r q u er i p p l e s e n s o r l e s s s p e e de s t i m a t i o no fa cd r i v ei sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no f i i $ c h ，t h i s 一一d i s c u s s e , 。 oo rp e e d l a t i o n ，lyzedresearch 1h i sp a p e rd i s c u s s e ss e v e r a lm ao rs p e e de s t i m a t i o nm e t h o da n a l v z e d ， b a s e do nt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es p e e de s t i m a t i o n ，a n ds i m u l a t i o ns t u d i e s t od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d f i n a l l y ，t h ep a p e rp r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o p o s a ld e s i g no f i n d u c t i o nm o t o r s p e e ds e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ed s p k e yw o r d s ：d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ， f u z z yc o n t r o l ， s p a c ev o l t a g e v e c t o r ,s p e e ds e n s o r l e s s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 】：】 第1 章绪论1 1 1 近代交流调速的发展概况l 1 2 直接转矩控制的产生、发展和现状1 1 3 课题的研究状况与意义2 1 3 1 课题的研究意义2 1 3 2 课题的研究状况2 第2 章三相感应电动机的数学模型及其s i m u l i n k 仿真4 2 1 三相感应电动机的数学模型4 2 1 1 电压方程：5 2 1 2 磁链方程5 2 1 3 转矩方程j 5 2 1 4 电气传动系统的运动方程6 2 2 坐标变换及其s i m u l i n k 仿真6 2 2 1 静止坐标三相一两相变换6 2 2 2 两相静止坐标一两相旋转坐标变换7 2 2 3 坐标变换的s i m u l i n k 仿真7 2 3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型及其s i m u l i n k 仿真8 2 3 1 异步电动机在两相旋转坐标系( d q 坐标系) 上的数学模型8 2 3 2 异步电动机在两相静止q9 坐标系上的数学模型及其s i m u l i n k 仿真9 2 3 3 异步电机在两相同步旋转坐标上的数学模型及仿真1 2 2 3 4s i m u li n k 的p o w e rs y s t e m 模块提供的三相异步电动机模型及其仿真1 5 2 4 本章小结1 7 第3 章传统直接转矩控制的原理与s i m u l i n k 仿真1 8 3 1 传统直接转矩控制的基本原理1 8 3 1 1 三相感应电动机的空间矢量数学模型1 8 i v 3 1 2 电压空间矢量p 贼逆变器( s v p w m ) 1 9 3 1 3 磁链控制2 1 3 1 4 转矩控制2 3 3 2 传统直接转矩控制的算法2 5 3 2 1 逆变器开关表的制定2 5 3 2 2 异步电动机定子磁链、转矩、转速的估算2 7 3 3 传统直接转矩控制的仿真2 8 3 3 1 传统直接转矩控制算法s i m u l i n k 仿真的框图2 8 3 3 2 传统直接转矩控制算法的仿真结果2 9 3 4 传统直接转矩控制存在的问题及解决思路3 1 3 4 1 传统的直接转矩控制系统存在的问题3 1 3 4 2 改进方案概述3 2 3 5 本章小结3 3 第4 章基于模糊控制的直接转矩控制系统的算法与仿真3 4 4 1 模糊控制系统组成与设计概述3 4 4 1 1 模糊逻辑控制系统的结构与组成3 4 4 1 2 模糊控制器设计的主要流程3 5 4 2 模糊直接转矩控制系统算法原理3 6 4 2 1 模糊子集的选取3 7 4 2 2 模糊控制规则的建立3 8 4 2 3 模糊推理及模糊决策3 8 4 3 模糊直接转矩控制的算法的仿真3 9 4 3 1 模糊直接转矩控制的算法s i m u l i n k 仿真的框图3 9 4 3 2 模糊直接转矩控制算法的仿真结果4 0 4 4 本章小结4 1 第5 章无速度传感器控制系统的算法及仿真研究4 2 5 1 无速度传感器技术的速度估算方法4 2 5 2 无速度传感器技术速度估算的仿真4 7 5 3 本章小结4 8 第6 章基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的直接转矩控制器的设计5 0 v 6 1 数字信号处理器( d s p ) 的特点、发展与选型5 0 6 2 硬件系统的设计重点5 1 6 3 系统的软件设计重点5 5 6 4 电路和软件的调试5 7 6 5 本章小结5 7 第7 章总结和展望5 8 参考文献6 0 致谢凡6 3 攻读学位期间发表的学术论文6 4 v i 广西大掌硕士掌位论文基于i ) s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 第1 章绪论 交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、成本低廉等许多优点，缺点是调速 困难。目前它在全部运行电机总数中约占8 0 ，人们长期致力于高性能笼型感应电机传 动系统的研究，由于受相关技术条件的限制而进展缓慢。自二十世纪八十年代后，由于 微处理器技术发展、电力半导体制造技术的进步，使交流传动系统有了飞速的发展，电 气传动发生了重大的变革。 1 1 近代交流调速的发展概况 7 0 年代初，德国学者提出了矢量控制原理，它采用参数重构和状态重构的现代控制 理论来解耦交流电机，进行矢量变换，模仿直流电机的调速原理，使交流调速系统的静、 动态性能达到直流调速的水平。 8 0 年代中期德国学者提出的对交流电机的转矩直接进行控制，这是理论上的又一新 突破。它避免了矢量控制中繁杂的坐标变换，利用电压型逆变器的工作过程，调整定子 磁链与转子磁链的夹角，控制定子磁链的走走停停，从而对电动机转矩进行直接控制n 1 。 现代微处理器、数字信号信息处理器d s p 在控制系统中得到广泛的应用，实现了交 流调速系统从模拟控制到数字控制的转化。数字化可以实现更多复杂的控制，从而提高 了交流调速系统的操作、设置的多样性、灵活性和可靠性，极大提高了变频调速装置的 性能雎3 。 1 2 直接转矩控制的产生、发展和现状 从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统 在静、动态性能上不能与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制， 以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解 耦。然而，由于实际上由于转子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大， 以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难 l 广西大学硕士掌位论文 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 于达到理论分析的结果口m 1 。 直接转矩控制技术( 简称d 个c ) 是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术i ， 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次提出了直接转矩控制的理 论。它摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了p w m 脉宽调制器和电流反馈环节， 通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器， 直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。d t c 技术与传统的矢量控制相比，它的系统结 构简单，算法简单，并具有良好的控制性能怕3 。 1 3 课题的研究状况与意义 1 3 1 课题的研究意义 我国在高性能交流调速传动方面起步较晚，在理论研究与产业化上与国外相比相差 较远，随着对交流调速和变频节能认识的不断加深，国内对变频调速装置的需求量越来 越大，同时对性能的要求也越来越高。因此，研究开发高性能的交流变频装置并使其产 业化，对于我国发展经济具有重要意义。 1 3 。2 课题的研究状况 直接转矩控制技术虽然具有前面所述的诸多优点，但是直接转矩控制经典模型的固 有缺陷，一直阻碍着d t c 系统的进一步发展。主要问题是：低速时定子磁链观测不准； 转矩脉动比较严重；由于直接转矩系统的动态响应速度非常快，矢量控制中的无速度传 感器方案直接应用于d t c 系统会使性能有所下降。这说明直接转矩控制技术在理论上还 有待完善，关于d t c 系统低速时定子磁链的观测、转子转速的辨识是目前研究的热点】。 1 3 3 论文所做的工作 课题设计目标是研究异步电机的直接转矩控制原理及控制策略，设计出基于d s p 控 制方案的直接转矩模糊控制系统，具体包括以下几个方面： ( 1 ) 分析异步电动机的数学模型，并用m a t l a b s i m u li n k 仿真软件进行建模仿真； ( 2 ) 介绍直接转矩控制的基本原理，写出开关矢量表并给出系统的实现方案； ( 3 ) 针对一些情况下直接转矩控制技术存在的缺陷，提出了结合模糊控制器来解决 2 西大学硕士掌位论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 一_ 系统的非线性因素对直接转矩控制器的控制性能影响较大的问题。结合模糊控制的理论 方法在感应电机系统直接转矩控制中的应用作了分析； r ( 4 ) 在直接转矩控制系统中进行无速度传感器技术的研究，寻求适合于d t c 系统的 速度估计方法； ( 5 ) 运用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对整个系统进行仿真，以分析整个方案的可行 性： ( 6 ) 给出基于d s p 的变频调速系统的设计的重点问题： ( 7 ) 对全文进行总结。 3 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 7 第2 章三相感应电动机的数学模型及其s im u1 n k 仿真 数学模型的建立是确立控制方案的理论依据，同时也是分析和解决问题的必要基 础。 三相感应电动机是一个高阶、多变量、强藕合的非线性系统，建立一个适当的电动 机数学模型是研究交流调速系统的理论依据，也为控制算法的研究打下基础。本章将在 对感应电动机的数学模型进行阐述的基础上，用m a t l a b s m u l i n k 建立三相感应电动机 在不同坐标系下的仿真模型。 2 1 三相感应电动机的数学模型 三相感应电动机的物理模型n 1 如图2 一l 所示，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是 固定的，以定子a 轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴与定 子a 轴间的电角度e 为空间角位移变量，并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合 电动机惯例和右手螺旋定则。 图2 - 1三相感应电动机的物理模型 感应电动机数学模型在满足假设条件d 卅下的数学模型由下述电压方程、磁链方程、 转矩方程和运动方程组成。下列方程中，假设转子绕组的各个参数已经折算到定子侧， 通常折算后的转子各参数用上标们 表示，为了简单起见，以下公式中表示折算的上 角标“”均省略。 4 2 1 1 电压方程 7 - 三相定子绕组的电压平衡方程为射： 疋+ 誓 r + 警 毛疋+ 誓 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 与此对应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为口： = 屯碍+ 誓 = 挑+ 警 = 挑+ 等 式中， l 一 妒a ， 足， ，材c ，甜口，甜。一定子和转子相电压的瞬时值； i 。，0 ，i 。，i ，一定子和转子相电流的瞬时值；o b ，l c ，l 口，1 6 ，l c 一疋亍利转亍相电侃削瞬明但； ，虬，虬一各相绕组的全磁链 耳一定子和转子绕组电阻 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 2 1 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，六个绕组的 磁链可表述为m 1 ： ( 2 3 ) 2 1 3 。转矩方程 根据机电能量转换原理，可求出电磁转矩t 。的表达式为呻1 ： t = 一扣掣i 倍4 ， 5 纵 咖 比 0k。屯屹t =oiioiiijjji且 跏伽励缸如伽励励励砌如跏励励知知如 彬伽矽缸如励 助励励伽伽励助砌励助础鼬儿虬 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 其中t 的正方向是使。减小的方向。将电感矩阵函数展开，得 ，。 - ，：一 互= p 。厶【( 屯+ i a + i c i j s i n o + ( 屯+ i s i 。+ i c i ) s i n ( o + 1 2 0 0 ) + ( t + f b 屯+ i d 6 ) s i n ( o 一1 2 0 0 ) 】 ( 2 5 ) 2 1 4 电气传动系统的运动方程 忽略电气传动系统传动机构中的粘性摩擦和传动轴的扭转弹性，系统的运动方程式 为铷： 正哪丢警 协6 ， 2 2 坐标变换及其s i m l l ii n k 仿真 上述数学模型方程式表明，异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的 多变量系统，分析和求解十分困难，在实际应用中，必须设法予以简化。从异步电动机 数学模型的分析过程中可以看出，其所以复杂，关键在于6 6 的电感矩阵。因此，要 简化数学模型，须从简化磁链关系入手口1 。 如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模型，分析和控制 将简化。 在交流电动机三相对称的静止绕组中，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成 磁动势是旋转磁动势，它在空间呈正弦分布，以同步角速度戗顺着a 、b 、c 的相序旋转。 然而，产生旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，两相、三相、四相等 任意对称的多相绕组，通人平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势。这以两相最为简单， 两相静止绕组在空间互差9 0 0 ，通入时间上互差9 0 0 的两相平衡交流电流，也能产生旋转 磁动势。当两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为两相绕组与三相绕组等效。通 过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电动机模型。 2 2 1 静止坐标三相一两相变换 从三相静止绕组a 、b 、c 和两相静止绕组口、之间的变换，称为c l a r k e 变换， 简称3 s 2 s 变换。 6 广西大掌硕士学位论文 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 从两相静止坐标系口、到两相旋转坐标系膨，的变换称两相一两相旋转变换，称 为p a r k 变换，简称2 s 2 r 变换，变换矩阵为口1 ： = l i e o s m s8 9csi。oso秒t。嵇,o c2 9 ， 逆变换矩阵为： c 咖o s 8 - - s i 叫no 。i i 翻m 2 2 3 坐标变换的s i m u i in k 仿真 三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变换及其反变换已经建立在p o w e r s y s t e m 模型库中，名为d q o a b ct r a n s f o r m a t i o n 。 三相电压3 s 2 s 和3 s 2 r 变换的仿真模型如图2 2 所示。图中有两个a b c - t o d q o 模块，一个用于3 s 2 s 变换，另一个用于3 s 2 r 变换。用于3 s 2 s 变换时，设置常数模 块值为零，即( p = c a t = 0 ，即d - q 坐标系的d 轴与静止坐标系a 轴重合，d - q 坐标系不旋 转，这时d - q 坐标系已成为静止的筇坐标系，a b e - t o - d q o 模块实现的是3 s 2 s 变换。 用于3 s 2 r 变换时，设置常数模块值为3 1 4 ，即c o t = 2 矿= 2 z x 5 0 ，仿真结果如图2 - 3 所示。 7 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的感应电机l 接转矩模糊控制的研究 3 s 趁s 3 s ，2 r 图2 - 2 三相电压的坐标变换仿真模型 图2 3 a图2 - 3 b图2 - 3 c 其中图2 - 3 a 为变换前的三相电压，图2 - 3 b 为经3 s 2 s 变换后静止二相坐标系上的 电压波形，这二相电压互差9 0 0 ，图2 - 3 c 为经3 s 2 r 变换后旋转二相坐标系上的电压波 形，由于所选角频率与电源角频率同步，所以在二相同步旋转坐标系上的电压已经是直 流电压。 2 3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型及其s i m u l i n k 仿真 2 3 1 异步电动机在两相旋转坐标系( d q 坐标系) 上的数学模型 两相坐标系可以是静止的，也可以是旋转的，设两相坐标d 轴与三相坐标彳轴的夹 角为秒，而p 矽2 q 。为反g 坐标相对于定子的角转速，q ：为钛口坐标相对于转子的角 转速。 以下各式中，定子各量均用下角标1 表示，转子各量均用2 表示。 变换得到的数学模型如下嘲： 8 广西大学墉页士g 啦论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊扫糯l 的研究 ( 1 ) 电压方程 u d l u 口1 u d 2 u q 2 ( 2 ) 磁链方程 一q l 厶厶p b - i - 厶p劬l 厶 一q 2 厶耳+ p l m p0 9 l 2 l r l s 0 l m 0 厶0 k 0 0 厶0 或写成 d l = 三。l - i - 厶屯2 y g l = t l + 三。2 y d 2 = 三朋i d l + l ，i a 2 5 f ，q 2 = l 朋l + 上，2 ( 3 ) 转矩和运动方程 c 卜= 瓦+ 吉警 式中 功电机转子的角速度，国= q l q 2 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 2 3 2 异步电动机在两相静止q1 3 坐标系上的数学模型及其s i m u li n k 仿真 静止坐标系口、上的数学模型是任意旋转坐标系从口上数学模型的一个特例， 只要在旋转坐标模型中令q 。= 0 即可。q ：= - - c o ，即电机角速度的负值，下角标中的文 口改变成口、。根据感应电机在两相静止筇坐标系下的数学模型方程，得到感应电 机在两相静止筇坐标系下的仿真模型。 1 三相异步电动机在两相静止筇坐标系下的数学模型与仿真建模嘲 ( 1 ) 电压方程与定子、转子仿真模型：在筇坐标系下，电机的电压方程为 u a l2 t i t ! a l + p 一 ( 2 1 4 ) “芦l2 1 1 ，l + p 少，1 9 b”_00 。l1i，li，=1 厶p 印 幼k 肋十 一 一墨 矽t t p kq 厶铣矿脚厶刚 = l l 2 2 0000 。l1j o k o ! 查兰竺查兰竺论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 二：= ：二：= ：= ：二：二= u a 22 r 2 l 口2 + p 24 - 2 q 、 一坳：= 绉2 + p 2 + 2 q - ， ( 2 一1 5 ) 得定子模型和转子模型如下： + - 图2 - 4 定子仿真模型 图2 - 5 转子仿真模型 ( 2 ) 磁链方程与仿真模型：在筇坐标系下，电机的磁链方程为 虼l = 丘乞1 + 厶乞2 v 融= l s i 乱+ l m ib 2 2=三，2+厶乞l(2-16) v 8 2 = l r i 8 2 七l m i 甑 得磁链模型如下： 图2 - 6 磁链仿真模型 ( 3 ) 转矩方程与仿真模型：在筇坐标系下，电机的转矩方程为 1 0 广西大掌硕士掌位论文 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控，触的研究 乏= ”p 厶“。乞：一：屯) 乙= 瓦+ 百j 百d o ) n p m 得转矩模型如下 i m l p h , z 2 p r o d u o f l ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 图2 - 7 转矩仿真模型 ( 4 ) 各模块的连接与封装 将上述各模块按照数学模型的要求进行正确连接，即可以得到在筇坐标系下三相 异步电机的合成模型，如图2 - 7 所示，经封装后如图2 9 所示： 图2 - 8 各模块的连接 拿- _ - 图2 - 9 三相异步电动机仿真模型的封装 l l 广西大掌硕士掌位截戈 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 2 三相异步电动机在两相静止筇坐标系下的起动仿真 ( 1 ) 仿真运行模型 ( 1 吲 石蒜，卜 u u 蛔 晤 u hr l 幽 u i i - - i l w a v e l 帕i il 1 耐 u c u b g z r w “砬加c - - i p h | b t | 身嘲” t o r e 广 - _ t ) q m 吐p 1 8 8 4 i j r is o o p u 1 c o n s t a n t 一 一u 棚 0 j ( 2 ) 仿真结果 图2 1 0 三相异步电动机的起动仿真 图2 - i1 转速、转矩和定子电流的起动变化过程 由转速、电磁转矩和定子电流的波形可知，它符合异步电动机实际起动过程中的变 化规律，说明该电机仿真模型正确。 2 3 3 异步电机在两相同步旋转坐标上的数学模型及仿真 在同步旋转坐标系数学模型也是任意旋转坐标系反口上数学模型的一个特例，其 坐标轴仍用文口表示，只是旋转速度等于定子频率的同步角速度q 。而转予的转速为缈， 1 2 广西大学硕士学位论文 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 反口轴相对转子的角转速q ：= q 一彩= q ，即转差。电压方程变成嘲： z l d i 甜叮1 u d 2 “9 2 r ，+ 三，p 缈l t 工。p 彩。三脚 一缈l 三j r s + l s p 一国。三肼 三。p l m p 勿l 三m r ，+ ，p s l r 白l l q l l d 2 l q 2 ( 2 1 9 ) 磁链方程、转矩方程及运动方程不变。 这种坐标系的突出优点是，当彳、曰、f 坐标系中的变量为正弦函数时，文口坐标 系中的变量是直流。 同理，根据感应电机在两相旋转坐标系下的数学模型方程，得到感应电机在两相旋 转坐标系下的仿真模型。 1 三相异步电动机在两相旋转坐标系下的建模1 图2 - 1 2 定子模型图2 - 1 3 转子模型 丌iojjoo业 舸 乍 川 三 p 上吼咖鸭咖 一 图2 - 1 4 磁链模型 图2 1 6 各模块的连接图 2 三相异步电动机在两相旋转坐标系下的起动仿真 ( 1 ) 仿真运行模型 1 4 图2 - 1 5 转矩模型 u q r h 廿 t l h 岫 脚 图2 - 1 7 封闭图 律。 图2 18 三相异步电动机在两相旋转坐标系下的起动仿真模型 ( 2 ) 仿真结果 图2 1 9 电磁转矩、转速和定子电流的起动变化过程 可见，电磁转矩、转速和定子电流的波形符合异步电动机实际起动过程中的变化规 2 3 4sim ul in k 的p o w e rs y s t e m 模块提供的三相异步电动机模型及其仿真 1 p o w e rs y s t e m 模块提供的三相异步电动机模型 在p o w e rs y s t e m 模块中提供了一些交流电机的模型，其图标和参数设置对话框如 下图所示： 1 5 枣 图2 2 0 三相电动机图标 图2 2 1 电动机的参数设置图 2 使用p o w e rs y s t e m 模块提供的三相异步电动机模型的起动仿真 ( 1 ) 仿真运行模型 圈 p 晰嗍_ 丑 e 薹辜西。 亡善一二 m a o h i n e s m i a s u r e m a h t d e m u x l i r _ a b o p 憎r _ q d i sa b o十 p i _ s _ q d r e 一g a 1 n 图2 2 2 使用p o w e rs y s t e m 元件库提供电机模型的起动仿真 ( 2 ) 仿真结果 图2 - 2 3 转速、转矩和定子电流的起动变化过程 同样的，转速、电磁转矩和定子电流的波形符合异步电动机实际起动过程中的变化 1 6 广西大掌硕士学位论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 规律。 2 4 本章小结 本章首先对三相感应电动机在不同的坐标系中的数学模型进行了较为详尽的分析， 通过感应电机在三相坐标系下的数学模型的描述，表明了感应电机的非线性、强耦合、 时变的特性。 利用坐标变换，研究一般化电机模型，将感应电机在静止三相坐标系下的数学模型 变换到在两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，建立起三相感应电动机在不 同坐标系下的仿真模型，并对建立的仿真模型进行了检验，仿真结果的一致性证实了电 机仿真模型的正确性，为后面算法的研究打下了良好的基础。 建立电机的仿真模型，可以直接利用p o w e rs y s t e m 元件库提供的现成模块，也可 以自己根据电机的数学模型方程建模，使用现成模块方便，而自己构建模块则可以根据 电机的具体情况具体处理。 1 7 广西大掌硕士学位论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 第3 章传统直接转矩控制的原理与s im ui n k 仿真 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相感应电机的数学模型及其控制的物 理量，它直接在定子坐标系下计算感应电机的转矩和磁链，借助于滞环控制器 ( b a n g - b a n g 控制) 产生p w m 信号，通过开关表，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 获得转矩的高动态性能。传统的直接转矩控制算法通常有两种，一种是直接自控制 ( d i r c c ts e l fc o n t r o l ，d s c ) 算法，1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首次提出。 该算法在控制过程中所形成的磁链是六边形的，它的特点是功率器件的开关频率低，信 号处理过程简单，但同时它电流脉动相对较大，d s c 算法的适用范围是大功率电机，低 开关频率的场合。另外一种滞环型直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 算法由 日本的i t a k a h a s h i 和n o g u c h i 教授于1 9 8 5 年提出，与在d s c 中得到的六边形磁链轨 迹不同，d t c 所得到的磁链轨迹为圆形，因此，与d s c 算法相比，它功率器件的开关频 率更高，转矩脉动更小，电流谐波成分更少，主要适用于中、小功率的电机，开关频率 较高的场合。 3 1传统直接转矩控制的基本原理 3 1 1三相感应电动机的空间矢量数学模型 t凡 图3 - i 异步电动机空间矢量等效电路图 上图是异步电机的空间矢量等效电路图，得异步电机在定子筇坐标系下的方程嘲： u s = 疋+ 疵 ( 3 1 ) 1 8 广西j 罐缬士掌位论文基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 02 r ，i r 一沙，+ j 国y ， 虬2 l 屯 vr2 l f ，s l 寸i r ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 式中u s ( f ) 为定子电压空间矢量，( f ) 为定子电流空间矢量，( r ) 为转子电流空间矢 量，虬( ，) 为定子磁链空间矢量，缈为电角速度。 定子旋转磁场输出功率为： p = c o s t d = 吾咫 虮謇 = 三( 沙。口如- i - 沙妒。) ( 3 5 ) 。表示定子旋转磁场的频率。 转矩表达式为： 乃= 二( 。f 。一。f 。) ( 3 一6 ) 1d2i w s s 8 一l ；，s 8 l s 岱) 内) 也可以表示成： t d2 - 专拟帅硼 协7 ， 口为磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。 可见，定子磁链的幅值由定子电压积分来计算，而转子磁链幅值由负载决定的，用 转子电流计算，而稳态转矩则可通过计算磁通角来求得。 3 1 2 电压空间矢量p w m 逆变器( s v p w m ) 正弦脉宽调制( s p w m ) 控制着眼于使变频器的输出电压尽量接近正弦波，而不考虑 输出电流的波形，更不考虑电动机中产生的旋转磁场如何。交流电动机输入三相正弦波 的最终目的是在电动机气隙形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准 这一目标，把逆变器和交流电动机视为一个整体，按照跟踪圆形旋转磁场的方法来控制 逆变器的工作，交替使不同的电压空间矢量得到圆形磁链轨迹，就称为“电压空间矢量 ( s v p w m ) 控制” 1 0 。 1 9 基于d s p 的感应电机直接转矩模糊控制的研究 惩土 a 图3 - 2 电压型逆变器的结构 逆变器是直接转矩伺服驱动器中的重要部分，电压型逆变器如图3 - 2 ，每个橇臂各 有上、下两个开关管( & 、s b 、& 、品、& 、& ) ，在同一时刻总有一个开关管断开， 另一个闭合。图中疋与& ，咒与魏，与疋均互为反向，一个导通时另一个断开。 逆变器总共有8 种开关状态，如表3 - 1 ： 表3 - i 逆变器8 种开关状态 开关状态 o l 2 3 4 56 7 s 口 ololol o 1 s 6 o011001l s c oo0o111l 从表3 1 可以看出，开关状态0 、7 属于同一状态，相当于把电机a 、b 、c 三相同 时接到同一电位上，这两种状态称为零状态；状态1 6 则称为工作状态。当电压型逆 变器在没有零电平输出时它的六种工作状态的电压波形、电压幅度和开关状态的对应关 系如图3 3 ，