（电力系统及其自动化专业论文）异步电动机直接转矩控制计算机仿真.pdf

a b s t r a c t t h i st h e s i sm a k e sas y s t e m a t i c ，t h o r o u g hs t u d yo nd i r e c tt o r q u e c o n t r o lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r f u z z yc o n t r o lp i dc o n t r o l l e ra n d a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt o t h en o r m a lp i dc o n t r o l l e r s - 12 0 。v o l t a g ev e c t o rc a na c c e l e r a t et h er e d u c t i o no ft o r q u ea n dc a n e x p a n dt h em a g n e t i cl i n k a g e t h ea v e r a g ef r e q u e n c yo ft h e s t a t o r m a g n e t i cl i n k a g ec a nb ev a r i a b l ew h e nd i f f e r e n tv o l t a g ev e c t o r sa r eu s e d t o g e t h e r s i m u l a t i o no fd t cb a s e do na s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e lo f m a t l a b6 5i sb u i l tu pw i t hr o u n dm a g n e t i cl i n k a g ea tl o ws p e e da n d w i t hh e x a g o nm a g n e t i cl i n k a g ea th i 曲s p e e d t h e - 7m o d e lf o rl o w a n d h i 曲s p e e di sa p p l i e di ns t a t o rm a g n e t i cl i n k a g em o d e l i n v e r t e rm o d e li s a ni d e a l s w i t c hm o d e l t h ea s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e lo fm a t l a b 6 5 i sa p p l i e di nt h i st h e s i s a n ds o m es p e c i a lm o d e l sa r ep r o g r a m m e db y s f u n c t i o n t h ev a l i d i t ya n d f a c i l i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e li st e s t e d k e y w o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ：p i d ；m a t l a b ；s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成窝港硕士学位论文“叠茎皇塑垫鱼堡童丝鱼塑室垫鱼鱼：。 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：筱也功i z 蛑7 月户f i 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 1 绪论 1 1 概述 随着现代交流电机控制理论、计算机技术的飞速发展以及大功率电力电子器 件的成功应用( 己达到4 5 0 0 v 1 5 0 0 ap g _ l z ) t 引。自上世纪7 0 年代以来，采用异步牵 引电动机驱动的大功率交流传动系统在电力机车、电动车组、城市轻轨车辆、地 铁车辆上得到了迅猛应用。如今欧洲、北美以及日本等发达国家和地区的电力机 车、电动车组、城市轻轨车辆、地铁车辆均采用交流传动技术。自从2 0 世纪9 0 年代中期我国研制成功第一台干线交流传动电力机车( a c 4 0 0 0 ) 以来，交流传动 技术在我国铁路运输方面得到了迅速发展。例如已投入运营或试运营的1 6 0 k m h “中原之星”动力分散型电动车组，2 0 0 k m h “先锋号”动力分散型电动车组， 2 0 0 k m h “奥星”动力集中型电动车组以及正在试验中的时速2 7 0 k n 仇“中华之星y 动力集中型电动车组均采用牵引逆变器和异步牵引电机组成的交流传动系统。近 几年，上海、广州、北京、南京等城市正在迅速发展的城市轨道交通所采用的新 型车辆的牵引系统全部采用变压变频的逆变器一异步牵引电机的交流传动系统。 自从2 0 世纪7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术从理论上解决了 交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。但是由于实际应用中 矢量控制技术需要的转子磁链难以准确观测，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所用矢量变换的复杂性，使得实际的控制效果难 以达到理论分析的结果。 1 9 8 5 年德国m 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【5 j 。它在很大 程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响，实际 性能难以达到理论分析结果的一些不足，并取得了令人振奋的效果。 直接转矩控制技术具有控制思想新颖，系统结构明了简洁，动、静态性能优 良的特点，因此得到了迅速的发展应用。直接转矩控制目前已成为各种交流调速 方法中研究最多，应用前景最广的交流调速方法【8 j 。欧洲、美国以及日本等发达 国家和地区都在积极的发展该项新技术，并得到了广泛应用，该技术在德国等国 家已成功的应用于电力机车等的大功率交流传动系统中【6 j 。我国许多高校、科研 院所以及一些企业单位也对其进行了一定的研究应用，目前正在试制中的交流传 动国产化地铁车辆牵引系统即采用直接转矩控制技术。我国在直接转矩控制技术 的研究应用方面与发达国家尚有一定的差距。我们需要加快缩小差距，争取直接 转矩控制技术实现更广泛的应用。 将计算机仿真技术应用于机车车辆的研究设计中，可以在实际系统付诸实施 以前，对系统的结构、稳定性、响应以及系统参数对系统稳定性及性能的影响等 多方面进行研究。在实际系统的设计过程中，也可参考计算机仿真的结果，提高 系统设计和试验的成功率，避免设计上的盲目性，节约设计制造成本，缩短研究 开发周期。对于较复杂的系统显得更为重要。 本论文采用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 5 0 仿真软件对异步交流电机直接转矩控制 建立了仿真模型，并给出了仿真结果。 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 1 2 电力牵引交流传动系统 随着电力电子学和微电子技术的不断发展，自上世纪7 0 年代采用异步交流传 动系统的d e - 2 5 0 0 内燃机车在莱茵河畔成功应用以来，大功率交流传动电力( 内 燃) 机车及电动车组取得了一系列的成功应用，交流传动牵引领域成为推动当代 高新技术发展的新舞台。 对交流传动技术的发展起关键作用的半导体装置是随着电力电子器件的不断 发展而不断发展，另外电力电子变流器和交流传动从小功率到大功率、从实验室 到产品化的过程中，以下四种技术起着关键作用：1 9 6 4 年的分谐波控制的逆变器 ( 即脉宽调制逆变器) 、1 9 7 3 年提出的在斩波整流理论的基础上研制的所谓四象限 脉冲整流器、1 9 7 1 年提出的磁场定向控制和1 9 8 5 年提出的直接转矩控制方法。 1 2 1三相交流传动电力机车的使用价值和经济效益。 1 2 1 1 优异的运行性能 电力机车的运输能力主要取决于它能够产生的启动牵引力、持续功率和最高 速度下的剩余加速力。由于采用异步牵引电动机，一台2 2 2 4 t 的电动机可提供 的最大持续功率超过1 7 0 0 k w 。迄今生产的4 轴交流传动电力机车的持续功率，不 少都在5 4 0 0 k w ，远大子任何一类的传统机车。交流传动电力机车在额定速度下仍 能保持一定的剩余加速力，保证列车在坡道上也能以所希望的速度稳定运行。另 外，这种机车能够在整个恒功率区内保持这个持续功率不变。 交流传动电力机车可以通过改变异步电动机转差的符号，方便的从电动机工 况转换到发电机工况，实现再生制动。这不仅节约了能源，又改善了制动性能。 甚至在接近于零的低速度下也能够发出足够的制动力，使机车制停。 在轴重一定的条件下，轮轨间的最大粘着力由轮轨间粘着系数的大小决定。 试验和运行结果表明，交流传动电力机车经优化控制之后，在干燥轨面上的粘着 系数大于0 4 。 1 2 1 2 显著的节能效果 使用三相交流传动电力机车，可以明显的降低电能的损耗。测试表明，牵引 相同吨位的列车，使用交流传动电力机车时接触网的电流要比使用传统电力机车 时低2 0 左右，地区供电网中的电流也相应减少，并使损耗减少5 ，或者节省牵 引变电所的装备容量投资。 交流传动电力机车可方便的实现再生制动。从运行结果来看，再生制动可反 馈1 0 左右的能量。在峰谷交错的区段，反馈能量几乎达到4 0 。与牵引工况一 样，再生制动时的功率因数也接近于l 。 1 2 1 3 解决了对信号和通信设备的干扰 大功率可控变流装置在调节过程中将产生不同频率的高次谐波，从而对毗邻 接触网的信号和通信系统造成干扰。现代交流传动电力机车，几乎全部采用脉冲 整流器作为输入端变流装置，这不仅改善了接触网的功率因数，而且也保证了流 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 过接触网的电流波形不会发生明显的畸变，消除了信号和通信系统的干扰源。德 国铁路使用b r l 2 0 电力机车时，接触网上测得的1 0 0 h z 的音频电流分量几乎为零， 等效干扰电流不大于1 5 a 。 1 2 1 4 减少磨耗，降低运营成本 由于采用异步牵引电动机，没有电刷和换相器也就不需要更换电刷和修整换 相器表面这一类工作。 由于异步电动机重量减轻，转向架簧下重量大大减小，降低了轮缘和轨面磨 耗根据德国鲁尔矿区的统计，使用e 1 2 0 0 9 交流传动工矿电力机车的轮缘磨耗为 0 4 5 m m 万k m ，而e a l0 0 0 相控机车则为0 5 4 5 m m 万k m 。比较每吨公里的磨耗 量，e 1 2 0 0 仅为e a l 0 0 0 的5 4 。 1 2 1 5 良好的可靠性与维修性 由于减少易耗件的种类和数量，以及广泛采用模块结构和诊断装置，提高了 无故障运行的公里数。而且缩短了检修时间，减少了维修费用。经验表明，在相 同的运用条件下，交流传动电力机车的维修费用仅为相控电力机车的1 3 ，每年的 运营费用仅为相控电力机车的的7 0 左右。此外，降低故障率的另一直接效果是， 使交流传动电力机车每月的可使用时间较其他机车增加2 天，并因之减少机务段 的备用机车数量。 交流传动技术正在极大的推动着铁路运输及城市轨道交通的发展。 1 3 异步电动机直接转矩控制系统 在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其他控制 思想的研究。1 9 8 5 年，德国学者m d e p e n b r o c k 首次提出了直接转矩控制的理论， 随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效 果。 和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和 转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 与经典矢量控制相比，直接转矩控制有以下几个主要特点： 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁 链和转矩。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效和转化；既不需要模仿 直流电机的控制，也不需要为解耦而简化交流电机的数学模型。它省掉了矢量旋 转变换的复杂的变化与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的 控制信号使观察者对于交流电机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观 测出来。而磁场定向矢量控制所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机转 子电阻的电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数 变化影响的问题。 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制其 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 各物理量，使问题变得简单明了。与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控 制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。 因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链完全理想圆形轨迹。 相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离 散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调 节器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差 范围内，容差的大小，由滞环调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动机 的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又简化。 对转矩的这种直接转矩控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的 思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制，但以转矩为中心来 进行综合控制。 综上所述，直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下 计算与控制交流电机的转矩，借助于双位模拟调节器产生p w m 信号，直接对逆 变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量 变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明 确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。 1 4 交流调速系统中的智能控制技术 进入2 0 世纪9 0 年代，电机调速系统中的控制方案逐步走向多元化。智能控 制( i n t e l l i g e n tc o n n d l i c ) 思想开始在传动领域中显露端倪，专家控制( e x p e r t c o n t r 0 1 ) 、模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 、人工神经元网络( a r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 纷纷应用于电机控制方案，只是产业化的道路仍很漫长。然而，从交 流传动的发展历程来看，交流电机的控制已不再使人们束手无策了。 1 4 1 智能控制技术 智能控制技术是自动控制学科发展过程中一个崭新的阶段。目前，智能控制 的研究与应用已深入到众多的领域；与此同时，它的发展也给电机调速系统的控 制策略带来了新的思想和方法。与传统控制方法( 包括经典、现代控制方法) 相 比，智能控制具有一系列的特点。首先，智能控制突破了传统控制理论必须基于 数学模型的框架，它按实际效果进行控制，不依赖于或不完全依赖于控制对象的 数学模型；同时，它还可以利用计算机控制的便利，根据当前状态切换控制器的 结构，来改善系统的性能，当今，电气传动系统智能控制策略的研究引起了人们 的广泛关注，不少学者希望它能使电机调速系统的控制性能跃上一个新的台阶。 在控制领域，著名的控制理论权威a u s t r o m 在其“智能控制的方向 一文中 指出：模糊控制、神经网络和专家控制是三种典型的智能控制方法，专家控制擅 长于使用逻辑性知识，模糊控制能处理和决策模糊信息；神经网络控制能实现前 两种的部分功能，目前神经网络技术及其与各种新发展的技术结合已成为传动领 域中研究的焦点。 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 1 4 2 神经网络控制 对于一般的电机调速系统，由于交、直流电机具有比较确定的数学模型，因 而在控制精度要求不很高的场合，传统的控制方法是完全能够适用的。但是对于 高性能的电机调速系统，因受到负载扰动、系统噪音、参数变化等非线性因素的 影响，控制对象的数学模型难以精确表达。人工神经网络a n n 可以通过学习和训 练来充分逼近未知非线性对象的动态行为，主要体现在两个方面：( 1 ) 辩识电机 模型：( 2 ) 估计电机参数。 当然，目前神经网络理论还有许多有待完善之处，譬如，( 1 ) 一般神经网络 学习速度很慢；( 2 ) 神经网络的稳定性和收敛性的证明较为困难：( 3 ) 缺少适合 于传动控制领域神经网络的理论指导；除此之外，神经网络的专用芯片价格昂贵。 这些问题限制了神经网络在实际系统中的应用，但随着神经网络理论的完善和硬 件价格的下降，其应用将逐步广泛。相信不久的将来，神经网络会在电机调速系 统中发挥巨大的作用。 在将神经网络控制方法引入电机调速系统时，一定要本着提出问题解决 问题的原则，避免人为的将神经网络控制方法强行“加入”。否则，非但不能切中 要害，反而会将这一新方法的缺点带了进来。因为，在实时控制方面，如何实时 获取神经网络训练的信息、如何提高网络学习的收敛速度，这些都是首先必须解 决的问题。总之，若采用普通计算机的串行方式模拟神经元网络并行处理，来解 决实时控制问题，显然很难获得成功。 近年来，由单神经元构成的自适应控制器以其学习结构简单、计算量小、易 于计算机实时控制等特点，引起了控制界的极大兴趣。单神经元自适应控制器在 采用误差、误差微分以及误差积分作为输入时相当于一个p i d 调节器：如果再引 入非线性函数，加上自身的自学习、自适应能力，可以较好地提高闭环系统的动、 静态性能和鲁棒性。这意味着单神经元自适应控制器克服了神经元网络自学习功 能和实时控制快速性之间的矛盾，是一种较为实用的控制器。 电机调速系统采用单神经元控制的目的，一是为了提高系统的鲁棒性；二是 引入非线性控制策略；三是可以解决神经元网络控制的实时性问题，因为单神经 元避免a n n 计算的复杂性，解决了用普通计算机来实现实时控制的问题。 1 5 计算机仿真 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以 计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一 门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立 假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特征，从而达到认识和改造实际 系统的目的。 1 5 1 仿真分类 按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类： ( 1 ) 实物仿真 实物仿真又称物理仿真。它是指研制某些实体模型，使之能够重现原系统的 各种状态。早期的仿真大多属于这一类。它的优点是直观形象，至今仍然广泛应 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 用。但是为系统构造一套物理模型，将是一件非常复杂的事情，投资巨大，周期 长，且很难改变参数，灵活性差。至于社会系统、经济系统、生物系统则根本就 无法用实物作实验。实物仿真系统有各种风洞、水洞以及著名的生态圈i 等。例 如为了研究飞机翼型，要建立翼型的比例模型，更重要的是要在地面建立对空气 气流环境的模拟，投资巨大，周期长，且灵活性差，但是为了研制、验证一种新 的翼型，这又往往是必不可少的。 ( 2 ) 数学仿真 数学仿真就是用数学语言去表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系 统进行研究的过程。这种数学表述就是数学模型。数学防真把研究对象的结构特 征或者输入输出关系抽象为一种数学描述( 微分方程、状态方程、可分为解析模 型、统计模型) 来研究，具有很大的灵活性，它可以方便地改变系统结构、参数； 而且速度快，可以在很短的时间内完成实际系统很长时间的动态演变过程；精确 度高，可以根据需要改变仿真的精度；重复性好，可以很容易地再现仿真过程。 然而数学仿真也有其局限性，对某些复杂系统可能很难用数字模型来表达，或者 难以建立其精确模型，或者数学模型过于复杂而目前无法求解，或者计算量太大 而无法利用现有的计算资料进行仿真。 ( 3 ) 半实物仿真 半实物仿真又称数学物理仿真或者混合仿真。为了提高仿真的可信度或者针 对一些难以建模的实体，在系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起 来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存在实体的仿真称为半实物仿真 或者半物理仿真。这样的仿真系统有飞机半实物仿真、射频制导导弹半实物仿真 等，并且许多模拟器也属于半实物仿真。 实际上在工程实践中，以上各种仿真往往用于工程的不同阶段。在工程设计 分析阶段采用数学仿真，易于更改设计，具有灵活性和经济性。在部件子系统研 制阶段，采用半实物仿真以提高仿真可信度和测试不见或子系统的功能。在最后 定型阶段为了验证全系统的功能特征，则需要进行全物理仿真。 按照仿真系统与实际系统时间尺度上的关系，又可将其分为如下几类： ( 1 ) 实时仿真 ( 2 ) 欠实时仿真 ( 3 ) 超实时仿真 计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究 对象。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。在没有计算机以前， 仿真都是利用实物或者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。物理仿真的优 点是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。而计算机仿真是 将研究对象进行数学描述、建模编程，且在计算机中运行实现。它不怕破坏、易 修改、可重用。计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案 论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训练、故障处理等 各个阶段。 1 5 2 仿真的作用 仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。由于仿真技术的特殊 功效，特别是安全性和经济性，使得仿真技术得到广泛的应用。首先由于仿真技 术在应用上的安全性，使得航空、航天、核电站等成为仿真技术最早的和最主要 异步电动机宜接转矩控制计算机仿真 的应用领域。特别是在军事领域，新型的武器系统、大型的航空航天飞行器在其 设计、定型过程中，都要依靠仿真试验进行修改和完善；其次从仿真的经济性考 虑，由于仿真往往是在计算机上模拟现实系统过程，并可多次重复运行，使得其 经济性十分突出。据美国对“爱国者”等三个型号导弹的定型试验统计，采用仿 真试验可减少实弹发射试验次数约4 3 ，节省费用达数亿美元。另外，从环境保 护的角度考虑，仿真技术也极具价值。例如，现代核试验多是在计算机上仿真进 行，主要是由于计算机技术的发展使其得以在计算机上模拟。 仿真技术在许多复杂工程系统的分析和设计研究中越来越成为不可缺少的工 具。系统的复杂性主要体现在复杂的环境、复杂的对象和复杂的任务上，然而只 要能够正确地建立系统的模型，就能够对该系统进行充分的分析和研究。另外， 仿真系统一旦建立就可重复利用，特别是对计算机仿真系统的修改非常方便。经 过不断的仿真修正，逐渐深化对系统的认识，以采用相应的控制和决策，使系统 处于科学的控制和管理之下。 归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点： ( 1 ) 优化系统设计。 ( 2 ) 系统故障再现，发现故障原因。 ( 3 ) 验证系统设计的正确性。 ( 4 ) 对系统或子系统进行性能评价和分析。 ( 5 ) 训练系统操作员。常见于各种模拟器、如机车、坦克模拟器等。 ( 6 ) 为管理决策和技术决策提供支持。 1 5 3 基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的计算机仿真 计算机仿真技术作为现代科学和产品设计的新手段，在对采用微电子及电力电 子器件交流电机控制系统的分析研究中，更体现出它的巨大优越性。 “m a t l a b ”是当前最为流行的一种科学与工程计算软件。作为一种交互式 系统，主要有以下特点：用户使用方便；编程效率高、内涵丰富、简单易学；具 有高效的矩阵和数组运算能力；极其方便的绘图功能：可以与c 、c + + 、f o r t r a n 及 汇编语言混合使用，扩充能力强；带有丰富的s i m u l i n k 动态仿真工具及t o o l b o x 等。 基于m a t l a b 基于的s i m u l i n k 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分 析的软件包。它可以方便的用来建模、仿真和分析连续系统、离散系统和混合系 统。它提供了一种图形化的交互环境，只需使用鼠标拖动的方法便可方便的建立 系统框图。它和m a t l a b 的有机结合，使得用户可以方便的使用m a t l a b 中丰 富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。其他的许多专用仿真 系统都支持s i m u l i n k 模型，非常有利于代码的重用和移植。 本论文采用t h em a t h w o r k s 公司2 0 0 2 年推出的m a t l a br e a l e a s el3即 m a t l a b6 5 s i m u l i n k5 0 对异步电动机直接转矩控制进行仿真分析。 1 6 本论文研究主要内容 本论文对异步电动机直接转矩控制仿真进行了以下方面的研究。 1 6 1 对异步电动机直接转矩控制原理进行了分析，并对常规p i d 控制与新型智 能p i d 控制器进行了分析比较。 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 1 6 2 建立了基于新版m a t l a b6 5 s i m u l i n k5 0 的异步电动机直接转矩控制 仿真模型( 圆形磁链轨迹控制模型1 和圆形及六边形磁链轨迹控制模型2 ) 。 1 6 3 通过建立的仿真模型进行了以下仿真分析 1 6 3 1起动过程仿真分析 1 6 3 2 空载及额定负载运行仿真分析 1 6 3 3转动惯量对起动性能的影响仿真分析 1 6 3 4 直流源电压变化工况仿真分析 1 6 3 5 六边形磁链轨迹控制仿真分析 1 7 本章参考文献 【1 】 【2 】 【3 】 【4 】 李夙异步电机直接转矩控制机械工业出版社，1 9 9 8 陈伯时陈敏逊交流调速系统机械工业出版社，2 0 0 2 黄济荣电力牵引交流传动与控制机械工业出版社，1 9 9 9 李永东交流电机数字控制系统机械工业出版社，2 0 0 2 5 m d e p e n b r o c k d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ( d s r ) f u h r h o c h d y n a m i s c h e d r e h f e l d a n t r i e b e m i ts t r o m r i c h t e r s p e i s u n ge t z a r c h i v , 1 9 8 5 ，b d ，7 ( 7 ) ：2 1 1 - 2 1 8 6 】j o s e fh o d a p p d i ed i r e k t es e l b s t - r e g l u n ge i n e ra s y n c h c h r o n m a s c h i n em i te i n e m s i n g a l p r o z e s s o r v d iv e r l a g , 1 9 8 8 【7 】冯江华，陈高华，黄松涛异步电动机的直接转矩控制电工技术学 报，19 9 9 ，( 6 ) ：2 9 一- 3 3 4 8 】邓启文，尹力明等直接转矩控制的发展与展望微特电机，2 0 0 2 ( 1 ) 9 】9 张春梅，尔桂花直接转矩控制研究现状与前景微电机，2 0 0 0 ( 6 ) 10 】 i s a o t a k a h a s h i ，y o u i c h i o h m o r i h i g h p e r f o r m a n c e d i r e c tt o r q u e c o n t r o l o f a n i n d u c t i o nm o t o r i e e e t r a n s o n i n s a p e1 9 8 9 2 5 ( 2 ) ：2 5 7 - 2 6 4 3 1 1 李士勇等模糊控制和智能控制理论与应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版 社，1 9 9 0 【1 2 】陶永华新型p i d 控制及其应用机械工业出版社，2 0 0 2 1 3 】贺益康交流电机的计算机仿真科学出版社，1 9 9 0 【1 4 】薛定宇陈阳泉基于m a t l a b s i m u l i n k 的系统仿真技术与应用 清华 大学出版社，2 0 0 2 1 5 】姚俊马松辉s i m u l i n k 建模与仿真西安电子科技出版社，2 0 0 2 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 2 交流异步电动机直接转矩控制原理分析 2 1 异步电动机数学模型的基本方程 异步电动机的空间矢量等效电路图2 1 所示。 图2 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 该等效电路是在正交定子坐标系( q p 坐标系) 上描述异步电动机的。各量的 意义如下： 阢( t )一 定子电压空间矢量 i s ( t )一 定子电流空间矢量 唧( t ) 定子磁链空间矢量 刚t )一 转子磁链空间矢量 电角速度 将旋转空间矢量在a 轴上的投影称为0 【分量，在正交的p 轴上的投影称为p 分量。如图2 2 所示。 马b 图2 2空间矢量分量的定义 异步电动机在定子坐标系上的方程式表示如下： 转千方程： 讥一鲁纸一蚴+ 歹订 定千方程：丸= 一i 。咫 磁链方程： 以= l ，饥一饥一l ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 定子旋转磁场提供的功率： p = 1 5 ( 吼i s + 卿8i s ) 唧= j s l ( 缸q + j 缸b ) 转矩方程： t 萨1 5 ( 唧qf s 9 一吼b i s q ) 或t d = 1 5 1 l o ( 吼9 弭a 一吼q 坼b ) t a = 3 2 * 1 lo i 吼i i 娇l 奉s i n0i i 0 为定子磁链和转子磁链之间的夹角，即磁通角。 在实际运行中，一般保持定子磁链的幅值为额定值， 子磁链幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩， 实现。 2 2 逆变器的开关状态和电压状态 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 以充分利用电动机：转 可以通过改变磁通角0 一台电压型逆变器，主电路通常由三组、六个开关组成。有8 种可能的开关 组合，如图2 3 所示。 d 图2 3 电压型逆变器主电路 8 种可能的开关状态可分为两类( 如表2 1 所示) ：一类是6 种所谓的工作状 态，它们的特点是三项负载并不全接到相同的电位上；另一类开关状态是零开关 状态，它们的特点是三项负载全接到相同的电位上，所得负载电压为零。 状态工作状态零状态 123456 78 开 s a001l10o1 关s blo 0o 1 1 01 组s c 111o o o o1 表2 1 逆变器的开关状态 如果用地( t ) 表示逆变器的输出电压( 以下简称逆变器电压) 状态的空间矢 量，逆变器电压状态用u s l 一“，表示。对应于开关状态可以用“，( 0 1 1 ) 一u s ( 0 0 1 ) u s ( 1 0 1 ) 跚( 1 0 0 ) 址( 11 0 ) u s ( 0 1 0 ) ( 0 0 0 ) 地( 11 1 ) 表示。逆变器 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 的开关状态和电压状态的对照关系见表2 2 。 状态工作状态零状态 12345678 开关状态 s a b c 0 1 lo o l1 0 11 0 01 1 00 1 00 0 01 1 1 电压 u su s l “订 u s 3 u s 4“盯u s au s 7 讹7 状态 表2 2 逆变器的开关状态和电压状态的对照关系 图2 3 所示的电压型逆变器，在不输出零电压状态电压的情况下，其输出的 6 中工作电压状态的电压波形见图2 4 。 s a b c 弘 l i ： 主：笋。 一 l 7 广一 。 l 一 7 l 、。 l 厂_ 7 0 l l0 0 l1 0 l1 0 0l l oo l o u s lu s 2u s 3u s 4u s su s 6 图2 4 工作电压状态的电压波形 逆变器的电压状态若用电压空间矢量来表示，则形成7 个离散的电压空间矢 量矢量的顺序从状态“l 到状态“6 ”逆时针旋转，所对应的开关状态为 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 。所对应的电压状态是u s l 一纰一u s 3 一纠一晰_ 1 场。零 电压矢量则位于六边形的中心。如图2 5 所示。 口 a j , ， 婚0 1 0 ) ， 人 夕： 蟊 5 ( 0 1o ) 、 、 、l ， 图2 5 电压空间矢量 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 2 3 电压空间矢量对定子磁链的影响 取三相定子坐标系中的g 轴与p a r k 矢量复平面的实轴仅重合( 如图2 5 所 示) ，则其三相物理量xa ( t ) x b ( t ) xc ( t ) 的p a r k 矢量x ( t ) 为 x ( t ) = 2 3 x a ( t ) + px b ( t ) + p 2x c ( t ) 】 式中r 复系数，旋转因子，p = e j l 2 0 若逆变器所接三相负载的定子绕组连成星行，其输出电压的空间矢量的p a r k 矢量变换表达式为 协( 0 = 2 3 ua + 玩e j l 2 0 + “。e j 2 4 0 。】 ( 2 9 ) 定子磁链与定子电压之间的关系由式2 1 变换可得： 吼( t ) _ j ( 讹( t ) 一i s ( o r s ) 山 若忽略定子电阻压降的影响，则 坼- ( t ) _ j 玩( t ) 山 ( 2 。1 0 ) 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。 胁( t ) 表示电压空间矢量，唧( t ) 表示磁链空间矢量，s 1 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是六边行的六条边。定子磁链空间矢量脚( t ) 顶点的运动方向和轨迹对应于相应的 电压空间矢量胁( t ) 的作用方向。在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量1 , 1 m g l a 2 一u s 3 一z ，卜l l s 5 一s 6 ，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边sl 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、 s 6 运动，形成了正六边行磁链。 正六边行的六条边代表着磁链空间矢量卿( t ) 一个周期的运动轨迹。六条边分 别称为磁链轨迹的区段s 1 、区段s 2 一一直至区段s 6 。 s ， 1 0 0 。 、5 诞州l 0 t l t、 磁 li i 1 “l j s !悯 “。 li ： 、 ，蠢o i 、s 、z 、夕 、 0 i l 图2 6 电压空间矢量对电动机转矩的影响 在实际运行中，一般保持定子磁链的幅值为额定 值，以充分利用电动机；转子磁链幅值由负载决定。 如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角 0 实现。电压空间矢量对电动机转矩的影响如图2 6 所示。在直接转矩控制技术中，其基本方法就是通过 电压空间矢量跏( t ) 来控制定子磁链的旋转速度，控 制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速 度的大小，从而改变磁通角0 的大小，以达到控制电动 机转矩的目的。通过这样的瞬态调节就能获得高动态 性能的转矩特性。 直接利用逆变器的六种工作状态简单的得到六边行的磁链轨迹以控制电动 机，这种方法是直接转矩控制的基本思想。 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 2 4 直接转矩控制的基本组成 直接转矩控制的基本原理框图如图2 7 所示 图2 7 直接转矩控制的基本原理框图 a s s 开关信号选择单元； d m c 磁链自控制单元( 亦称为磁链控制单元) ； u c 卜坐标变换器： a 删一异步电动机数学模型； a t r 转矩调节器； a v r 磁链调节器： a m a 磁链幅值构成单元； a f r 频率调节器： a s r 转速调节器： a z s 零状态选择单元 ( 1 ) 开关信号选择单元：综合来自磁链控制单元、转矩调节器、和磁链调节器的三 种开关信号，形成正确的电压开关信号，实现对电压空间矢量的正确选择。 ( 2 )磁链控制单元：选择正确的区段，以形成六变形或近似圆形的磁链。 ( 3 )异步电动机数学模型：包括磁链模型和转矩模型。可以由不同的方案实现， 对输入量也可以有不同的处理和要求。 ( 4 )转矩调节器：实现转矩直接自控制。 ( 5 )磁链调节器：实现磁链幅值的直接自控制。 ( 6 )频率调节器：控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。 ( 7 )转速调节器：实现对转速的调节。转矩给定值可由转速调节器的输出得到， 也可由单独给定得到。 本论文采用开关表的直接转矩控制，其基本系统框图如图2 8 所示 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 图2 8 采用开关表的直接转矩控制系统框图 与图2 7 相比，图2 8 所示控制方法将图2 7 中磁链控制单元、开关信号选择 单元变为判断定子磁链所处区段s ( 1 1 ) ，根据磁链、转矩的偏差信号给出对应的 p w m 控制信号，磁通转矩估计相当于图2 。7 中坐标变换器异步电动机数学模型及坐 标变换器，其他部分基本相同。区段s ( n ) 及p w m 控制信号通过编程可以方便的 实现， 2 4 1 异步电动机磁链模型 针对异步电动机的三种磁链模型，即口一j 模型j 啊模型口埘模型分析如下。 定子磁链与定子电压之间的关系式：唧( t ) - j ( 翻一( t ) i s ( 0 r s ) 出 口一j 模型 由于定子电阻r s 的影响，玎。模型只有在1 0 额定转速时，特别3 0 额定转速 以上时，才能够准确的确定定子磁链，并且要注意定子电阻随温度变化的影响n 1 。 当定子频率接近零时，因定子电压与定子电阻压降之间的差值消失，以致在稳定 情况下只有误差被积分。在3 0 额定转速以上范围时，采用u j 模型法该方法结 构简单，精度高，优于其他方法。 j 加模型 在3 0 额定转速以内范围时，磁链可根据转速及定子电流来正确计算。其有关 公式如下： 吼d = ( i s al o + 坼q ) i e t ( i + l a l ) 】 断d = ( r r ld ) 木( 吼a 一竹口) 一0 ) 坼b ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 唧b = ( 南b l 。+ 奸e ) 木 1 ( i + l 口l ) 】( 2 1 3 ) 甄b = ( r r l 。) 宰( 肺且一弭b ) + c o 弭a ( 2 1 4 ) 与u - j 模型相比，j 啊模型中不出现定子电阻r 。，不受定子电阻变化的影响。 但j 叩模型受转子电阻r r 、漏电感l a 、主电感l 变化的影响。另外，该模型还 需精确测量，其测量误差对模型的影响较大。 u - 模型 “叼模型综合了，o 模型和j 叼模型的特点，是在全速范围内都适用的磁链模 型。，功模型的方程式( 即式2 1 、式2 2 和式2 3 ) ： 转平方程： 魏= 争眠一岈+ 歹以 ( 2 1 ) 定子方程： 讥篇魄一i ，足( 2 2 ) 磁链方程： 机= 厶，晰一以一 ( 2 3 ) 根据上式可获得电动机的转矩，即t d = 3 2 ( 吼a 南b 一唧bi s ) ，故u _ 力模型也 称为电动机数学模型。，功模型如图2 9 所示： 图2 9 定子磁链的猢模型( 电动机模型) ，加模型综合了u o 模型和j - 刀模型的优点，又解决了两模型间切换的问题。 高速时，电动机模型工作在u o 模型下，磁链只是由定子电压及定子电流计算获 得。定子电阻误差、转速测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工 作范围内将不在有意义。低速时，电动机模型工作在j 印模型下。 异步电动机直接转矩控制计算机仿真 电流调节器的放大倍数心对磁链误差的影响 电流调节器的作用是强迫电动机模型电流与实际的电动机电流相等，以提高 仿真的精度。当心较大时，能有效抑制定子电阻飚误差造成的影响，但对于角 速度测量误差造成的磁链误差，反而有加大作用。因此在选择心的大小时应作 出折中的选择。电流调节器的调节时间要求不很严格，它通常大约比转子时间常 数l o r r 大4 0 倍。用根轨迹法进行稳态分析后可得知，如果调节器的时间t i 足够大( t i 4 0 l 口r r ) ，则电动机模型总是稳定的晡1 。 2 4 2坐标变换 对定子旋转磁链空间矢量在夕 三相1 3a 、bb 、1 3c 轴上的投影分别 称为定子磁链矽b a 、b 、缈b c 分量 ( 如图2 1 0 所示) 。 由定子磁链单元a m m 输出的 磁链信号脚q 、唧b 经2 3 坐标变换 单元u c t 转换为1 3 磁链分量pa 、缈 b b 、矽b c 后提供给区段判断单元。q 一1 3 坐标系与1 3 三相坐标系之间的变 换关系如下： 厂缈b 习 il 俐l_ j 2 4 3 区段的判定 口 ，l ， ；jq 1o ) 7 i 口i 。- 黟。 6 ( 0 1 0 ) 、 、 、1 、 图2 1 0 磁链空间矢量在三相8a 、bb 、pc 轴上的投影 当定子磁链按顺时针方向旋转