异步电动机直接转矩控制系统的仿真设计.doc

一、绪论1、电机调速技术的发展概况电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在工农业生产、国防、科技及社会生活等各个领域发挥着重要的作用。根据采用电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。历史上最早出现的是直流电动机，并且由于 直流电动机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，直流传动系统一直在变速传动系统中占主导地位。但是由于直流电动机本身结构上具有的机械换向器和电刷而使这种传动存在如下缺点：、直流电机的机械换向器由很多铜片组成，铜片之间有云母片隔离绝缘，因此制造工艺复杂，费时费料，增加了直流电机的成本。、换向器的换向能力限制了直流电机的容量和速度。、电刷火花和环火限制了直流电机的安装环境，易燃、易爆、多尘以及环境恶劣的地方不能使用直流电机。、直流电机的大部分功率（除励磁以外）都是通过换向器流入电枢的，转子发热多，电机效率低。、换向器和电刷易于磨损，需要经常更换。这样就降低了系统的可靠性，增加了维修和保养的工作量。虽然存在以上的缺点，但是在19世纪80年代以前直流传动是唯一的传动方式。1885年随着交流鼠笼型异步电动机问世，虽然控制比较复杂，但其结构简单、成本低、安装环境要求低，适于易燃、易爆、多尘的条件。尤其是在大容量、高转速应用领域，备受人们青睐。改变异步电动机转速有以下三种方法：、改变电机本身的参数，极对数来调速，由于制造工艺和本身结构所限一般情况下只有两三种极对数变换，不能做到连续的调速，调速范围有限。、改变定子电压(改变电源电压或定子串阻抗)，或绕线型电动机转子串电阻，或带转差离合器地异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。但是电机地损耗与转差率s成比例地增大，效率随转速的降低而讲的，山于电机在高转差低转速卜运行特性恶化，使实际可行地调速范围受到限制。 、连续地改变电源频率，虽然可以十分理想地实现交流电动机地无级调速，但这要有一套变频电源，在60年代大功率半导体变频装置问世之前，代价很大。在过去几十年里，交流电动机控制技术取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。20世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦。从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。继矢量控制技术之后，20世纪80年代中期由德国鲁尔大学德彭布罗克教授首先取得了转矩控制技术实际应用的成功。它采用空间矢量的方法，在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳选择，以获得转矩的高动态性能控制。它省去了复杂的矢量变换，没有通常的PWM调制器。在很大程度上解决了矢量控制中运算、控制复杂，特性易受交流电动机参数变化影响的缺点。2、直接转矩控制的发展及现状直接转矩控制技术，德语称为DSR（Direkte Selb-Regellung,DSR）。英语称之为DTC（Direct Torque Control）或为DSC（Direct self-control），直接译为直接自控制。直接转矩变频调速技术是自七十年代发展起来的矢量控制技术后又一新型高性能的交流变频调速技术。1981年，日本学者Y.Murai等人将瞬时空间电压矢量理论应用于PWM逆变器感应电动机传动系统中，基于电压、磁链空间矢量概念，成功地解决了瞬时主磁通的计算问题，并且较方便地控制其幅值在整个调速范围内近似保持不变，使其轨迹接近于圆形。1985年，德国鲁尔大学的狄普布洛克（M.Depenbrock）教授通过对瞬时空间理论的研究，首次提出了直接转矩控制的理论，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。随后日本学者I.Takahashi也提出类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。直接转矩控制技术一经诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁的结构，优良的静、动态性能受到普遍的关注，并得到迅速的发展。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电动机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，在很大程度解决了矢量控制方法中计算复杂、调速特性易受电动机参数变化的影响等一些问题。现在直接转矩控制系统，大多是采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采用转子磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者观测转子磁链，作为直接转矩控制系统的校正。3、直接转矩控制技术的特点随着电力电子技术、微电子科技和现代电机调速理论的快速发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利的条件，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能。直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点：、直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。、直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机的转子电阻和电感。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电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。、转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。、控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。4、本文的主要工作感应电动机的直接转矩控制是目前交流驱动控制领域中最新的也是最有前途的控制方法，以其简单的控制算法、对电机参数依赖性小、鲁棒性好等特点深受该领域学者专家的青睐。本文主要包括以下内容：、介绍了直接转矩控制的起源、特点和基本思想，在定子坐标系内建立数学模型，包括电磁转矩模型和定子磁链模型。、引出电压空间矢量的概念，采用空间矢量数学方法，在定子坐标系内分析电压空间矢量与定子磁链和电磁转矩的关系，建立异步电机直接转矩控制系统基本架构。、用Matlab仿真软件中的Simulink环境建立一个异步电动机直接转矩控制系统仿真模型，详细说明主系统仿真模型和各子系统仿真模型。、根据各种仿真算法的特点选取仿真算法对系统进行仿真、根据电机参数选取仿真参数并通过电磁转矩、定子磁链和电机转速的仿真曲线研究分析异步电动机直接转矩控制系统的动静态性能、特点及适用场合。二、异步电动机直接转矩控制的基本理论1、逆变器和电压空间矢量直接转矩控制系统它把电动机和逆变器看作一个整体进行分析，这样就把空间矢量的概念引入。直接转矩控制系统中采用三相两点式电压逆变器向异步电动机供电，逆变器的每个桥臂有两个开关元件，如图2.1所示。图 2.1 逆变器电动机传动系统主电路简图在图2.1所示的逆变器中，如果采用正弦波脉宽调制(SPWM)技术，可输出三相对称电流，在电机的气隙里产生圆形旋转磁场。在直接转矩控制方式里，逆变器都是由自由关断器件(如GTO, GTR，IGBT等)构成的，为此可用三个单刀双掷开关状态Sa,Sb,Sc表示，当Sa1时，表示逆变器a相上桥臂的开关闭合，下桥臂的开关断开；当Sb0时，表示逆变器a下桥臂的开关闭合，上桥臂的开关断开。其中同一相上、下桥臂的两个开关元件是互补动作的，即任一时刻它们总是一个断开，一个闭合。这样一来，根据Sa,Sb,Sc为0或1可以组合个状态，详情见表2-1。表 21 逆变器开关的8种组合状态状态01234567Sa01010101Sb00110011Sc00001111以上8种开关状态可以分为两类:一类称为工作状态，即表2-1的状态“1”到“6，它们的特点是三相负载并不接到相同的电位上；另一类称为零开关状态，如表2-1中的“0”和“7，它们的特点是三相负载被接到相同的电位上。对于电压逆变器，输入为恒定直流电压，那么其三相输出电压瞬时值为： （21） （22） （23）将3组开关状态对应的Sa,Sb,Sc的8种编码，代入式(2-1)和(22)和(23)就得到8组三相相电压。利用Park矢量可把这8种电压变换成8个电压空间矢量.在幅值不变的原则下，三相电压的Park矢量表示式: (24)用,表示八种开关组合状态下的电压矢量，以SaSbSc011为例，此时有:由此可得：上式说明，开关组合(011)状态下电压矢量的幅值等于，与轴夹角为。依次求出其它各开关状态下的电压矢量如下:，不难看出，在这8个电压空间矢量中，有6个非零矢量，其幅值均为，角度依次相间。这样8个开关状态对应如图2.2所示的8个电压空间矢量，其中和为零电压空间矢量，位于原点。（100）（110）（010）（011）（001）（101）图 2.2 电压空间矢量2、异步电动机直接转矩控制系统的基本原理在一些交流传动应用的场合，要求实现快速的转矩控制，显然直接转矩控制非常适合这一类控制系统的应用。即使在转速是重要控制目标的场合，转矩控制也仍然显得非常重要，因为只有转矩才能影响转速。如果转矩控制性能良好，则不难设计出一个速度调节器，使速度环具有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好，响应慢，相应的调节性能也好不了。因此调速的关键在于转矩控制。除了使系统具有较高的转矩动态性能外，还应使生产出来的设备经济、实用。根据这些原则，一个良好的系统应具有如下的特性:、具有高可靠性 由于系统要用于现场，和经济效益直接相联系，系统如果运行不可靠，将会对用户造成很大的经济损失，因此系统在运行时，必须能够保证有很高的可靠性。、满足实时性 在很多的场合，异步电动机在运行过程中，希望在转矩或磁链等量发生变化时能够及时对其进行调节，这就要对电动机进行闭环制。在控制系统对各种数据的检测及运算进行实时处理的同时，要给电动机提供相应的控制信号，以满足实时性的要求。、获得转矩的高动态性能 异步电动机转矩的动态响应好与否直接影响着直接转矩控制系统的应用范围，因此开发高动态响应的直接转矩控制系统，使其应用范围更广是有重大意义的。直接转矩控制的基本原理是：充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从而使异步电机的磁链和转矩控制只是通过定子电阻及能够方便测量得到的电压及电流值就能把磁链、转矩估算出来，所以相比而言，直接转矩控制转矩响应迅速，实现起来方便。经典结构框图如图2.3：逆变器 转距调节电压矢量开关选择信号磁链调节相电压相电流计算磁链、转矩和磁链扇区计算转速调节器直流母线图2.3 直接转矩控制系统框图（1） 相电压、相电流计算系统需要检测直流母线电压，对于电机端电压信号，则利用电压重构单元来获得定子电压信息，这是因为三相交流电压信号可以由直流母线电压和逆变器开关状态信息得到。由于电机是星形接法，无零序电流分量，所以该控制系统只需要测量电机的两相电流，三相电流总和为0可求出第三相电流。该模块的作用是通过计算测得的直流母线电压得到三相定子电压进而转换成定子电压空间矢量，通过计算两相定子电流得到三相电流进而转换成电流矢量，以便于后续转矩、定子磁链和磁链角的计算。三相定子绕组A, B, C在空间互成，构成A-B-C三相坐标系，在此坐标系中再定义一个一直角坐标系，其轴与A轴重合，轴超前，即可构成静止的ABC坐标系到静止的一坐标系变换(Clarke变换)。对于三相星形接线而言，有如下关系：； (25)因此，可测量电机两相电流而得到第三相电流。根据不同坐标系中电动机模型等效原则（在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等）和式(25)可以得到三相定子电流变换成两相电流矢量，电流矩阵变换： (26)匝数比:= (27)由式(26)和(27)可得： (28)利用的约束条件可以将式(28)扩展为： (29)由式(29)我们可以得到以下关系： (210)同理可以求得电压变换关系为： (211)（2） 定子磁链和转矩计算因为定子磁链的观测是异步电机直接转矩控制系统非常重要的部分，其准确性对系统的性能起着关键性的作用。定子磁链无论是幅值还是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变坏，甚至出现不稳定。磁链观测器模型一般有三种：u-i模型，i-n模型，u-n模型。其中u-i模型最为简单和常用。它在高速时精度高，很有优势，但在低速时因积分项的误差致使模型精度严重下降。i-n模型虽然使得系统不受定子电阻的影响，但受主电感、漏电感、转子电阻的影响，高速下的模型精度无法保证。因此本文选择u-i模型作为定子磁链计算模型。根据定子磁链与电压的关系，可以很方便的由电压求得磁链，如下式所示： (212)由式(212)变换后可得： (213)这里由定子电压、定子电流以及定子电阻的值便可观测定子磁链，故将这种确定定子磁链的方法称为u-i模型法，其结构框图如图2.4所示：/2/2图2.4 u-i模型结构框图u-i模型结构简单，在计算过程中唯一需要的电动机参数是易于确定的定子电阻。但它只有在被积分的差值，也就是的值比较大时才能提供正确的结果，其误差是由定子电阻的存在引起的，随着转速的降低，定子电阻压降带来的误差将增大，所以该模型在30%额定转速以上时，能够较准确地确定定子磁链，而且结构简单、鲁棒性强，在低速时定子电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链观测准确性有较大的影响，特别是定子频率接近零时，用做积分的定子电压和定子电阻压降之间的差值消失了，以致在稳定情况下只有误差被积分，这时u-i模型无法确定定子磁链。定子磁链幅值计算表达式为： (214)电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算： (215)为电机极对数电磁转矩的计算模型如图2.5：图2.5 电磁转矩计算模型（3） 磁链调节和转矩调节转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称由此而来。为了控制转矩，转矩调节必须具各两个功能：一个功能是转矩调节器直接调节转矩；另外一个功能是在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向以加强对转矩的调节。磁链控制的任务是识别磁链运动轨迹的区段，且给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按照圆形轨迹正确地旋转。磁链调节地任务是通过定子电压空间向量将定子磁链地幅值控制在允许地范围内，使磁链的轨迹接近正六边形。磁链调节和转矩调节环节由滞环比较器组成，其结构框图分见图2.6和2.7所示：设定子磁链幅度和转矩的给定值分别为和，设定子磁链幅度和转矩的观测值分别为和，定义定子磁链和转矩误差如下： （216）磁链调节器的容差为，输出为，当时，此时应选择能使磁链幅值增大的电压空间矢量；当时，保持不变；时，此时应选择能使定子磁链幅值减小的电压空间矢量。转矩调节器的容差为，输出为，当时，= 0，此时应选择非零电压空间矢量；时，保持不变；当时，=1此时应选择零电压空间矢量，选择零电压空间矢量时应注意使得开关次数最少。（4） 扇区的确定和开关表、扇区的判断 （217）由于在直接转矩控制中，只需得到定子磁链所处的区段，而无须精确的计算出确切的角度。因此采用了一种新型的空间区段判别法。这种方法避免了复杂的反正切计算，从而大大降低了计算量，提高了实时性。首先，通过和的正负关系，直接判别定子磁链所处的象限，从而粗略判断定子磁链所处的位置，如图2.8左图所示。然后，对于上一步获得的某个特定的象限，由于空间区段的划分特征，每个象限被空间区段的边界划分为和两个部分。从图2.8右图中看出，如果tan = 1.732，就表明定子磁链进入部分所在的区段内，否则便是在部分所在的区段内。综合以上两个因素就可以准确地判断出定子磁链轨迹所在的位置，图2.9为电压空间矢量和磁链空间矢量的关系。、开关选择单元表 21电压矢量开关表S1S2S3S4S5S600011011综合以上的磁链调节器输出信号，转矩调节器输出信号以及磁链所在区域信号，可对应选取合适的电压空间矢量，这就构成了电压矢量开关表，由于在同一扇区内使磁链幅值增减的电压空间矢量并非唯一，故存在不同的电压矢量开关表，表2- 1是常用的一种电压矢量开关表。如果将每个扇区划分更加细化，则可得到更复杂的电压矢量开关表，那样会使磁链的控制和转矩的控制更加精确，但开关频率将加大，且系统变得复杂。（5） 转速调节转矩的给定值一般是由给定转速和实际反馈转速之差经过速度调节器到。在直接转矩控制系统中，主要的是通过控制定子电压空间向量来控制定子磁链的平均旋转速度，从而控制转矩。而转矩的控制又成为速度控制的基础，故在系统中应用闭环控制。闭环控制系统具有简洁、直观、有效的性能。既是从速度传感器中引出速度反馈信号与速度给定信号作比较后送入PI调节器。调节器的输出直接作为转矩的给定值，便可以实现转速的闭环控制了。如图2.10所示：PI图 2.10 转速调节器（6） PWM控制参照图2.3中直接转矩控制结构框图，PWM控制器的作用就是输出PWM信号控制逆变器三组开关的通断，以此达到控制电机定子电压的目的。其输入信号为转矩调节器的开关信号、磁通调节器的开关信号以及磁链角信号（也就是扇区信号）。PWM控制器通过这些输入信号，按照直接转矩控制的原理，利用一定的软件算法实现对PWM占空比、输出模式、周期等重要参数的实时调节，得到电机按既定指标运行所需要的电压电流量。三、直接转矩控制系统的仿真1、MATLAB/SIMULINK简介MATLAB软件是由美国NewMexico大学的C1eveMoler博士于1980年开始开发的，1984年由CleveMOler等人创立的Mathwork公司正式推出了第一个商业版本。MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。这使它成为国际控制领域应用最广的首选软件工具。现在MATLAB软件不但广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。在控制界，很多著名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。 MATLAB具有以下特点: 、起点高：每个变量代表一个矩阵，它可以有nm个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。、人机界面适合科技人员：MATLAB的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员交流。MATLAB是以解释方式工作的，若有错误立即做出反应，便于编程者立即改正。这些都减轻了编程和调试的工作量。、强大而简易的作图功能：能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘出图形。、智能化程度高：绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法；数值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。、功能丰富，可扩展性强:MATLAB软件包括基本部分和专业部分。基本部分包括：矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。各领域的科技人员在此基础上，根据本专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。这些工具箱就是专业部分。现在它们己有控制系统、信号处理、图象处理、系统辩识、模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并且还在继续扩展。 MATLAB语言集计算、数据可视和程序设计于一体，并能用人们熟悉的符号表示出来，在工程计算方面具有不可比拟的优越性：它还为图形处理提供了丰富的函数。数学函数库中包括了大量的数学函数：因此，MATLAB已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。（1） SIMULINK仿真工具SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMULINK界面友好，它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，用户建模通过简单的单击和拖动就能实现，使得建模就像用纸和笔来画画一样容易。它与传统的仿真软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULIN允许用户定制和创建自己的模块。 用SIMULINK创建的模型是分层的，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构来查看下一级中更加详细的内容。这种方法使得用户可以深入地理解模型的组织结构和各部分是如何相互作用的。由于MATLAB和SIMULINK是集成在一起的，因此用户可以分别对系统中各组成部分和整个系统进行仿真、分析和修改。SIMULINK是MATLAB的重要组成部分，支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。SIMULINK模块库内资源相当丰富，基本模块库包括连续系统、离散系统非线性系统、信号与函数、输入模块、接收模块等等，使用方便。由基本模块又形成了其它的一些专用库，MATLAB中提到的工具箱，很多在SIMULINK中都形成了专用模块库，仿真起来简单快捷，尤其是其中的电气系统模块库(Power System Blockset)，可以使直接转矩控制系统的仿真变得容易。电气系统模块库以SIMULINK为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。它由以下6个子模块库组成：、电源模块库:包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。、基本元件模块库:包括串联RLC负载/支路、并联RLC负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、N相分布参数线路和浪涌放电等。、电力电子模块库:包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT和理想开关等。为满足不同仿真目的的要求并捉高仿真速度，还有晶闸管简化模型。、电机模块库:包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。、连接模块库:包括地、中性点和母线(公共点)。、测量模块库:包括电流和电压测量。上面简单介绍了MATLAB中SIMULINK仿真软件的基本模块。可以看出，对于电机调速系统，用SIMULINK实现仿真非常简单。它的内部给用户建好了同步电动机、异步电动机、永磁同步机的模型。在仿真过程中用户只需直接把模型调到自己的仿真程序中即可。其它的比如电力电子器件等模型也是系统内建的模型，用起来都是很方便的。（2） 本文对算法的选择选择仿真算法时要考虑如下几个因素:精度，求解速度，能否自启动，执行时间。本文可以选用SIMULINK中的各种算法进行仿真。为了加快运行速度和精度本文的仿真算法选可变步长类算法中的ode15s。这种方法非常适用刚性和非线性问题，因而非常适用电气系统的仿真。2、仿真模型建立本文在利用MATLAB进行系统仿真时，首先根据原理图，把直接转矩控制系统划分为若干个子系统，然后在SIMULINK环境下利用其模块库中提供的各种基本模块搭建各个子系统，并利用SIMULINK中的子系统封装技术把各子系统封装起来，作为本系统仿真的基本组成模块。最后，把各模块连接起来构成一个完整的系统。根据第二章中提出的设计思想及总体结构的设想设计出了本系统的仿真模型，系统模型如图4.1所示，并假设下列条件成立：、忽略磁路饱和及铁损，各绕组的自感和互感都是线性的。、三相绕组对称，磁势沿气隙圆周按正弦分布。、不考虑温度和频率变化对电机电阻的影响。图4.1 异步电动机直接转矩控制系统仿真模型在图4.1中可以看到，除了SIMULINK中的一些基本环节外，我们还利用了电气系统模块库(Power System Blockset)的电力电子模块库中的逆变器和电机模块库中的三相异步电动机模块，此外还有一些封装起来的模块，包括磁链、转矩估算模块(Subsystem)、扇区选择模块(Subsystem3 )、磁链两点式调节器模块(Subsystem1)、转矩调节器模块（Subsystem2）和PWM控制信号生成模块（Subsystem4和Lookup Table（2D）构成）等下面对主要模块进行说明。（1） 磁链、转矩估算的仿真模型根据第二章中的式（210）、（211）、（213）、(214)、(215)的数学表达和图2.4和2.5的计算模型可以建立如图4.2中的模型：图4.2磁链、转矩估算仿真模型该模型的输入为异步电动机定子电流，为异步电动机三相电压值。根据第二章中的式(210)和(211)可以建立电压、电流3/2变换。图中分别为变换后的同理分别为。根据式(213)可以得到定子磁链在坐标下的分量图中表示为：。在根据式(214)和(215)可以得到定子磁链幅值和观测转矩图中分别表示为：。该模型的输出为定子磁链幅值、观测转矩、定子磁链在坐标下的分量。（2） 磁链两点式调节器仿真模型磁链两点式调节器仿真模块内部结构如图4.3所示：图4.3 磁链调节器仿真模型（3） 转矩调节器仿真模型转矩调节器仿真模块本文中采用两点式结构器其内部结构如图4.4所示：图4.4 转矩两点式调节器仿真模型（4） 扇区确定仿真模型扇区确定模块可以根据第二章第二节中的第四部分逻辑建立如图4.5所示的仿真模型：图4.5 扇区确定仿真模型表41扇区确定表图中f（u）函数的功能是把3个输入的二进制数转换为十进制数，根据表41中相对应的关系，在通过一个一维数组得出输出。（5） PWM开关选择信号仿真模型PWM开关选择信号是根据扇区的区间和转矩调节器的输出和磁链调节器的输出共同决定的。该模型的仿真模型见图4.6所示：图4.6 PWM开关选择信号仿真模型表42空间电压矢量选择Subsystem 4的内部结构详见图4.7所示：图4.7 空间电压矢量所对应的开关信号图中输入为电压空间矢量，输出为输入电压空间矢量所对应的电压开关信号。图2.9给出了电压空间矢量所对应的开关信号。四、仿真结果及分析按照第四章所设计的SIMULINK仿真系统进行仿真实验。仿真用的电机参数如下:额定功率为2.2KW，额定电压为380V；转动惯量为0.085kg，极对数为2，定子电阻为0.44转子电阻为0.82，定子电感为2.5mH，转子电感为2.5mH，定转子互感为65.87mH，频率为工频50赫兹，取摩擦系数为0。系统给定值如下：给定磁通为0.4Wb，给定直流电压为308V；给定转速为100r/s。转速调节器： 1、不同设定参数时的仿真结果、定子磁链轨迹在给定转矩容差为5NM时响应曲线图4.8 磁链容差0.02Wb磁链轨迹仿真结果图4.9 磁链容差0.01Wb磁链轨迹仿真结果、三相定子电流在给定转矩容差为5NM时响应曲线图4.10 磁链容差0.02Wb时定子相电流变化曲线图4.11 磁链容差0.01Wb时定子相电流变化曲线、转矩在给定磁链容差为0.02Wb时响应曲线图4.12 转矩容差5NM时转矩响应图4.13 转矩容差8NM时转矩响应、转速响应在给定转矩容差为5NM时响应曲线图4.14 磁链容差0.02Wb时速度响应图4.15 磁链容差0.01Wb时速度响应、转矩容差为5NM、磁链容差为0.02Wb低速时磁链响应图4.16 转速设定值为6r/s时磁链响应曲线2、仿真结果分析如图4.8和4.9所示为-坐标系下定子磁链逆时针旋转时形成的六边形轨迹，六边形轨迹的各边到中心零点的距离由磁链调节器中的施密特触发器的设定值确定。在六边形磁链控制下可以明显的看到三相定子电流由于六边形磁链和逆变器高频开关引起的畸变，电流波形并不是正弦波。图4.12和4.13给出了不同转矩容差情况下的转矩响应曲线。由图可以看出电机开始运行时电机的转差较大。在每个周期里六边形磁链要进行六次区段切换，由于转矩两点式调节，在每个区段内逆变器都要进行多次开关，因此对转矩不可避免地存在着脉动。从4.12和4.13可以看到当转矩滞环容差较大时，转矩脉动较大，减小转矩容差要求较高的逆变器开关频率。由图中还可以看到，利用直接转矩控制，电机的转矩可以很快地跟随给定转矩。根据图4.14和4.15系统在不同磁链容差下的速度响应曲线可以知道系统运行一段时间后自动达到稳定状态，并且可以看到转速在磁链调节器容差改变不大的情况下并没有发生什么变化。如图4.16所示为电机低速时的仿真结果，设定转速PI调节器的参考转速为6rad/s,通过六边形磁链控制，电机以该转速运行。从图可以看出定子磁链轨迹在低速时发生了畸形。低速时六边形磁链发生扭曲，由于定子压降的作用扭曲，定子磁链空间矢量的顶点偏离原正六边形轨迹，向六边形中心移动。通过仿真的波形验证了正六边形磁链控制系统能够达到控制系统稳态运行的要求。还可以看出它具有的一些特点：、控制方法简单，只需进行磁链调节和转矩滞环调节，利用六个有效