异步电机直接转矩控制的仿真研究.doc

文章编号 : 1005 - 6548 ( 2004) 02 - 0111 - 03异步电机直接转矩控制的仿真研究杰1 ,侯紫达2 ,高秀枝2侯(11 太原供电分公司 ,山西 太原邮编 ;21 山西大学工程学院 ,山西 太原030013)Emulat ion Reseavch of Asynchron ism Motors Direct Torgue ControlHO U J ie1 ,HO U Zi2da2 ,GAO Xiu2zhi2(11 Taiyuan Power Supply Co mpany , Taiyuan030012 , China ; 21 Engineering College of Shanxi U niversi2t y , Taiyuan030013 ,China)摘 要 : 阐述了直接转矩控制的基本原理 , 并利用 MA TL AB 软 件 对 直 接 转 矩 控 制 进 行 了 仿 真 研 究 ,揭示了直接转矩控制的特点 , 对直接转矩控制 的实现和改善提供了仿真依据 。关键词 : 异步电机 ;直接转矩控制 ; Matlab 仿真机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂 。使得矢量控制的实际效果难于达到理想分析的结果 。 直接 转 矩 控 制 ( Direct To rque Co nt rol , 简 称D TC) 变频调速技术 , 是近十几年来继矢量控制变 频调速技术之后发展起来的 1 种新型的高性能的 交流 变 频 调 速 技 术 。1985 年 由 德 国 鲁 尔 大 学 的 Depenbrock 教授首次提出 。该技术在很大程度上 解决了前述矢量控制的三大不足 ,并以新颖的控制 思想 、简洁明了的系统结构 、优良的动静态性能得 到了迅速发展 。目前该技术已成功的应用在电力 机车牵引的大功率交流传动上1 。近几年 ,直接转矩控制的研究更加深入 。将神 经网络和模糊控制等智能控制方法与直接转矩控 制相结合 , 是研究直接转矩控制的一个重要手段 。 用 DSP 或 CPU 实现 D TC 系统的全数字化也是一 个重要的发展方向2 。中图分类号 :Abstract :TM301 . 2文献标识码 :AThis paper p resent s t he f undamentalp rinciples of direct to rque co nt rol ( D TC) , and D TCwas emulated and researched wit h Matlab sof t , t hen t he characteristic of D TC was revealed , t hus t he em2 ulatio nal fo undatio n of D TCs realizatio n and im2 p rovement was p rovided.Key Words : AC asynchro no us moto r ; direct to rque co nt rol ; Matlab emulatio n引言在交流异步电机的变频调速中 ,矢量控制方法 的提出具有划时代的意义 。但在实际应用中 ,由于 矢量控制所需的转子磁链参量难于准确观测 ; 系统 性能受电动机参数的影响较大 ; 且在等效直流电动直接转矩控制的基本原理在 D TC 的分析中 , 采用空间矢量的数学分析 方法 。异步电动机的等效电路如下页图 1 所示 。该等效电路是在正交定子坐标系 ( - 坐标1 收稿日期 : 2004 - 03 - 04作者简介 : 侯 杰 ( 1970 - ) ,男 ,河北吴桥人 ,太原供电分公司保护自动化所工程师 ,从事远动工作 ;系) 上描述异步电动机的 。其中各量均用瞬时值表示 : is 、i r 、i 为定子 、转子 、励磁电流 ; us 为定子电 压 ; 、r 为定子 、转子磁链 ; 为电角速度 ( 机械 角速度与极对数的乘积) ; L , L 为主电感 ,定 、转子 漏电感 ; Rs 、R r 为定子 、转子电阻 , jr 为反映转子 输出的反电势 。由此电路可列出以下公式 :模块 、异 步 电 机 模 块 、电 压 变 换 模 块 、电 流 变 换 模块 、磁链转矩观测模块 、磁链控制器模块 、转矩控制 器模块 、电压状态选择模块 。 = ( us - isRs ) d t , = ( us - isRs ) d t ,(1)(2)31| | | |sin =T =r2 3L图 2 直接转矩控制系统的仿真模型框图其中 ,逆变器模块和异步电机模块直接使用了 power system blockset 组件中的模型 ,大大降低了整 个仿真模型的复杂度 ,增加了系统仿真的准确性 。 电压变换模块用来把电动机的三相电压变换 为两相电压 。输入 u 2abc 是电压选择模块输出的 电压状态信号 ,dc 是逆变器直流电压值 。模块中主 要使用了 1 个函数模块 ,通过自编的函数来实现电 压变换 。输 出 u 2dq 是 定 子 坐 标 系 下 的 两 相 电 压p (is - is ) 。(3)2式中 : T 为转矩 , p 为极对数 。图 1 异步电动机等效电路图由式 ( 3) 可见 ,在实际运行中 ,保持定子磁链与 转子磁链幅值不变 , 而要改变异步电动机的转矩 , 可以通过改变磁通角 来实现 。异步电动机直接转矩控制系统的实现是采用 电压型 逆 变 器 向 电 机 供 电 , 利 用 逆 变 器 的 开 关 特 点 ,通过不断切换电压状态 , 即不断切换电压空间 矢量 ,使定子磁链的轨迹逼近圆形 , 并通过零电压 矢量的穿插调节来改变转差频率 ,直接对逆变器的 开关状态进行最佳控制 ,从而控制电机的转矩及其 变化率 ,电机的磁链和转矩同时按要求快速变化 。值3。电流变换模块的作用是把定子的三相电流通过 3/ 2 变换转换成定子坐标系 ( - 坐标系) 下的两相电流 。与电压变换模块不同的是 ,电流变换模 块的输入是通过电流传感器直接由异步电机检测 出的三相电流信号 。磁链和转矩的观测器是整个系统中最关键的 模块之一 ,其性能好坏直接影响到对电机调速的性 能 。它的输入是电机中定子两相坐标系下的定子 电压和定子电流 。输出是定子磁链的相位角 ( 磁通 角) 和幅值 ,以及转矩的大小 。估算磁链的方法有很多 ,这里采用了 u - i 模 型法 ,即利用式 ( 1) ( 3) 来计算 。这种方法简单 , 但在低速时存在很大误差 ,导致低速时性能不好 。磁链转矩观测器的内部结构见图 3 。基于 Matlab 的仿真框图对异步电机的直接转矩控制系统进行建模仿 真 ,可以在建立实际系统之前了解系统的特性 , 根 据仿真结果对系统进行优化 ,从而即可减少研究成 本 ,又能得到最优的系统性能 。Matlab 是工程上广泛应用的计算机仿真软件 。 它具 有 强 大 的 科 学 计 算 能 力 和 绘 图 能 力 。采 用 matlab 编写程序 , 避免了传统的繁杂的编程过程 。 特别是 matlab 带有很多专业的模块 ,在各个领域都 能方便的应用 。使用 matlab 最终建立的异步电机直接转矩控 制系统的仿真模型如图 2 所示 。整个仿真模型系统主要由 8 部分组成 : 逆变器2图 3 磁链转矩观测器的内部结构磁链控制器模块和转矩控制器模块中使用了 施密特触发器 。磁链和转矩的实际值与给定值比较后 , 得 到 误 差 值 。当 误 差 超 过 或 低 于 误 差 范 围时 ,就产生相应的磁链开关信号和转矩开关信号 。 然后输出给后面的电压状态选择模块 ,用来产生优 化的 PWM 信号 。转矩控制器同时还产生控制正 反转的开关信号 P/ N 。磁链控制器的结构见图 4 。图 5 电压状态选择模块的内部结构3仿真结果分析进行仿真的时候 ,先要选择一组参数实例 。仿真中异步电动机的参数如下 :功率 :37 . 5 k W定子电阻 :0 . 087 转子电阻 :0 . 228 定转子互感 :34 . 7 m H 定子漏感 :0 . 8 m H 转子漏感 :0 . 8 m H图 4 磁链控制器的内部结构电压状态选择模块也是整个系统中最关键的 模块 ,它直接产生 PWM 信号输出给逆变器 。近几 年来 ,对这个模块的结构有众多的研究 ,模糊控制 、 神经网络控制等智能控制方法已应用到其中 。本文使用传统方法 。根据磁链控制器 、转矩控 制器的开关信号 ,以及磁链相位角和正反转开关信 号 ,来选择合适的电压状态信号 , 以保证磁链空间 矢量的运动轨迹为近似圆形 ,同时保证高性能的转 矩动静态特性 。其结构如图 5 所示 ,其中主要部分 是一个自编写的 matlab 函数 ,完成了主要的工作 。额定电压 :460 V额定频率 :60 Hz 极 对 数 :2 摩擦系数 :0 . 1转动惯量 :1 . 662 kgm2另外 ,逆变器的输入直流电压为 780 V 。当给定磁链幅值 0 . 8 Wb ,给定转速 50 rad/ s ,给定负载 转矩 0 Nm 时 ,仿真的输出如图 6 所示 。图 6 中 ,从上到下表示的物理量依次为 : 电动 机的一相定子线电压 , 电动机的三相定子电流 , 转 速 ,电磁转矩 。横坐标为时间 ,单位 s 。图 6由图 6 可见 ,逆变器输出给异步电机的是定子 线电压的 PWM 电压信号波形 。定子电流非常接近 正弦波形 , 启动电流很大 , 到达稳态过程中逐渐 变 小 ,稳定在某个值 。转速在不到 1 s 的时间里即接近 了给定值 。电磁转矩启动过程中很大 ,用来加速 ,达 到稳定转速后 ,逐渐稳定在给定负载转矩 0 Nm 。 参考文献 :仿真输出北京 :机械工业出版社 ,2001 .赵伟峰 ,朱承高 . 直接转矩控制的发展现状与前景 J .电气传动 ,1999 (3) :310 .曹 承 志 , 曲 红 梅 , 路 战 红 , 杨 晓 波 . Matlab 软