异步电机直接转矩.docx

基于MatlabSimulink异步电机矢量控制系统仿真XXX（江南大学物联网工程学院 无锡中国 214122）摘要：针对异步电机交流调速系统的特点，采用了直接转矩控制（DTC）交流变频调速方案。直接对电机定子磁链和电磁转矩进行控制，避免了矢量控制中复杂的变换和参数运算，使控制结构变得十分简单。应用MATLAB/Simulink对直接转矩控制的定子磁链近似圆形控制的方法进行了仿真，从理论上证明了这种方法的可行性，并且对仿真波形进行分析，验证系统的正确性关键词：直接转矩；MATLAB/Simulink；异步电动机中图分类号：TM30 文献标识码：AAbstract：In view of the characteristics of storage Asynchronous motor drive system using an advanced AC frequency converter program: Direct Torque Control (DTC), which directly to control the motor stator flux and torque, the method of DTC avoid the computational complexity of the transformation parameters, which control structure is very simple.The simulation models of approximate circle flux control system are presented based on the application of MATLAB/Simulink by the author. The feasibility and correctness of this method are testified in theory and the correlative waveforms which can explain the advantage of system are captured.Key words：DTC, MATLAB/Simulink, Asynchronous motor1 引 言德国鲁尔大学MDepenbrock教授于1985年首次提出了直接转矩控制(DTC)理论。该理论的核心是摒弃了矢量控制技术中过于繁杂的解耦思想，简单地借助三相定子电压和电流在静止坐标系中直接计算磁链和转矩，与给定值进行比较后，再通过两点式或多点式调节控制实现高性能的调速控制。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、实际性能难于达到理论分析结果等一些重大问题。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、控制电动机的磁链和转矩，不像矢量控制，将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，更不需要模仿直流电动机的控制而要求利用解耦后的简化交流电动机数学模型来实现对转矩的间接控制，使系统结构变得十分简单，更为容易实现。2 异步电动机在两相静止坐标系下数学模型异步电动机在两相静止坐标系（坐标系）下的数学模型是在任意速旋转坐标系下数学模型当转速等于零时的特例。当=0时, =,即转速的负值。数学模型由以下方程表述(1)磁链方程 (2-1)式中:，dq子磁链的两个分量；,dq系下定子电流与转子电流的两个分量；定子与转子同轴等效绕组间的互感；定子等效两相绕组的自感；转子等效两相绕组的自感；(2)电压方程 (2-2)式中:，dq坐标定子电压与转子电压的两个分量；,电阻；, dq坐标系分别相对于定子,转子的角速度；, , , , , , 同上。(3)转矩方程 (2-3)式中: 电动机转矩；电动机极对数；, , , , 同上(4)运动方程 (2-4)式中:负载转矩；电动机转速；电动机转动惯量；, 同上以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型3 异步电机直接转矩控制的原理3.1 直接转矩控制原理直接转矩控制是为电压源型PWM逆变器传动系统提出的一种先进的转矩控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系统性能相媲美。该控制方案的原理是通过查表的方法以选择合适的电压空间矢量，从而实现异步电动机传动系统转矩和磁链的直接控制。其控制原理如下：首先，在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子磁链的函数： (3-1)式中:,定子磁链、转子磁链；, , 定子电感、转子电感、定子转子之间的互感；电动机极对数；电磁转矩；转矩角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角；在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角即转矩角可以控制电动机的转矩。在直接转矩控制中，其基本控制方法就是通过选择电压空间矢量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，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过PWM逆变器来实现对异步电动机的控制。整个控制系统框图如图3-1所示：图3-1 直接转矩控制系统框图磁链和转矩滞环控制器为两电平输出，原理图如图3-2和图3-3所示：图3-2 磁链滞环控制器数学表达式如下：式中，为磁链控制器的总滞环带宽。图3-3 转矩滞环控制器数学表达式如下：式中，2为转矩控制器的总滞环带宽给定定子磁链矢量*的圆形轨迹在滞环内沿逆时针方向旋转，如图3-4所示。实际的定子磁链矢量被控制在滞环带内并以之字形轨迹跟踪给定定子磁链矢量*。图3-1中的信号计算模块根据电机端电压和电流信号计算出磁链和转矩反馈信号，还计算出定子磁链矢量所在的扇区S(k)。如图3-4所示，共有6个扇区(每个扇区占)。图3-1中的电压矢量表模块输入信号、和S(k)，通过查表方式得到需要加在逆变器上的适当的电压矢量，如表3-1所示。图3-5表示了逆变器的8个电压矢量(6个非零电压矢量和2个零矢量)和典型的矢量。如果忽略定子电阻，可得下式： (3-2)或者 (3-3)上式表明，定子磁链矢量的增量为电压矢量Vs与时间增量出的乘积，也就是说它与逆变器的六个非零电压矢量之间存在着一定的对应关系，如图3-4，3-5所示。图3-4 DTC控制下定子磁链矢量的轨迹图3-5 逆变器电压矢量及时间段内相应定子磁链的变化表3-1给出了磁链滞环控制器的输出、转矩滞环控制器的输出、定子磁链所在扇区S(k)三者与所加在逆变器上的电压矢量之间的关系。通过查表3-1，可以选择适当的电压矢量作用于电机，其电压矢量实际上同时对电机的转矩和磁链进行控制。表3-1逆变器电压矢量开关表001110表3-2归纳了图3-5中各个电压矢量作用下，定子磁链和转矩变化量的大小和方向。可见，电压矢量、和作用时，磁链会增大；而当、和作用时，磁链会减小。同样的，电压矢量、和作用时，转矩会增大；、和作用时，转矩会减小。零矢量(或)使电机终端短路，理论上此时磁链和转矩保持不变。但是由于存在一定的定子电阻压降，转矩和磁链在电机终端短路时会略有减小。表3-2电压矢量引起的磁链和转矩的变化电压矢量 0例如，当系统运行在图3-4中扇区s(2)的B点，此时磁链过高，转低，即=0，=1，由此查表3-1，可知下一步电压矢量将作用于逆变器，即产生轨迹BC 段。在点c，=1，=1，又查表可知为电压矢量由此类推，系统很容易在四个象限运行。以上详细讨论了在三相静止坐标系下异步电动机直接转矩控制的基本原理，由于三相-两相变换下并不改变转矩的计算方法和控制方法，所以在两相静止坐标系下同样适用。3.2 定子磁链和转矩的计算模型定子磁链采用的u-i模型是用定子电压和定子电流来确定定子磁链的模型。这种模型最简单，在计算过程中所唯一需要知道的电机参数是易于确定的定子电阻。这种模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果，只有在10额定转速以上，特别是在30额定转速以上时，才能够非常准确地估计定子磁链。模型的基本方程式如下： (3-4)转矩在dq坐标系上的计算方程为: （3-5）4 异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模与仿真依据异步电机直接转矩控制变频调速系统的原理图，我们在simulink的基础上可以建立其仿真模型，如图4-1所示。系统原理的实现：三相交流电源依次经三相二极管整流、制动斩波电路、三相逆变器和电压电流测量模块给异步电机供电；给定转速加于速度控制器，经过磁链查表输出给定磁链；给定速度与速度反馈（实际速度）比较后经过PI调节器输出给定转矩信号，同时速度控制器模块输出控制信号加于电机信号分离器。子系统1包括转矩和磁链滞环控制模块、转矩和磁链观测模块、磁链扇区判别模块、电压矢量开关表和开关控制器，给定转矩和磁链分别与实际转矩和磁链取差值，然后分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区sector一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量；电压电流测量模块输出i_ab和V_abc，送入到转矩和磁链观测模块，用于计算磁链。各种信号经过电机信号分离器后分别由示波器显示。 图4-1 系统仿真模型5 仿真结果分析系统通过给异步电机施加阶跃信号的方式，仿真电机在启动和突加负载时的转矩和转速波形，并记录了定子磁链的圆形轨迹，以及定子在三相和两相坐标系下的电流波形，编写m文件，画出与示波器波形等同的波形。M文件如下所示：clcplot(w1.time,w1.signals.values,r)hold onplot(w2.time,w2.signals.values,b)hold offtitle(两相坐标系下电流波形);xlabel(t)ylabel(is dq);grid onfigureplot(v1.time,v1.signals.values,r)hold onplot(v2.time,v2.signals.values,b) hold onplot(v3.time,v3.signals.values,y)hold offtitle(三相静止电流波形);grid onfigureplot(X,Y,b)title(定子磁链轨迹);grid onfigureplot(Vdc.time,Vdc.signals.values,b)title(直流电压波形);grid onfigureplot(S.time,S.signals.values,b)title(转速波形);grid onfigureplot(T.time,T.signals.values,b)title(转矩波形);grid onfigureplot(X1,Y1,b)title(转子磁链轨迹);grid on1异步电机转速波形查看从0.5s到1s内的异步电机转速性能观测波形，如下图：分析转速波形超调量1.6%，调节时间0.575s。t=0.8s时，突加负载后，转速有所降低，但很快达到稳定，性能良好。2启动和突加负载时的转矩波形 仿真结果表明实际转速对给定转速表现出很好的跟踪性能，超调量较小，调节时间较短；转矩和转速均在0.58s时达到稳态；突加负载后，转速基本上保持稳定，转矩增大，并保持稳定。3定子磁链轨迹4 转子磁链轨迹5 直流母线电压波形6电子电流波形 7三相静止稳态电流 8两相坐标系下的定子电流波形 9两相定子电流稳态波形由转矩和定子电流的波形看出，转矩和定子电流均存在脉动太大的问题，这是本文做得不足而需要改进的地方。分析一下，应该有以下的原因：首先，直接转矩控制系统使用了转矩滞环控制器来控制电机的转矩，使得实际转矩值保持在其给定值的一定范围之内变化，这导致了输出转矩必然存在一定的脉动范围。其次，在实际的数字化控制系统中，输出转矩脉动也受到系统采样周期的影响。系统采样周期的大小很大程度上决定了转矩脉动的幅值，采样周期越小，输出转矩的脉动越小。但是，系统的采样周期不能无限减小，它受到硬件性能的限制。再次，由于标准的电压源型逆变器只有6个非零电压向量和2个零电压向量可供选择，而这6个非零电压向量在空间上是相隔分布的，所以电压向量的切换是步进式的。根据定子电压向量和定子磁链之间的关系，电压向量作用后定子磁链可以产生相应的快速变化，因此定子磁链的变化也是接近步进式的。而转子磁链相对于定子磁链变化缓慢，在一个采样周期的很短时间内可近似视为不变，这样导致转矩角产生了阶跃式的变化，因此电磁转矩的变化相应也是阶跃式的，并最终造成了较大的转矩脉动。6 心得体会通过对异步电机数学模型和直接转矩控制原理的进一步的学习，使我对异步电机是一个多变量、强耦合、参数时变的非线性对象这一特征有了更深的理解。同时也了解到，直接转矩控制是通过选择电压空间矢量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，进而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。总之，这次针对交流异步电机变频调速系统的直接转矩控制方案进行的系统化的建模和仿真，使我收获颇丰！参考文献：1 陈伯时.电力拖动控制系统（第三版）M.北京：机械工业出版社M,20042 李夙. 异步电动机直接转矩控制M.北京机械工业出