三相异步电机直接转矩控制系统DTC仿真

1、目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc297640990 摘要I HYPERLINK l _Toc297640991 1 设计总体思路 PAGEREF _Toc297640991 h 1 HYPERLINK l _Toc297640992 1.1主电路的设计 PAGEREF _Toc297640992 h 1 HYPERLINK l _Toc297640993 1.2 基本原理 PAGEREF _Toc297640993 h 1 HYPERLINK l _Toc297640994 2 单元电路设计 PAGEREF _Toc297640994 h 3 HYPERL

2、INK l _Toc297640995 2.1 直接转矩控制系统模型 PAGEREF _Toc297640995 h 3 HYPERLINK l _Toc297640996 2.2 转速控制器 PAGEREF _Toc297640996 h 4 HYPERLINK l _Toc297640997 2.3 直接转矩控制器 PAGEREF _Toc297640997 h 4 HYPERLINK l _Toc297640998 2.4 转矩和定子磁链的计算 PAGEREF _Toc297640998 h 5 HYPERLINK l _Toc297640999 2.5 磁通和转矩滞环控制器 PAGER

3、EF _Toc297640999 h 6 HYPERLINK l _Toc297641000 2.6 磁链选择器 PAGEREF _Toc297641000 h 6 HYPERLINK l _Toc297641001 2.7 开关表 PAGEREF _Toc297641001 h 7 HYPERLINK l _Toc297641002 2.8 开关控制模块 PAGEREF _Toc297641002 h 8 HYPERLINK l _Toc297641003 3 实验仿真、实验波形记录及分析 PAGEREF _Toc297641003 h 9 HYPERLINK l _Toc297641004

4、 4 总结 PAGEREF _Toc297641004 h 12 HYPERLINK l _Toc297641005 5 附录 PAGEREF _Toc297641005 h 13 HYPERLINK l _Toc297641006 参考文献 PAGEREF _Toc297641006 h 141 设计总体思路1.1主电路的设计直接转矩控制系统简称DTC(Direct torque control)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在他的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的

5、正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再根据当前定子磁链的矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。 系统主电路如图1.1所示，由三相不控桥、交流母线、三相逆变器和异步电机组成，2812DSP的脉冲信号控制全控器件的导通。PW1 PW2 PW3 PW4 PW5 PW62812 DSP隔离驱动电路MFBSVD4VD2VD3VD6VD5V1V3V5V2V6V4C图1.1 系统主电路图1.2 基本原理直接转矩控制系统的原理结构如图1.2示，途中的和ATR分别为定子磁链调节器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器，他们的输出分

6、别为定子磁链幅值偏差的符号函数sgn()和电磁转矩偏差的符号函数sgn()，如图1.2所示。图中，定子磁链给定与实际转速有关，在额定转速以下，保持恒定，在额定转速以上，随着的增加而减小。P/N为给定转矩极性鉴别器，当渴望的电磁转矩为正时，P/N=1，当渴望的电磁转矩为负时，P/N=0，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数sgn()的控制效果是不同的。 PWM控制PWM控制电压矢量选择iASBSCSgn()sgn()sgn()M定子磁链计算3/2变换转矩计算P/NATR- Te- ASR- iBuAuBSAFBSFBSFBSFBS图1.2制系统原理结构图图1.2制系统原理结构图 sgn(sgn

7、()sgn()10图1.2 带有滞环的双位式控制器当渴望的电磁转矩为正，即P/N=1时，若电磁转矩偏差=-0，其符号函数sgn()=1，应使定子磁场正向旋转，使实际转矩加大；若电磁转矩偏差=-0，sgn()=0,一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。当期望的电磁转矩为负，即P/N=0时，若电磁转矩偏差=-0，sgn()=1，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩反向减小。2 单元电路设计2.1 直接转矩控制系统模型DTC Induction Motor Drive图2.1 直接转矩控制系统图标DTC Induction Motor Drive图2.1 直接转矩控制系统图标三相异步电动机直接转

8、矩控制系统模块图标如图2.1所示，仿真模型如图2.2所示。该模块由7个主要模块组成：三相不可控整流器（three-phase diode rectifier）、Braking chaopper、三相逆变器（three-phase inverter）、测量单元（Measures）、异步电动机模块（Induction machine）、直接转矩控制模块DTC。直接转矩控制系统采用6个开关器件组成的桥式三相逆变器（Three-phase inverter），该逆变器有8种开关状态，可以得到6个互差度的电压空间矢量和两个零矢量。交流电动机定子磁链收到电压空间矢量us控制，因此改变逆变器开关状态可以控制

9、定子磁链的运行轨迹（磁链的幅值和旋转速度），从而控制电动机的运行。2.2直接转矩控制系统模型结构2.2直接转矩控制系统模型结构2.2 转速控制器 如图2.3所示，转速给定N*经过加减速限制环节，使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降，转速反馈N经过了低通滤波器，得到转速偏差（N*-N）。Proportional gain、Integral gain和discrete模块组成带限幅的离散PI调节器，调节输出经过了选择开关，根据对话框中设定的转矩或转速控制方式决定转速控制的输出。加减速斜率、PI调节器比例和积分系数、低通滤波器截止频率等参数都在对话框中设定。图2.3 转速控制器Speed Co

10、ntroller结构2.3 直接转矩控制器直接转矩控制模块由转矩给定Torque*、磁通给定Flux*，电流I_abc和电压V_abc输入信号都经过采样开关，DTC模块包括转矩和磁通计算（Torque&Flux calculator）、滞环控制(Flux&Torque hystere-sis)、磁通选择(Flux sector seeker)、开关表(Switching table)、开关控制(Switching control)等单元。DTC模块是输出三相逆变器Three-phase inverter 开关器件的驱动信号。 图2.4 直接转矩控制模块结构2.4 转矩和定子磁链的计算转矩和定子

11、磁链计算（Torque&Flux calculator）单元结构如图2.5所示，它首先检测到异步电机三相电压V-AB经模块dq-transform和dq-transform变换，得到二相坐标系上的电压和电流，dq-transform和dq-transform变换模块结构如2.6所示。定子磁链的模拟和离散计算公式为 （2-1） （2-2） 式中, 和为二相坐标系上定子电压和电流，K为积分系数，为采样时间。磁链计算采用离散梯形积分，模块phi-d和phi-q分别输出定子磁链的和轴分量s和s，s和s经Real-Imag to Complex模块得到复数形式表示的定子磁链s，并由Complex to

12、Magnitude-Angle计算定子磁链s的幅值和转角。电动机转矩计算公式为 （2-3）图2.5 转矩和定子磁链计算单元结构图 图2.6 dq-V-transform和dq-I-tranform变换模块图2.5 磁通和转矩滞环控制器 电动机的转矩和磁疗都采用滞环控制，磁通和转矩滞环控制器（Flux&Torque hystore-sis）结构如图2-7所示。转矩控制是三位滞环控制方式，在转矩滞环宽度设为时，当转矩偏差和时，滞环模块和分别输出状态1和3，滞环模块和分别输出为0时，经或非门NOR输出状态2，磁链控制是二位滞环控制方式，在磁链滞环宽度设为时，当磁链偏差和时，模块dPhi分别输出状态“

13、1”和“2”。图2.7 磁通和滞环控制器2.6 磁链选择器 图2.8 磁链选择器模块输入是磁链计算模块输出的磁链位置角angle通过比较和逻辑运算输出磁链所在偏号。2.7 开关表图2.9 Magnetisation模块开关表2.10用于得到三相逆变器6个开关期间的通断状态，开关表中，Magnetisation模块结构如图2.9所示，其作用是将磁链反馈与设定值比较，当反馈值大于设定值时，S-R-flip-flop触发器Q端输出1，当反馈值小于设定值时，触发断输出0，从而控制电机起动时逆变器和转速调节器工作状态，使电动机起动时产生初始磁通。图2.10 开关表2.8 开关控制模块 开关控制模块如图2

14、.11所示，包括三个D触发器（D Flip-Flop），目地是限制逆变器开关的切换频率，并且确保逆变器每相上下两个开关处于相反的工作状态，开关的切换频率可以在模块对话框中设置。 图2.11 开关控制模块3 实验仿真、实验波形记录及分析异步电机直接转矩控制仿真图形如图3.1所示，系统由三相交流电源、直接转矩系统模块和检测单元等模块组成。三相电源线电压360V、60HZ，电源内阻0.02，电感0.05mL。电动机参数：149kW、460V、60HZ，图3.2是电动机和控制器参数页，系统有转速（speed reference）和转矩（Torque reference）两项输入，在调速的同时负载转矩也

15、在变化。转速和转矩给定使用离散控制模型库中的timer模块，speed reference设定值为：t=0、1s时转速分别为500、0r/min。Torque reference设定值为：t=0、0.5、1.5s时转速分别为0、792、-792N*m。模型采用混合步长的离散算法，基本采样时间Ts=0.2us，转速调节器采样时间为1.4us，仿真波形如图3-3所示。图3.1 转矩控制系统仿真模型从仿真波形可以看到在t=0时，转速按设定的上升率（900r/min）平稳升高，在起动0.6s时达到设定的转速500r/min。在00.5s范围内电动机是空载起动，电动机为200A；0.5s时加载792T*

16、m，电流上升到400A，加载时电磁转矩瞬间达到1200N*m，但是在控制系统控制下，加载对转速的上升和稳定运行没有明显影响。1s后电动机开始减速，定子电流减小，并且电流频率下降，在t=1.5s时转速下降为0，这时转矩给定从792变化为-792。转速仍稳定为0r/min，表明系统有很好的转矩和转速响应能力。图3.2 模块参数a)转速响应b）a相定子电流c)电磁转矩d）直流电压图3.3 仿真波形 4 总结本设计是三相异步电机直接转矩控制系统（DTC）仿真，直接转矩采用和双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以及期望电磁转矩的极性P/N，再根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取输入电

17、压矢量，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转自磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地残生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。通过此次课程设计，使我对直接转矩控制系统有了基本理解，大大提高了自己的动手能力，在学科综合运用方面的能力也有了很大的提高，更重要的是学会了使用MATLAB SIMULINK进行仿真。锻炼了分析电路图的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。5 附录图5.1为系统SIMULINK仿真图。 5.1 系统仿真图参考文献1 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真M. 北京：机械工业出版社，2010.2 王兆安，黄俊. 电力电子技

18、术M. 北京：机械工业出版社，2002.3 陈坚. 电力电子学M. 北京：高等教育出版社，2002.4 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，2003.5 洪乃刚. 电力电子技术举出M. 北京：机械工业出版社，2008.附录资料：不需要的可以自行删除玻璃幕墙安装施工工艺流程1、施工准备设计方案送甲方审核，明确钢板、钢拉杆材断面，以便备料；送材料样品供甲方认可，以便设计、加工；协调处理现场施工相关事项；与土建交接基准线；编制详细的可行的材料计划、加工计划和施工进度计划，并保证实施；根据现场情况和设计要求，编制局部分项施工方案（如钢架等），并进行交底；确定水平和垂直运输路线以及

19、施工临时堆放处；了解施工用电分布情况，确定电源的走道方式；检查安装所需用机具及安全设施；10、附件及其他物资准备。11、根据现场情况和施工方案提出脚手架方面的配合要求；12、进行现场办公、加工、材料存放保管、食宿、通讯等安排布置；13、做好技术交底工作。2、测量放线放线时，测量人员必须熟悉有关的施工图纸和甲方给出的现场基准轴线控制网和水平基准线，选择合适的测设方法进行测设。轴线放测时首先应找出相关建筑轴线与轴线的交点，找出所需的楼层控制标高位置，以此为依据进行放线。测量放线使用的测量仪器和测量工具应经检定合格结构使用。水平线的放测采用LNA10激光水准仪，垂直线的放测应采用JD2激光经纬仪，在

20、异形部位可采用电脑辅助方法进行。测量时风力不应大于四级，放线应沿楼板及屋架定出幕墙平面的基准线，从基准线外反一定距离作为幕墙平面，以此线为基准确定桁架构件及玻璃的前后位置，确定整片幕墙位置。 3、预埋件检查、连接件安装测量放线完成后，应对事先做好的预埋件进行检查，对补充的预埋件进行安装，预埋件安装应确保预埋件标高偏差：；表面深浅偏差；表面平整偏差：。在预埋件处理完毕后，即可进行连接件安装。连接件除了不锈钢和轻金属材料以外，其他金属材料必须经过热镀锌防腐处。4、现场焊接工艺流程坡口检查记录坡口检查记录焊接安全设施的准备、检查焊接设备、材料准备定位焊接衬垫、引弧板坡口检查坡口表面清理预 热焊 接焊

21、接外观及超声波探伤检查检查、验收记录焊接施工记录焊接时应采取有效措施，避免或减少焊接变形，消除积累误差。焊接完成后，依照有关焊接标准对焊缝进行检查验收，验收时现场监理工程师应在场并签署验收意见，作为中间隐蔽工程验收。6、施工顺序：脚手架搭设测量放线钢结构安装拉杆安装、调整玻璃安装、调整打胶玻璃清洁工程验收成品保护。7、施工方法1）、脚手架搭设在玻璃内、外面各搭设双排钢管脚手架。外架距离玻璃面450mm；内架距离玻璃面650mm。等玻璃清洁完并经过验收后，脚手架才可以拆除。拆除脚手架时要注意成品的保护。2）测量放线测量放线前要求甲方提供有关的轴位线、水平标高等基准线。根据图纸提供的尺寸，放出玻璃

22、的进出控制线及标高线；再根据各钢立柱的轴线放出玻璃分格线及各钢板铰接座的控制线，同时测量各立柱的垂直度，以便铰接座加工时可以预留调整量。3）预埋件安装质量支承结构屋面（楼板）梁（悬梁）上的预埋件应重点检测预埋标高。地锚预埋件，应重点检测标高以保证地锚底板面上的地坪装饰层厚牢的要求，并作必要的拉拨试验。4）支承钢柱、梁安装质量纵向钢柱：检测纵横轴线位置，尤其应检查上锚墩及地锚位置偏差，以保证日后安装钢杆桁架的垂直精度及幕墙立面定位精度。钢杆施加预应力将使梁产生挠曲，在控制主梁标高时，应予以反变形预调控制，以保证幕墙安装完成后，索桁架上端在同一水平位置上。5）地锚的安装质量检查其轴线位置及其与上锚

23、墩间位置偏差以保证索桁架的垂直精度及墙体定位；检查地锚筋板孔的标高是否致；检查地锚底板与预埋件、底板与筋板的焊接质量。c. 玻璃提升就位玻璃的提升采用汽车吊辅以电动吸盘进行，对于汽车吊无法达到的部位，可以利用结构设专用导轨架设电动葫芦，利用电动葫芦辅以电动吸盘进行提升。玻璃的就位采用人工方法进行就位。夹具不能直接和玻璃接触，应加设橡胶垫圈。对于最底下一层玻璃，在安装前应在驳接玻璃底部的U型槽中放入氯丁橡胶垫块后，才可将玻璃插入。d.调整、固定玻璃初步固定后应进行板块调整。玻璃调整的标准为“横平、竖直、面平”，横平即横向胶缝应水平，竖直即竖向胶缝应垂直，面平即各玻璃处于同一平面上。另外还应检查胶

24、缝大小是否一致，如不一致应进行调整。玻璃板块调整完成后应马上进行固定，之后进行玻璃外竖缝铝合金片竖向装饰线条安装。8、铝合金玻璃幕墙安装安装程序如下：1）连接铁件安装为了保证幕墙安装后处在规定的平面上，准确地焊接安装连接件很重要。一般要求连接件位置精确度为标高偏差不大于3mm，左右位置偏差不大于3mm，平面外偏差不应大于2mm，为了保证上述安装准确度，在焊接固定连接角钢之前，需在幕墙的上下两端之间用经纬仪或重型线锤定位，确定出控制用垂直平面的上下两条边线。用以控制、检测安装尺寸，在确定的上下边线位置设置固定悬挑点，拉设铅丝位置线，用以控制一列连接角钢的位置。在连接角钢的安装中应随时依据控制铅丝

25、测量铁件位置，使所有连接的安装孔或安装平面做到垂直、平整，误差在允许的范围以内。连接角钢焊接时，应先点焊，找正后再焊接固定。2）横梁安装A、连接角钢准确安装就位后，即可安装铝合金立柱，安装时将已加工、钻孔后的立柱嵌入连接角钢内，并且在角钢与立柱接触处设PVC衬垫隔离，防止电位差腐蚀。用不锈钢螺栓初步固定立柱，螺母与角钢间要加设足够强度的不锈钢弹簧垫圈。根据控制通线对立柱进行复核，调整立柱的垂直、平整度，达到要求后再将螺母最终拧紧固定。立柱每段之间的接头应有一定的空隙，不要顶紧，采用套筒连接法，以适应和消除建筑受力变形和温度变形的影响。立柱的安装应下自上逐层进行，每安装完一层，均应进行检查校正。B、安装横梁时可根据设计位置，在立柱外面拉横线，控制安装质量，但由于横梁的安装偏差主要取决于立柱的加工精度和安装精度，立柱上固定横梁的定位螺孔位置基本上已决定了横梁的位置，所以必须在立柱制作及安装时严格控制各项偏差，才能保证横梁安装的准确。同一层横梁的安装应由下向上进行。当安装完一层时，应进行检查、调整、校正后再固定，以保证达到质量标准的要求。C、幕墙框架安装质量除了加工精度控制之外，安装质量也是确保幕墙性能的重要环节，幕墙框架安装质量偏差控制应符合下表要求。 单位：mm序号项 目尺寸范