基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真和设计

基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计学院：信息与电气工程学院专业：电气工程及其自动化班级：08电气三班学号：姓名：基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计设计目的1、应用所学的交流调速系统的基本知识与工程设计办法，结合生产实际，拟定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。2、应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。二、设计任务基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计。三、交流电动机控制系统设计参数额定输出功率7.5KW；定子绕组额定线电压380V；定子绕组额定相电流12A;定子绕组每相电阻0.5欧姆；定子绕组接线形式Y；转子额定转速980rpm;转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:3欧姆；转子折算后额定电流30A；额定功率因数：0.75；电机机电时间常数2S;电枢允许过载系数1.5；环境条件:电网额定电压:380/220V;电网电压波动10%;环境温度:-40~+40摄氏度;环境相对湿度:10~90%. 控制系统性能指标:转差率：3%；调速范畴：D＝20；电流超调量不大于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量不大于等于30%;稳速精度：0.03.四、设计环节1、异步电动机的数学模型交流异步电机的数学模型相称复杂，它是一种高阶，非线性，强祸合的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。在讨论交流异步电机的数学模型前假设电机有以下特性:(l)电动机三相定、转子绕组完全对称。(2)电动机定、转子表面光滑，无齿槽效应。(3)电动机气隙磁动势在空间正弦分布。(4)铁心涡流、饱和及磁滞损耗无视不计。在满足上述抱负电动机假设条件下，经推导可得异步电动机在静止坐标系下的数学模型。对于分析直接转矩控制系统，采用空间矢量的数学分析办法，以定子磁链定向，建立在静止正交定子坐标系上，图1-1是异步电动机的等效电路。图1-1电动机空间矢量等效电路图图1-1中各变量的意义以下：—电角速度（机械角速度与极对数的积）—定子电压空间矢量、—定子、转子电流空间矢量、—定子、转子磁链空间矢量、—单相定子电阻、电感—折算到定子侧的单相转子电阻—单相转子漏感与定子漏感之和由图1-1能够得出定子电压方程，转子电压方程：（1-2）而定子磁链与转子磁链：（1-3）（1-4）转矩方程：消去电压方程和磁链方程中的和，能够得到以定子磁链、为状态变量的异步电动机的状态方程。（2-5）其中电机漏感系数（1-6）电机的电磁转矩能够表达为定子磁链和转子磁链的形式:（1-7）另外电磁转矩还能够表达成定子磁链和定子电流形式：（1-8）运动方程：（1-9）式1-7中，为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，方便充足运用电机，而转子磁链幅值由负载决定。式(1-13)表明，当维持定子磁链和转子磁链的幅值都恒定不变时，只要变化它们两者之间的夹角就能够变化转矩，这事实上就是直接转矩控制之因此简朴的根本所在。2、逆变器的数学模型与电压空间矢量逆变器如图1-2所示，每一组的上下两个开关器件的状态相反，这样逆变器共有8种开关状态组合。逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻不能同时导通，一种处在开通的状态另一种必须处在断开的状态，两者处在开关互逆状态。图1-2电压型逆变器原理图由于同一相上下桥臂的两个开关器件一种导通，则另一种关断，因此三组开关器件有八种可能的开关组合。分别用、、来表达三相上桥臂的开关状态，以a相为例，当a相上桥臂导通时，记作=1，当a相上桥臂关断时，记作=0。这样八种可能的开关状态如表2-1所示：表1-1逆变器的开关状态状态01234567000011110110001100111001八种可能的开关状态能够分成两类：一类是六种所谓的工作状态，即如上表中的状态“1”到“6”，它们的特点是三相负载并不都是接到相似的电位上去；另一类开关状态是零开关状态，即表中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都接到相似的电位上去。对于逆变器的八种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出七种不同的电压状态。这七种不同的电压状态也分成两类：一类是六种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”，分别称为逆变器的电压状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“0”和“7”，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态。逆变器输出电压状态的空间矢量的数学体现式为：（1-12）式1-12为逆变器的数学模型把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表达，则逆变器的多个电压状态和次序就有了空间的概念。在这里我们引入Park矢量变换，选三相定子坐标系中的a轴和Park矢量复平面正交的实轴重叠，则其三相物理量、、的Park矢量为：（1-13）从而我们能够得到逆变器的7个电压状态，(000和111为零状态)六个为有效电压矢量，幅值均为，相邻矢量相差60度，把整个平面均匀的划分成六个扇区如图1-3所示。图1-3电压空间矢量在坐标系里的离散位置3、直接转矩控制系统的构成直接转矩控制充足运用电压型逆变器的开关特点，通过不停变化电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来变化转差频率，以控制电机的转矩与磁链的变化，从而控制异步电动机的磁链和转矩按规定快速变化。直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变化，电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。图3-1直接转矩控制系统的典型框图图3-1为典型的直接转矩控制系统框图，整个系统是一种磁链转矩双闭环系统。速度给定与电机的速度观察值进行比较后通过一种PI调节器输出转矩给定信号。另首先系统检测三相定子电流和电压，经坐标变换转化到静止坐标系，由此计算电机的电磁转矩、磁链幅值和磁链所在的扇区N。磁链和转矩的给定和反馈信号送入转矩和磁通比较器，其差值经控制器输出转矩和磁链控制信号。开关状态选择器根据不同的扇区、转矩和磁链控制信号拟定下一种时刻逆变器的开关状态，从而拟定电机的端电压，确保电机在定子磁通不变状况下转矩满足负载的规定。从图中可看到，直接转矩控制系统重要由下列几部分构成:(l)磁链、转矩观察器:由电流、电压的采样值通过3/2变化按照电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩;(2)磁链调节器:为了控制订子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系统采用两点式控制，输出磁链控制信号;(3)转矩调节器:运用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩;(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出适宜的开关状态来控制逆变器驱动电机稳定运行。直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电压、相电流的采样值经3/2坐标变换，得到坐标下的分量，再按照异步电机的定子磁链和转矩模型计算出实际转矩和定子磁链的两个分量、，这样就能够计算出定子磁链幅值和磁链位置。将测量得到实际转速和给定转速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩。将给定转矩和送入转矩调节器，得到转矩控制信号，磁链调节器根据给定子磁链幅值和转子磁链幅值的差值输出磁链控制信号。最后开关状态选择单元根据磁链控制信号、转矩控制信号和磁链位置，查逆变器开关状态表，输出对的合理的开关状态来控制逆变器驱动电机对的运行。五、直接转矩控制仿真模型图六、设计数据拟定1参数计算：取=8V取整流内阻=0.5R=0.2整流电压变化三相桥式电路的平均失控时间：取=220v=3=4.5=2.250.78=取电流滤波时间常数：QUOTE转差滤波时间常数：转速反馈系数：取s3.电流调节器的计算：取近似校验：无视反电动势变化对电流环：电流环小时间常数近似解决条件：满足近似条件计算调节器电阻和电容取4.转差调节器计算：近似校验：电流环传递函数简化条件：转差环小时间常数：满足近似条件取七、异步电动机直接转矩控制系统的仿真参数与成果仿真电机参数以下:额定功率为10KW，额定电压为380V，额定转速为980r/min;定子电阻为0.2欧姆，转子电阻为3欧姆，频率为工频50赫兹，电机机电时间常数1S，电枢允许过载系数1.5，取摩擦系数为0。 直接转矩控制系统的磁链轨迹 转矩响应波形 直接转矩控制系统的三相定子电流波形直接转矩控制系统的定子电压波形电动机相电压波形八、实验总结直接转矩控制系统是通过直接控制逆变器的开关状态进而控制电动机的电压状态，从而控制电动机的磁链和转矩，使磁链轨迹近似为圆形。直接转矩控制系统的构造简朴，性能良好，应用范畴较大，含有很大的实用价值。将当代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究，无疑是这种新技术的发展趋势，也是当今值得进一步研究的课题。在做本毕业设计的时候我对异步电机数学模型做了一种简朴的理解，理解了定子转子的磁链的模型，查阅了大量的资料理解了直接转矩控制