【正文】 課題背景 ?????????????????????? ? 4 異步電機(jī)發(fā)展概況 ?????????????????? 4 直接轉(zhuǎn)矩控制的產(chǎn)生與概況 ????????????? ? 5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ????????????????? ??? 6 ?????????????? ? 7 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ??????? ????????? 7 ??? 8 ???? 9 ???? 10 ??????????????????? 11 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 ?????????????? 13 定子磁鏈的估計(jì)模型 ????????????????? 17 ui 模型 ????????????? 17 鏈估計(jì)的 in 模型 ????????????? 17 un 模型 ????????????? 18 3. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究 ? ?????????????? 19 系統(tǒng)的總體構(gòu)成 ???????????????????? 19 仿真模型的建立 ???????????????????? 19 仿真結(jié)果及分析 ???????????????????? 25 總結(jié)與展望 ?????????????????????????? 27 參考文獻(xiàn) ???????????? ??????????????? 28 致謝 ????????????????????????????? 29 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究 摘 要 本文先簡(jiǎn)單介紹了該研究的背景和發(fā)展概況，隨即又 介紹 了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的生產(chǎn)概況和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 進(jìn)行了 研究。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 題目： 異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制仿 真研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的定子磁鏈的加權(quán)模型能夠在電機(jī)運(yùn)行的全速范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計(jì)定子磁鏈。仿真結(jié)果表明，兩種改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)依然優(yōu)于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，依然能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差。 DTC 借助瞬時(shí)空間矢量理論在定子靜止坐標(biāo)系下計(jì) 算電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與給定值做滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。 隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其中應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種高性能的控制調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)交流傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一種最優(yōu)的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，它可以對(duì)所有交流電動(dòng)機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。交流電機(jī)的各種控制方法，包括標(biāo)量控制、向量控制（磁場(chǎng)定向控制）、直接轉(zhuǎn)矩控制和自適應(yīng)控制等。向量控制既可以應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) H1。直接轉(zhuǎn)矩控制于 1985 年由德國(guó)魯爾大學(xué)的 教授首次提 出，并獲得了令人滿(mǎn)意的控制效果。 異步電機(jī)發(fā)展概況 電力拖動(dòng)系統(tǒng)分為恒速 拖動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)。 (3)由于直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)因素使單機(jī)容量及轉(zhuǎn)速受到限制。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低。 (2)異步電動(dòng)機(jī)不易出現(xiàn)故障，維修簡(jiǎn)單。異步電機(jī)還便于派生成各種不同型式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。但隨著大功率電子器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前適用于寬調(diào)速的異步電機(jī)的調(diào)速性能及經(jīng)濟(jì)性已可與直流電機(jī)的相媲美。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，隨著電動(dòng)機(jī)溫度的升高和磁路的飽和，這些參數(shù)可能在大范圍內(nèi)變化，而使用不精確的參數(shù)則難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程的完全解耦。與向量控 制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制的主華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 要優(yōu)點(diǎn)是：在定子坐標(biāo)系下對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，摒棄了向量控制中的解耦思想，直接控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并用定子磁鏈的定向代替轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，避開(kāi)了電動(dòng)機(jī)中不易確定的參數(shù)（轉(zhuǎn)子電阻）。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 直接轉(zhuǎn)矩控制雖然有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前在理論上尚不成熟，不夠完善，其經(jīng)典模型固有的缺陷一直阻礙著直接轉(zhuǎn)矩控制的進(jìn)一步發(fā)展。異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別，是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正 方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。不同電動(dòng)機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全相同。它比異步電動(dòng)機(jī)在三相以任意轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，階次有所降低，但是其非線(xiàn)性、多變量、強(qiáng)耦合的性質(zhì)沒(méi)有改變。這種模型又稱(chēng)為 Kron的異步電動(dòng)機(jī)方程式或雙軸原型電機(jī)（ Two Axis Primitive Machine）基本方程式。39。39。sq? , 39。sqi , 39。1111s d s dS S s m ms q s qs S S m mr d r dm s m r r s rr q r qs m m s r r ruiR L P L L p LL R L P L L pL p L R L P LL L p L R L P????????? ? ?? ? ? ???? ? ? ????? ? ? ???? ? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ? (210) 式中 39。rqu —— d’q’ 坐標(biāo) 定子電壓與轉(zhuǎn)子電壓的兩個(gè)分量； SR , rR —— 定子電阻與轉(zhuǎn)子電阻 1? —— 定子同步角轉(zhuǎn)速 , 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 s? —— 轉(zhuǎn)差頻率 （ 3） 轉(zhuǎn)矩方程 39。()e p m sq rd sd rqT n L i i i i?? (211) 式中 eT —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 pn —— 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)； （ 4） 運(yùn)動(dòng)方程 eL pjdTT n dt??? (212) 式中 LT —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ? —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 J —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 以上構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 O u t 1I n 1 O u t 2O u t 3I n 1I n 2I n 3O u t 1O u t 2I n 1I n 2O u t 1O u t 2c l o c kS u b s y s t e m 1 S u b s y s t e m 2 S u b s y s t e m 3KG a i nS c o p e 1S c o p e 2 圖 23 異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的總結(jié)構(gòu)圖 在圖 23 中， Subsystem1 表示三相交流電源模塊， Subsystem2 表示三相 相變換模塊， Subsystem3 表示異步電動(dòng)機(jī)模塊，三部分的具體結(jié)構(gòu)圖如圖 24，圖 25，圖 26 所示： 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 1I n 12 * p i * 5 0 2 / 3 * p i2 / 3 * p is i n++++s i ns i n2 2 0 * s q r t ( 2 )2 2 0 * s q r t ( 2 )2 2 0 * s q r t ( 2 )123O u t 1O u t 2O u t 3 圖 24 三相交流電源模塊結(jié)構(gòu)圖 1+++++12O u t 1O u t 2S q r t ( 2 / 3 )S q r t ( 2 / 3 )S q r t ( 2 / 3 ) S q r t ( 2 / 3 ) 1 / 2 1 / 223I n 1I n 3I n 2 圖 25 三相 相變換模塊結(jié)構(gòu)圖 12I n 2+++++4 . 6 8 52 9 . 0 7r + 2 . 1 3 . 1 43 . 1 4 3+1r + 4 . 8 2 9I n 10 . 9 71 . 9 4++K1S1 / 2 12O u t 1O u t 20 . 9 72 9 . 0 7r + 2 . 1 3 . 1 44 . 6 8 53 . 1 4 3+1r + 4 . 8 2 9XXXXXX 圖 26 異步電動(dòng)機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖 仿真所用到的電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓 u=220v，頻率 f=50Hz，額定轉(zhuǎn)速v=1480r/min，定子電阻 SR ＝ ? ，轉(zhuǎn)子電阻 rR ＝ ? ，定 子等效兩相繞組的自感 sL ＝ ，轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感 rL ＝ ，定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感 mL ＝ ，極對(duì)數(shù) 2np? ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 N m??。 m) 圖 210 轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn) (負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 10n 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 直接轉(zhuǎn)矩控制是為電壓源型ＰＷＭ逆變器傳動(dòng)系統(tǒng)提出的一種先進(jìn)的標(biāo)量控制技術(shù)，基于該技術(shù)的傳動(dòng)系統(tǒng)性能可與矢量控制的異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)性能相媲美。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，其基本控制方法就是通過(guò)選擇電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)矩角的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的 。的圓形軌跡在滯環(huán)內(nèi)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖 214 所示。 )。 2 H B ψE DCBAV 4 Δ t 4V 3 Δ t 3V 2 Δ t 2V 1 Δ t 1S ( 1 )S ( 2 )S ( 3 )S ( 4 )S ( 5 )S ( 6 )
/ 3ψ Sψ rd sω e圖 214DTC 控制下定子磁鏈?zhǔn)噶康能壽E 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 V 1 ( 1 0 0 )V 2 ( 1 1 0 )V 3 ( 0 1 0 )V 4 ( 0 1 1 )V 5 ( 0 0 1 )V 6 ( 1 0 1 )V 0 ( 0 0 0 )V 7 ( 1 1 1 )ω eΔ ψ 1Δ ψ 2Δ ψ 3Δ ψ 4Δ ψ 5 Δ ψ 6ψ s 圖 215 逆變器電壓矢量及 t? 時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)定子磁鏈的變化 表 21 給出了磁鏈滯環(huán)控制器的輸出SH?、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器的輸出 HeT、定子磁鏈所在扇區(qū) S(k)三者與所加在逆變器上的電壓矢量之間的關(guān)系。同樣的，電壓矢量 2V 、 3V 和 4V 作用時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)增大； 1V 、 2V 和 6V 作用時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。在點(diǎn) c，SH?=1， HTe=1，又查表可知為電壓矢量 3V 由此類(lèi)推，系統(tǒng)很容易在四個(gè)象限運(yùn)行。定子磁鏈估計(jì)的基本模型分為電壓 電流模型 (ui 模型 )、電流 轉(zhuǎn)速模型 (in 模型 )和電壓 轉(zhuǎn)速模型 (un 模型 )三種。模型的基本方程式如下： ()()sa sa sa ss s s su i R d tu i R d t? ? ????????????????? (218) 定子磁鏈估計(jì)的 in 模型 in 模型是用定子電流和轉(zhuǎn)速來(lái)確定定子磁鏈的模型。將 30％額定轉(zhuǎn)速定為切換點(diǎn)于此轉(zhuǎn)速用 ui 模型，低于此轉(zhuǎn)速用 in 模型。 圖 236 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控