【正文】 LL????? ?? ????????? ?????? ?????????????? ?????? ???? ??? （ 42） 異步電機(jī)的仿真程序主要部分如下所示。 Simulink 包含 Liner等一系列具有廣泛功能的子模型庫，用戶 也可以自己定制、創(chuàng)建功能模塊。 （ 7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面， 可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接。可用于科學(xué)計(jì)算和工程繪圖。其擁有 600 多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。現(xiàn)在它們已有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析等 20 多個(gè)工具箱，并且還在繼續(xù)擴(kuò)展。 ，可擴(kuò)展性強(qiáng) MATLAB 軟件包括基本部分和專業(yè)部分。這些都減輕了編程和調(diào)試的工作量。在控制界，很多著名的專家和學(xué)者為其擅長的領(lǐng)域開發(fā)了工具箱，而其中很多的工具箱已成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。 第 4 章 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真 系統(tǒng)仿真工具的介紹 MATLAB 簡介 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商 業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出一直為 ―1‖態(tài)，電壓為全工作電壓控制，不出現(xiàn)零電壓狀態(tài)。 六 .每個(gè)區(qū)段上用一個(gè)工作電壓狀態(tài)。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)確定區(qū)段。由此帶來弱磁范圍工作的兩個(gè)特點(diǎn) :一是轉(zhuǎn)速的提高，即定子頻率的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)的加快，靠的是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁。 弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案 弱磁范圍的工作特點(diǎn)與基速以下時(shí)有很多不同。 在這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的 DSR 控制，主要由磁鏈自給定環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)起作用。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)內(nèi)的施密特觸發(fā)器 (也叫磁鏈給定值比較器 )來確定區(qū)段。 直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 18 高速調(diào)節(jié)方案 高速范圍是指從 30%到 100%額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速范圍。 六 .圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡，圓形磁鏈軌跡用于 15%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，六邊形磁鏈軌跡用于 15%30%額定轉(zhuǎn) 速的范圍。 二 .為了改善轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能，對定子磁鏈空間矢量要實(shí)現(xiàn)正反向變化控制。 低速調(diào)節(jié)方案 異步電動機(jī)的低速范圍是指額定轉(zhuǎn)速 30%以下的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速方案 在研究直 接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的時(shí)候必須對異步電動機(jī)在不同運(yùn)行速度下，電動機(jī)空間電壓矢量以及磁鏈的變化進(jìn)行分析。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇 對應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓 矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。因此從 1t 時(shí)刻到 2t 時(shí)刻這段時(shí)間里，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度要大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，磁通角由 1()t? 變大為 2()t? ，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也會增大。要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，可通過改變磁通角 ?（ t） 的大小來實(shí)現(xiàn)。 式 219 也可以寫成： 32 Pe s sTi??? (37） 對式 37 兩邊進(jìn)去微分計(jì)算，再乘以 L? ，可得以下式子： ()T P P Re r s r m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (38) 式中 直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 16 srm s rmmLLR R RLL?? (39) 將 rs??? 代入式 221 可得 ()T P P Re r s s m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (310） 因此，單純從數(shù)學(xué)式 (310)上來看，可以得到以下結(jié)論 : (l)當(dāng)施加超前于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得 0Teddt? 時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加。 (2)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角 ? 的絕對值大于 90 度的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值減小。從圖23 可以看出 :如對異步電動機(jī)施加工作狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運(yùn)動方向和幅值都將 發(fā)生變化 。如果需要 s? 作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選擇電壓矢量 5U 。定子 磁鏈處于第一扇區(qū)，假設(shè)運(yùn)動 至 A 點(diǎn)，則有 s ???? ?? ，此時(shí)，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號為 F? ,輸出電壓矢量應(yīng)使 ||s? 增加。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 : s? 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)： 若 *ee TTT? ??時(shí)，則 1tF? ； 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 若 * 0eeTT??時(shí)，則 0tF? ； 若 *0 ee TTT? ? ? ?時(shí)，則 tF 保持不變。通過電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，用定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠e來表達(dá)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)一樣，也采用滯環(huán)比較器 (見圖 33)輸入量為轉(zhuǎn)矩給定值 *eT 及轉(zhuǎn)矩觀測值 eT ，輸出量為 TF ， 2T? 為轉(zhuǎn)矩 滯環(huán)范圍。調(diào)制規(guī)則為 : 當(dāng) s ????? 時(shí)， 1F?? ，此時(shí)選擇電壓矢量使 ||s? 增加 。由此可知控制異步電機(jī)的輸入電壓矢量，就可以控制定子磁鏈的大小 、旋轉(zhuǎn)方向和速度。根據(jù)異步電動機(jī)運(yùn)動方程 r eLdJ TTp dt? ??可知電磁轉(zhuǎn)矩與速度偏差之間是比例積分的關(guān)系。最后開關(guān)狀態(tài)選擇單元根據(jù)磁鏈控制信號 F? 、轉(zhuǎn)矩控制信號 tF 和磁鏈位置 ||n? ，查逆變器開關(guān)狀態(tài)表，輸出正確合理的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動電機(jī)正確運(yùn)行。 (4)開關(guān)狀態(tài)選擇單元 :根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號以及定子磁鏈位置，輸出合適的開關(guān)狀態(tài) abcS 來控制逆變器驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。開關(guān)狀態(tài)選擇器根據(jù)不同的扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號確定下一個(gè)時(shí)刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而確定電機(jī)的端電壓，保證電機(jī)在定子磁通不變情況下轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載的要求。 M速 度 P I調(diào) 節(jié) 器磁 鏈 滯 環(huán)轉(zhuǎn) 矩 滯 環(huán)開 關(guān)狀 態(tài)選 擇扇 區(qū) 判 斷磁 鏈 觀 測轉(zhuǎn) 矩 計(jì) 算逆變器3 / 2 相坐 標(biāo)變 換速 度 檢 測（ 速 度 傳 感 器 ）*s?*r?,ii??, buu??? ???? *eTNs? ,a b ci i i, bcu u u?r?F?TFeT 圖 31 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖 圖 31 為典型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)磁鏈轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。在這里我們引入 Park 矢量變換，選三相定子坐標(biāo)系中的 a 軸和 Park 矢量復(fù)平面正交的實(shí)軸重合，則其三相物理量 aU 、 bU 、 cU 的 Park 矢量 ()stu 為： 2433() 23 jjacbstu u u e u e????????? ?? （ 213） 從而我們可以得到逆變器的 7 個(gè)電壓狀態(tài)， (000 和 111 為零狀態(tài) )六個(gè)為有效電壓矢量，幅值均為 23dcu ，相鄰矢量相差 60 度，把整個(gè)平面均勻的劃分成六個(gè)扇區(qū)如圖 23 所示。這樣八種可能的開關(guān)狀態(tài)如表 21 所示： 表 21 逆變器的開關(guān)狀態(tài) 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 aS 0 0 0 0 1 1 1 1 bS 0 1 1 0 0 0 1 1 cS 0 0 1 1 1 0 0 1 八種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài) ―1‖到 ―6‖，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都是接到相同的電位上去；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài) ―0‖和狀態(tài) ―7‖，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。 逆變器的數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量 逆變器如圖 22 所示，每一組的上下兩個(gè)開關(guān) 器件的狀態(tài)相反，這樣逆變器共有 8種開關(guān)狀態(tài)組合。 直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 6 susi sRs? Li?riRRJ?? 圖 21 電動機(jī)空間矢量等效電路圖 圖 21 中各變量的意義如下： ? —電角速度（機(jī)械角速度與極對數(shù)的積） SU —定子電壓空間矢量 si 、 ri —定子、轉(zhuǎn)子電流空間矢量 s? 、 r? —定子、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量 sR 、 L —單相定子電阻、電感 rR —折算到定子側(cè)的單相轉(zhuǎn)子電阻 L? —單相轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感之和 由圖 21 可以得出定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程： sssS dU R i dt??? （ 21） 0 rrtrr jdRi d ?? ?? ? ? （ 22） 而定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈： S s m rs LiLi? ?? （ 23） rrr m sLiLi? ?? （ 24） 轉(zhuǎn)矩方程：消去電壓方程和磁鏈方程中的 si 和 ri ，可以得到以定子磁鏈 s? 、 r? 為狀態(tài)變量的異步電動機(jī)的狀態(tài)方程。 (3)電 動機(jī) 氣隙磁動勢在空間正弦分布。本章從異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理，對系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分析。矢量控制技術(shù)模仿直流電 動機(jī) 的控制方法，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實(shí)現(xiàn)了對交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全 控制 。 為實(shí)現(xiàn)這一控制，并且考慮到逆變器件所能承受的開關(guān)頻率，將定子磁鏈的軌跡分為 六個(gè)區(qū)，對定子磁鏈實(shí)行分區(qū)控制，不同區(qū)域采用不同定子電壓切換向量，使得定子磁鏈的軌跡近似為一圓形。從轉(zhuǎn)矩控制的角度來看，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，即電流和磁鏈的乘積，但從電動機(jī)合理運(yùn)行的角度出發(fā)，仍希望磁鏈幅值不變。 總之，直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科技的進(jìn)步又進(jìn)一步促進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 4 了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的迅猛的發(fā)展，相信在不久的將來應(yīng)用了高科技的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)會給社會帶來巨大的生產(chǎn)力。1987 年， Tamaishinzo 采用模型參考自適應(yīng) (MARS) 的方法實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)辯識。 (5)無速度傳感器理論 在速度檢測方面，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求有速度傳感器，存在成本高、安裝維護(hù)困難、系統(tǒng)易受干擾、可靠性降低、不適于惡劣環(huán)境等弊端。該觀測器把對定子電阻值影響比較大的三個(gè)因素 —定子電流、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動時(shí)間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設(shè)計(jì)了模糊觀測器。為了改善這種情況，減小 轉(zhuǎn)矩的脈動，一些研究者提出了一種新的電壓矢量選擇方法 —預(yù)期電壓法 :首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差、磁鏈偏差和轉(zhuǎn)速計(jì)算出一個(gè)能達(dá)到最佳控制的預(yù)期電壓，然后用電壓型逆變器的 6 個(gè)工作電壓中與之相鄰的兩個(gè)電壓矢量來合成它，計(jì)算出各自的工作時(shí)間 ,然后用零電壓補(bǔ)足采樣周期 ’。磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上相同。下面簡要介紹一些對直接轉(zhuǎn)矩控制中各控制環(huán)節(jié)安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的改進(jìn)研究情況。目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍。為補(bǔ)償參數(shù)變化的 影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識和補(bǔ)償算法，但補(bǔ)償算法的引入也會使系統(tǒng)算法復(fù)雜化。 直接法就是 通過在電動機(jī)內(nèi)部埋設(shè)感應(yīng)線圈以檢測電 動機(jī)的 磁鏈，這種方式會使簡單的交流電 動機(jī) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁鏈的檢測精度也不能得到長期的保證。所謂矢量控制，就是交流電 動機(jī) 模擬成直流電 動機(jī) 來控制，通過坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕，然后分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩 特性 和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。就變頻調(diào)速而言，其形式也有很多。而交流電 動機(jī) 尤其是鼠籠異步電動機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的優(yōu)點(diǎn)，使得交流電 動機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢 強(qiáng)于 直流電 動機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)。特別是 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和 80 年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交