【正文】 ................ 23 4. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真和性能分析 ................................. 23 關(guān)于 MATLAB 軟件 ................................................. 23 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 ................................................. 24 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 Matlab／ Simulink 仿真 ......................... 24 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能優(yōu)缺點(diǎn)分析 ................................ 26 本章小結(jié) ........................................................ 27 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 II 結(jié)論 ................................................................. 28 謝辭 ................................................................. 30 [參考文獻(xiàn) ] ........................................................... 31 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 1 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 中文 摘要： 對(duì)于三相異步電機(jī)來說，直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）是一種高性能的變頻調(diào)速控制方案。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的 發(fā)展。 第二部分，建立三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，明確直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。在能源開采、工業(yè)生產(chǎn)以及交通物流等等領(lǐng)域中，電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備更是必不可少的，可以說它與我們的生活息息相關(guān)。而在使用的所有電機(jī)中，80％以上為功率在 220KW 以下的中小 型交流感應(yīng)異步電機(jī)。 因此，為了滿足不斷發(fā)展的實(shí)際需求，同時(shí)減小能源損耗，延長(zhǎng)電機(jī)壽命，必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機(jī)調(diào)速技 術(shù)。其中比較有代表性的幾種調(diào)速控制方法如下。 在這些方法中，尤其以直接轉(zhuǎn)矩控制最為引人注目。相比于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制采用了定子坐標(biāo)系，摒棄了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦過程，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也更好。 (3)在定子磁鏈觀測(cè)時(shí)采用了 U． I 模型，導(dǎo)致在低速運(yùn)行區(qū)間，由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響，使得定子磁鏈觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴(yán)重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。但是總體來說，我國(guó)針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的研究目前還停留在理論研究和仿真實(shí)驗(yàn)的階段，與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，要想拿出有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)產(chǎn)品，還有很遠(yuǎn)的路要走。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 6 直接轉(zhuǎn)矩控制算法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的種種不足，世界各國(guó)的研究者就進(jìn)行了大量的工作，也取得了相當(dāng)多的成果。電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)包括啟動(dòng)前的離線辨識(shí)和電機(jī)運(yùn)行過程中的在線辨識(shí)，離線辨識(shí)用于為控制算法的計(jì)算提供原始數(shù)值，在線辨識(shí)是為了適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化的情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)修正，以保證對(duì)電機(jī)控制性能的優(yōu)良。在直接轉(zhuǎn)矩控制中需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速這個(gè)參數(shù)，通常情況下是采用加裝速度傳感器的方法來獲取速度信息，但是在復(fù)雜的實(shí)際情況中，加裝傳感器不僅非 常麻煩，而且會(huì)帶來額外的成本，因此，采用一定的算法來估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常有必要。不論是對(duì)于經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，研究的對(duì)象都是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響 對(duì)于式 (23)，若忽略定 子電阻壓降的影響，則有 : ssssu dtu dt??????????????? (25) 所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關(guān)系，該關(guān)系見圖 。同樣如依次給出 (100) , (110), (010)，定子磁鏈空間矢量 ，將依次沿著 、 、 的軌跡運(yùn)動(dòng)。 直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài)，簡(jiǎn)單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通 過電壓空間矢量 來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈斷續(xù)旋轉(zhuǎn)，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。如果在 時(shí)刻，施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量，則定子磁鏈靜止不動(dòng)或反向旋轉(zhuǎn)，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。它主要由六個(gè)開關(guān)組成，可以分為三組，每個(gè)橋臂上兩個(gè)。 表 逆變器輸出的相電壓和線電壓 對(duì)表 所示的定子三相電壓進(jìn)行 3/2 變換可以得到表 ，根據(jù)表 可 以在 а β 坐標(biāo)系上得到 8 個(gè)基本電壓空間矢量，如圖 所示。為此，先要進(jìn)行磁場(chǎng)定向，之后在沿磁場(chǎng)定向的坐標(biāo)系中將定子電流空間矢甚變換為三相軸系的電流變量。 本章分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制進(jìn)行了比效性分析。但是，在查詢前，需要提供定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯畔ⅰ？梢酝ㄟ^估計(jì)定子磁鏈交，直軸分量值 Dψ 和 Qψ 確定 sΨ 的空間相位 sρ 和幅值 *sΨ 。可以進(jìn)一步利用定子 B相繞組磁鏈 Bψ 的信息。磁鏈觀測(cè)模型，共有三種形式 : ui模型、 in模型、 un模型。由于這個(gè)原因， ui 模型在 30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，測(cè)量誤差及積分漂移的影響變的微不足道，采用此模型才能比較準(zhǔn)確地觀測(cè)出定子磁鏈。 由定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的方法稱為 in 模型法。此外 in 模型還要求精確的測(cè)量角速度 。電流調(diào)節(jié)器就會(huì)輸出補(bǔ)償信號(hào)加到積分單元的輸入端，以修正 和電流值，直至 完全等于 為止， 才為零，電流調(diào)節(jié)器才停止調(diào)節(jié)。由定子電阻誤差、轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差以及電動(dòng)機(jī)參數(shù)誤差引起的磁鏈誤差在這個(gè)工作范圍內(nèi)將不再有意義。在經(jīng)典 DTC 控制理論中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制都是通過滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)的。 假設(shè)某時(shí)刻定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?r? 的位 置如圖 所示 ， s? 處 于扇區(qū) 1 中，兩個(gè)半圓弧表示定子磁鏈幅值變化范圍的上下限。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 19 再考慮轉(zhuǎn)矩的控制，由前面分析已知，增大夾角 ? ，可以增大電磁轉(zhuǎn)矩，減小 ?則相應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩。 通過上面分析可以得到，在確定了定子磁鏈?zhǔn)噶克幍纳葏^(qū)后，再根據(jù)兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)，就 可以根據(jù)表 所示 ，合理地選擇相應(yīng)的空間電壓矢量，控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩跟隨給定值快速變化。它是將定子磁鏈幅值和觀測(cè)到的定子磁鏈幅值的差值送入 PI 調(diào)節(jié)器，輸出所需要的電壓空間矢量分量，方向與 定子磁鏈空間矢量平行，用來調(diào) 節(jié)定子磁鏈幅值。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 21 圖 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 起動(dòng)問題 當(dāng)電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)時(shí)，即在 t=0 時(shí)刻，控制系統(tǒng)給定定子磁鏈參考值 ref sψ ,然后又在 t = 1t 時(shí)刻，給定電磁轉(zhuǎn)矩指令值 ref eT 。在六分之一個(gè)周期內(nèi)，定子磁鏈的幅值在拐角處達(dá)到最大，而后再減小，在下一個(gè)拐角處又一次達(dá)到最大。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 22 圖 經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制框圖 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn) 直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制，矢量變換的目的就是實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)需要四個(gè) PI 調(diào)節(jié)器和一個(gè)單獨(dú)的 PWM 調(diào)節(jié)器，而 DTC 控制僅需要一對(duì)滯環(huán)控制器和一個(gè)速度 PI 調(diào)節(jié)器，這使得 DTC 具有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能； ，不需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對(duì)定子電流進(jìn)行分解和設(shè)定，所以不需要像矢量控制那樣進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，大大地簡(jiǎn)化了運(yùn)算處理過程，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了控制運(yùn)算速度。 本章小結(jié) 本章給出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖，并介紹了三種定子磁鏈估計(jì)的模型。 4. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真和性能分析 由于電力電子器件自身的非關(guān)聯(lián)性，給電力電子電路和系統(tǒng)的分析了一定的復(fù)雜性和困難，一般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子電路。 MATLAB的英文是 MATRIX LABORATORY(矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫，被譽(yù)為“巨人肩膀上的工具”。從MATLAB誕生開始，由于其高度的繼承性和應(yīng)用的方便性，在高校中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。 在美國(guó)的一些大學(xué)里， MATLAB軟件正成為對(duì)數(shù)值，線性代數(shù)以及其他一些高等應(yīng)用數(shù)學(xué)課程的 輔助教學(xué)的有力工具；在工程技術(shù)界， MATLAB也被用來構(gòu)建與分析一些實(shí)際課程的數(shù)學(xué)模型，其典型的應(yīng)用包括數(shù)值計(jì)算，算法預(yù)測(cè)與驗(yàn)證，以及一些特殊矩陣的計(jì)算應(yīng)用，如自動(dòng)控制理論，統(tǒng)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理，圖像處理，系統(tǒng)辨識(shí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。模型中包括三相交流異步電機(jī)模型、逆變器模塊、整流模塊以及最重要的控制算法模型。m2 速度 PI 模塊系數(shù)： kp=30， ki=200 仿真結(jié)果如 和圖 所示。通過圖 可以看出，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制能夠保證轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有根好的動(dòng)態(tài)性能，能在短時(shí)間內(nèi)跟髓給定值變化，并保證輸出電流波形保持正弦。 (3)總體控制結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，僅僅需要簡(jiǎn)單的 PI 調(diào)節(jié)器和滯環(huán)比較器；此外，由于采用了空間電壓矢量的概念，直接通過數(shù)字量控制逆變器的通斷，使得控制大大簡(jiǎn)化，非常有利于 DSP 實(shí)現(xiàn)。 上述三個(gè)問題是影響直接轉(zhuǎn)矩控制大范圍應(yīng)用的主要問題，也是直接轉(zhuǎn)矩 控制研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。（ 4）磁通軌跡改善。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 28 結(jié)論 異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量 (多輸入多輸出 )系統(tǒng)，而電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響，而且其數(shù)學(xué)模型也是非線性的，所以是強(qiáng)藕合、非線性的多變量系統(tǒng)。最后，在上述理論的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制算法的原理和系統(tǒng)框架，并在 Matlab/Simulink 中建立了系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了帶載調(diào)速仿真，觀測(cè)了定子磁鏈、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及母線電壓等重要物理量 ， 然后指出了經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制存在的三個(gè)主要問題：磁鏈、轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)大；開關(guān)頻率不固定；低速性能不佳。 3. MATLAB/SIMULINK 強(qiáng)大的計(jì)算功能和繪圖能力非常適合控制系統(tǒng)的建模與仿真，尤其 S 一函數(shù)編寫的靈活性和通俗性為電力拖動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支持。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破。特別是 DSP 芯片在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為解決低速區(qū)的問題提供了可能，因?yàn)橹灰獙?shí)現(xiàn)了對(duì)定子電阻的準(zhǔn)確辨識(shí)，就能從根本上消除定子電流和磁鏈畸變，問題也就迎刃而解。隨著控制性能的不斷提高，直接轉(zhuǎn)矩控制在傳動(dòng)領(lǐng)域會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意 ！最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們 ！ 本論文的所有研究工作從論文的選題、中期實(shí)驗(yàn) 到論文的寫作等階段都是在 王曉晨老師 指導(dǎo)