【正文】 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 2 畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該論文（設(shè)計）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，單位署名為 。這種方式控制結(jié)構(gòu)簡單，但由于它是基于電 動機 的穩(wěn)態(tài)方程實現(xiàn)的，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)較差，還無法完全取代直流調(diào)速系統(tǒng)。無論采用哪種方式，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確檢測是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。這種方法通過檢測電機的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構(gòu)的方法來觀測電 動機 的磁鏈。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計算量大、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)性能受電 動機 參數(shù)影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。對于研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的人們來說了解直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀有助于他們更好的改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，以便于用自己的研究更好服務(wù)社會。因為不同的電壓矢量在不同的瞬間對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用互不相同，所以，只有根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時偏差合理地選擇電壓矢量，才有可能使轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)過程達(dá)到比較理想的狀態(tài)。為減少人為因素對系統(tǒng)性能的影響，有文章提出了將 各種先進(jìn)的智能控制理論應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新方案，通過應(yīng)用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)，異步電動機直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究完全抵消了觸發(fā)器的容差影響，使性能改善更加明顯。近來人們設(shè)計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。這種觀測方法能比較準(zhǔn)確地觀測電阻的變化，低速性能有了比較好的改善。 等人首次報道了無速度傳感器矢量控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng) 。 上述方法均是針對矢量控制系統(tǒng)設(shè)計的，采用的狀態(tài)變量是定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈。通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器來控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均角速度的大小，從而控制轉(zhuǎn)矩。這對直接轉(zhuǎn)矩控制提出了更高的要求，也說明研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是非常必要的。 本章小結(jié) 本章介紹了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點，并介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測、系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大以及在模擬直流電動機過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。在討論交流異步電機的數(shù)學(xué)模型前假設(shè)電機有如下特性 : (l)電 動機 三相定、轉(zhuǎn)子繞組完全對稱。 在滿足上述理想電 動機 假設(shè)條件下，經(jīng)推導(dǎo)可得異步電 動機 在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 在實際運行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電機，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 MEEV 1V 2V 3V 4V 5V 6U aU cbU 圖 22 電壓型逆變器原理圖 由于同一相上下橋臂的兩個開關(guān)器件一個導(dǎo)通，則另一個關(guān)斷，所以三組開關(guān)器件有八種可能的開關(guān)組合。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類：一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài) ―1‖至 ―6‖，分別稱為逆變器的電壓狀態(tài) ―1‖至 ―6‖；另一類是零電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài) ―0‖和 ―7‖，由于對外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。 第 3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成 直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點，通過不斷變化電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 機的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的變化，從而控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。另一方面系統(tǒng)檢測三相定子電流和電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到靜止坐標(biāo)系，由此計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩 eT 、磁鏈幅值 e? 和磁鏈所在的扇區(qū) N。 (2)磁鏈調(diào)節(jié)器 :為了控制定子磁鏈在給定值的附近變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩點式控制，輸出磁鏈控制信號 。將測量得到實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值輸出給定轉(zhuǎn)矩 *eT 。 (l)速度 PI 調(diào)節(jié)器單元 由圖 31 可知，給定轉(zhuǎn)矩 *eT 由給定轉(zhuǎn)速 *r? 和實際轉(zhuǎn)速 r? 。而公式中的字母所代表的參數(shù)通常根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況進(jìn)行整定。滯環(huán)比較器如圖 32 所示。當(dāng) || s ????? 時， F? 不變，此時電安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 壓矢量不變。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個功能 :(l)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 ?？梢酝ㄟ^改變磁通角 ()t? 的大小來改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小。 若 * 0eeTT??時，則 0TF ? ； 若 * 0eeT TT?? ? ? ?時，則 TF 保持不變 *eTe?? TFT?T??10 1? 圖 33 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 空間電壓矢量對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 空間電壓矢量對定子磁鏈的影響 與磁鏈運動軌跡成 60 度和 120 度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。如果需要 s? 作順時針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量 2U 。因此， 磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動范圍之內(nèi)變化。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實現(xiàn)了對磁鏈的相位和幅值的控制。 空間電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響 從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性能。 在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心 。從 1t時刻考察到 2t 時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量 ( ) (010)ssu t u? ，則定子磁鏈空間矢量由 1()st? 的位置旋轉(zhuǎn)到 2()sut 的位置。因此，通過合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。 雖然在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中我們對異步電動機在中速（正常的運行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。為此要求在控制方法上做相應(yīng)的考慮。 四 .用符號比較器確定區(qū)段。在低速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可以采用 0o 電壓矢量、 60o ―電壓矢量、 +60o 電壓矢量和 120o 電壓矢量協(xié)調(diào)控制。高速范圍的調(diào)節(jié)方案有以下幾個特點 : 一 .用電動機模型檢測計算電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 四 .磁鏈兩點式調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時間，工作電壓在整個區(qū)段中起作用。轉(zhuǎn)矩的脈動頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。 四 .用功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 20 本章小結(jié) 本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。 MATLAB的兩個顯著的特點，即強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應(yīng)用最廣泛的首選計算機工具。 MATLAB 的程序與科技人員的書寫習(xí)慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員的交流。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)的知識編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng) 用程序（ M 文件）后再一起運行。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。 （ 5）出色的圖形處理功能 MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。允許用戶編寫可以和MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語言程序。它支持連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，也支持具有多種采用速率的系統(tǒng)仿真。這種方法使得用戶可以深入的立即模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用的。 case 1 sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)。Unhandled flag=39。 = 0 = 5。 sys=simsizes (sizes)。 0]。 sys(1)=(Rs*Lr*a*x(1)+Lm*Lm*u(3)*x(2)+Rr*Lm*a*x(3)+Lr*Lm*u(3)*x(4)+Lr*u(1))/2 sys(2)=(Lm*Lm*u(3)*x(1)Rs*Lr*a*x(2)Lr*Lm*u(3)*x(3)+Rr*Lm*a*x(4)+Lr*u(2))/2。 sys(2)=u(2)。 定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測器的模塊 磁鏈模塊的輸入是電機的定子電壓、電流和定子電阻， 輸出是電子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，其仿真模塊的建立是根據(jù)第二章定子磁鏈電壓模型。 磁鏈幅值計算與區(qū)域判定可用 S 函數(shù)實現(xiàn)如下 : 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 Function[sys,x0,str,ts]=sector(t,x,u,flag) Switch flag Case 0, [sys,x0,str,ts] =mdllnitializesize Case 3, Sys=mdloutputs(u) 。 =2。 xo=[]。 if faial=0 Sal=O。 end sys(l)=4*Sal+2*Sbl+Sel。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 28 +S i n g l e +S i n g l e +S i n g l e 1 12 23 3VAVBVCABC 圖 47 逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇模塊 fuion[sys， x0， str， ts]=lookuptablel(t， x， u， flag) switeh flag case 0， [sys， x0， str， ts]=mdllnitializesizes 。 end fuion[sys， x0， str， ts〕 =mdllnitializesizes 5IZeS=SlmSIZeS。 =3 。0 。0] 。 ts=[一 10] 。Sb=KSb(KUs) 。 sys(3)=Sc 。轉(zhuǎn)子電阻為 。 圖 48 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈軌跡 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 30 圖 49 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形 圖 410 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的三相定子電流波形 圖 411 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子電壓波形 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 圖 412 電 動 機相電壓波形 通過圖可以看出，采用直接轉(zhuǎn)矩控制時，電機運行平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩脈動小，電機啟動快 ， 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)都比較快。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，應(yīng)用范圍較大，具有很大的實用價值。 隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步在研究直接轉(zhuǎn)矩控制的時間加入現(xiàn)代的最新科技是提升生產(chǎn)力的必然選擇。大學(xué)期間的生活是多姿多彩的，有甘甜，也有苦澀。在做畢業(yè)設(shè)計期間我遇到了很多缺點，專業(yè)知識掌握的還不是很牢，方俊初老師就給我悉心的指導(dǎo)，直到我能理解。通過這幾個月來的學(xué) 習(xí)與撰寫我學(xué)到了很多專業(yè)的知識，把自己的知識有了一個串連。 low losses switching losses are minimized because the transistors are switched only when it is needed to keep torque and flux within their hysteresis bands ? The step response has no overshoot ? No coordinate transforms are needed, all calculations are done in stationary coordinate system ? No separate modulator is ne