【正文】 c hro no us moto r； fre que ncy co ntro l of motor s pe e d；dire ct torque cont rol； mode ling； simulatio n 1 目 錄 摘 要 ...................................................... I ABSTRACT .................................................... II 第 1 章 緒 論 ................................................ 1 課題背景 ............................................... 1 交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 ............................ 1 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展 .................................... 2 課題學(xué)習(xí)的目的和意義 .................................. 2 第 2 章 異步電機(jī)的 數(shù)學(xué)模型 .................................... 3 異步電機(jī)的物理模型 ..................................... 3 異步電機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型 ............................... 5 異步電動(dòng)機(jī)在任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 ............... 9 異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 ................ 10 第 3 章 異步電機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩控制的 原理 ......................... 12 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 ..................................... 12 定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型 ............................. 16 電壓空間矢量的選擇 ................................... 16 電壓空間矢量的分類 ................................ 16 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響 ..................... 18 電壓空間矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 ..................... 21 第 4 章 基于 SIMULINK/PSB 的系統(tǒng)仿真 ........................ 23 關(guān)于 SIMULINK ........................................... 23 電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（ PSB） .................................. 23 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 ......... 24 仿真模型的建立 ..................................... 24 仿真模型模塊分析 ................................... 25 仿真結(jié)果分析 ....................................... 34 結(jié) 論 ...................................................... 42 參考文 獻(xiàn) .................................................... 43 外文翻 譯 .................................................... 44 致 謝 ....................................... 錯(cuò)誤 !未 定義書簽。 1 基于 Simulink/PSB 的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 摘 要 本 論文 討論了異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立， 闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制的 基本原理 ， 并在此基礎(chǔ)之上 建立了 異步電機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩控制 變頻調(diào)速 系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行了仿真調(diào)試。 1 第 1 章 緒 論 課題背景 直接轉(zhuǎn) 矩控 制技術(shù) 在電 力機(jī) 車牽 引、汽 車工 業(yè)以 及家用 電器 等工業(yè)控制領(lǐng) 域得到 了廣泛 的應(yīng) 用。 采用 這種控 制技術(shù)使得變 頻調(diào)速 系統(tǒng)在 一定 的程度 上改善 了靜 態(tài)和動(dòng) 態(tài) 性 能，使 之接近 于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但 還是不能滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。 近 10 多年來(lái)，各國(guó)學(xué)者和研究部門致 力于無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng) 的研究， 利用檢測(cè)定子電壓、電流等容易測(cè)量的物理量進(jìn)行速度估算，以取代速 度傳感 器，提 高控 制系統(tǒng) 的可 靠 性， 降低成 本， 目前已 研究出 無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實(shí)用產(chǎn)品 。 此外， 直接轉(zhuǎn) 矩控 制通過 直接 輸出轉(zhuǎn) 矩和磁 鏈的偏差 來(lái)確定 電壓向 量， 與以往 的調(diào)速 方法 相比， 它具 有控制 直 接、 計(jì)算過程簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)。 這樣， 電機(jī)繞組就等效成圖 21 所示的三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型。 變換關(guān) 系如下， — 兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣 （ 21） 式中 2. 兩相靜止 — 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣 （ 22） 則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是 ： （ 23） 3. 三相 — 兩相坐標(biāo)系的變換矩陣 ??????????????????? ???????? tms2/r2tmβα c oss i n s i nc os iiCiiii ?? ???????? ?? ?? ?? c oss in s inc oss2/r2C???????????? ?????????????? ???????? ? βαβα1tm c oss i n s i nc osc oss i n s i nc os iiiiii ?? ???? ?????????? ?? ?? c oss in s inc osr2/s2C （ 24） 令 C3/2 表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 （ 25） 通過坐 標(biāo)變 換，可 以得 到異 步電 動(dòng)機(jī)在 兩相 任意 速旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo) 系、兩相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。互感 又分為兩類： （ 1）定子三相彼此之間和 轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是 固定的，故互感為常值； （ 2）定子任一相與轉(zhuǎn)子任 一相之間的位置是變化的 ，互感是角位移? 的函數(shù)。 。 （ 3） 轉(zhuǎn)矩方程 ()e p m sq rd sd rqT n L i i i i?? (224) tnJTT ddpLe ???式中 ： eT —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 ； pn—— 電動(dòng)機(jī)極對(duì) 數(shù)； mL , sqi , rdi , sdi , rqi 同上 。該 控制方 案的原 理是 通過查 表的 方法以 選擇合 適的電壓空間矢量，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制。圖 31 中的信號(hào)計(jì)算模塊根據(jù)電機(jī)端電壓和電流信號(hào)計(jì)算 出磁鏈 和轉(zhuǎn) 矩反饋 信號(hào)， 還計(jì)算 出定子 磁鏈?zhǔn)?量 s? 所在的扇區(qū)S(k)?？梢姡妷菏噶?1V 、 2V 和 6V 作用時(shí)，磁鏈會(huì)增大；而當(dāng) 3V 、4V 和 5V 作用時(shí)，磁鏈會(huì)減小 。 這種 模型最 簡(jiǎn)單 ，在計(jì) 算過程 中所 唯一需 要知 道的電 機(jī)參數(shù) 是易于確 定的定 子電阻 。這 7 種不 同的電壓狀態(tài)也分為兩類： 一類是 6 種工 作電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于開關(guān) 狀態(tài)“ 1”至“ 6”：另一類是零 電壓狀態(tài)，它 對(duì)應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“ 0”和“ 7”，對(duì)于外部負(fù)載 來(lái)說，輸出的 電壓都為零， 所以統(tǒng)稱為零電壓狀態(tài)。 ( 0 0 0 )( 1 1 1 )u s 2 ( 0 0 0 )u s 3 ( 0 1 0 )u s 4 ( 0 1 1 )u s 5 ( 0 0 1 )u s 6 ( 1 0 1 )u s 1 ( 1 0 0 )S 1S 2S 3S 4S 5S 6Ψ s ( t ) 圖 38 定子電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖 38 中， ()sut表示定子電 壓空間矢 量， ()s t? 表示定子磁鏈 空間矢量 ,S1,S2,S3,S4,S5,S6 是正 六邊形的六條邊。對(duì)于電壓空間矢量與定子磁鏈幅值的變化關(guān)系，有如下結(jié)論： (1)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角 小 于 90 時(shí)，定子磁鏈增大 ； (2)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角 大 于 90 時(shí)，定子磁鏈減小 ； (3)所加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈為零。要判斷 OB 與 OA 的大小，要看 AD 和 BD 哪個(gè)起主導(dǎo)作用。 假設(shè)轉(zhuǎn) 矩角 ? (0, )2??，此 時(shí)轉(zhuǎn) 矩 eT 是轉(zhuǎn)矩 角 ? 的嚴(yán)格單 調(diào)增 函數(shù) 。 對(duì)用 戶來(lái) 說， 只要 學(xué)習(xí) 圖形 界面 的使 用方 法和 熟悉 模型 庫(kù)的 內(nèi)容，就可以 很方便 地進(jìn)行 系統(tǒng) 和電路 的仿真 ，而 不必去 記那 些復(fù)雜 的函數(shù) 。 綜上所述， Simulink 就是一種開放性的，用來(lái)模擬線性或非線性的以 及 連 續(xù) 或 離 散 的 或 者 兩 者 混 合 的 動(dòng) 態(tài) 系 統(tǒng) 的 強(qiáng) 有 力 的 系 統(tǒng) 級(jí) 仿 真 工具。 2. 轉(zhuǎn)速 控制 器 此模塊通過 PI調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)輸出用于符合 DTC控制的磁通和轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值 。 積分器采用模塊庫(kù)中的離散時(shí)間積分器構(gòu)建 。使用這 些模塊 進(jìn)行電 力電 子電路 系統(tǒng)、 電力 系統(tǒng)的 仿真 ，能夠 簡(jiǎn)化編 程工作，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模型描述。另外Simulink 還提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個(gè)過程 。 (2)所加電壓矢量滯后于當(dāng)前定子磁鏈時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。 OB = 22 222 c o sS S s sO D B D u t u t? ? ?? ? ? ? ? ? 當(dāng) sut? 2 cosS??時(shí)， OB OA 。 當(dāng)所加電壓矢量 與當(dāng)前定子 磁鏈的夾角 大 于 90 時(shí)，按照上述結(jié)論，定子磁 鏈幅值 應(yīng)該減 小。當(dāng) ()s t? 沿著邊 S 到 S1 與S2 的交點(diǎn)時(shí)，如果逆變器加到 定子上的電壓空間矢量是 4su (011)，則定子 磁 鏈 空 間 矢 量 ()s t? 的 頂 點(diǎn) 將 沿 著 S2 的 軌 跡 ， 朝 著 電 壓 空 間 矢 量4su (011)，所作用的方向運(yùn)動(dòng) 。 6 種工作電壓空間矢量?jī)蓛上喔?60 ，其頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形的 6 個(gè)頂點(diǎn)。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? ? ????????? (34) 轉(zhuǎn)矩在 dq 坐標(biāo)系上的計(jì)算 方程為 : （ 35） 電壓空間矢量的選擇 電 壓 空 間 矢 量的 分類 電壓源型逆變器 (如圖 38)是由三組、 六個(gè)開關(guān) , , , , ,(,a a b b c cs s s s s s)組成。零 矢量 ( 0V 或 7V )使電機(jī)終端短路， 理 論上 此 時(shí) 磁鏈 和轉(zhuǎn) 矩保持 不變。圖 31 中的電壓矢量表模塊輸入信號(hào)SH?、 HeT和 S(k)，通過查表方式得到需要加在逆變器上的適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?，如?31 所示。通 過控制 定子 磁鏈與 轉(zhuǎn)子磁 鏈之間的 夾角即 轉(zhuǎn)矩角 可以 控制電 動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩 。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