【正文】 具 SIMULINK，是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，不僅界面友好，而且支持靈活的模型描述手段。本文所有的仿真均采用 MATLAB/SIMULINK 仿真工具作為平臺(tái)。 (2) 基本元件模塊庫(kù) :包括串聯(lián) RCL 負(fù)載、并聯(lián) RCL 負(fù)載、?性變壓器、飽和變壓 ?、亐感器、斷路器， N 相分布參數(shù)純路、單相二型集中參數(shù)傳輸線路和浪涄放電器等。 第四章 在線搜索 效率優(yōu)化 Matlab 仿真 22 感應(yīng)電機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩 控制仿真模塊的建立 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型 圖 41 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型 該仿真系統(tǒng)使用了考慮鐵損感應(yīng)電機(jī)的仿真模型、 3/2 電流和電壓仿真模型、定子磁鏈仿真模型、速度 控制 仿真模型、單調(diào)遞減法效率優(yōu)化模 型。給定的轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器得到符合 直接轉(zhuǎn)矩 控制的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。 m2。 2) 根據(jù) 感應(yīng)電機(jī) 數(shù)學(xué)模型和所設(shè)計(jì)的 直接轉(zhuǎn)矩 控制系統(tǒng)模型，通過設(shè)計(jì)合理的 搜索方法 ， 在搜索的過程中保 證 系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？偨Y(jié)全文所做的工作如下 ： （ 1） 推導(dǎo)了 感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)主要包括 感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 、定子電壓矢量的作用和開關(guān)表的選擇。在此，特向張老師表示深深的謝意和崇高的敬意！ 其次，還要真誠(chéng)得感謝其他所有在我論文撰寫過程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)、老師和朋友。基于 單調(diào)遞減法 的 搜索控制技術(shù)算法簡(jiǎn)單 ， 能夠有效提高 感應(yīng) 電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 運(yùn)行。 第五章 結(jié)語(yǔ) 32 第五章 結(jié) 語(yǔ) 本文首先介紹了感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)地說明了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理， 該技術(shù)必須 借助于坐標(biāo)變換的方法實(shí)現(xiàn)，文中給出了三相 abc 坐標(biāo)系到 dq 變換。 第四章 在線搜索 效率優(yōu)化 Matlab 仿真 28 1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .01 .00 .80 .60 .40 .20 .00 .20 .40 .60 .81 .0qfluxd f l u x （ a） 定子磁鏈軌跡 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .00200400600800speed/rpmt i m e / s （ b） 電機(jī)轉(zhuǎn)速 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .00246810torque/N.Mt i m e / s （ c）電磁轉(zhuǎn)矩 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .00 .00 .20 .40 .60 .81 .0stator flux/Wbt i m e / s （ d）定子磁鏈幅值 第四章 在線搜索 效率優(yōu)化 Matlab 仿真 30 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0050100150200power losses/Wt i m e / s （ e）電機(jī)損耗 圖 43 單調(diào)遞減搜索法的仿真結(jié)果 仿真分析 圖 43 為單調(diào)遞減搜索法穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 的 仿真結(jié)果， 電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速為 700r/min，當(dāng) t= 時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)?。單調(diào)遞減搜索法是將給定定子磁鏈 *s?逐步減小，相應(yīng)的檢測(cè)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入 功率，當(dāng)輸入功率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的時(shí)候，停止磁鏈遞減，并將上一步的磁鏈值作為最終的磁鏈。 圖 42（ a）為考慮鐵損感應(yīng)電機(jī)的封裝圖，圖 42（ b）為考慮鐵損感應(yīng)電機(jī)的仿真模塊圖。 (5) 連接模塊庫(kù) :包括地和中性點(diǎn)和母線 (公共點(diǎn) )等。SIMUuNK 由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分組成。Systems）、輸出模塊 組（ Sinks）、輸入源模塊組（ Sources）等子模型庫(kù)，也可以根據(jù)需要混合使用各庫(kù)中的功能模塊，封裝出自己的系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)全圖形化仿真。本文采用 單調(diào)遞減法來實(shí)現(xiàn) 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的 效率優(yōu)化 。那么怎樣選擇搜索步長(zhǎng)才能有效地減少搜索次數(shù)和縮短搜索時(shí)間呢？黃金分割法為此提供了一個(gè)很好的思路。如圖 (c)為矢量控制電機(jī)輸入功率與定子磁鏈的近似關(guān)系曲線控制磁鏈從給定值開始按某步長(zhǎng)逐漸減小，同時(shí)檢測(cè)輸入功率值，分別定義 21k 與 32k 為相鄰搜索點(diǎn) 2 和 3的梯度（即倒數(shù)方向）， 21k 與 32k 的計(jì)算 公式為： 21 2 1 2 1( ) / ( )in in s sk p p ??? ? ? （ ） 3 2 3 2 3 2( ) / ( )in in s sk p p ??? ? ? （ ） 式中 1inp 、 2inp 、 3inp 分別是 3 點(diǎn)的輸入功率； 1s? 、 2s? 、 3s? 分別是 3 對(duì)應(yīng)的定子磁鏈。 本章小結(jié) 本章首先介紹了感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后從定子電壓矢量的 作用 與定子磁鏈軌跡、開關(guān)電壓表的選擇等方面介紹直接轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的原理，最后介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng)原理框圖，為下章節(jié)作好準(zhǔn)備。通過利用零電壓矢量的這種作用，來進(jìn)一步對(duì)開關(guān)電壓矢量的選擇進(jìn)行優(yōu)化，可以次來減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。 若 e erefTT? ，則輸出為 0， T? 取 0。由每個(gè)電壓矢量在定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)軌跡徑向和切向方向的投影可以判斷出改開關(guān)電壓矢量對(duì) 磁鏈和轉(zhuǎn)矩所起的作用。這就需要對(duì)定子電壓空間矢量進(jìn)行調(diào)制，以獲得正弦分布的定子磁場(chǎng)。 [13] 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 22（ b）定子磁 鏈軌跡 但是，由圖 22（ b）可以看出，定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 的幅值不是恒定的，七仔正六邊形的拐點(diǎn)處達(dá)到最大值，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到與正六邊形某條邊垂直的位置時(shí)幅值最小。 將（ ）代入（ ）可得：| || | s i n ( ) | || | s i nm m me n r s n s r s r n s r s rs r s r s rL L LT P P PL L L L L L? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? （ ） 式中， s? 和 r? 分別是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶肯鄬?duì)與 A 軸的空間電角度； sr? 是兩者間的空間電角度， sr s r? ? ???，稱其為負(fù)載角。 （ 2） 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子表面光滑，無(wú)齒槽效應(yīng)。 主要工作及章節(jié)安排 感應(yīng)電機(jī)以其堅(jiān)固耐用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維修等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，其總用電量占全國(guó)工業(yè)用電量 60%以上，隨著能源危機(jī)和環(huán)境要求的日益高漲，感應(yīng)的效率優(yōu)化控制研究引起了廣泛的關(guān)注，但大多數(shù)的研究是基于穩(wěn)態(tài)的，而且取得了一些研究成果。 最近日本學(xué)者 Minh 和 Yoichi 采用“黃金分割法”將尋優(yōu)算法的收斂時(shí)間減少至 2s 以內(nèi)，但總的來說這種方法的動(dòng)態(tài)收斂速度還不能令人滿意，尤其不適用于負(fù)載變化快的調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)檫@時(shí)尋優(yōu)時(shí)間過長(zhǎng)，節(jié)能效果變差，反而會(huì)引起系統(tǒng)控制性能下降?；趽p耗模型的矢量控制變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)的效率優(yōu)化最早由 Lorez和 Yang 研究，并證明了在電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程中通過選擇最優(yōu)磁通可以明顯降低損耗。而排風(fēng)扇和水泵在不同時(shí)間和季節(jié)，要求不同的風(fēng)量或水量，故電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行的時(shí)間也往往占它運(yùn)行壽命的大部分。感應(yīng)電機(jī)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化控制已經(jīng) 引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，現(xiàn)有的方法大致分為四類 [1]：基于簡(jiǎn)單狀態(tài)變量的效率優(yōu)化控制（ SSC），基于搜索法的效率優(yōu)化控制（ SC），基于電機(jī)損耗模型的效率優(yōu)化控制（ LMC），以及結(jié)合以上幾種方法特點(diǎn)的混合優(yōu)化控制（ HC）。 仿真 結(jié)果證明這種方法 具有算法簡(jiǎn)單、對(duì)電機(jī)參數(shù)變化魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) ，很好的提高電機(jī)運(yùn)行效率 。上述上述效率優(yōu)化策略各具特色，但是不管哪一種方法，其本質(zhì)都是采用在輕載時(shí)降低電機(jī)磁通水平以減小鐵心損耗的方法實(shí)現(xiàn)效率的提升。 單調(diào)遞減 法在線搜索最小輸入功率運(yùn)行點(diǎn)，依據(jù)這一事實(shí)，即輸入功率是定子磁鏈的凹函數(shù)，存在一個(gè)全局最優(yōu)點(diǎn)。 [23]作為響應(yīng)迅速、控制精度的主流高性能調(diào)速方案，按磁場(chǎng)定向的矢量控制策略在汽車點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中以得到廣泛的應(yīng)用。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)常采用的磁通恢復(fù)額定、定子電流動(dòng)態(tài)分配等方法，因受運(yùn)行條件及電壓限制等因素而無(wú)法直接擴(kuò)展到高速區(qū)。在實(shí)運(yùn)行中，由于 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品容量的不連續(xù)性、安全系數(shù)選擇過高等因素，使電動(dòng)機(jī)的額定功率總是超過最大可能的峰值負(fù)載功率約 30%，而負(fù)載峰值所持續(xù)的時(shí)間又往往遠(yuǎn)小于總運(yùn)行時(shí)間。 [21]因此，變頻器供電的效率依然有很大的改進(jìn)空間，在降低電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗，提高電動(dòng)機(jī)自身的效率方面仍有很大的潛力。 （ 2）在線搜索控制器（ SC） [11] 以搜索法為基礎(chǔ)的在線效率優(yōu)化控制十分引人注意，這種控制不需要知道電機(jī)任何參數(shù)，而且算法對(duì)于任意電機(jī)都廣泛適用。利用混沌變量對(duì)初值的敏感性賦予式（ 1）為若干微小差異的初值（不能映射的不動(dòng) 點(diǎn)： ， ， ），即可得到不同的軌跡的混沌變量。 （ 5） 對(duì)本文工作的總結(jié)，并展望進(jìn)一步研究方向。 [5] 圖 （ a）異步電機(jī)空間矢量等效電路圖 電磁轉(zhuǎn)矩可 為： ssne iPT ?? ? （ ） 式中， s? 是定子磁鏈空間矢量； si 是定子電流空間矢量。 如果逆變器開關(guān)順序按 001， 110， ? 101 的狀態(tài)一次變化，每次變化的間隔時(shí)間相同，就可得到如圖 22（ a）所示的六個(gè)以步進(jìn)形式輸出的電 壓矢量 1su ， 2su … . 6su ，這六個(gè)電壓矢量的一次作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓壽E為一正六邊形如圖 21（ b）。為此，希望定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)行軌跡為圓行。例如定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 若在區(qū)間（ 1）內(nèi)，可選擇 1su ， 6su 和 2su 使其幅值增大，還可選擇 3su ， 5su 和 4su 使其幅值減小。 開關(guān)電壓矢量查詢表 ?? T? 1 2 3 4 5 6 1 1 2su 3su 4su 5su 6su 7su 0 7su 8su 7su 8su 7su 8su 1 6su 5su 4su 3su 2su 1su 1 1 3su 4su 5su 6su 1su 2su 0 8su 7su 8su 7su 8su 7su 1 5su 6su 1,su 2su 3su 4su 表中 ?? 的正負(fù)是根據(jù)滯環(huán)比較器的數(shù)字輸出來確定的，即有： 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 12 若 | | | |s sref s? ? ?? ? ?，則輸出為 1， ?? 取 1。當(dāng) ||e erefTT? 時(shí)，零電壓矢量仍要起作用，在它的作用下可使轉(zhuǎn)矩變化放緩。圖中，僅給出了速度控制環(huán)節(jié)，也可在此基礎(chǔ)上構(gòu)成位置系統(tǒng)。假設(shè)整個(gè)第 三 章 在線搜索控制效率優(yōu)化的方法 16 搜索過程預(yù)計(jì)在時(shí)間 T 完成，搜索的每一步所用時(shí)間為 stepT ，那么磁鏈遞減的步長(zhǎng)應(yīng)該是 TTstep)1( min?? 。 （ e）用點(diǎn) {1， 4， 3}分別代替 {1， 2， 4}，按式（ e）重新計(jì)算 2s? ，再計(jì)算 32k ，42k 轉(zhuǎn)（ c）。 黃金分割法的基本思想是：在搜索區(qū)間 [a,b]內(nèi)適當(dāng)插入兩點(diǎn) 1x ， 2x 它們把 [a,b]分為三段，通過比較這兩點(diǎn)的函數(shù)值并根據(jù)單谷函數(shù)的性質(zhì)就可以刪去最左段或最右段這樣迭代一次，然后在保留下來的區(qū)間上作同樣的處理，如次迭代下去可將搜索區(qū)間無(wú)限縮小。啟用時(shí)只需要從模塊庫(kù)中拖出相應(yīng)的模塊，經(jīng)有機(jī)的組合即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真。 MATLAB/SIMULINK 及其 Power System Blockset 工具箱簡(jiǎn)介 MATLAB 是 Mathworks 公司開發(fā)的用于數(shù)學(xué)計(jì)算的土具軟件。 (3) 電力電子模塊亓 :包括二極管、晶閘管， GTO， MOS 死 T 和理想開關(guān)等。以下是介紹 主要模塊 的 組成及功能。積分器采用模塊庫(kù)中的 時(shí)間積分器構(gòu)建。 采用基于滯環(huán)和開關(guān)邏輯表典型直接轉(zhuǎn)矩控制，其中定子磁鏈估計(jì)采用電壓 電流模型，速度調(diào)節(jié)采用 PI 控制器 (Kp=5， Ki=)，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)帶寬Tb=，磁鏈滯環(huán)帶寬 ψ b= ，設(shè)定磁鏈最小值ψ min= ，時(shí)間步長(zhǎng) Tstep=，時(shí)間 T=1s。 3） 仿真結(jié)果表明， 單調(diào)遞減法搜索控制器算法簡(jiǎn)單 ， 能夠有效提高 感應(yīng) 電南京工業(yè)大學(xué)本科