【正文】 lts ver ify the effectiveness of the method. Key words : asynchro nous motor； fre que ncy control of motor s pee d；direct torque control； mode ling； s imulation 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 1 目 錄 摘 要 ........................................................ II ABSTRACT ...................................................... III 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（ 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 蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 2 結(jié) 論 .......................................................... 42 參考文獻(xiàn) ....................................................... 43 外文翻譯 ....................................................... 44 致 謝 .......................................................... 88 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 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，各國學(xué) 者和研究 部門致 力于無速 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 ，以蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 2 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 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 o ss in s inc o s iiCiiii ?? ???????? ?? ?? ?? c oss in s inc oss2/r2C???????????? ?????????????? ???????? ? βαβα1tm c o ss i n s i nc o sc o ss i n s i nc o s iiiiii ?? ???? ?????????? ?? ?? c oss in s inc osr2/s2C蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 5 （ 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 ???蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 10 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 矢量 s? 所在 的扇 區(qū)S(k)?？梢?，電壓 矢量 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 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 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 間矢蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 19 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。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 22 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) 。 (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 。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè) 論文 20 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兩兩 相隔 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)?電壓矢 量，如表 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 型簡單 ，階次有所降低 ，但是 其非線性 、多變 量、強(qiáng)耦 合的性 質(zhì)沒有改 變。 msmsms 21)1 2