【正文】 4 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 MATLAB 簡介 語言 MATLAB 語言是由美國 New Mexico 大學(xué)的 Cleve Moler 于 1980 年開始開發(fā)的， 1984 年由 Cleve Moler 等人創(chuàng)立的 MathWorks 公司推出了第一個商業(yè)版本。在大家的共同努力下， MATLAB 正在成為計算機(jī)應(yīng)用軟件中的一個新熱點(diǎn)?？梢允沟迷谡{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的上下波動減小，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 控制系統(tǒng)：給定磁鏈 * wb? ? ，磁鏈滯環(huán)比較器 ??? ， 轉(zhuǎn)矩 滯環(huán)比較器 Nm?? ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定值 21 Nm? ，仿真算法：采用 ode23db 變步長求解 ，步長為 52 10?? (2e5s)。從圖中看到波形按照三相正弦波的規(guī)律變化的。并且轉(zhuǎn)速并沒有明顯的下降。現(xiàn)代控制理論和智能控制理論應(yīng)用于 DTC 技 術(shù)，為改進(jìn) DTC 系統(tǒng)提供了堅實的理論依據(jù)；同時高性能的數(shù)字處理器的出現(xiàn)，為改進(jìn) DTC 系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。電子工業(yè)出版社， 2021 胡崇岳等。機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 黃忠霖等。如智能 IPM 整合了 DSP控制器，將電機(jī)控制的大部分電路集成到標(biāo)準(zhǔn)封裝的模塊中，集成了 IGBT 模塊，IGBT 驅(qū)動電路、電壓電流反饋、保護(hù)模塊和 DSP 控制模塊，使得控制結(jié)構(gòu)愈發(fā)簡單，控制性能與控制精度、響應(yīng)速度均得到提高。 綜上所述 ，從仿真結(jié)果來看，采用本文中所涉及的控制策略進(jìn)行的直接轉(zhuǎn)矩仿真，所得到的系統(tǒng)的動靜態(tài)特性都很優(yōu)良，與理論分析的結(jié)果也基本吻合。電流的放大 波形如圖 48： 圖 4－ 8 定子三相電流放大圖 圖 4－ 8 中第二條曲線為電磁轉(zhuǎn)矩的波形。圖 45 為經(jīng)過逆變器之后，輸入電機(jī)的 AB 相之間的線電壓。 11111110dF? ? ?? ? ? ?? ? ????? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ??－ 增 大 磁 鏈不 變 －－ 減 小 磁 鏈 () 31 1T1T T Td T T T TT T T???? ???? ? ? ? ? ??? ???－ 增 大 轉(zhuǎn) 矩0 － 減 小 轉(zhuǎn) 矩－ － 迅 速 減 小 轉(zhuǎn) 矩 () 該模塊根據(jù)式 ()和 ()可以構(gòu)建磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)如圖 42 和圖 43。為了得到精確且迅速的計算結(jié)果 ， 本文中的仿真求解器選為 ode23db 變步長求解器。 現(xiàn)在， MATLAB 語言不僅廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。一臺電壓型逆變器處于某一工作狀態(tài)時，定子磁鏈軌跡沿著該狀態(tài)所對應(yīng)的定子矢量方向運(yùn)動，速度正比于電壓矢量的幅值 E34（ E：逆變器直流輸入電壓的一半）。如果要改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可以通過改變定子磁通角∠（Ψ s， is）來實現(xiàn)。 27 圖 32 異步電動機(jī)各量空間矢量圖 圖中： is(t)為定子電流空間矢量； ir(t)為轉(zhuǎn)子電流空間矢量； Ψ s(t)為定子磁鏈空間矢量； Ψ r(t)為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；ω為電角速度（機(jī)械角速度和極對數(shù)的積）； Lm 為互感； Lσ s 為定子 漏感； Ls 為定子全電感； Lr為轉(zhuǎn)子電感 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動機(jī)在定子坐標(biāo)系上由下列方程式表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈： 定子磁鏈 ? ? rmssmmss iLiLLLL ＋＋＝＋＝ ?? rs ii 轉(zhuǎn)子磁鏈 ? ? smrsmrmr iLiLLLL ＋＋＝＋＝ ?? rs ii （ ） 氣隙磁鏈 rs ii mmm LL ＋＝? 不同與矢量變換控制系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制方法是以定子磁鏈?zhǔn)噶繛榛鶞?zhǔn)，并維持其幅值為恒定，為此中的第二式計算異步電動機(jī) 的電磁轉(zhuǎn)矩 Tei。但是，由于這些矢量在異步電動機(jī)定子軸系中的各個分量都是交 流量，故難以計算和控制。 Ψ?和Ψ?通過磁鏈計算單元 ,得到了定子磁鏈Ψ s的幅值 |Ψ s| 和所在區(qū)間信號 SN。最后介紹了用于本文所研究的直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的控制方案，并通過仿真實驗驗證方案的有效性。避開了電機(jī)中不易確定的參數(shù) (轉(zhuǎn)子電阻 ):因定子磁鏈的估算只與相對比較容易測量的定子電阻有關(guān)，所以使得磁鏈的估算更容易、更精確，受電機(jī)參數(shù)變化的影響也更小。它采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器 (Β andΒ and 控制 ) ,把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給 定值作比較 ,使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)。 所以直接轉(zhuǎn)矩控制策略具有控制方式簡單 、 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快 、 便于實現(xiàn)全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn) 。MATLAB/SIMULINK。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)的計算，實現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié)。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。它的主要參數(shù)見下表。 （ 5） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 取運(yùn)算放大器的 0R =40?k ，有 0RKR ii ?? =? 40=?k ，取 45?k ， 15 FkRC iii ?? ???? ，取 F? ， FkRTC oioi ? 0 ????? ， 取 F? 。同步電壓二次側(cè)取 30V，一次側(cè)直接與電網(wǎng)連接，電壓為380V,變壓比為 380/30=。選用 XDX2 型紅色指示燈。 本設(shè)計中取 TK =、 shU =5 所以 TL = 510 ?? mH = （ 4）實際串入平波電抗器的電感量 考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量： ? ? )2(,m a x 121 ???? TDd LLLLL mH （ 315） （ 5) 電樞回路總電感 : TDd LLLL 21 ???? =＋ ＋ 2 mH =105mH 8．勵磁電路元件的選擇 整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取 800V。 由上表得 C=， R=80Ω， 電容耐壓≥ mU = U? = 6 125=460V 選 C為 的 CZJD2 型金屬化紙介質(zhì)電容器 , 耐壓為 500V。 取 shU =5V， emshIUSUR ? = 32 ??? ?Ω =， 選 5Ω 6102 ??? Cc fCUI ? = 61012525502 ?????? = RIP RR 2)4~3(? = )4~3( 2 ?? W= ~ W 9 選取 5? 、 20W 的金屬膜電阻。故選晶閘管的型號為 KP206。 6 直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖 1 所示： 圖 1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 主電路設(shè)計與參數(shù)計算 整流變壓器的設(shè)計 二次側(cè)電壓 U2 的計算 2U 是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點(diǎn)選 VM 系統(tǒng)。 本次設(shè)計選用的電動機(jī)型號 Z262 型，其具體參數(shù)如下表 21 所示 ： 表 21 Z262 型電動機(jī)具體參數(shù) 電動機(jī) 型號 PN(KW) UN(V) IN(A) NN(r/min) Ra(Ω ) GDa2（ Nm2） P 極對數(shù) Z261 230 1450 1 在 VM 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓 Ud。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以 節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率 。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 電動機(jī)額定電壓為 230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電 5 方案。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能 [4]。 在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： 7 ? ?BAUU d?~12 ? （ 32） 式中 A理想情況下，? =0176。 本系統(tǒng)采用 DY 連接。 （ 2）直 流側(cè)過電壓保護(hù) 一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 為實現(xiàn)弱磁保護(hù)， 在磁場回路中串入了欠電流繼電器 KA ，動作電流通過 RPI 調(diào)整。 因為 cU =， ?GTV 3V，所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為 ??? GTcG VUK 取 3:1。 （ 3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算： 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) iT =lT =，又因為設(shè)計要求電流超調(diào)量%5?i? ，查得有 iI TK ?? =，所以 IK =iT? = 500 ?? s，所以 ACR 的比例系數(shù)??? ??? s iIi K RKK= ?? ?? 。 故 ? ? ? ? ? ?s sssKsW n nnA SR ???? ?? ??。選測量電阻 MR =47? ,， P=1W 的繞線電位器。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、 ASR、 ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等 。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。數(shù)字測速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護(hù)方便，同時采用 M/T數(shù)字測速方法，兼?zhèn)淞?M法和 T 法測速的優(yōu)點(diǎn)，有效地擴(kuò)大了調(diào)速范圍。simulation 22 model 1 引言 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)，是 20世紀(jì) 80年代由德國魯爾大學(xué)的 Depenbrock教授和日本學(xué)者 Takahashi提出的。 Matlab Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模 、仿真和分析的可視化軟件包，用戶利用該軟件包可以迅速建立起各種連續(xù)、離散或者混合的線性和非線性系統(tǒng)，可以在仿真過程中方便直觀地觀測系統(tǒng)各處的動態(tài)變化，方便地對結(jié)果進(jìn)行分析。于是，日本學(xué)者提出了圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即控制定子磁鏈?zhǔn)?量沿著近似圓形的軌跡運(yùn)動。 研究的主要內(nèi)容 目前在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中實際效果較 好的主要為磁場定向控制系統(tǒng)（矢量控制系統(tǒng)）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 (2) 可較為方便的對定子磁鏈的幅值和形狀加以控制，并且能對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，使系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍具有快速的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，是 DTC 最突出的優(yōu)點(diǎn)。 FΣ 產(chǎn)生磁鏈?zhǔn)噶? Ψ m。 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DSC）系統(tǒng)不需要往復(fù)的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，直接在定子坐 標(biāo)系上用交流量計算轉(zhuǎn)矩的控制量。需要明確的是，這些分量都是交流量。所謂正確選擇，包含兩個含 義：一是電壓空間矢量 順序的選擇；二是各電壓空間矢量給出時刻的選擇。在零狀態(tài)下，電壓矢量等于零，磁鏈停止不動。正是憑借 MATLAB 的這些突出的優(yōu)勢， 它現(xiàn)在已成為世界上應(yīng)用最廣泛的工程計算軟件。最大步長為 ，相對誤差為 1e3，其他選項設(shè)為默認(rèn)值。具體模塊如圖 44。因此說明系統(tǒng)外部情況的變化對磁鏈的影響很小。仿真系統(tǒng)在 1s 時，突加了一個 的轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不是通過電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直 接作為被控量，這就保證了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。因此利用現(xiàn)代控制理論、人工智能和神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 理論，將之應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究，從軟件著手改進(jìn)系統(tǒng)將是這種新技術(shù)的發(fā)展方