【文章內(nèi)容簡介】 ?01 0? ?00 0? ?1114su 圖 2 3 電 壓 空 間 矢 量 表 示 的7 種 離 散 電 壓 狀 態(tài) 異步電動機磁鏈模型 對于異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，對其進行定子磁鏈觀測非常重要，對于磁鏈的估算提出了三種模型： iu? 模型， ni? 模型和 nu? 模型。下面分別對這三種模型進行分析。 1. iu? 模型 用定子 電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫 iu? 模型發(fā)。 定子河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 磁鏈可根據(jù)一個簡單公式分析，其公式為： ? ? ? ? ? ?? ?dtRtitut ssss ? ??? （ 211） 用該公式確定定子磁鏈，得到精確的電壓，電流，便于計算出定子磁鏈。 iu? 模型計算定子磁鏈，其誤差由定子電阻 sR 引起。故 iu? 模型在30%額定轉(zhuǎn)速以上時，能夠非常準確的確定定子磁鏈，并且仍要注意溫度對電阻的影響。在定子頻率接近零時，這種方法也不適用，原因在于用作定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失，以致 只有誤差被積分?？傊?0%額 定轉(zhuǎn)速以上時， iu? 模型法，結(jié)構(gòu)簡單，精度高。 下圖為 iu? 模型的原理圖。 ? ?tu s IsR?_ ??? ?tis??ψ圖 2 4 U i模 型 原 理 圖 2. ni? 模型 ni? 模型是利用定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈。當電動機在 30%額定轉(zhuǎn)速以下時， 磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算，這時利用 ni? 模型計算磁鏈是非常合適的。 下式為 ni? 模型 定、轉(zhuǎn)子 磁鏈計算公式： ? ?? ????????????????????????????????rrsrrrssLRLiLL11 （ 212） 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 ? ?? ????????????????????????????????rrsrrrssLRLiLL11 （ 213） 式中 ： ??r 、??r為轉(zhuǎn)子磁鏈在 ? ? 坐標系上的分量； ??s 、 ??s 為定子磁鏈在 ? ? 坐標系上的分量。 由公式可知， ni? 模型雖然不受定子電阻的影響，但其受到轉(zhuǎn)子電阻rR 、漏電感 ?L 、主電感 L 的影響。此外 ni? 模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，角速度 ? 的測量誤差對模型影響很大，故需要精密的測量角速度 ? 。 3. nu? 模型 nu? 模型綜合了 iu? 模型和 ni? 模型的特點 ，是一個在全速范圍內(nèi)都適用的磁鏈模型，其由定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。 其主要優(yōu)點是： （ 1） 結(jié)合了 iu? 模型和 ni? 模型的優(yōu)點，很自然的解決了切換的問題； （ 2） 引入 PI電流調(diào)節(jié)器 ，大大提高了電動機模型的仿真精度； 缺點是： 結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，實用性差。 電壓空間矢量對電動機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 將逆變器的輸出電壓 ??tus 直接加到異步電動機的定子上，定子電壓與逆變器電壓相等也為 ??tus ，得定子磁鏈 ??ts? 與定子電壓 ??tus 關(guān)系式為： ??ts? = ? ? ? ?? ?dtRtitusss? ? （ 214） 若忽略定子電阻壓降的影響，近似為： ??ts? = ??dttus? （ 215） 該關(guān)系式表示定子磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的積分關(guān)系。 如下圖 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 7? ?011? ?001? ?101? ?100? ?110? ?010? ?00 0? ?1111S2S 3S 4S5S6S?? ? ?ts?? ?tus 圖 2 5 電 壓 空 間 矢 量 與 磁 鏈 空 間 矢 量 關(guān) 系 根據(jù)磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的關(guān)系圖 可得出： （ 1） 忽略定子電阻 sR 的影響，可得到定子磁鏈 ??ts? 頂點的運動軌跡方 向平行于電壓空間矢量 ??tus 的指向的方向。 （ 2）在適當時給出定子電壓空間矢量 654321 ssssss uuuuuu ????? ，可得到定子磁鏈運行的軌跡為 654321 SSSSSS ????? ，形成正六邊形。 于是可利用逆變器的六個工作電壓狀態(tài)可簡單的得到六邊形的磁鏈軌跡對電動機進行控制。這就是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思 想，電壓空間矢量對定子磁鏈的影響可通過以下方式實現(xiàn)： （ 1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：在 正常 電壓空間矢量作用期間， 適時的插入零矢量對電動機進行控制，當 有效電壓空間矢量作用時，定子磁鏈運動軌跡沿著電壓空間矢量作用方向運動 。插入零矢量后，定子磁鏈靜止，由于零矢量的插入，使得旋轉(zhuǎn)速度變慢，在這期間保持電壓空間矢量作用時間不變，定子磁鏈幅值不變，電動機實現(xiàn)恒磁通調(diào)速，即實現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 （ 2）恒功率調(diào)速： 通過改變電壓空間矢量的作用時間，達到改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的目的。由于電壓空間矢量幅值不變，只改變了作用時間，所以定子磁鏈所圍 成的面積發(fā)生改變，作用時間變短，面積變小，定子磁鏈幅值變小。 對電動機實現(xiàn)了恒功率調(diào)速。 電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 異步電動機轉(zhuǎn)矩的大小跟定、傳子磁鏈的幅值和磁通角有關(guān)。在實際運用時，為了充分利用鐵心，保持定子磁鏈幅值不變，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值是根據(jù)負載決定，故在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，可以通過改變磁通角的大小來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，其控制方法為通過控制電壓空間矢量來對定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度進行控制，改變了定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變了磁通角的大小 ，以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩的控制。其主要控制方法有以下幾方面： （ 1）增大轉(zhuǎn)矩：增大有效電壓空間矢量，使得電壓幅值足夠大，就使得定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角增大，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。 （ 2）減小轉(zhuǎn)矩：給出零電壓空間矢量，定子磁鏈會走走停停，定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩減小。 （ 3）迅速減小轉(zhuǎn)矩：施加有效反向電壓空間矢量，定子磁鏈會進行反方向旋轉(zhuǎn)，磁通角迅速減小，使得轉(zhuǎn)矩也迅速減小。 通過控制工作狀態(tài)的電壓空間矢量和零狀態(tài)電壓空間矢量的交替出現(xiàn)的時間，實現(xiàn)了對定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度的改變，通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)可獲得高性能的轉(zhuǎn)矩特性。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)器 原理 通過前文的介紹，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 基本 控制方式已經(jīng) 清楚 ， 根據(jù)前文可得到系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)及結(jié)構(gòu)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可分為以下 幾 個部分： （ 1） 控制部分： 分為 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 ； （ 2）逆變部分：由逆變器組成； （ 3）電機部分： 為 異步電動機。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 323232A M M U C TD M CA Z SU TA M CA T R?se?se?? s?? sA??B??C??AS ?BS ?CS ?S CSUASUBSUABCBi CiAi AuBu Cu?su?sui??1sg??sg??sg??sg??sg??sg??2ECTQ?si ?siei gTei fTsR sR?????? sg?IM~3圖 2 6 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 系 統(tǒng) 原 理 圖 圖中各個單元器件名稱為： AMM— 異步電機數(shù)學模型 ； UCT— 坐標變換單元 ； DMC— 磁鏈自控制單元 ； AZS— 零狀態(tài)選擇單元 ； AMC— 轉(zhuǎn)矩計算單元 ； ATR— 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 ； UT— 逆變器 。 由圖可知，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理為：通過 AMM計算得到定子磁鏈，并分解到 ??, 坐標軸，然后經(jīng)過 UCT進行坐標變換，通過將計算得到的磁鏈值與 DMC給定的磁鏈值進行比較，得到磁鏈開關(guān)信號， 通過 AMC計算得到轉(zhuǎn)矩值，根據(jù) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 ATR的輸出量決定是否插入零狀態(tài)，確定電河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 壓開關(guān)狀態(tài)，對逆變器的輸出電壓進行控制，使其產(chǎn)生六邊形磁鏈。 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 磁鏈調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是對磁鏈量進行調(diào)節(jié)。在電動機低速運行時，由于定子電阻壓降的影響，定子磁鏈幅值減小，在電動機低頻運行時，定子磁鏈幅值也減小，為了避免定子磁鏈的減小，引入磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，主要作用在于加大定子磁鏈幅值，維持磁鏈幅值在允許范圍內(nèi)波動。 磁鏈調(diào)節(jié)過程是通過磁鏈電壓完成，磁鏈電壓為定子電壓 空間矢量，目的在于區(qū)別轉(zhuǎn)矩電壓，作用在于增大定子磁鏈幅值。對磁鏈電壓的選擇主要有兩種：一種是與磁鏈運動軌跡成 600角的電壓空間矢量；另一種是成 1200角的電壓空間矢量。 磁鏈調(diào)節(jié)器器實際上也是一個施密特觸發(fā)器，對磁鏈幅值進行兩點式調(diào)節(jié)。引入容差寬度???，它是定子磁鏈幅值g?與給定幅值f?之間允許的波動范圍，磁鏈調(diào)節(jié)器輸入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開關(guān)信號Q?。 ??f?g? ??? ?? Q???圖 2 7 磁 鏈 調(diào) 節(jié) 器 原 理 圖 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的任務(wù)是實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。為了實現(xiàn)這一效果，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須有以下兩個功能：一是用轉(zhuǎn)矩兩點式 調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；二是在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時，能夠控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器也采用施密特觸發(fā)器，輸入信號為轉(zhuǎn)矩給定值gT與轉(zhuǎn)矩反饋值fT的信號差 T? 。調(diào)節(jié)器輸出量為轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號QT。 容差為 m?? ， 調(diào)節(jié)器采用離散的亮點式調(diào)節(jié)方式。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 ??fTgTm??QTm??m?10T?圖 2 7 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 節(jié) 器 原 理 圖 當fT下降到調(diào)節(jié)器容差下限 m?? ，調(diào)節(jié)器輸出信號QT狀態(tài)為 ” 1” 。在 1?QT作用下，得到相應(yīng)的電壓空間矢量， 使得定子磁鏈前轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩上升。當fT上升到容量上限 m?? 時，QT變?yōu)椤?0”態(tài)，在 0?QT作用下，零電壓加到電動機上，定子磁鏈靜止，轉(zhuǎn)矩減小，下降到調(diào)節(jié)器容差下限m?? ，重復(fù)運行。反復(fù)這樣運行，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)器兩點式調(diào)節(jié)，把轉(zhuǎn)矩波動限制在給定值的容差范圍內(nèi)，達到轉(zhuǎn)矩的直接控制。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 3 直接轉(zhuǎn)矩控 制的 SIMULINK仿真 MATLAB/SIMULINK 介紹 MATLAB (Matrix Laboratory)為美國 Mathworks公司 1983年首次推出的一 套 高性能的數(shù)值分析和計算軟件，其功能不斷擴充，版本不斷升級，1992年推出劃時代的 ， 1993年推出了可以配合 Microsoft Windous使用的微機版， 95年 ， 97年 ， 99年 ， 內(nèi)容都有長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和 PDF格式，可以方便的瀏覽。至 2021年 6月推出 ， 2021年 6月推出 ，繼而推出 版 , 2021年 7月 MATLAB7和 ，目前的最新版本為 。 MATLAB將矩陣運算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供了一個強有力的科學及工程問題的分析計算和程序設(shè)計工具，它還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺。 MATLAB 可以完成以下工作： （ 1） 數(shù)值分析 （ 2） 數(shù)值和符號計算 （ 3） 工程與科學繪圖 （ 4） 控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿 真 （ 5） 數(shù)字圖像處理 技術(shù) （ 6） 數(shù)字信號處理技術(shù) （ 7） 通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真 （ 8） 財務(wù)與金融工程 SIMULINK是 MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個 軟件包 ，被廣泛應(yīng)用于 線性系統(tǒng) 、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。 SIMULIN