【文章內(nèi)容簡介】 律為 : s? 逆時針 旋轉時： 若 *ee TTT? ??時，則 1tF? ； 若 * 0eeTT??時，則 0tF? ； 若 *0 ee TTT? ? ? ?時，則 tF 保持不變。 張偉：直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 14 s? 順時針旋轉時： 若 *ee TTT? ? ??時，則 1TF ?? 。 若 * 0eeTT??時，則 0TF ? ； 若 * 0eeT TT?? ? ? ?時，則 TF 保持不變 *eTe?? TFT?T??10 1? 圖 33 轉矩滯環(huán)調節(jié)器 空間電壓矢量對定子磁鏈和轉矩的影響 空間電壓矢量對定子磁鏈的影響 與磁鏈運動軌跡成 60 度和 120 度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。圖 34 為圓形磁鏈運動軌跡調節(jié)過程示意圖。定子 磁鏈處于第一扇區(qū)，假設運動至 A 點，則有 s ???? ?? ，此時，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號為 F? ,輸出電壓矢量應使 ||s? 增加。綜合考慮轉矩滯環(huán)比較器輸出，如果需要 s?作逆時針旋轉時，可選擇電壓矢量 34UU或 。如果需要 s? 作順時針旋轉，可選擇電壓矢量 2U 。同理，對于 B 點有 s ???? ?? ，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號 F? =l，此時應選擇電壓矢量使 ||s? 減小。如果需要 s? 作逆時針旋轉時，可選擇電壓矢量 5U 。如果需要s? 作順時針旋轉時，可選擇電壓矢量 6U 或 1U 。因此， 磁鏈調節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉的過程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動范圍之內(nèi)變化。 將異步電機的定子磁鏈方程式 (214)離散化得 : ( 1 ) ( 1 )( n ) = Ssss nn Tu?? ? ? ? (35) 式中， ST 為采樣周期中電動機的定子磁鏈與電壓矢量的關系如圖 35 所示。從圖安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 15 23 可以看出 :如對異步電動機施加工作狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運動方向和幅值都將發(fā)生變化 。施加零電壓矢量的時候，則定子磁鏈就會相應的停止運動。因此直接轉矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實現(xiàn)了對磁鏈的相位和幅值的控制。 100110 101010 010011 1U2U3U4U5U6U1S2S3S4S5S6S?? 圖 34 圓形磁鏈運動軌跡調節(jié)過程示意圖 張偉：直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 16 (n)s? ( 1 ) Ss n Tu ?( 1 )s nu ??? ? 圖 35 定子磁鏈與電壓矢量的關系示意圖 在定子電壓壓降比起 ()stu 足夠小的前提下，至此可以得到以下結論 : (l)當前所施加的電壓矢量與當前定子磁鏈矢量之間的夾角 ? 的絕對值小于 90度的時候，作用的結果使磁鏈幅值增加。 (2)當前所施加的電壓矢量與當前定子磁鏈矢量之間的夾角 ? 的絕對值大于 90 度的時候，作用的結果使磁鏈幅值減小。 (3)當前所施加的電壓矢量與當前定子磁鏈矢量之間的夾角 ? 的絕對值等于 90 度或施加零電壓矢量的時候，作用的結果使磁鏈幅值基本保持不變。 空間電壓矢量對電磁轉矩的影響 從前面的分析可知，轉矩對轉速起決定性的影響作用，轉矩控制性能的好壞直接關系到直接轉矩控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性能。 電磁轉矩表達式為： | || |323 sin2e r ssrsrsrsrPPmmLTLLLLL????? ? ? ??? ? ??? （ ） = （ 36） 由 (219)式表明，電磁轉矩的大小是由轉子磁鏈和定子磁鏈的幅值以及它們之間的夾角（磁通角 ?（ t） )決定。 式 219 也可以寫成： 32 Pe s sTi??? (37） 對式 37 兩邊進去微分計算，再乘以 L? ，可得以下式子： ()T P P Re r s r m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (38) 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 17 式中 srm s rmmLLR R RLL?? (39) 將 rs??? 代入式 221 可得 ()T P P Re r s s m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (310） 因此，單純從數(shù)學式 (310)上來看，可以得到以下結論 : (l)當施加超前于當前定子磁通的電壓矢量，使得 0Teddt? 時，轉矩增加。 (2)當施加落后于當前定子磁通的電壓矢量，使得 0Teddt? 時，轉矩減小。 在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心 。轉子磁鏈的幅值由負載決定 。要改變電動機的轉矩大小，可通過改變磁通角 ?（ t） 的大小來實現(xiàn)。在直接轉矩控制技術中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量 ()tSu 來控制定子磁鏈的旋轉速度，達到控制定子磁鏈的目的，從而控制改變定子磁鏈的平均旋轉速度 s? 的大小，從而改變磁通角 ?（ t） 的大小，達到控制電動機轉矩的目的，如圖 36 所示 ?? (0 1 0 )Su ()1s t?()2s t?()2r t? ()1r t? 1t（ ）2t?（ ） 圖 36 電壓空間矢量對電機轉矩的影響 1t 時刻的定子磁鏈 1()st? 和轉子磁鏈 1()rt? 及磁通角 1()t? 的位置如圖 36。從 1t時刻考察到 2t 時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量 ( ) (010)ssu t u? ，則定子磁鏈空間矢量由 1()st? 的位置旋轉到 2()sut 的位置。轉子磁鏈的位置變化實際上不受該期間定子頻率的平均值的影響。因此從 1t 時刻到 2t 時刻這段時間里，定子磁鏈的旋轉速度要大于轉子磁鏈旋轉的速度，磁通角由 1()t? 變大為 2()t? ，相應的轉矩也會增大。 若從 1t 時刻考察到 2t 時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量為零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量的位置 1()st? 保持靜止不動，而轉子磁鏈空間矢量卻繼續(xù)以定子頻率的平均速度旋轉，從而磁通角將減小，轉矩因磁通角的減小變小。因此，通過合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。直接轉矩控制通過這樣的瞬態(tài)調節(jié)就能獲得高動態(tài)性能的轉矩特性。 張偉：直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 18 空間電壓矢量開關信號的選擇 對應于磁鏈和轉矩調節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關信號的選擇也有兩種形式。 一種是通過磁鏈、轉矩的兩點式或三點式調節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢量輸出開關脈沖信號輸出給逆變器。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉矩的 PI 調節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時的空間電壓矢量是旋轉坐標系下的，還需疊加磁鏈旋轉角度，將其轉換成靜止坐標系下的空間電壓矢量，最后通過 SVPWM 方式輸出開關脈沖信號給逆變器。 直接轉矩控制系統(tǒng)的調速方案 在研究直接轉矩控制系統(tǒng)的時候必須對異步電動機在不同運行速度下，電動機空間電壓矢量以及磁鏈的變化進行分析。因為只有進行必要的分析才能對異步電動機在不同的速度下運行存在的問題進行有目的的改進。 雖然在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中我們對異步電動機在中速（正常的運行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。下面就簡單介紹幾種調節(jié)方案，他們分別是低速調節(jié)方案、高速調節(jié)方案、低磁范圍內(nèi)的調節(jié)方案。 低速調節(jié)方案 異步電動機的低速范圍是指額定轉速 30%以下的異步 電動機轉速范圍。在這個范圍內(nèi)，由于存在轉速低 (包括零轉速 )、定子電壓影響大等特點，會造成 :如磁鏈波形畸變，在低定子頻率乃至零頻時保持轉矩和磁鏈基本不變等問題。為此要求在控制方法上做相應的考慮。低速范圍的調節(jié)方案有如下特點 : 一 .用電動機模型檢測計算電動機磁鏈和轉矩。 二 .為了改善轉矩動態(tài)性能，對定子磁鏈空間矢量要實現(xiàn)正反向變化控制。 三 .轉矩調節(jié)器和磁鏈調節(jié)器的多功能的協(xié)調工作。 四 .用符號比較器確定區(qū)段。 五 .調節(jié)每個區(qū)段的磁鏈量。 六 .圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡，圓形磁鏈軌跡用于 15%額定轉速以下范圍，六邊形磁鏈軌跡用于 15%30%額定轉速的范圍。 七 .每個區(qū)段上，有四個工作電壓狀態(tài)和兩個零電壓狀態(tài)的使用與選擇。在低速調節(jié)范圍內(nèi)，可以采用 0o 電壓矢量、 60o ―電壓矢量、 +60o 電壓矢量和 120o 電壓矢量協(xié)調控制。 通過上述電壓矢量的調節(jié)可以對磁鏈進行補償，從而使磁鏈達到近圓形，得到比較安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 19 好的控制結果。 高速調節(jié)方案 高速范圍是指從 30%到 100%額定轉速之間的轉速范圍。這個范圍內(nèi)的調節(jié)方案是典型的 DSR 控制的轉速范圍。高速范圍的調節(jié)方案有以下幾個特點 : 一 .用電動機模型檢測計算電動機磁鏈和轉矩。電動機模型主要工作在 UI 模型下，且有模型電流和實際電流相比較的電流調節(jié)器來補償校正。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)內(nèi)的施密特觸發(fā)器 (也叫磁鏈給定值比較器 )來確定區(qū)段。 三 .轉矩兩點式調節(jié)。 四 .磁鏈兩點式調節(jié)。 五 .六邊形磁鏈軌跡。 在這個轉速范圍內(nèi)工作的 DSR 控制，主要由磁鏈自給定環(huán)節(jié)和轉矩兩點式調節(jié)起作用。磁鏈自控制環(huán)節(jié)給出正確的區(qū)段。轉矩兩點式調節(jié)控制轉矩。由于這個轉速范圍內(nèi)的轉速較高，因此定子電阻壓降的影響可以忽略，定子磁鏈的畸變也可忽略，六邊形磁鏈能得到很好的保持， 因此磁鏈調節(jié)只是起輔助作用。 弱磁范圍內(nèi)的調節(jié)方案 弱磁范圍的工作特點與基速以下時有很多不同。首先，弱磁范圍內(nèi)進行的是恒功率調節(jié)，而不是恒轉矩調節(jié)。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時間，工作電壓在整個區(qū)段中起作用。逆變器的電壓波形與普通電壓型逆變器時一樣。由此帶來弱磁范圍工作的兩個特點 :一是轉速的提高，即定子頻率的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉的加快，靠的是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁。二是電機轉矩的調節(jié)，不是靠工作電壓和零狀態(tài)電壓交替工作從把轉矩限制在容差內(nèi)的方 法，而是靠六邊形磁鏈給定值的動態(tài)變化調節(jié)的方法。轉矩的脈動頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。弱磁范圍內(nèi)的調節(jié)方案有如下特點 . 一 .用電動機模型測量、計算磁鏈和轉矩。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)確定區(qū)段。 三 .六邊形磁鏈軌跡。 四 .用功率調節(jié)器實現(xiàn)恒功率調節(jié)。 五 .通過改變磁鏈給定值實現(xiàn)的平均轉矩的動態(tài)調節(jié)。 六 .每個區(qū)段上用一個工作電壓狀態(tài)。 在弱磁范圍內(nèi)，轉矩調節(jié)器的輸出由轉矩給定值變?yōu)楣β式o定值，借以控制功率調節(jié)器進行弱磁范圍的功率調節(jié)。功率調節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。通過磁鏈給定值的調節(jié)變化，一方面實現(xiàn)對平均轉矩的動態(tài)調節(jié)，另一方面實現(xiàn)弱磁升速的恒功率調節(jié)。轉矩調節(jié)器的輸出一直為 ―1‖態(tài)，電壓為全工作電壓控制，不出現(xiàn)零電壓狀態(tài)。磁鏈自控制單元控制六邊形磁鏈軌跡。 張偉：直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 20 本章小結 本章介紹了直接轉矩控制系統(tǒng)的基本構成。本章重點介紹了直接轉矩控制的幾種調節(jié)方案，其主要包括低速、中速、高速三類，在本論文中中速調節(jié)方案是研究的重點。 第 4 章 異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)的仿真 系統(tǒng)仿真工具的介紹 MATLAB 簡介 MATLAB 是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學軟件 ，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 環(huán)境是由美國 New Mexico 大學的 Clever Moler 于 1980 年開始開發(fā)的，1984 年由 Clever Moler 等人創(chuàng)立的 MathWorks 公司推出了第一各商業(yè)版本。 MATLAB的兩個顯著的特點，即強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應用最廣泛的首選計算機工具。 現(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛的應用于控制領域，也應用與其他的工程領域和 非工程領域。在控制界，很多著名的專家和學者為其擅長