【正文】 數(shù)學(xué)模型進行分析和計算，模仿真實系統(tǒng)的情況，得出運行結(jié)果。計算機仿真在現(xiàn)代工程系統(tǒng)設(shè)計、評估和產(chǎn)品研究開發(fā)中越來越受到重視，特別是對系統(tǒng)的可行性、可靠性研究，具有事半功倍的效果。使開發(fā)者對系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、性能優(yōu)點有個整體的把握，為實際系統(tǒng)的開發(fā)做好準備。由 Math Work公司推出的 MATLAB使得為解決這些具體問題而建立數(shù)學(xué)模型變得輕松、便捷，為科學(xué)和工程技術(shù)人員節(jié)約了寶貴的精力，并贏得了時間。 MATLAB 憑借其強大的矩陣 運算能力、簡便的繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境以及豐富的算法工具箱，己成為科研和工程技術(shù)人員的有力開發(fā)工具。它將數(shù)值分析、矩陣計算、圖形圖象處理和仿真等諸多強大功能集成在一個極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程工具，集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖象處理等于一體。 MATLAB/SIMULINK 軟件是當今國際上科學(xué)和工程技術(shù)界具有廣泛影響力的軟件之一。 SIMULINK是 The Math Works 公司于 1990年推出的產(chǎn)品，經(jīng)過十幾年的發(fā) 展己經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其是 S函數(shù)的引入使得 SIMULINK 更加充實，處理能力更加強大，使用戶可以根據(jù)自己的意圖來實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。 MATLABISIMULINK 中的 SimPowerSystems 庫的模塊組提供了大量電力、電機系統(tǒng)的基本模塊，使得這些系統(tǒng)模型的建立更加容易，縮短了建模時間。 MATLAB 具有三大特點 : 。包括數(shù)值計算和符號計算，計算結(jié)果和編程可視化，數(shù)學(xué)和 27 文字統(tǒng)一處理，離線和在線計算。 ，語言自然。 MATLAB 以復(fù)數(shù)矩陣為計算單 元，指令表達與 標準教科書的數(shù)學(xué)表達式相近。 。 MATLAB 有很好的可擴充性，可以把它當作一種更高級的語 言去使用 .用它容易地編寫各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序。 MATLAB 有許多工具箱 Toolbox，這些工具箱大致可分為兩類 :功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。前者主要用來擴充 MATLAB 的符號計算功能、視圖建模功能和文字處理功能以及與硬件實時交互功能 :而后者專業(yè)性較強，如各種工具箱，使 MATLAB 在線性代數(shù)、矩陣分析、數(shù)值計算及優(yōu)化，數(shù)理統(tǒng)計和隨機信號分析、電路與系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)、信號和圖 像處理、控制理論分析和系統(tǒng)設(shè)計、過程控制、建模和仿真、通信系統(tǒng)、財政金融等眾多領(lǐng)域的理論研究和工程設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。 作為 MATLAB 的重要組成部分， Simulink 具有相對獨立的功能和使用方法 .確切的說，它是對動態(tài)進行建模、仿真和分析的一個軟件包。 Simulink 的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊。然而，對于電氣傳動研究人員來說，一直被一個問題所困擾，即 :如何準確而快速地對電路以及更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)進行仿真 .如果各環(huán)節(jié)用簡化傳遞函數(shù)來表示，則很多重要環(huán)節(jié)會被忽略。而 MATLAB 中的電氣系統(tǒng)模塊庫 Power System Blockset)解決了這個問題。電氣系統(tǒng)模塊庫以 Simulink 為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電力傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。它由電源模塊庫、基本元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫等6 個子模塊庫組成。在這 6 個基本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫中去?？傊?MATLAB 非常適用于自動化領(lǐng)域的研究與開發(fā)。 28 三相異步電機 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 的 仿真 本系統(tǒng)仿真模型完全基于實 際情況，實際存在的異步電動機、逆變器均采用SimPowerSystems 模塊中的模型，而且認為異步電動機的三相定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速都是可以方便測出的，這些都可以歸為硬件部分 。其它模塊則屬于算法，歸為軟件部分。這樣使整個系統(tǒng)條理清晰，為以后的實際系統(tǒng)開發(fā)做好鋪墊。采用總分總的建模步驟 :首先將整個系統(tǒng)按照算法分成幾個子模塊 。然后利用 SIMULINK 中的基本模塊分別構(gòu)建各個子系統(tǒng)，通過封裝技術(shù)將它們封裝起來 :最后把各個子模塊連接起來，構(gòu)成整個系統(tǒng)的仿真模型網(wǎng)。系統(tǒng)的仿真模型如圖 所示。 圖 異步電 動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型 電機模型主要參數(shù) : NP = KVA NU =460V Nf =60 Hz SR = J= 2?m 速度 PI 模塊系數(shù) : pk =30 ik =200 根據(jù) 前面所述，在 Matlab/Simulink 環(huán)境下建立了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真 模型。模型中包括三相交流異步電機模型、逆變器模塊、整流模塊以及最重要 的控制算法模型。在控制算法模型中，主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模塊、磁鏈和 計算控制模塊、區(qū)間選擇模塊以及開關(guān)表選擇模塊等。 29 仿真結(jié)果如圖 圖 和圖 所示。 圖 定子電流 定子電流在初始的波動后，逐漸呈現(xiàn)為正弦波形。 圖 轉(zhuǎn)速 電機的實際轉(zhuǎn)速能夠跟上給定值的變化。 圖 轉(zhuǎn)矩 電磁 轉(zhuǎn)矩的實際值能夠跟上給定值的變化。 通過 以上三 圖可以看出，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制能夠保證轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有很好的動態(tài)性能，能在短時間內(nèi)跟隨給定值變化，并保證輸出電流波形保持正弦。但是，從圖 中也要看到，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法下定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩相對于給定值的脈動仍然比較大，電流波形不夠圓滑。 根據(jù)上一節(jié)的仿真結(jié)果以及前面章節(jié)的理論分析，可以很清楚地看到，與矢量控制以及 V/F 控制等方法相比，直接轉(zhuǎn)矩控制方法是一種完全不同的控制算法，具有以下三 30 個明顯的優(yōu)點 : (1)算法理論簡單明了，不需要復(fù)雜的坐標變換和數(shù)學(xué)計 算，對電機參數(shù)依賴非常小，僅僅需要定子電阻這一很容易得到的參數(shù)。 (2) DTC 算法直接對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行控制，并采用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙閉環(huán)的控制策略，可以使得被控制量快速準確地跟隨給定值變化，動態(tài)性能良好。 (3)總體控制結(jié)構(gòu)非常簡單，僅僅需要簡單的 PI 調(diào)節(jié)器和滯環(huán)比較器 。此外，由于采用了空間電壓矢量的概念，直接通過數(shù)字量控制逆變器的通斷，使得控制大大簡化，非常有利于 DSP 實現(xiàn)。 當然，作為一種在近年來才逐步發(fā)展起來的控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制自身還存在很多問題，具體表現(xiàn)在下面三個方面 : (1)由于在控制過 程中只考慮了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的方向性，而忽略了誤差的大小，這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過程中誤差超過滯環(huán)比較的帶寬，從而使實際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動，影響實際性能。 (2)由于采取根據(jù)控制信號選取開關(guān)表控制逆變器開關(guān)的方法，必然導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率不能固定，變化較大，導(dǎo)致電流脈動大且會影響逆變器的使用壽命。 (3)在定子磁鏈觀測時采用了 UI 模型，導(dǎo)致在低速運行區(qū)間，由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響，使得定子磁鏈觀測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。 上述三個問題是影響直接轉(zhuǎn)矩控 制大范圍應(yīng)用的主要問題，也是直接轉(zhuǎn)矩控制研究中的熱點和難點問題。 本章通過使用 MATLAB/SIMULINK 仿真工具，根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，搭建了異步動機的仿真模型，并得到了仿真結(jié)果。并對仿真結(jié)果進行分析，分析得出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點及其缺點。 31 結(jié)論 異步電動機是一個多變量 (多輸入多輸出 )系統(tǒng)，而電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響，而且其數(shù)學(xué)模型也是非線性的，所以是強藕合、非線性的多變量系統(tǒng)。為了避開對磁鏈和轉(zhuǎn)矩分量解藕的繁瑣運算，更好地提高系統(tǒng)動態(tài)性能，出現(xiàn) 了利用轉(zhuǎn)矩反饋控制電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。本論文通過對異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究得出結(jié)論如下 : ，理論清晰，動態(tài)性能優(yōu)良，響應(yīng)迅速。 ，大大提高了系統(tǒng)魯棒性。但是在低速時為了準確計算磁鏈采用的 in 模型需要受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。 3. MATLAB/SIMULINK 強大的計算功能和繪圖能力非常適合控制系統(tǒng)的建模與仿真，尤其 S 一函數(shù)編寫的靈活性和通俗性為電力拖動系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計提供了有力的技術(shù)支持。 受本 人研究水平和研究時間的限制，對于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，本文還有很多工作尚未完成，許多問題有待進一步研究，下一步工作可以從以下幾個方面展開 : ，但由于時間倉促，只進行了控制算法和控制信號的調(diào)試，今后應(yīng)對控制系統(tǒng)的軟硬件進一步完善，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 ，將其引入直接轉(zhuǎn)矩控制可以大大簡化硬件設(shè)計，實際應(yīng)用前景廣闊。今后可以對無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)加以研究。 32 謝辭 本文的課題研究及撰寫工作是在導(dǎo)師王曉晨老師 的直接關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。王老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識和對學(xué)生的認真負責(zé)，給我留下深刻的印象，同時也是我受益匪淺，這將是我終身的財富。在此謹向王老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在我進行論文期間，同組的同學(xué)互相交流知識與心得，為論文的順利完成與修改給予了建議和啟發(fā)。 寫下論文的最后一個句點，我的心中充滿了無盡的感激。我知道，論文的完成只是一個新的開始，未來還有著許許多多的未知和難題在等待著我。在過去的四年大學(xué)生涯中，我得到了很多人的幫助，有師長，有同學(xué)，有朋友，正是你們的無私幫助讓我打開了這扇門，讓我 看到了充滿希望的未來?；厥讈砺?，唯心存感激。 最后，向評審本文的各位老師致意 ! 33 參考文獻 [1] 韓安太 ,劉峙飛 ,黃海 .DSP 控制器原理及其在運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [M].清華大學(xué)出版社 ,. [2] 蘇奎峰 ,呂強 ,耿慶峰 .TMS320F2812 原理與開發(fā) [M].電子工業(yè)出版社 ,. [3] 葉錦嬌 .基于十二電壓矢量的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究 [D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士論文 ,2021. 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