【正文】 對所研究對象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和計算，模仿真實系統(tǒng)的情況，得出運(yùn)行結(jié)果。計算機(jī)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(diǎn)有個整體的把握，為實際系統(tǒng)的開發(fā)做好準(zhǔn)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(qiáng)大的矩陣運(yùn)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(qiáng)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(jìn)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(dāng)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(qiáng)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(jī)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(diǎn) : 。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(dá)與 標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近。 。 MATLAB 有很好的可擴(kuò)充性，可以把它當(dāng)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(kuò)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(qiáng)，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(jī)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(dú)立的功能和使用方法 .確切的說，它是對動態(tài)進(jìn)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(zhǔn)確而快速地對電路以及更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)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(jī)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(jī) 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(jī)、逆變器均采用SimPowerSystems 模塊中的模型，而且認(rèn)為異步電動機(jī)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型 電機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn) : (1)算法理論簡單明了，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)計算，對電機(jī)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(jìn)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(zhǔn)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(dāng)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(yùn)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(yán)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(diǎn)和難點(diǎn)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(jī)的仿真模型，并得到了仿真結(jié)果。并對仿真結(jié)果 進(jìn)行分析，分析得出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及其缺點(diǎn)。 31 結(jié)論 異步電動機(jī)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(qiáng)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(yùn)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(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。本論文通過對異步電動機(jī)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(zhǔn)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識和對學(xué)生的認(rèn)真負(fù)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(jǐn)向王老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。在我進(jìn)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(diǎn)，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。回首來路，唯心存感激。 最后，向評審本文的各位老師致意 ! 33 參考文獻(xiàn) [1] 韓安太 ,劉峙飛 ,黃海 .DSP 控制器原理及其在運(yùn)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(qiáng) ,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(jī)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 ,2022. [4] 王偉 ,金新民 ,童亦斌 .基于空間矢量調(diào)制的感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 [J].電力機(jī)車與城軌車輛， 2022. 28(4): 22. [5] 陳伯時 . 電力拖動自動控制系統(tǒng) (第 3 版 )[M]. 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,. [6] Badii Bouzidi, Abderrazak Yangui, Abdessattar guermazi and Ahmed Masmoudi. DTC Based Position Control Induction Motor A Comparison Between Different Strategies. IEEE Traps ,6. [7] 王成元 ,電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù) [M],北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,. [8] 吳守箴 ,臧英杰 . 電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù) [M].北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2022. [9] 馬小亮 . 大功率交－直－交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù) (第二版 )[M].北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,1996. [10] 洪乃剛 . 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 [M].機(jī)械工業(yè)出版社 [11] 李夙 ,異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 [M],北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,— 14. [12] 薛定宇 ,陳陽泉 .基于 MATLABISIMULINK 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用 [J]，清華大學(xué)出版社 ,2022:6. [13] 姚俊 ,馬松輝 .SIMULINK 建模與仿真 [M].西安電子科技大學(xué)出版社 ,. [14] 洪乃剛 .電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 [M].機(jī)械工業(yè)出版社 ,. [15] 張森 ,張正亮 .MATLAB 仿真技術(shù)與實例應(yīng)用教程 [M].機(jī)械工業(yè)出版社 ,.