【導讀】近年來由于微型機的快速發(fā)展，數(shù)字交直流調速系統(tǒng)得到廣泛應用。低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，所以微機數(shù)字控制系統(tǒng)在各個方面的性能都遠遠優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應。本設計是用8031單片機構成的數(shù)字化直流調速系統(tǒng)。最后進行軟件編程、調試以及計算機仿真。實時控制結果表明，本數(shù)字。統(tǒng)，從而能夠實際的應用到生產生活中，滿足現(xiàn)代化生產的需要。應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可。采用單片機構成控制系統(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。早期直流電動機的控制均以模擬電路。控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。自適應調節(jié)器等。本次設計選用的電動機型號Z2-62型，額定功率，額定電壓230V，額定電流,額定轉速1450r/min,勵磁電壓220V,運轉方式連續(xù)。位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓Ud。由于要求直流電壓

　　

【正文】 ，這些分量都是交流量。根據式（ ）構成的轉矩觀測模型如圖 34 所示。 28 圖 33 定子正交 αβ 坐標系 圖 34 異步電動機轉距觀測模型框圖 以定子磁鏈矢量Ψ s 為基準的優(yōu)越性是，在定子坐標系中計算定子磁鏈，受電機參數(shù)影響最小（只受定子電阻 Rs 的影響） ，而且定子電流可以直接測取。 由式（ ）可以看出，在實際運行中，保持定子磁鏈矢量Ψ s 的幅值為額定值， 可充分利用電動機。式中 is sin∠（Ψ s， is）為定子電流 is 的轉矩分量，它由轉矩決定。如果要改變異步電動機的轉矩，可以通過改變定子磁通角∠（Ψ s， is）來實現(xiàn)。 式（ ）可用來作為異步電動機電磁轉矩的觀測模型來求取轉矩的觀測值。 電壓空間矢量的正確選擇 正確選擇電壓空間矢量，可以形成六邊形磁鏈。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。 定子磁鏈空間矢量的運動軌跡取決于與定子電壓空間矢量。反過來，定子電 壓空間矢量的選擇又取決于定子磁鏈空間矢量的運動軌跡。要想得到六邊形磁鏈，就要對六邊形磁鏈進行分析，為此觀察六邊形軌跡的定子旋轉磁鏈空間矢量在?三相坐標系和? A、? B、? C 軸上的投影（?坐標系見圖 35） ，則可以得到三個相差 120 度 相位的梯形波，它們分別被稱為定子磁鏈的 ψA? 、 ψb? 和 ψc? 分量。 圖 3 5 六邊形磁鏈及?三相坐標系 29 異步機直接轉矩控制 前面闡述了直接轉矩控制系統(tǒng)的基本概念、控制思想，下面來看看它是如何實現(xiàn)的。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)所對應的定子矢量方向運動，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）。利用磁鏈的 Bang－ Bang 控制切換電壓矢量的工作狀態(tài)，可使磁鏈軌跡按六邊形（或近似圓形）運動。如果要改變定子磁鏈矢量 Ψ s(t)的旋轉速度 ，可引入零電壓矢量。在零狀態(tài)下，電壓矢量等于零，磁鏈停止不動。利用轉矩的 Bang－ Bang 控制交替使用工作狀態(tài)和零狀態(tài)，使磁鏈走走停停，從而改變了磁鏈的平均旋轉速度 SW 的大小，也就改變了磁通角 θ（ t） 的大小，達到控制電動機轉矩的目的。轉矩、磁鏈閉環(huán)控制所需要的反饋控制量由電機定子側轉矩、磁鏈觀測模型計算給出。 4 異步電動機直接轉矩控制系統(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。 MATLAB 語言的兩個最顯著特點，即其強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使它成為國際控制界應用最廣的首選計算機工具。 現(xiàn)在， MATLAB 語言不僅廣泛應用于控制領域，也應用于其它的工程和非工程領域。在控制界，很多知名學者都為其擅長的領域寫出工具箱，而其中很多工具箱已經成為該領域的標準。 與 Fortran 和 C 等高級語言比 較， MATLAB 的語法規(guī)則更簡單，更重要的是其貼近人思維方式的編程特點，使得用 MATLAB 編寫程序非常方便和簡捷。正是憑借 MATLAB 的這些突出的優(yōu)勢， 它現(xiàn)在已成為世界上應用最廣泛的工程計算軟件。在美國等發(fā)達國家的大學里 MATLAB 是一種必須掌握的基本工具，而在國外 30 的研究設計單位和工業(yè)部門，更是研究和解決問題的一種標準軟件。在國內也有越來越多的科學技術工作者參加到學習和倡導這門語言的行列中來。在大家的共同努力下， MATLAB 正在成為計算機應用軟件中的一個新熱點。 DTC 主要模塊功能及實現(xiàn) 簡述 (1) 仿真環(huán)境和系統(tǒng)仿真圖 SIMILINK 模型的仿真不僅包含一系列微分方程的數(shù)值積分還包含有非線性環(huán)節(jié)的求解， SIMILINK 為仿真提供了各種計算這些方程的求解器由于不同動態(tài)系統(tǒng)的行為差異，所有在解決特點問題時，某些求解器會比其他的更有效一些。為了得到精確且迅速的計算結果 ， 本文中的仿真求解器選為 ode23db 變步長求解器。 ode23db 是使用 TRBDF2 來實現(xiàn)的，即基于隱式 RungeKutta 公式，其第一級是梯形規(guī)則步長和第二極是二階反向微分公式，兩級計算使用相同的迭代矩陣。與 ode23s 相似 ，對于寬誤差容限，它比 odel5s 更有效。最大步長為 ，相對誤差為 1e3，其他選項設為默認值。 (2) 轉速 PI 調節(jié)模塊 通過對給定轉速與反饋轉速之間的差值進行 PI 調節(jié)，可以得到系統(tǒng)的給定轉矩。 圖 41 轉速 PI 調節(jié)內部模塊 本模塊在傳統(tǒng)的 PI 調節(jié)器的基礎上，添加了一個限幅環(huán)節(jié)，如圖 41?？梢允沟迷谡{節(jié)轉速過程中，轉矩和轉速的上下波動減小，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (3) 磁鏈及電磁轉矩調節(jié)模塊 磁鏈滯環(huán) 比較器 與轉矩滯環(huán)比較器：這兩個模塊的輸出將與磁鏈所在扇區(qū)共同決定選擇哪一個電壓矢量。 11111110dF? ? ?? ? ? ?? ? ????? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ??－ 增 大 磁 鏈不 變 －－ 減 小 磁 鏈 () 31 1T1T T Td T T T TT T T???? ???? ? ? ? ? ??? ???－ 增 大 轉 矩0 － 減 小 轉 矩－ － 迅 速 減 小 轉 矩 () 該模塊根據式 ()和 ()可以構建磁鏈滯環(huán)和轉矩滯環(huán)如圖 42 和圖 43。所示 ： 圖 42 定子磁鏈模塊內部結構圖 圖 43 轉矩磁鏈模型內部結構圖 (4) 輸出 PWM 信號子模塊 根據第二章的分析 可以知道， 當磁鏈、轉矩滯環(huán)比較器和扇區(qū)比較器的狀態(tài)輸入同時送入開關狀態(tài)器后，該控 制器發(fā)出開關信號經過逆變器產生三相正弦波供給電機 。 本系統(tǒng)中，開關狀態(tài)器及逆變器模塊均用 M 函數(shù)來代替。具體模塊如圖 44。 圖 44 開關狀態(tài)器的內部結構圖 仿真結果及其分析 這里使用的是 Simlink Simpowersystems 提供的三相異步電動機模塊，其參數(shù)選擇如下：參考坐標系為 Stationary－定子參考坐標系，電動機類型選為 Squirrel鼠籠型， P＝ 3hp， U1＝ 380V， f＝ 50HZ， Np＝ 2， Ne＝ 1400rpm， Ls=Lr=*10－ 3H， Lm＝ *10－ 3H， Rs＝ ， Rr＝ ， Te＝ ， J＝ ， 32 電機參數(shù)還可以通過雙擊電機模塊來修改，以期與實際電機參數(shù)相一致。電機模型的輸入為三相電壓，輸出為一個含有電機定轉子電流、電壓、磁通、電機轉速、電磁轉矩、轉子位置的向量。 控制系統(tǒng)：給定磁鏈 * wb? ? ，磁鏈滯環(huán)比較器 ??? ， 轉矩 滯環(huán)比較器 Nm?? ，負載轉矩給定值 21 Nm? ，仿真算法：采用 ode23db 變步長求解 ，步長為 52 10?? (2e5s)。圖中的各個圖形中的橫坐標都是仿真所用的時間 —— 單位為秒 (s)。圖 45 為經過逆變器之后，輸入電機的 AB 相之間的線電壓。從圖中看到線電壓 圖 45 電機輸入 AB 相之間的線電壓波形 圖 4－ 6 為定子磁鏈的軌跡圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)啟動時，磁鏈的幅值增長迅速，很快達到了磁鏈給定值左右，然后在直接轉矩控制的策略下，隨加到電機定子側電壓矢量的不同，幅值被限制在了一個比 較小的容差范圍內，反應在圖中就是一個同心圓。在系統(tǒng)空載和后面突加負載的時候，磁鏈波形基本不變。因此說明系統(tǒng)外部情況的變化對磁鏈的影響很小。 33 圖 46 定子磁鏈軌跡 圖 4－ 7 為系統(tǒng)啟動時，空載時的定子三相電流、轉矩、和轉速的波形。 圖 4－ 7 定子三相電流波形 從圖中可以看到，第一個波形為直接轉矩控制下的定子三相電流波形。從圖中看到波形按照三相正弦波的規(guī)律變化的。在啟動時的啟動電流比較大，但隨著電機轉速的提高，電流的幅值逐漸減小，并隨著轉速一起達到穩(wěn)定狀態(tài)。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矩的波形。實驗中可以看到轉矩經過一段時間的振蕩后達到了穩(wěn)定狀態(tài)。第三條曲線為轉速曲線。仿真系統(tǒng)在 1s 時，突加了一個 的轉矩負載。從圖中可以看到，在突加負載后，定子三相電流變大，轉矩經過一個波動后，穩(wěn)定在 附近 。 而 轉速波形在此時有一個微小的波動， 34 然后迅速達到穩(wěn)定。并且轉速并沒有明顯的下降。這說明系統(tǒng)的動態(tài)響應性能良好。 綜上所述 ，從仿真結果來看，采用本文中所涉及的控制策略進行的直接轉矩仿真，所得到的系統(tǒng)的動靜態(tài)特性都很優(yōu)良，與理論分析的結果也基本吻合。 5 總結 本文利用 MATLAB/SIMULINK 構建了一個直接轉矩控制系統(tǒng)，并進行了仿真研究。通過仿真結果可以證明所建立的直接轉矩控制系統(tǒng)的正確性， 對于實際的直接轉矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有很好的指導意義。 直接轉矩控制技術不是通過電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直 接作為被控量，這就保證了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。直接轉矩控制是在定子坐標系下分析交流電動機模型，省去了矢 量變換等復雜的變換和計算，簡化了結構，易于用數(shù)字化控制元件實現(xiàn)；采用電壓空間矢量的概念分析電機模型和控制各物理量，使問題簡單明了，易于理解；由于采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，減小了電機參數(shù)對性能的影響。 隨著 現(xiàn)代 科學 技術的不斷發(fā)展，直接轉矩控制技術必將有所突破?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論應用于 DTC 技 術，為改進 DTC 系統(tǒng)提供了堅實的理論依據；同時高性能的數(shù)字處理器的出現(xiàn)，為改進 DTC 系統(tǒng)提供了強大的物質基礎。尤其是目前數(shù)字化潮流勢不可擋，各行各業(yè)都向數(shù)字化靠攏。如智能 IPM 整合了 DSP控制器，將電機控制的大部分電路集成到標準封裝的模塊中，集成了 IGBT 模塊，IGBT 驅動電路、電壓電流反饋、保護模塊和 DSP 控制模塊，使得控制結構愈發(fā)簡單，控制性能與控制精度、響應速度均得到提高。特別是 DSP 芯片在直接轉矩控制系統(tǒng)中的應用為解決低速區(qū)的問題提供了可能，因為只要實現(xiàn)了對定子電阻的準確辨識，就能從根本上消除定子電 流和磁鏈畸變，問題也就迎刃而解。而全數(shù)字化的實現(xiàn)，將使采樣精度更高，誤差率更小，更易于實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此利用現(xiàn)代控制理論、人工智能和神經 網絡 理論，將之應用于直接轉矩控制技術的研究，從軟件著手改進系統(tǒng)將是這種新技術的發(fā)展方向。 35 參考文獻 1. 李夙 .異步電機直接轉矩控制 .北京：機械工業(yè)出版社， 1999 2. 何萍，郭軍 .基于 Matlab/Simulink 的異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)仿真 .電氣應用， 2021 .電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) .北京：機械工業(yè)出版社， 2021 .電力電子技術題例與電路設計指 .北京：機械工業(yè)出版社， 1998 .電力電子技術 . 第 4 版．北京：機械工業(yè)出版社， 200０ . 電力拖動自動控制系統(tǒng) . 武漢：華中科技大學出版社， 1991 .自動控制原理：第 4 版 .北京：國防工業(yè)出版社 。交流調速控制系統(tǒng)。電子工業(yè)出版社， 2021 胡崇岳等?，F(xiàn)代交流調速系統(tǒng)。機械工業(yè)出版社， 2021 黃忠霖等。控制系統(tǒng) MATLAB 設計 及仿真。機械工業(yè)出版社，2021