【正文】 圖 43 轉(zhuǎn)速 控制器 3． 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制 器 采用滯環(huán)比較器， 原理前文已詳述， 如 圖 44 所示 ： 圖 44 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制 器 滯環(huán)比較器參數(shù)設(shè)置如圖 45 和 46 所示 : 圖 45 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器 1 。 積分器采用模塊庫(kù)中的離散時(shí)間積分器構(gòu)建 。 2. 轉(zhuǎn)速 控制 器 此模塊通過 PI調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)輸出用于符合 DTC控制的磁通和轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值 。 各種信號(hào)經(jīng)過電機(jī)信號(hào)分離器后分別由示波器顯示。 系統(tǒng)原 理的 實(shí)現(xiàn)： 三相 交流 電源 依次經(jīng) 三相 二極 管整流 、制 動(dòng)斬波電路、 三相逆 變器和 電壓 電流測(cè) 量模塊 給異 步電機(jī) 供電 ；給定 轉(zhuǎn)速加 于速度控 制器， 經(jīng)過 磁 鏈查 表 輸出 給定磁 鏈； 給定速 度與 速度反 饋（實(shí) 際速度）比較后經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器 輸出給定轉(zhuǎn)矩信號(hào) ，同時(shí)速度控制器模塊 輸出控制信號(hào)加于電機(jī)信號(hào)分離器。使用這 些模塊 進(jìn)行電 力電 子電路 系統(tǒng)、 電力 系統(tǒng)的 仿真 ，能夠 簡(jiǎn)化編 程工作，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模型描述。 綜上所述， Simulink 就是一種開放性的，用來(lái)模擬線性或非線性的以 及 連 續(xù) 或 離 散 的 或 者 兩 者 混 合 的 動(dòng) 態(tài) 系 統(tǒng) 的 強(qiáng) 有 力 的 系 統(tǒng) 級(jí) 仿 真 工具。 同 Matlab 一樣， Simulink 也不是封閉的 ,他 允 許 用 戶 可 以 很 方 便 的 定 制 自 己 的 模 塊 和 模 塊 庫(kù) 。所 謂的 S 函數(shù)可以是一個(gè) M 函數(shù)文件、 FORTRAN 程序、 C 或 C++語(yǔ)言程序等 ,通過特 殊的語(yǔ)法規(guī)則使之能夠被 Simulink 模型或模塊調(diào)用。另外Simulink 還提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個(gè)過程 。 對(duì)用 戶來(lái) 說(shuō)， 只要 學(xué)習(xí) 圖形 界面 的使 用方 法和 熟悉 模型 庫(kù)的 內(nèi)容，就可以 很方便 地進(jìn)行 系統(tǒng) 和電路 的仿真 ，而 不必去 記那 些復(fù)雜 的函數(shù) 。 Simulink 是 MATLAB軟件的 一個(gè)附加組件，為用戶提供 一個(gè)建模與仿真的環(huán)境集成 ，它主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真，它與用戶的交互接口是基于 Windows 的圖形編程方法。 如果同 時(shí)考慮 定子 磁鏈幅 值和 相位角 的變 化，則 轉(zhuǎn)矩 的 變化 趨勢(shì)取決于定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩角乘積的變化趨勢(shì)。 (2)所加電壓矢量滯后于當(dāng)前定子磁鏈時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。 假設(shè)轉(zhuǎn) 矩角 ? (0, )2??，此 時(shí)轉(zhuǎn) 矩 eT 是轉(zhuǎn)矩 角 ? 的嚴(yán)格單 調(diào)增 函數(shù) 。 電 壓 空 間 矢 量 對(duì)電磁 轉(zhuǎn)矩 的影響 根據(jù)前 面分析 ，當(dāng) 施加電 壓空 間矢量 時(shí)， 如果忽 略定 子磁鏈 幅值的變化， 只考慮 定子磁 鏈相 位角的 變化， 由于 轉(zhuǎn)子磁 鏈在 電壓矢 量作用 過程中變 化緩慢 ，可以 近似 認(rèn)為保 持不變 ，因 此轉(zhuǎn)矩 角發(fā) 生了變 化。 上述分 析可以 得出 如下結(jié) 論： 所加電 壓矢 量與當(dāng) 前定 子磁鏈 的夾角小于 90時(shí)，定子磁鏈 幅值的變化 趨勢(shì)，與所 加電壓矢量和 作用時(shí)間的乘積在定 子磁鏈 方向上 的分 量和在 與定子 磁鏈 垂直方 向上 的分量 哪個(gè)起 主導(dǎo)作用 有關(guān)。 OB = 22 222 c o sS S s sO D B D u t u t? ? ?? ? ? ? ? ? 當(dāng) sut? 2 cosS??時(shí)， OB OA 。要判斷 OB 與 OA 的大小，要看 AD 和 BD 哪個(gè)起主導(dǎo)作用。 在這種情況下，定子磁鏈幅值的變化情況的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程如下：oDCBAα 圖 311 所加電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶康膴A角 大 于 90 時(shí) 磁鏈幅值變化的數(shù)字推導(dǎo)示意圖 如上圖所示，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶?幅值為 OA 時(shí)，電壓矢量和作用時(shí)間的乘積的幅值為 AB ， OA , AB 兩者的夾角為 ?， ? 90 。如圖 310 所示。 當(dāng)所加電壓矢量 與當(dāng)前定子 磁鏈的夾角 大 于 90 時(shí)，按照上述結(jié)論，定子磁 鏈幅值 應(yīng)該減 小。對(duì)于電壓空間矢量與定子磁鏈幅值的變化關(guān)系，有如下結(jié)論： (1)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角 小 于 90 時(shí)，定子磁鏈增大 ； (2)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角 大 于 90 時(shí)，定子磁鏈減小 ； (3)所加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈為零。則得到定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊S1S2S3S4S5S6 形成了正六邊形磁鏈。 從以上分析過程可以得出如下結(jié)論： (1)定子磁鏈空間矢量 ()s t? 的運(yùn)動(dòng)軌跡和相應(yīng)的定子電壓空間矢量()sut對(duì)應(yīng)，定子磁鏈空間矢量 ()s t? 的運(yùn)動(dòng)方向平行于相應(yīng)的定子電壓空間矢量 ()sut的作用方向，只要定子電阻壓降 ()ssi t R 比起 ()sut 足夠小，那么這種平行就能夠得到很好的近似。當(dāng) ()s t? 沿著邊 S 到 S1 與S2 的交點(diǎn)時(shí)，如果逆變器加到 定子上的電壓空間矢量是 4su (011)，則定子 磁 鏈 空 間 矢 量 ()s t? 的 頂 點(diǎn) 將 沿 著 S2 的 軌 跡 ， 朝 著 電 壓 空 間 矢 量4su (011)，所作用的方向運(yùn)動(dòng) 。 ( 0 0 0 )( 1 1 1 )u s 2 ( 0 0 0 )u s 3 ( 0 1 0 )u s 4 ( 0 1 1 )u s 5 ( 0 0 1 )u s 6 ( 1 0 1 )u s 1 ( 1 0 0 )S 1S 2S 3S 4S 5S 6Ψ s ( t ) 圖 38 定子電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖 38 中， ()sut表示定子電 壓空間矢 量， ()s t? 表示定子磁鏈 空間矢量 ,S1,S2,S3,S4,S5,S6 是正 六邊形的六條邊。 ( 0 0 0 )( 1 1 1 )u s 2 ( 0 0 0 )u s 3 ( 0 1 0 )u s 4 ( 0 1 1 )u s 5 ( 0 0 1 )u s 6 ( 1 0 1 )u s 1 ( 1 0 0 ) 圖 37 用電壓空間矢量表示的離散的電壓狀態(tài) 電 壓 空 間 矢 量 對(duì)定子 磁鏈 的影響 逆變器的輸出電壓 ()sut直接加到三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，由此得到定子磁鏈 ()s t? 為： ? ?( ) ( ) ( )s s s st u t i t R d t? ??? (36) 若忽略定子電阻壓降的影響，則： ( ) ( )sst u t dt? ?? (37) 上式表 示定 子磁鏈 空間 矢量 與定 子電壓 空間 矢量 之間為 積分 關(guān)系。 如 果 用 符 號(hào) ()sut 表表 示 逆 變 器 的 輸 出 電 壓 空 間 矢量，則電壓空間矢量的順序是 Us1(100)Us2(110)Us3(010) Us4(011)Us5(001)Us6(101)。 6 種工作電壓空間矢量?jī)蓛上喔?60 ，其頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形的 6 個(gè)頂點(diǎn)。這 7 種不 同的電壓狀態(tài)也分為兩類： 一類是 6 種工 作電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于開關(guān) 狀態(tài)“ 1”至“ 6”：另一類是零 電壓狀態(tài)，它 對(duì)應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“ 0”和“ 7”，對(duì)于外部負(fù)載 來(lái)說(shuō)，輸出的 電壓都為零， 所以統(tǒng)稱為零電壓狀態(tài)。 8 種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是 6 種工作狀 態(tài)，即表 33中的狀態(tài)“ 1”到狀態(tài)“ 6，它們的特點(diǎn)是 三相負(fù)載并不都接到相同的 電位上；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān) 狀態(tài)，如表 3 3 中的狀態(tài)“ 0”和狀態(tài)“ 7”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都被接到相同的電位上。用 ,abcs 表示三相開關(guān) ,as 、 ,bs 和 ,cs 。模型的基本方程式如下： ()sa sa sa ss s s su i R d tu i R d t? ? ????????? (34) 轉(zhuǎn)矩在 dq 坐標(biāo)系上的計(jì)算 方程為 : （ 35） 電壓空間矢量的選擇 電 壓 空 間 矢 量的 分類 電壓源型逆變器 (如圖 38)是由三組、 六個(gè)開關(guān) , , , , ,(,a a b b c cs s s s s s)組成。 這種 模型最 簡(jiǎn)單 ，在計(jì) 算過程 中所 唯一需 要知 道的電 機(jī)參數(shù) 是易于確 定的定 子電阻 。 以上詳 細(xì)討論 了在 三相靜 止坐 標(biāo)系下 異步 電動(dòng)機(jī) 直接 轉(zhuǎn)矩控 制的基本原理， 由于 三相 兩相變換 下并 不改變轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法和控制方法，所以在兩相靜止坐標(biāo)系下同樣適用。 表 32 電壓矢量引起的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化 電壓矢量 1V 2V 3V 4V 5V 6V 07VV s? ? ? ? ? ? ? 0 eT ? ? ? ? ? ? ? 例如，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在圖 34 中扇區(qū) s(2)的 B 點(diǎn)，此時(shí)磁鏈過高，轉(zhuǎn)低，即SH?=0， HTe=1，由此查表 31，可 知下一步電壓矢量 4V 將作用 于逆變器，即產(chǎn)生 軌跡 BC 段。零 矢量 ( 0V 或 7V )使電機(jī)終端短路， 理 論上 此 時(shí) 磁鏈 和轉(zhuǎn) 矩保持 不變?？梢姡妷菏噶?1V 、 2V 和 6V 作用時(shí)，磁鏈會(huì)增大；而當(dāng) 3V 、4V 和 5V 作用時(shí)，磁鏈會(huì)減小 。通過查表 31，可以選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏?量作用于電機(jī)， 其電壓矢量 實(shí)際上同時(shí)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制。如 果忽略定子電阻，可得下式： ? ?SsdV dt ?? (32) 或者 sSVt?? ? ? (33) 上式表明，定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 的增量為電壓矢量 Vs 與時(shí)間增量出的乘積，也 就是說(shuō) 它與逆 變器 的六個(gè) 非零電 壓矢 量之間 存在 著一定 的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，如圖 34， 35 所示。圖 31 中的電壓矢量表模塊輸入信號(hào)SH?、 HeT和 S(k)，通過查表方式得到需要加在逆變器上的適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?，如?31 所示。圖 31 中的信號(hào)計(jì)算模塊根據(jù)電機(jī)端電壓和電流信號(hào)計(jì)算 出磁鏈 和轉(zhuǎn) 矩反饋 信號(hào)， 還計(jì)算 出定子 磁鏈?zhǔn)?量 s? 所在的扇區(qū)S(k)。 102 H B T e圖3 轉(zhuǎn) 矩 滯 環(huán) 控 制 器3 數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： ee=1=0T T e TT T e TE H B HE H B H????當(dāng) 時(shí) ，當(dāng) 時(shí) ， 式中， 2TeHB為轉(zhuǎn)矩控制器的總滯環(huán)帶寬 給定定子磁鏈?zhǔn)噶?s? *的圓形軌跡在滯環(huán)內(nèi)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，如圖34 所示。 直接 轉(zhuǎn)矩控 制采用 兩個(gè)滯環(huán) 控制器 ，分別 比較 定子給 定磁鏈 和實(shí) 際磁鏈 、給 定轉(zhuǎn)矩 和實(shí)際 轉(zhuǎn)矩的差 值，然 后，根 據(jù)這 兩個(gè)差 值查詢 逆變 器電壓 矢量 開關(guān)表 得到需 要加在異步電動(dòng)機(jī)上的恰當(dāng)?shù)碾妷洪_關(guān)矢量，最后通過 PWM 逆變器來(lái)實(shí) 現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。通 過控制 定子 磁鏈與 轉(zhuǎn)子磁 鏈之間的 夾角即 轉(zhuǎn)矩角 可以 控制電 動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩 。該 控制方 案的原 理是 通過查 表的 方法以 選擇合 適的電壓空間矢量，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制。 (3)轉(zhuǎn)矩方程 ()e p m sq rd sd rqT n L i i i i?? (228) 式中 eT —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 ； pn —— 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)； mL , sqi , rdi , sdi , rqi —— 同上 (4)運(yùn)動(dòng)方程 eL pjdTT n dt??? (229) 式中 LT —— 負(fù) 載轉(zhuǎn)矩 ； ? —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ； J —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； eT , pn —— 同上 以上構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。當(dāng) dqs? =0 時(shí) , dqr? =? ,即轉(zhuǎn)速的負(fù)值。它比異步電動(dòng)機(jī)在三相以任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 的坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單 ，階次有所降低，但是其非線性、多變量、強(qiáng)耦合的性質(zhì)沒有改變。 （ 3） 轉(zhuǎn)矩方程 ()e p m sq rd sd rqT n L i i i i?? (224) tnJTT ddpLe ???式中 ： eT —— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 ； pn—— 電動(dòng)機(jī)極對(duì) 數(shù)； mL , sqi , rdi , sdi , rqi 同上 。me ?? ?????? ii WnWT ??iLLiiLi???????????? ??????002121rssrppe???TT nnT][][ cbaCBArs iiiiiiTTT ?? iii?????? ???????? rsrssrsrpe 21 iLiiLi ?? TTnT)