【正文】 機械工業(yè)出版社，2021 。機械工業(yè)出版社， 2021 黃忠霖等。電子工業(yè)出版社， 2021 胡崇岳等。 35 參考文獻 1. 李夙 .異步電機直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù) . 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 。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。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(qū)動電路、電壓電流反饋、保護模塊和 DSP 控制模塊，使得控制結(jié)構(gòu)愈發(fā)簡單，控制性能與控制精度、響應速度均得到提高?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論應用于 DTC 技 術(shù)，為改進 DTC 系統(tǒng)提供了堅實的理論依據(jù)；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(zhì)基礎。直接轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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。通過仿真結(jié)果可以證明所建立的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的正確性， 對于實際的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有很好的指導意義。 綜上所述 ，從仿真結(jié)果來看，采用本文中所涉及的控制策略進行的直接轉(zhuǎn)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(jié)果也基本吻合。并且轉(zhuǎn)速并沒有明顯的下降。從圖中可以看到，在突加負載后，定子三相電流變大，轉(zhuǎn)矩經(jīng)過一個波動后，穩(wěn)定在 附近 。第三條曲線為轉(zhuǎn)速曲線。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(zhuǎn)矩的波形。從圖中看到波形按照三相正弦波的規(guī)律變化的。 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(zhuǎn)矩、和轉(zhuǎn)速的波形。在系統(tǒng)空載和后面突加負載的時候，磁鏈波形基本不變。圖 45 為經(jīng)過逆變器之后，輸入電機的 AB 相之間的線電壓。 控制系統(tǒng)：給定磁鏈 * wb? ? ，磁鏈滯環(huán)比較器 ??? ， 轉(zhuǎn)矩 滯環(huán)比較器 Nm?? ，負載轉(zhuǎn)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 44 開關狀態(tài)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 仿真結(jié)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。 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。 11111110dF? ? ?? ? ? ?? ? ????? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ??－ 增 大 磁 鏈不 變 －－ 減 小 磁 鏈 () 31 1T1T T Td T T T TT T T???? ???? ? ? ? ? ??? ???－ 增 大 轉(zhuǎn) 矩0 － 減 小 轉(zhuǎn) 矩－ － 迅 速 減 小 轉(zhuǎn) 矩 () 該模塊根據(jù)式 ()和 ()可以構(gòu)建磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)如圖 42 和圖 43?？梢允沟迷谡{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的上下波動減小，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2) 轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)模塊 通過對給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速之間的差值進行 PI 調(diào)節(jié)，可以得到系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)矩。與 ode23s 相似 ，對于寬誤差容限，它比 odel5s 更有效。為了得到精確且迅速的計算結(jié)果 ， 本文中的仿真求解器選為 ode23db 變步長求解器。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。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。 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。 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。 4 異步電動機直接轉(zhuǎn)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。利用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的目的。如果要改變定子磁鏈矢量 Ψ s(t)的旋轉(zhuǎn)速度 ，可引入零電壓矢量。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）。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(zhuǎn)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。 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。 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。如果要改變異步電動機的轉(zhuǎn)矩，可以通過改變定子磁通角∠（Ψ s， is）來實現(xiàn)。 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。根據(jù)式（ ）構(gòu)成的轉(zhuǎn)矩觀測模型如圖 34 所示。 把 Ψ s 和 is 置于定子正交坐標系? ? 中，如圖 33 所示，得到 sin∠ （ Ψs， is） = sin（ θ1－ θ2） = sinθ1cosθ2－ cosθ1sinθ2 從而在定子坐標系中，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩模型可以表達為 Tei = Km（ Ψsαisα－ Ψsβisβ） （ ） 式中， is? 、 is? 、 Ψ s? 、 Ψ s? 分別是 is、 Ψ s 在 αβ軸系上的分量。 27 圖 32 異步電動機各量空間矢量圖 圖中： is(t)為定子電流空間矢量； ir(t)為轉(zhuǎn)子電流空間矢量； Ψ s(t)為定子磁鏈空間矢量； Ψ r(t)為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；ω為電角速度（機械角速度和極對數(shù)的積）； Lm 為互感； Lσ s 為定子 漏感； Ls 為定子全電感； Lr為轉(zhuǎn)子電感 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動機在定子坐標系上由下列方程式表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈： 定子磁鏈 ? ? rmssmmss iLiLLLL ＋＋＝＋＝ ?? rs ii 轉(zhuǎn)子磁鏈 ? ? smrsmrmr iLiLLLL ＋＋＝＋＝ ?? rs ii （ ） 氣隙磁鏈 rs ii mmm LL ＋＝? 不同與矢量變換控制系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制方法是以定子磁鏈矢量為基準，并維持其幅值為恒定，為此中的第二式計算異步電動機 的電磁轉(zhuǎn)矩 Tei。 異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩模型 異步電動機各量的空間矢量關系如圖 32 所示。 由式（ ）知道，轉(zhuǎn)矩等于磁勢矢量 Fs 和 FΣ 的矢量積，而 Fs 比例于定子電流矢量 is， FΣ 比例于磁鏈矢量 Ψ m，因而可以知曉轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量 is 及磁鏈矢量Ψ m的模值大小和二者之間的夾角有關，并且電子電流矢量 is 的模值可直接檢測得到，磁鏈矢量Ψ m的模值可從電機的磁鏈模型中獲得。顯然，矢量變換控制系統(tǒng)雖然可以獲得高性能的調(diào)速特性，但是往復的矢量旋轉(zhuǎn)坐標變換及其他變化大大增加了計算工作量和系統(tǒng)的復雜性，而且由于異步電動機矢量變換控制系統(tǒng)是采用轉(zhuǎn)子磁場定向方式，設定的磁場定向軸易受電機參數(shù)變化的影響，因此異步電動機矢量變換系統(tǒng)的魯棒性較差，當采取參 數(shù)自適應控制策略時，有進一步增加了系統(tǒng)的復雜性和計算工作量。但是，由于這些矢量在異步電動機定子軸系中的各個分量都是交 流量，故難以計算和控制。 異步電動機的 Fs， Fr， FΣ （Ψ m）在空間以同步角速度 ω s 旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止。由電機統(tǒng)一理論可知，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由這些磁勢矢量的相互作用產(chǎn)生的，即等與他們中任何兩個矢量的矢量積。定子產(chǎn)生定子磁勢矢量 Fs，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁勢矢量 Fr，二者合成得到合成磁勢矢量 FΣ 。 Ψ?和Ψ?通過磁鏈計算單元 ,得到了定子磁鏈Ψ s的幅值 |Ψ s| 和所在區(qū)間信號 SN。其工作過程如下 :首先由檢測單元檢測出電機定子電流和電壓值、實際轉(zhuǎn)速ω。 (3) 定子磁鏈矢量、定子電壓矢量和開關狀態(tài)關系一一對應，系統(tǒng)特別適合利用 DSP 實現(xiàn)全數(shù)字化。 直接轉(zhuǎn)矩控制的實質(zhì)是定子磁鏈 定向控制，是一種特殊的定子磁鏈定向控制，采用此方案有以下優(yōu)點： (1) 控制算法較為簡單，可以直接在靜止坐標系上進行矢量分解運算，摒棄了復雜的矢量變換與計算，大大減少矢量控制的性能易受參數(shù)變化影響的問題，魯棒性好。最后介紹了用于本文所研究的直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的控制方案，并通過仿真實驗驗證方案的有效性。 (2) 敘述了直接轉(zhuǎn)矩控制的原理，并建立了相應的數(shù)學模型和仿真模型。本文在閱讀大量國內(nèi)外文獻的基礎上， 對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了仿真和一些實驗研究，在定子磁鏈的觀測、低速性能的改 24 善方面都有一定的改進和提高，內(nèi)容如下 。 這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應速度，但是卻引起了電流和轉(zhuǎn)矩的脈動，低速性能差，調(diào)速范圍受到限制。避開了電機中不易確定的參數(shù) (轉(zhuǎn)子電阻 ):因定子磁鏈的估算只與相對比較容易測量的定子電阻有關，所以使得磁鏈的估算更容易、更精確，受電機參數(shù)變化的影響也更小。采用定子磁場定向，借助于離散的二點式調(diào)節(jié) (Band 一 Band控制 )產(chǎn)生 PWM信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。 為了獲得高精度的速度控制，定子磁鏈軌跡就希望被控制成圓形。它采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器 (Β andΒ and 控制 ) ,把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給 定值作比較 ,使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)。 23 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的 簡介 直接轉(zhuǎn)矩控制理論 直接轉(zhuǎn)矩 控制的核心思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、 轉(zhuǎn)矩的綜合控制。 Simulink 包含許多的模塊庫，利