【正文】 21 第二部分 直接轉(zhuǎn)矩控制的建模與仿真 摘 要 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真對于研究直接轉(zhuǎn)矩控制是非常重要的 .本文首先介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和工作過程 .然后在靜止??參考坐標系下 ,推導(dǎo)出了基于 Simulink/ S 函數(shù)的感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型 ,用 MATLAB/SIMULINK 建立了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)仿真模型 ,同時對直接轉(zhuǎn)拒控制系統(tǒng)六邊形磁鏈和圓形磁樁軌跡運行了仿真研究。 關(guān)鍵詞 直接轉(zhuǎn) 矩 控制 。 仿真模型 ABSTRACT In this paper ,the basic principle of Direct T orque Control is introduced. Then the simulation model of the direct torque control system based on SimulinkP S function is deduced in the static? ?reference frame ,and the modules of the simulation model are introduced in detail . The dynamic simulating model of Direct Self Control of Inductioon Motor is founded in this the simulation research about hexagon flux trace and ring flux trace to DSCsystem,the result shows that the Simulation Model is a effective tool to the study of DSC system. Key words:direct selfcontrol。simulation 22 model 1 引言 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)，是 20世紀 80年代由德國魯爾大學(xué)的 Depenbrock教授和日本學(xué)者 Takahashi提出的。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)自誕生起就以其新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到了普遍的注意和得到迅速的發(fā)展。 由于直接在定子兩相靜止坐標系統(tǒng)下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型 ，將定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩作為被控制量 ， 根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩以及給定定子磁鏈與實 際定子磁鏈的偏差來直接選擇電壓矢量 ,從而避免了矢量控制中許多復(fù)雜的矢量變換計算 。 直接轉(zhuǎn)矩控制在異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟 ， 但在永磁同步電動機 （ PMSM） 伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究相對滯后。 Matlab Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模 、仿真和分析的可視化軟件包，用戶利用該軟件包可以迅速建立起各種連續(xù)、離散或者混合的線性和非線性系統(tǒng)，可以在仿真過程中方便直觀地觀測系統(tǒng)各處的動態(tài)變化，方便地對結(jié)果進行分析?？傊?，利用 Simulink 軟件來建模仿真是非常方便的。通過檢測電機 定子電壓和電流 ,利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法 ,直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型 ,計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制 ,并產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號 ,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制 ,以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。于是，日本學(xué)者提出了圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即控制定子磁鏈矢 量沿著近似圓形的軌跡運動。直接轉(zhuǎn)矩控制是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機轉(zhuǎn)矩。與空 間矢量控制相比，其主要優(yōu)點在于它摒棄了空間矢量控制 思想，直接對電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制，并用定子磁鏈的定向代替轉(zhuǎn)子磁鏈的定向。此外，直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接輸出轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差來確定電壓矢量，與以前的調(diào)速理論相比，它具有控制直接、計算過程十分簡化的優(yōu)點。 研究的主要內(nèi)容 目前在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中實際效果較 好的主要為磁場定向控制系統(tǒng)（矢量控制系統(tǒng)）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 (1) 對直接轉(zhuǎn)矩控制理論進行了深入研究，充分總結(jié)了前人對該控制理論所提出的各種優(yōu)化措施及方案。 討論了幾種定子磁鏈模型及其優(yōu)缺點。 (3) 利用現(xiàn)有條件結(jié)合硬軟件系統(tǒng)合理搭建實驗平臺，完成系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析。 (2) 可較為方便的對定子磁鏈的幅值和形狀加以控制，并且能對轉(zhuǎn)矩進行直接控制，使系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍具有快速的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，是 DTC 最突出的優(yōu)點。 3 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 及方案 直接轉(zhuǎn)矩控制的原理 25 圖 31 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖 直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)原理如圖 31 所示 ,它由逆變器、 磁鏈估算、 轉(zhuǎn)矩估算、 磁鏈位置估算、 開關(guān)表和調(diào)節(jié)器等部分組成。輸入到感應(yīng)電機數(shù)學(xué)模型模塊計算出 Ψ ?、 Ψ ?和轉(zhuǎn)矩實際值 Te。 磁鏈模型 ? ?dtiRu sSss ? ? ??????? ＝ 轉(zhuǎn)矩模型 ? ????? ?? sssspe iinT ?? 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想 任何電動機，無論是直流電動機還是交流電動機，都由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。 FΣ 產(chǎn)生磁鏈矢量 Ψ m。 Tei = Cm(Fs ╳ Fr) = Cm Fs Frsin ∠ (Fs， Fr) = Cm(Fs ╳ FΣ ) = Cm Fs FΣ sin ∠ (Fs， FΣ ) = Cm(Fr ╳ FΣ ) = Cm Fr FΣ sin ∠ (Fr， FΣ ) （ ） 式中， Fs、 Fr、 FΣ 分別為矢量 Fs、 Fr、 FΣ 的模；∠（ Fs、 Fr） 、∠（ Fs、FΣ ） 、∠（ Fr、 FΣ ）分別是矢量 Fs 和 Fr、 Fs 和 FΣ 、 Fr 和 FΣ 之間的夾角。因此，可以通過控制兩磁勢矢量的幅值和兩磁勢矢量之間的夾角來控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩。 在矢量變換控制系統(tǒng)中是借助于矢量旋轉(zhuǎn)坐標變換（定子靜止坐標系→空間 旋轉(zhuǎn)坐標系）把交流量轉(zhuǎn)化為直流控制量，然后再經(jīng)過相反矢量旋轉(zhuǎn)坐標變換（空 26 間旋轉(zhuǎn)坐標系→定子靜止坐標系）把直流控制量變?yōu)槎ㄗ虞S系中可實現(xiàn)的交流控制量。 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DSC）系統(tǒng)不需要往復(fù)的矢量旋轉(zhuǎn)坐標變換，直接在定子坐 標系上用交流量計算轉(zhuǎn)矩的控制量。在異步電動機定子坐標系中求的轉(zhuǎn)矩的控制量后，根據(jù) 閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成原則，設(shè)置轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，可獲得與矢量變換控制系統(tǒng)相接近的靜、動態(tài)調(diào)速性能指標。并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量在?軸上的投影稱為?分量，在正交的?軸上的投影稱為?分量。 Tei = Cm(Fs ╳ FΣ) = Cm Fs FΣsin ∠ (Fs， FΣ) = KmΨm is sin∠ （ Ψm， is） 由于 Ψm sin∠ （ Ψm， is） =Ψssin∠ （ Ψs， is） ，所以 Tei = KmΨsissin∠ （ Ψs， is） （ ） 式中， Km 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。需要明確的是，這些分量都是交流量。 28 圖 33 定子正交 αβ 坐標系 圖 34 異步電動機轉(zhuǎn)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。式中 is sin∠（Ψ s， is）為定子電流 is 的轉(zhuǎn)矩分量，它由轉(zhuǎn)矩決定。 式（ ）可用來作為異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的觀測模型來求取轉(zhuǎn)矩的觀測值。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。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。 圖 3 5 六邊形磁鏈及?三相坐標系 29 異步機直接轉(zhuǎn)矩控制 前面闡述了直接轉(zhuǎn)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。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。在零狀態(tài)下，電壓矢量等于零，磁鏈停止不動。轉(zhuǎn)矩、磁鏈閉環(huán)控制所需要的反饋控制量由電機定子側(cè)轉(zhuǎn)矩、磁鏈觀測模型計算給出。 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(yīng)用最廣的首選計算機工具。在控制界，很多知名學(xué)者都為其擅長的領(lǐng)域?qū)懗龉ぞ呦?，而其中很多工具箱已?jīng)成為該領(lǐng)域的標準。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(yīng)用最廣泛的工程計算軟件。在國內(nèi)也有越來越多的科學(xué)技術(shù)工作者參加到學(xué)習(xí)和倡導(dǎo)這門語言的行列中來。 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。 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。最大步長為 ，相對誤差為 1e3，其他選項設(shè)為默認值。 圖 41 轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)內(nèi)部模塊 本模塊在傳統(tǒng)的 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，添加了一個限幅環(huán)節(jié)，如圖 41。 (3) 磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模塊 磁鏈滯環(huán) 比較器 與轉(zhuǎn)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。所示 ： 圖 42 定子磁鏈模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 43 轉(zhuǎn)矩磁鏈模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (4) 輸出 PWM 信號子模塊 根據(jù)第二章的分析 可以知道， 當磁鏈、轉(zhuǎn)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(guān)狀態(tài)器后，該控 制器發(fā)出開關(guān)信號經(jīng)過逆變器產(chǎn)生三相正弦波供給電機 。具體模塊如圖 44。電機模型的輸入為三相電壓，輸出為一個含有電機定轉(zhuǎn)子電流、電壓、磁通、電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子位置的向量。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)。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(zhuǎn)矩控制的策略下，隨加到電機定子側(cè)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(nèi)，反應(yīng)在圖中就是一個同心圓。因此說明系統(tǒng)外部情況的變化對磁鏈的影響很小。 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(zhuǎn)矩控制下的定子三相電流波形。在啟動時的啟動電流比較大，但隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，電流的幅值逐漸減小，并隨著轉(zhuǎn)速一起達到穩(wěn)定狀態(tài)。實驗中可以看到轉(zhuǎn)矩經(jīng)過一段時間的振蕩后達到了穩(wěn)定狀態(tài)。仿真系統(tǒng)在 1s 時，突加了一個 的轉(zhuǎn)矩負載。 而 轉(zhuǎn)速波形在此時有一個微小的波動， 34 然后迅速達到穩(wěn)定。這說明系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能良好。 5 總結(jié) 本文利用 MATLAB/SIMULINK 構(gòu)建了一個直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并進行了仿真研究。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不是通過電流、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，這就保證了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。 隨著 現(xiàn)代 科學(xué) 技術(shù)的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破。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。特別是 DSP 芯片在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)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。因此利用現(xiàn)代控制理論、人工智能和神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 理論，將之應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究，從軟件著手改進系統(tǒng)將是這種新技術(shù)的發(fā)展方向。交流調(diào)速控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng) MATLAB 設(shè)計 及仿