冀教版初中英語九年級全一冊第5單元Lesson 25 Lets Do an Experiment!共19張

1、個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和仿真研究,摘要,直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后，在交流傳動領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展迅速的一種高性能調(diào)速技,術(shù)，該控制方法以其思路新穎、結(jié)構(gòu)簡單及性能良好等優(yōu)點引起了廣泛關(guān)注和研究。與矢量控制技,術(shù)不同，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用定子磁場定向，直接將磁通和電磁轉(zhuǎn)矩作為控制量，對電磁轉(zhuǎn)矩的,控制更加簡捷快速，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。由于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)本身的固有優(yōu)勢，使直接,轉(zhuǎn)矩控制的理論研究和技術(shù)開發(fā)越來越受到重視，進(jìn)展的步伐也越來越快。本文將直接轉(zhuǎn)矩控制技,術(shù)應(yīng)用于異步電機(jī)中，從異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本理論。在深入,剖析原理的

2、基礎(chǔ)上將直接轉(zhuǎn)矩算法模塊化，在,Simulink,環(huán)境下建立了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩近似圓形,磁鏈控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)動態(tài)響應(yīng)能力快，控制方法直接，但是,低速性能較差，低速狀態(tài)下存在轉(zhuǎn)矩脈動過大，定子電流畸變嚴(yán)重等缺點,關(guān)鍵字,直接轉(zhuǎn)矩控制，異步電機(jī),simulink,The Basic Principle and Simulation Study of Direct,Torque Control,Kong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu,Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu, 214000, P. R. China,Abst

3、ract,Direct Torque Control (DTC technology is a high-speed technology in the field of AC drive following,the,technique,of,vector,control,and,it,has,rapid,development,in,recent,years.This,control,strategy,attracts,wide,attention and research for its novel idea, simple structure and good performance.

4、Differ,from the vector control,technologies,DTC,technology,uses,the,stator,flux,orientation,and,directly,makes,the,flux,and,electromagnetic,torque,as,the,control,volume,therefore,the,control,of,the,electromagnetic,torque,is,simple,and,fast,the,system,dynamic,response,capability,is,improved,Due,to,th

5、e,inherent,advantages,of,DTC,technology,its,theoretical,research,and,technological,development,is,receiving,increasing,attention,also,the,pace,of,progress,faster,and,faster.In,this,article,we,make,direct,torque,control,techniques,applied,to,asynchronous,motors,From,a,mathematical model of induction

6、motor starting, introduced the basic theory of DTC technology. Based on depth,analysis,of,the,basis,and,principles,we,module,the,DTC,algorithm,In,the,Simulink,environment,the,asynchronous motor direct torque control system of quasi-circular flux simulation model is established. Simulation,results sh

7、ow that the DTC technologies has fast dynamic response capability and directly control method, but the,low-speed performance is poor, such as torque ripple is too large in low speed state and the stator current distortion,is serious,Key words:direct torque control (DTC,asynchronous motor,simulink,1,

8、前言,直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種新穎的電機(jī)控制策略，基本思想就是直接將電磁轉(zhuǎn)矩作為,被控制量，與矢量控制相比，無需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，對電機(jī)的控制更加快捷迅速，控,制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力得到進(jìn)一步提高。為了將直接轉(zhuǎn)矩控制方法應(yīng)用于異步電機(jī)中，我,們在分析三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，并將各個,部分模塊化，在,MATLAB/Smulink,環(huán)境下建立了直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型進(jìn)行了仿真研究,2,直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和仿真模型,2.1,直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和仿真圖,2.1.1,直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,1,直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理圖,如圖

9、所示,1,其基本原理是將速度傳感器檢測出的電機(jī)實際轉(zhuǎn)速,n,與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速,n,比較的值輸入,PI,調(diào)節(jié)器后得到給定轉(zhuǎn)矩值,由霍爾傳感器得到的異步電機(jī)定子電壓和,電流經(jīng)過磁鏈和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩估計器得到轉(zhuǎn)矩實際值,兩相定子磁鏈分量,以及定子,磁鏈幅值,定子磁鏈幅值,與給定的磁鏈幅值比較后輸入磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器得到磁鏈信,號,給定轉(zhuǎn)矩值,與轉(zhuǎn)矩實際值,經(jīng)過比較后輸入到轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩信號,定子磁鏈在兩相靜止坐標(biāo)系下的,分量經(jīng)過區(qū)間判斷單元得到定子磁鏈所處扇,區(qū)信號,磁鏈開關(guān)信號,轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號,以及定子磁鏈扇區(qū)信號,通過查閱開,關(guān)表得到所要的電壓矢量信號,進(jìn)而控制異步電機(jī)運行狀態(tài),2.1.2,直接轉(zhuǎn)矩控

10、制的仿真模型總圖,異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由以下幾個子系統(tǒng)組成：異步電機(jī)模型、轉(zhuǎn)速調(diào),節(jié)器、磁鏈信號和轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生模塊、定子磁鏈扇區(qū)判斷模塊、電壓矢量選擇模塊和,逆變器模塊組成，完整系統(tǒng)模型圖如圖,2,所示,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,2,異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制,2.2,三相異步電機(jī)的基本原理和仿真模塊,2.2.1,三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,要想對三相異步電機(jī)進(jìn)行高效控制，其數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確建立是不可或缺的。如大家所,知，三相異步電機(jī)本身是一個非線性、強(qiáng)耦合的高階多變量系統(tǒng)，建立一個系統(tǒng)的、完整,的反映異步電機(jī)真實性能的數(shù)學(xué)模型是研究直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在異步電機(jī)中應(yīng)用的理論基,礎(chǔ)。為了建立三相

11、異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，一般在異步電機(jī)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行如下的假設(shè),1,忽略空間諧波，設(shè)電機(jī)三相繞組對稱分布，在空間互差,120,電角度，各項電流所產(chǎn),生的磁動勢沿氣隙空間正弦規(guī)律分布,2,忽略磁路飽和，電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面光滑,3,忽略鐵心損耗,4,忽略頻率變化和溫度變化對電機(jī)繞組電阻的影響,在上述假設(shè)基礎(chǔ)上，由于電機(jī)的電壓和電流測量都處于靜止坐標(biāo)系中，因而若將三相,異步電機(jī)的在三相靜止坐標(biāo)系下的各個狀態(tài)方程變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，會簡化數(shù)學(xué)模,型和狀態(tài)方程，兩相靜止坐標(biāo)系一般稱為,坐標(biāo)系，如圖,3,中,a,b,即分別為三相,定子坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電流，三相,兩相變換矩陣如式,1-1,1-1,個

12、人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,3,坐標(biāo)變換關(guān)系圖,異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方,程和運動方程，具體如下,電壓方程,1-2,磁鏈方程,1-3,轉(zhuǎn)矩方程,1-4,運動方程,1-5,其中,為兩相靜止坐標(biāo)系下定子電壓,分量,為兩相靜止坐標(biāo)下,的定子電流分量,為兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流分量,為電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子每,相電阻,為定子自感,為轉(zhuǎn)子自感,為定轉(zhuǎn)子互感,p,代表微分運算,為兩相靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈分量,分別為兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈分量,代表電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,代表負(fù)載轉(zhuǎn)矩,J,代表電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量,代表極對數(shù),為電機(jī),個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,角速度,2.2.

13、2,異步電機(jī)模型,1,異步電機(jī)模型由,2.2.1,節(jié)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程,和運動方程，我們搭建了兩相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，為了使系統(tǒng)簡化，并沒,有用到所有的狀態(tài)方程，而是將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中用到的狀態(tài)方程搭建出來。結(jié)構(gòu)圖如,圖,4,所示，異步電機(jī)模型的輸入是定子電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸出的是異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速、定子電流和定子磁鏈,圖,4,異步電機(jī)仿真模型,2.3,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊如圖,5,所示。輸入為電機(jī)實際轉(zhuǎn)速值和給定轉(zhuǎn)速值，兩者的比較值經(jīng),過,PI,調(diào)節(jié)器得到電磁轉(zhuǎn)矩給定值,圖,5,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仿真模型,2.4,磁鏈信號和轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生,2.4.

14、1,定子磁鏈的觀測控制,定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的觀測控制是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖,6,中，定子,磁鏈偏差和電磁轉(zhuǎn)矩偏差各自被限制在滯環(huán)比較器的容差范圍內(nèi)。當(dāng)定子磁鏈容差設(shè)置過,大，會使定子磁場產(chǎn)生低次諧波，因此會使定子電流發(fā)生較大的畸變；當(dāng)定子磁鏈容差設(shè),置過小，會導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率增大，提高器件損耗。同樣，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩容差設(shè)置過,大，會增大電磁轉(zhuǎn)矩脈動；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩容差設(shè)置過小時，照樣會增大逆變器開關(guān)頻率和提,高損耗,為了獲得定子磁鏈偏差值，首先得知道定子磁鏈實際值。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，定,子磁鏈實際值是根據(jù)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速的檢測值以及電動機(jī)參數(shù)通過估計得到的。本,文采用的異步電

15、機(jī)定子磁鏈估計模型是,u-i,模型,1-6,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,6 u-i,模型結(jié)構(gòu)圖,使用,u-i,模型來確定異步電機(jī)定子磁鏈的優(yōu)點是在計算過程中唯一需要用到的電機(jī)參,數(shù)只有定子電阻，式,1-6,中的定子電壓、定子電流和定子電阻屬于易于測量的物理量,因此該方法是定子磁鏈觀測中最簡單的方法。在異步電機(jī)高速運行時，定子電阻引起的壓,降可以忽略不計，利用,u-i,模型估算法可以得到非常準(zhǔn)確的觀測結(jié)果。但是在低速時，定,子電壓很小，定子電阻變化引起的影響不能忽略，因此定子電阻參數(shù)變化對積分結(jié)果影響,很大,u-i,模型的觀測結(jié)果會失真，需要隨著溫度的變化對電阻值進(jìn)行修正。而且實際檢測,定子

16、電壓和電流時，不可避免的會產(chǎn)生幅值偏差和相位偏差。積分器存在誤差積累和直流,溫漂問題，這些問題在電機(jī)處于低速運行時將十分突出,u-i,模型觀測定子磁鏈的算法中不包含電子轉(zhuǎn)子參數(shù)的信息，且計算時不需要電機(jī)轉(zhuǎn)速,信息，適合無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),定子磁鏈的控制目標(biāo)是選擇定子電壓矢量實現(xiàn)定子磁鏈對給定值的動態(tài)跟蹤，將定子,磁鏈幅值控制在容差限制的范圍內(nèi)，使定子磁鏈軌跡接近于圓形。定子磁鏈的幅值和相位,可由式,1-7,求出,1-7,在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈由磁鏈滯環(huán)比較器來控制，對定子磁鏈幅值進(jìn)行兩點式,調(diào)節(jié)，滯環(huán)比較器的帶寬為,2,上下限分別為,和,它們是定子磁鏈偏差允許的波,動范圍，磁鏈滯

17、環(huán)比較器的原理圖如圖,7,所示,圖,7,磁鏈滯環(huán)比較原理,上圖中輸入信號是計算定子磁鏈幅值與給定定子幅值的比較值,輸出信號為磁鏈信號,Q,當(dāng),時，磁鏈信號,Q=1,當(dāng),時，磁鏈信號,Q=-1,當(dāng),時，磁鏈信號,Q,不變,2.4.2,電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,直接轉(zhuǎn)矩控制中電磁轉(zhuǎn)矩方程可以寫為,1-8,式中,為異步電機(jī)的極對數(shù),為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角?？梢钥闯鲭姶?轉(zhuǎn)矩是由定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量積決定，通過改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角可,以控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小。在直接轉(zhuǎn)矩控制中電磁轉(zhuǎn)矩的控制和定子磁鏈的控制類似都是通,過滯環(huán)比較器來完成，與磁鏈滯環(huán)比較器采用的是

18、兩點式調(diào)節(jié)不同，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器采用,的三點式調(diào)節(jié)方法，其原理圖如圖,8,所示,圖,8,轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器原理,轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)采用三點式調(diào)節(jié)的原因是若采用兩點式調(diào)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速處于低速或者突然降至,低速時會使零電壓矢量的作用時間變長，容易引起圓形磁鏈產(chǎn)生畸變，增加轉(zhuǎn)矩脈動。轉(zhuǎn),矩滯環(huán)比較器的輸入信號是給定轉(zhuǎn)矩,和實際轉(zhuǎn)矩,的比較值,輸出為轉(zhuǎn)矩信號,上下限分別為,和,當(dāng),時，轉(zhuǎn)矩信號,TQ=1,當(dāng),時，轉(zhuǎn)矩,信號,TQ=-1,其他情況轉(zhuǎn)矩信號,TQ=0,2.4.3,磁鏈信號和轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生模塊,磁鏈信號和轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生模塊如圖,9,所示。磁鏈信號產(chǎn)生模塊的輸入分別為定子磁鏈,給定值和定子磁鏈計算值，轉(zhuǎn)矩信號產(chǎn)生模塊

19、的輸入分別為電磁轉(zhuǎn)矩給定值與電磁轉(zhuǎn)矩實,際值，磁鏈滯環(huán)比較器的容差值設(shè)為,0.01,轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的容差值為,0.5,其中定子磁鏈幅值由公式,1-7,計算得到,圖,9,磁鏈和轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號的仿真模型,2.5,定子磁鏈扇區(qū)判斷,2.5.1,定子磁鏈的區(qū)間判斷,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,10,磁鏈所處區(qū)間,為了確定定子磁鏈,所處的區(qū)間位置，可將定子磁鏈軸線順時針旋轉(zhuǎn),120,成為軸,線,a1,b1,c1,如圖,10,所示，設(shè)定子磁鏈,s,在軸線,a1,b1,c1,上的投影為,可以得到,1-9,自定義一個函數(shù),1-10,由函數(shù),k = a1 , b1 , c1,即可得到,定,子,磁,鏈,所,處,

20、的,區(qū),間,位,置,由,式,SN,即可得到定子磁鏈的扇區(qū)信號,SN,2.5.2,定子磁鏈扇區(qū)判斷模塊,定子磁鏈所處的區(qū)間位置由,3.1,節(jié)中的公式計算得到，其仿真模型圖如圖,11,所示,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,11,定子磁鏈扇區(qū)判斷模塊仿真模型,2.6,電壓矢量選擇,電磁轉(zhuǎn)矩的大小由定子磁鏈的幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾,角,決定。在實際應(yīng)用中，定子磁鏈的幅值要保持為額定值以便充分利用電機(jī)鐵心，負(fù)載,決定了轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，因此電磁轉(zhuǎn)矩的大小就通過改變定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角,來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，電機(jī)實際運行時轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度不會發(fā)生突變,因此基本控制

21、方法就是通過選擇電壓矢量控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來改變夾角,的大小,從而控制電磁轉(zhuǎn)矩大小。電磁轉(zhuǎn)矩與所選擇電壓矢量的關(guān)系如圖,12,所示,圖,12,定子磁鏈和電壓矢量的關(guān)系圖,當(dāng)施加正向電壓矢量時，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度增加，使定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾,角增大，從而增大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)施加零電壓矢量時，定子磁鏈的運動會停止，而轉(zhuǎn)子磁鏈的旋,轉(zhuǎn)依舊進(jìn)行，使兩者的夾角減小，從而減小轉(zhuǎn)矩；當(dāng)施加反向電壓矢量，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn),方向會反向，能迅速減小定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而迅速減小轉(zhuǎn)矩。具體的電壓矢,量選擇方法見表,1,表,1,電壓矢量選擇表,將此表分為兩個子表如下,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,表中,QQ,為

22、磁鏈信號,TQ,為轉(zhuǎn)矩信號。再根據(jù)電壓矢量與每相電壓信號的關(guān)系可得下,表,Sa,Sb,Sc,分別為三相的電壓矢量信號,根據(jù)這三張表可以畫出電壓矢量選擇模塊圖如圖,13,所示,圖,13,電壓矢量選擇模塊,2.7,逆變器,在交流傳動領(lǐng)域中，逆變器是不可或缺的裝置，作用是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，通過,控制逆變器來對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制去掉了快速電流控制環(huán),逆變器由電流可控電壓逆變器變?yōu)檎５碾妷盒湍孀兤?，結(jié)構(gòu)圖如圖,14,所示,個人資料整理,僅限學(xué)習(xí)使用,圖,14,電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖,由上圖可以看出，電壓型逆變器由上下三組共六個開關(guān)組成，每一組的兩個開關(guān)狀態(tài),為相反關(guān)系，即其中一

23、個若是導(dǎo)通狀態(tài)，另一個必須是斷開狀態(tài)，三組開關(guān)共有,8,種開關(guān),狀態(tài)。規(guī)定某一相與“”極相通時的開關(guān)狀態(tài)為,1,態(tài)，相對的若某一相與“”極相,通則開關(guān)狀態(tài)為,0,態(tài)。逆變器的電壓矢量信號與輸出電壓的關(guān)系如表,2,所示,表,2,電壓矢量信號與輸出電壓轉(zhuǎn)換表,根據(jù)此表可以在,simulink,中使用,Embedded,Matlab,Function,功能編寫函數(shù)實現(xiàn)由電壓,矢量信號得到輸出的三相電壓。代碼如下,function,uA,uB,uC= fcn(Sa,Sb,Sc,Ud,if,Sa=0&Sb=0&Sc=0,uA=-Ud/2,uB=-Ud/2,uC=-Ud/2,elseif,Sa=1&Sb=0&Sc=0,uA=Ud/2,uB=-Ud/2,uC=-Ud/2,elseif,Sa=1&Sb=1&Sc=0,uA