異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制及其數(shù)字仿真(本科畢業(yè)設(shè)計)

1、引 言隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，有了長足的進(jìn)步。特別是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和80年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能可以與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美。而交流電動機(jī)尤其是鼠籠異步電動機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)和運行特性的優(yōu)點，使得交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢強(qiáng)于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在交流電動機(jī)控制技術(shù)中調(diào)壓調(diào)頻控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control簡稱DTC）具有代表性。其中應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種高性能的控制調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一種最優(yōu)的電動機(jī)控制技術(shù)，它可以對

2、所有交流電動機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。第1章 緒論1.1 異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中變頻調(diào)速技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速技術(shù)，也是最有希望取代直流調(diào)速的調(diào)速方式。就變頻調(diào)速而言，其形式也有很多。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式是采用v/f控制。這種方式控制結(jié)構(gòu)簡單，但由于它是基于電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程實現(xiàn)的，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)較差，還無法完全取代直流調(diào)速系統(tǒng)。1971年，德國學(xué)者EBlaschke提出了交流電動機(jī)的磁場定向矢量控制理論，標(biāo)志著交流調(diào)速理論有了重大突破。所謂矢量控制，就是交流電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)來控制，通過坐標(biāo)變換來實現(xiàn)電動機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕，然后分別獨立調(diào)

3、節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。矢量控制主要有兩種方式:磁場定向矢量控制和轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。無論采用哪種方式，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確檢測是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。一般地，轉(zhuǎn)子磁鏈檢測可以采用直接法或間接法來實現(xiàn)。直接法就是通過在電動機(jī)內(nèi)部埋設(shè)感應(yīng)線圈以檢測電動機(jī)的磁鏈，這種方式會使簡單的交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁鏈的檢測精度也不能得到長期的保證。因此，間接法是實際應(yīng)用中實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈檢測的常用方法。這種方法通過檢測電機(jī)的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構(gòu)的方法來觀測電動機(jī)的磁鏈。這種方法便于實現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測的精度

4、，但由于在異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究在狀態(tài)重構(gòu)過程中使用了電動機(jī)的參數(shù)，如果環(huán)境變化引起電動機(jī)參數(shù)的變化，就會影響到定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測。為補(bǔ)償參數(shù)變化的影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識和補(bǔ)償算法，但補(bǔ)償算法的引入也會使系統(tǒng)算法復(fù)雜化。1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論一一直接轉(zhuǎn)矩控制。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計算量大、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)性能受電動機(jī)參數(shù)影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問世便受到廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)

5、矩控制的研究十分活躍。1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望十幾年來，在國內(nèi)外直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到發(fā)展和完善，許多文章從不同的角度提出了新的見解和方法，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)出了許多基于模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTC系統(tǒng)，控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高。對于研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的人們來說了解直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀有助于他們更好的改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，以便于用自己的研究更好服務(wù)社會。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的，改善和優(yōu)化各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，必然有利于控制系統(tǒng)性能的提高。下面簡要介紹一些對直接轉(zhuǎn)矩控制中各控制環(huán)節(jié)的改進(jìn)研究情況。(l)磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

6、器的細(xì)化改進(jìn)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制一般對轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)各滯環(huán)的輸出結(jié)果來確定當(dāng)前的電壓矢量。因為不同的電壓矢量在不同的瞬間對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用互不相同，所以，只有根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時偏差合理地選擇電壓矢量，才有可能使轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)過程達(dá)到比較理想的狀態(tài)。有人提出了通過改進(jìn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，細(xì)化了轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差區(qū)分，提高了系統(tǒng)的性能。磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上相同。(2)新型開關(guān)狀態(tài)選擇器的研究用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)時，需要人為設(shè)定觸發(fā)器的容差，其大小與系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。為減少人為因素對系統(tǒng)性能的影響，有文章提出了將各

7、種先進(jìn)的智能控制理論應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新方案，通過應(yīng)用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來選擇開關(guān)狀態(tài)，異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究完全抵消了觸發(fā)器的容差影響，使性能改善更加明顯。(3)電壓矢量選擇方式的改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制通過定子磁鏈定向?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制從而選擇電壓矢量，雖然在各控制周期的開始時刻控制效果最佳，但是整個控制周期內(nèi)的效果卻未必最好。為了改善這種情況，減小轉(zhuǎn)矩的脈動，一些研究者提出了一種新的電壓矢量選擇方法預(yù)期電壓法:首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差、磁鏈偏差和轉(zhuǎn)速計算出一個能達(dá)到最佳控制的預(yù)期電壓，然后用電壓型逆變器的6個工作電壓中與之相鄰的兩個電壓矢量來合成它，計算出各

8、自的工作時間,然后用零電壓補(bǔ)足采樣周期。 (4)低速性能的改善傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時定子磁鏈的觀測受定子電阻影響較大，因此如何準(zhǔn)確地檢測定子電阻的實時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。近來人們設(shè)計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻(xiàn)里提到了一種基于模糊控制的定子電阻在線觀測器。該觀測器把對定子電阻值影響比較大的三個因素定子電流、轉(zhuǎn)速和運動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設(shè)計了模糊觀測器。定子電阻初值與變化值相加就是控制中的定子電阻。這種觀測方法能比較準(zhǔn)確地觀測電阻的變化，低速性能有了比較好的改善。最近又有人提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)定子電阻觀測器，實驗結(jié)果也證明

9、是可行的，但具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還有待研究完善。(5)無速度傳感器理論在速度檢測方面，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求有速度傳感器，存在成本高、安裝維護(hù)困難、系統(tǒng)易受干擾、可靠性降低、不適于惡劣環(huán)境等弊端。采用無速度傳感器技術(shù)是當(dāng)今交流傳動發(fā)展的趨勢。A.Abbondati等人首次報道了無速度傳感器矢量控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng);T.Ontani首次提出了理論意義上的轉(zhuǎn)速辯識方法;1987年， Tamaishinzo采用模型參考自適應(yīng)(MARS)的方法實現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)辯識。后來， Kubotahisao.， MatsuseKouki又在電動機(jī)全階觀測器的基礎(chǔ)上分別采用李亞普諾夫理論和波波夫理論推導(dǎo)出了電動

10、機(jī)轉(zhuǎn)速以及電動機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻的磁鏈觀測器，我國也有這方面的論文發(fā)表。上述方法均是針對矢量控制系統(tǒng)設(shè)計的，采用的狀態(tài)變量是定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈。目前，我國學(xué)者胡育文等也在其文章中提出了新型自適應(yīng)速度觀測器的理論，直接將閉環(huán)觀測器觀測的定子磁鏈應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，同時能夠辯識出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及電動機(jī)參數(shù)。 總之，直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科技的進(jìn)步又進(jìn)一步促進(jìn)了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的迅猛的發(fā)展，相信在不久的將來應(yīng)用了高科技的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)會給社會帶來巨大的生產(chǎn)力。1.3 問題的提出與解決問題的途徑在感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中電路模型采用的是空間矢量等效電路模型，并且利用矢量變換將

11、三個電壓標(biāo)量三維變換為一個電壓矢量二維，這樣可得到七個電壓狀態(tài)。通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器來控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均角速度的大小，從而控制轉(zhuǎn)矩。正確選擇電壓空間矢量，可以形成六邊形定子磁鏈。從轉(zhuǎn)矩控制的角度來看，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，即電流和磁鏈的乘積，但從電動機(jī)合理運行的角度出發(fā)，仍希望磁鏈幅值不變。為了得到高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性，還應(yīng)使定子磁鏈的平均值盡可能為恒定值，這就需要對最初提出的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，最為理想的情況當(dāng)然是采用三相正弦波給感應(yīng)電動機(jī)供電，定子磁鏈軌跡為圓形，諧波、噪音及轉(zhuǎn)矩脈動最小，這需要增加開關(guān)數(shù)量及其切換頻率。這對直接轉(zhuǎn)矩控制

12、提出了更高的要求，也說明研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是非常必要的。為了減小直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩脈動，提高感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速性能，采用了定子磁鏈軌跡近似為圓形的控制方法，也就是將定子磁鏈的幅值限定在一個比較小的范圍內(nèi)，而不是使定子磁鏈按照六邊形軌跡運動，定子磁鏈的幅值一旦超出這個范圍，相應(yīng)改變定子電壓向量，控制其回到限定的范圍內(nèi)。為實現(xiàn)這一控制，并且考慮到逆變器件所能承受的開關(guān)頻率，將定子磁鏈的軌跡分為六個區(qū)，對定子磁鏈實行分區(qū)控制，不同區(qū)域采用不同定子電壓切換向量，使得定子磁鏈的軌跡近似為一圓形。對于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)采用三值調(diào)節(jié)器，可以控制定子磁鏈正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或靜不動，從而控制轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)

13、節(jié)。1.4 本章小結(jié)本章介紹了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點，并介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展。第2章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理自從70年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來，交流傳動技術(shù)就從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術(shù)模仿直流電動機(jī)的控制方法，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全控制。它的提出具有跨時代的意義。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測、系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大以及在模擬直流電動機(jī)過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制針對電動機(jī)的核

14、心變量作直接控制。本章從異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理，對系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分析。2.1 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，它是一個高階，非線性，強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的目的就是要簡化數(shù)學(xué)模型。在討論交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前假設(shè)電機(jī)有如下特性:(l)電動機(jī)三相定、轉(zhuǎn)子繞組完全對稱。(2)電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒槽效應(yīng)。(3)電動機(jī)氣隙磁動勢在空間正弦分布。(4)鐵心渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計。在滿足上述理想電動機(jī)假設(shè)條件下，經(jīng)推導(dǎo)可得異步電動機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。對于分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法，以定

15、子磁鏈定向，建立在靜止正交定子坐標(biāo)系上，圖2-1是異步電動機(jī)的等效電路。圖2-1 電動機(jī)空間矢量等效電路圖圖2-1中各變量的意義如下：電角速度（機(jī)械角速度與極對數(shù)的積）定子電壓空間矢量、定子、轉(zhuǎn)子電流空間矢量、定子、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量、單相定子電阻、電感折算到定子側(cè)的單相轉(zhuǎn)子電阻單相轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感之和由圖2-1可以得出定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程： （2-1） （2-2） 而定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈： （2-3） （2-4） 轉(zhuǎn)矩方程：消去電壓方程和磁鏈方程中的和，可以得到以定子磁鏈、為狀態(tài)變量的異步電動機(jī)的狀態(tài)方程。 （2-5）其中電機(jī)漏感系數(shù) （2-6）電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的

16、形式: （2-7） 此外電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示成定子磁鏈和定子電流形式： （2-8） 運動方程： （2-9）式2-7中，為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。在實際運行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電機(jī)，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。式(2-13)表明，當(dāng)維持定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值都恒定不變時，只要改變它們兩者之間的夾角就可以改變轉(zhuǎn)矩，這實際上就是直接轉(zhuǎn)矩控制之所以簡單的根本所在。2.2 逆變器的數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量逆變器如圖2-2所示，每一組的上下兩個開關(guān)器件的狀態(tài)相反，這樣逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)組合。逆變器上、下橋臂的開關(guān)器件在任一時刻不能同時導(dǎo)通，一個處于開通的狀態(tài)另一個必

17、須處于斷開的狀態(tài)，兩者處于開關(guān)互逆狀態(tài)。圖2-2 電壓型逆變器原理圖由于同一相上下橋臂的兩個開關(guān)器件一個導(dǎo)通，則另一個關(guān)斷，所以三組開關(guān)器件有八種可能的開關(guān)組合。分別用、來表示三相上橋臂的開關(guān)狀態(tài)，以a相為例，當(dāng)a相上橋臂導(dǎo)通時，記作=1，當(dāng)a相上橋臂關(guān)斷時，記作=0。這樣八種可能的開關(guān)狀態(tài)如表2-1所示：表2-1 逆變器的開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)01234567000011110110001100111001八種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài)“1”到“6”，它們的特點是三相負(fù)載并不都是接到相同的電位上去；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，

18、它們的特點是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。對于逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)，對外部負(fù)載來說，逆變器輸出七種不同的電壓狀態(tài)。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類：一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“1”至“6”，分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“1”至“6”；另一類是零電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“0”和“7”，由于對外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。逆變器輸出電壓狀態(tài)的空間矢量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2-12） 式2-12為逆變器的數(shù)學(xué)模型把逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量來表示，則逆變器的各種電壓狀態(tài)和次序就有了空間的概念。在這里我們引入Park矢量變換，選三相定子坐標(biāo)系中的a軸和Park矢

19、量復(fù)平面正交的實軸重合，則其三相物理量、的Park矢量為： （2-13）從而我們可以得到逆變器的7個電壓狀態(tài)，(000和111為零狀態(tài))六個為有效電壓矢量，幅值均為，相鄰矢量相差60度，把整個平面均勻的劃分成六個扇區(qū)如圖2-3所示。圖2-3電壓空間矢量在坐標(biāo)系里的離散位置2.3 本章小結(jié)本章介紹了異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理，并闡述了通過調(diào)節(jié)空間電壓矢量的方法來控制異步電動機(jī)的運行。第3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點，通過不斷變化電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(jī)

20、的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的變化，從而控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)速的主題就是在于調(diào)節(jié)電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩完全是按照輸入轉(zhuǎn)矩的設(shè)定。圖3-1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖圖3-1為典型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖，整個系統(tǒng)是一個磁鏈轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。速度給定與電機(jī)的速度觀測值進(jìn)行比較后經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定信號。另一方面系統(tǒng)檢測三相定子電流和電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到靜止坐標(biāo)系，由此計算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、磁鏈幅值和磁鏈所在的扇區(qū)N。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定和反饋信號送入轉(zhuǎn)矩和磁通比較器，其差值經(jīng)控制器輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號。開關(guān)狀態(tài)選擇器根據(jù)不同的扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信

21、號確定下一個時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而確定電機(jī)的端電壓，保證電機(jī)在定子磁通不變情況下轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載的要求。從圖中可看到，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:(l)磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測器:由電流、電壓的采樣值經(jīng)過3/2變化按照電機(jī)數(shù)學(xué)模型計算出異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩;(2)磁鏈調(diào)節(jié)器:為了控制定子磁鏈在給定值的附近變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩點式控制，輸出磁鏈控制信號;(3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器:利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩，也是采用兩點式滯環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)矩控制信號，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩;(4)開關(guān)狀態(tài)選擇單元:根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號以及定子磁鏈位置，輸出合適的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)定運行。直接轉(zhuǎn)

22、矩控制系統(tǒng)是建立在靜止定子坐標(biāo)系下的，首先異步電機(jī)定子相電壓、相電流的采樣值經(jīng)3/2坐標(biāo)變換，得到坐標(biāo)下的分量，再按照異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型計算出實際轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的兩個分量、，這樣就可以計算出定子磁鏈幅值和磁鏈位置。將測量得到實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值輸出給定轉(zhuǎn)矩。將給定轉(zhuǎn)矩和送入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，得到轉(zhuǎn)矩控制信號，磁鏈調(diào)節(jié)器根據(jù)給定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的差值輸出磁鏈控制信號。最后開關(guān)狀態(tài)選擇單元根據(jù)磁鏈控制信號、轉(zhuǎn)矩控制信號和磁鏈位置，查逆變器開關(guān)狀態(tài)表，輸出正確合理的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動電機(jī)正確運行。下面簡要地分析一下這些基本組成部

23、分。(l)速度PI調(diào)節(jié)器單元由圖3-1可知，給定轉(zhuǎn)矩由給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速。偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器得到。根據(jù)異步電動機(jī)運動方程可知電磁轉(zhuǎn)矩與速度偏差之間是比例積分的關(guān)系。因此，通過速度調(diào)節(jié)器能獲得理想中的轉(zhuǎn)矩值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。而公式中的字母所代表的參數(shù)通常根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況進(jìn)行整定。(2)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較單元定子磁鏈計算采用較為簡單的U-I模型，磁鏈與定子電壓之間的關(guān)系為： （3-1）由于定子電阻通常比較小，在分析時忽略釘子電阻壓降的影響，則有： （3-2）式(3-2)表明單位時間內(nèi)的定子的電壓矢量實際上就是磁鏈?zhǔn)噶康脑隽?，定子電壓的大小和方向決定了磁鏈軌跡的運行速度和方向。由此可知

24、控制異步電機(jī)的輸入電壓矢量，就可以控制定子磁鏈的大小、旋轉(zhuǎn)方向和速度。3.2 磁鏈調(diào)節(jié)磁鏈的調(diào)節(jié)通過磁鏈滯環(huán)比較器實現(xiàn)。滯環(huán)比較器如圖3-2所示。磁鏈誤差為，將誤差進(jìn)行滯環(huán)比較，當(dāng)誤差超過允許值就進(jìn)行電壓切換，使誤差控制在滯環(huán)寬度內(nèi)。調(diào)制規(guī)則為:當(dāng)時，此時選擇電壓矢量使增加;當(dāng)時，此時選擇擇電壓矢量使得減小;當(dāng)時，不變，此時電壓矢量不變。圖3-2 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器磁鏈位置檢測單元:為了檢測定子磁鏈的位置，將坐標(biāo)系分為六個區(qū)域： （3-4）其中N=1,2,3,4,5,6，每個區(qū)域占角度，定子磁鏈在第n區(qū)域，我們就稱其在n區(qū)域。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)一樣，也采用滯環(huán)比較器(見圖3-3)輸

25、入量為轉(zhuǎn)矩給定值及轉(zhuǎn)矩觀測值，輸出量為，為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍。3.3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的任務(wù)是實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個功能:(l)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩;(2)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。通過電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，用定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠e來表達(dá)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3-3）在實際運行中要確保要保證定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐槎ㄖ?，使電動機(jī)的鐵芯得到充分的利用；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆涤呻妱訖C(jī)帶動的負(fù)載決定?？梢酝ㄟ^改變磁通角的大小來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。通過加載有效空間電壓矢量，改

26、變空間電壓矢量，使空間電壓矢量的幅值更合理，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速的大小使磁通角增大，從而增加轉(zhuǎn)矩；加載零電壓矢量，控制定子磁鏈停止運行使磁通角變小，從而使轉(zhuǎn)矩減小。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為:逆時針旋轉(zhuǎn)時：若時，則；若時，則；若時，則保持不變。順時針旋轉(zhuǎn)時：若時，則;若時，則；若時，則保持不變圖3-3 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器3.4 空間電壓矢量對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響3.4.1 空間電壓矢量對定子磁鏈的影響 與磁鏈運動軌跡成-60度和-120度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。圖3-4為圓形磁鏈運動軌跡調(diào)節(jié)過程示意圖。定子磁鏈處于第一

27、扇區(qū)，假設(shè)運動至A點，則有，此時，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號為,輸出電壓矢量應(yīng)使增加。綜合考慮轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出，如果需要作逆時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量;如果需要作順時針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量。同理，對于B點有，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號=l，此時應(yīng)選擇電壓矢量使減小。如果需要作逆時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量;如果需要作順時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量或。因此，磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動范圍之內(nèi)變化。將異步電機(jī)的定子磁鏈方程式(2-14)離散化得: (3-5)式中，為采樣周期中電動機(jī)的定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系如圖3-5所示。從圖2-3可以看出:如對異步電動機(jī)施加工作

28、狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運動方向和幅值都將發(fā)生變化;施加零電壓矢量的時候，則定子磁鏈就會相應(yīng)的停止運動。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實現(xiàn)了對磁鏈的相位和幅值的控制。圖3-4 圓形磁鏈運動軌跡調(diào)節(jié)過程示意圖圖3-5 定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系示意圖在定子電壓壓降比起足夠小的前提下，至此可以得到以下結(jié)論:(l)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角的絕對值小于90度的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值增加。(2)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角的絕對值大于90度的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值減小。(3)當(dāng)前所施加的電壓矢

29、量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角的絕對值等于90度或施加零電壓矢量的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值基本保持不變。3.4.2 空間電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性能。電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： （3-6）由(2-19)式表明，電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的幅值以及它們之間的夾角（磁通角)決定。式2-19也可以寫成： (3-7）對式3-7兩邊進(jìn)去微分計算，再乘以，可得以下式子： (3-8)式中 (3-9)將代入式2-21可得 (3-10）因此，單純從數(shù)學(xué)式(3-10)上來看，可以得到以下結(jié)論:(l)當(dāng)施加超

30、前于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得時，轉(zhuǎn)矩增加。(2)當(dāng)施加落后于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得時，轉(zhuǎn)矩減小。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機(jī)鐵心;轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定;要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，可通過改變磁通角的大小來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到控制定子磁鏈的目的，從而控制改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變磁通角的大小，達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，如圖3-6所示 圖3-6 電壓空間矢量對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響時刻的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈及磁通角的位置如圖3-6。從時刻考察到時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量，則定

31、子磁鏈空間矢量由的位置旋轉(zhuǎn)到的位置。轉(zhuǎn)子磁鏈的位置變化實際上不受該期間定子頻率的平均值的影響。因此從時刻到時刻這段時間里，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度要大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，磁通角由變大為，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也會增大。若從時刻考察到時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量為零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量的位置保持靜止不動，而轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量卻繼續(xù)以定子頻率的平均速度旋轉(zhuǎn)，從而磁通角將減小，轉(zhuǎn)矩因磁通角的減小變小。因此，通過合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。3.4.3 空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇對

32、應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。一種是通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點式或三點式調(diào)節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢量輸出開關(guān)脈沖信號輸出給逆變器。另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時的空間電壓矢量是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的，還需疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標(biāo)系下的空間電壓矢量，最后通過SVPWM方式輸出開關(guān)脈沖信號給逆變器。3.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速方案在研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的時候必須對異步電動機(jī)在不同運行速度下，電動機(jī)空

33、間電壓矢量以及磁鏈的變化進(jìn)行分析。因為只有進(jìn)行必要的分析才能對異步電動機(jī)在不同的速度下運行存在的問題進(jìn)行有目的的改進(jìn)。雖然在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中我們對異步電動機(jī)在中速（正常的運行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。下面就簡單介紹幾種調(diào)節(jié)方案，他們分別是低速調(diào)節(jié)方案、高速調(diào)節(jié)方案、低磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案。3.5.1 低速調(diào)節(jié)方案異步電動機(jī)的低速范圍是指額定轉(zhuǎn)速30%以下的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。在這個范圍內(nèi)，由于存在轉(zhuǎn)速低(包括零轉(zhuǎn)速)、定子電壓影響大等特點，會造成:如磁鏈波形畸變，在低定子頻率乃至零頻時保持轉(zhuǎn)矩和磁鏈基本不變等問題。為此要求在控制方法上做相應(yīng)的考慮。低速范圍的

34、調(diào)節(jié)方案有如下特點:一.用電動機(jī)模型檢測計算電動機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。二.為了改善轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能，對定子磁鏈空間矢量要實現(xiàn)正反向變化控制。三.轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的多功能的協(xié)調(diào)工作。四.用符號比較器確定區(qū)段。五.調(diào)節(jié)每個區(qū)段的磁鏈量。六.圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡，圓形磁鏈軌跡用于15%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，六邊形磁鏈軌跡用于15%-30%額定轉(zhuǎn)速的范圍。七.每個區(qū)段上，有四個工作電壓狀態(tài)和兩個零電壓狀態(tài)的使用與選擇。在低速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可以采用0o電壓矢量、-60o “電壓矢量、+60o電壓矢量和-120o電壓矢量協(xié)調(diào)控制。通過上述電壓矢量的調(diào)節(jié)可以對磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償，從而使磁鏈達(dá)到近圓形，得到比較好的控制

35、結(jié)果。3.5.2 高速調(diào)節(jié)方案高速范圍是指從30%到100%額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速范圍。這個范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案是典型的DSR控制的轉(zhuǎn)速范圍。高速范圍的調(diào)節(jié)方案有以下幾個特點:一.用電動機(jī)模型檢測計算電動機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)模型主要工作在U-I模型下，且有模型電流和實際電流相比較的電流調(diào)節(jié)器來補(bǔ)償校正。二.用磁鏈自控制環(huán)節(jié)內(nèi)的施密特觸發(fā)器(也叫磁鏈給定值比較器)來確定區(qū)段。三.轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)。四.磁鏈兩點式調(diào)節(jié)。五.六邊形磁鏈軌跡。在這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的DSR控制，主要由磁鏈自給定環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)起作用。磁鏈自控制環(huán)節(jié)給出正確的區(qū)段。轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩。由于這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速較高，因此定子電

36、阻壓降的影響可以忽略，定子磁鏈的畸變也可忽略，六邊形磁鏈能得到很好的保持，因此磁鏈調(diào)節(jié)只是起輔助作用。3.5.3 弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案弱磁范圍的工作特點與基速以下時有很多不同。首先，弱磁范圍內(nèi)進(jìn)行的是恒功率調(diào)節(jié)，而不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時間，工作電壓在整個區(qū)段中起作用。逆變器的電壓波形與普通電壓型逆變器時一樣。由此帶來弱磁范圍工作的兩個特點:一是轉(zhuǎn)速的提高，即定子頻率的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)的加快，靠的是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁。二是電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，不是靠工作電壓和零狀態(tài)電壓交替工作從把轉(zhuǎn)矩限制在容差內(nèi)的方法，而是靠六邊形磁鏈給

37、定值的動態(tài)變化調(diào)節(jié)的方法。轉(zhuǎn)矩的脈動頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案有如下特點.一.用電動機(jī)模型測量、計算磁鏈和轉(zhuǎn)矩。二.用磁鏈自控制環(huán)節(jié)確定區(qū)段。三.六邊形磁鏈軌跡。四.用功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。五.通過改變磁鏈給定值實現(xiàn)的平均轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)。六.每個區(qū)段上用一個工作電壓狀態(tài)。在弱磁范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出由轉(zhuǎn)矩給定值變?yōu)楣β式o定值，借以控制功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行弱磁范圍的功率調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。通過磁鏈給定值的調(diào)節(jié)變化，一方面實現(xiàn)對平均轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)，另一方面實現(xiàn)弱磁升速的恒功率調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出一直為“1”態(tài)，電壓為全工

38、作電壓控制，不出現(xiàn)零電壓狀態(tài)。磁鏈自控制單元控制六邊形磁鏈軌跡。3.6 本章小結(jié)本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，。本章重點介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的幾種調(diào)節(jié)方案，其主要包括低速、中速、高速三類，在本論文中中速調(diào)節(jié)方案是研究的重點。第4章 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真4.1 系統(tǒng)仿真工具的介紹4.1.1 MATLAB簡介MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB環(huán)境是由美國New

39、Mexico大學(xué)的Clever Moler于1980年開始開發(fā)的，1984年由Clever Moler等人創(chuàng)立的MathWorks公司推出了第一各商業(yè)版本。MATLAB的兩個顯著的特點，即強(qiáng)大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應(yīng)用最廣泛的首選計算機(jī)工具?，F(xiàn)在MATLAB軟件不但廣泛的應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用與其他的工程領(lǐng)域和非工程領(lǐng)域。在控制界，很多著名的專家和學(xué)者為其擅長的領(lǐng)域開發(fā)了工具箱，而其中很多的工具箱已成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。MATLAB語言的特點：A.起點高每個變量代表一個矩陣，它可以有n×m個元素，每個元素都看作是復(fù)數(shù)，各種運算對矩陣和復(fù)數(shù)都有效。B.人

40、機(jī)界面適合科技人員MATLAB的程序與科技人員的書寫習(xí)慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員的交流。MATLAB是以解釋的方式工作的，若有錯誤立即就會作出反應(yīng)，便于編程者立即改正。這些都減輕了編程和調(diào)試的工作量。C.強(qiáng)大而簡潔的作圖功能能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標(biāo)繪圖，能繪制多種坐標(biāo)系的圖形。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。D.智能化程度高繪圖時自動選擇最佳坐標(biāo)以及按輸入或輸出自動選擇算法；數(shù)值積分時自動按精度選擇步長，自動檢測和顯示程序錯誤的能力強(qiáng)，易于調(diào)試。E.功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)部分?；静糠职ǎ壕仃嚨母鞣N運算和各種變

41、換、代數(shù)和超越方程求解、數(shù)值積分等。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)的知識編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)。這些工具箱就是專業(yè)部分?，F(xiàn)在它們已有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析等20多個工具箱，并且還在繼續(xù)擴(kuò)展。4.1.2 MATLAB特點及優(yōu)勢MATLAB特點：1、此高級語言可用于技術(shù)計算 2、此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 3、交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計及求解問題 4、數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 5、二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) 6、各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面 7、各種

42、函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成 8、不支持大寫輸入，內(nèi)核僅僅支持小寫 MATLAB優(yōu)勢：（1）簡單易用的程序語言MATLAB是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運行。（2）友好的工作平臺和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。（3）應(yīng)用廣泛的模塊集合工

43、具箱MATLAB對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。（4）強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。（5）出色的圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理

44、、動畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。（6）實用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和

45、HDF5進(jìn)行連接。4.2 動態(tài)仿真工具Simulink Simulink是MATLAB的一個應(yīng)用工具箱，它用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，也支持具有多種采用速率的系統(tǒng)仿真。Simulink采用可視化組態(tài)技術(shù)建模，具有直觀、方便的優(yōu)點。Simulink包含Liner等一系列具有廣泛功能的子模型庫，用戶也可以自己定制、創(chuàng)建功能模塊。Simulink創(chuàng)建的模型具有遞階的結(jié)構(gòu)，用戶可以自上而下或自下而上的建立模型。這種方法使得用戶可以深入的立即模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用的。在定義完模型后，可以通過Simulink菜單或MATLAB的命令來對它進(jìn)行

46、仿真，MATLAB提供強(qiáng)大的可視化輸出功能模塊，方便用戶進(jìn)行分析；下面就具體介紹應(yīng)用Simulink建立直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)。4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型4.3.1 異步電動機(jī)仿真模塊由第二章知兩相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)的電壓方程: (4-1)磁鏈方程： （4-2）異步電機(jī)的仿真程序主要部分如下所示。1.function sys,x0,str,ts=motor 1(t,x,u,flag,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm) %輸入:Uds, Uqs, Wr %輸出:Uds, Ids, Uqs, IQs, Te %state variable: Ids, Iqs, Idr, Iqr %out

47、puts: Uds, Uqs Switch flag, Case 0 sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes (Rs, Rr, Ls, Lr, Lm); case 1 sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm); case 3 sys=mdloutputs(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm); case 1, 2, 4, 9 sys= ; otherwise error ('Unhandled flag=', num2str (flag); end function sys,x0,str,ts=mdlIni

48、tializeSizes(Rs,Rr,Ls,Lr,Lm) sizes = simsizes; sizes.NumContStates= 4; sizes.NumDiscStates= 0 sizes.NumOutputs= 5; sizes.NumInputs= 3; sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes = 1;sys=simsizes (sizes);x0= 0; 0;0; 0;str= ;ts=-1 0;function sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)a=1-Lm*Lm/(Ls*Lr);s

49、ys(1)=(-Rs*Lr*a*x(1)+Lm*Lm*u(3)*x(2)+Rr*Lm*a*x(3)+Lr*Lm*u(3)*x(4)+Lr*u(1)/2sys(2)=(-Lm*Lm*u(3)*x(1)-Rs*Lr*a*x(2)-Lr*Lm*u(3)*x(3)+Rr*Lm*a*x(4)+Lr*u(2)/2;sys(3)=(Rs*Lm*a* x(1)-Lm*Ls*u(3)*x(2)-Rr*Ls*a*x(3)-Lr*u(3)*x(4)-Lm*u(1)/2;sys(4)=(Lm*Ls*u(3)*x(1)+Rr*Lm*a*x(2)+Lr*u(3)*x(3)-Rr*Ls*a*x(4)-Lm*u(2)/2;f

50、unction sys=mdloutputs(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)sys(1)=u(1);sys(2)=u(2);sys(3)=x(1);sys(4)=x(2);sys(5)=3 *Lm*(x(2)*x(3)-x(1)* x(4);4.3.2 定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測器的模塊磁鏈模塊的輸入是電機(jī)的定子電壓、電流和定子電阻，輸出是電子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，其仿真模塊的建立是根據(jù)第二章定子磁鏈電壓模型。仿真模塊如4-1所示。圖4-1 定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器的仿真模塊4.3.3電壓和電流的坐標(biāo)變換模塊電壓的三相坐標(biāo)/兩相坐標(biāo)的變換關(guān)系如式(4-3 )所示： （4-3）電壓2/3的變換關(guān)系：

51、（4-4）圖4-2 電壓坐標(biāo)3/2變換仿真模塊 圖表4-3 電流2/3坐標(biāo)變換仿真模塊4.3.4 磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制模型磁鏈控制采用兩點式調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩控制采用三點式調(diào)節(jié)圖4-4 磁鏈控制器 圖4-5 轉(zhuǎn)矩控制器4.3.5 磁鏈幅值計算與區(qū)域判定模型 圖4-6 磁鏈幅值，磁鏈當(dāng)前扇區(qū)判斷模型磁鏈幅值計算采用matlab函數(shù)，其表達(dá)式為Sqrt(u(1) 2+u(2) 2)。磁鏈當(dāng)前所在扇區(qū)判定選用simulink的s一Funetion來實現(xiàn)。磁鏈幅值計算與區(qū)域判定可用S函數(shù)實現(xiàn)如下: Functionsys,x0,str,ts=sector(t,x,u,flag) Switch flag Case 0

52、, sys,x0,str,ts =mdllnitializesize Case 3, Sys=mdloutputs(u)  Case 2,4,9,Otherwise Error(Unhandled flag=,num2str(flag) endfunction sys,x0,str,ts=mdllnitializeSizessizes=simsizessizes.NumContstStates=0;sizes.NumDisestates=0;sizes.NumOutPuts=2;sizes.NumInPuts=2:sizes.DirFeedthrough=1;sizes.N

53、umSamPleTimes=l;sys=simsizes(sizes);xo=;str=:ts=-1 0funetion sys=mdlOutPuts(u)faial=u(l)/2+sqrt(3)*u(2)/2;faibl=u(l)/2-sqrt(3)*u(2)/2;faiel=-u(l);if faial>=0Sal=O;elseSal=1;endif faibl>=0Scl=0;elseScl=l;endsys(l)=4*Sal+2*Sbl+Sel;sys(2)=abs(sqrt(u(l)*u(1)+u(2)*u(2);4.3.6 逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇模塊由可控電壓源實現(xiàn)的簡單模型，可以極大的提高系統(tǒng)仿真速度。其輸