三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真報告

1、三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真報告摘 要： 利用直接轉(zhuǎn)矩控制 ( DTC ) 理論，研究異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的基本組成 和工作原理，建立了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。利用MATLAB /Simulink 軟件對異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行建模和仿真。結(jié)果表明 : DTC 系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)速度快、精度 高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。仿真結(jié)果驗證了該模型的正確性和該控制系統(tǒng)的有效性。關(guān)鍵詞： 異步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制； MATLAB 仿真1 引言自從 20 世紀(jì) 70 年代矢量控制技 術(shù)發(fā)展以來，交流拖動技術(shù)就從理論 上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜動態(tài)性能 上與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的問題。所

2、 謂矢量控制，就是將交流電動機模擬 成直流電動機來控制 ,通過坐標(biāo)變換實 現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分 量的解耦，然后分別獨立控制，從而 獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 (Direct Torque Control DTC) 是在矢量控制基礎(chǔ)之上 發(fā)展起來的，是繼矢量控制以后提出 的又一種異步電動機控制方法。其思 路是把異步電動機和逆變器看成是一 個整體，采用電壓矢量分析方法直接 在靜止坐標(biāo)系下分析和計算電動機的 轉(zhuǎn)矩和磁鏈， 通過磁鏈跟蹤得出 PWM 逆變器的開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)從而直 接控制電動機轉(zhuǎn)矩 "與矢量控制相比， 直接轉(zhuǎn)矩控制的主要優(yōu)點是 :在定

3、子坐 標(biāo)系下對電動機進行控制，摒棄了矢 量控制中的解藕思想，直接控制電動 機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并用定子磁鏈的定 向代替轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，避開了電動 機中不易確定的參數(shù) (轉(zhuǎn)子電阻 )" 由于 定子磁鏈的估算只與相對比較容易測 量的定子電阻有關(guān)，所以使得磁鏈的 估算更容易、更精確，受電動機參數(shù) 變化的影響也更小 "此外，直接轉(zhuǎn)矩控 制通過直接輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差來 確定電壓矢量，與以往的調(diào)速方法相 比，它具有控制直接 ! 計算過程簡化的 優(yōu)點"因此，直接轉(zhuǎn)矩控制一問世便受 到廣泛關(guān)注，目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍。2 三相異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成 三相異

4、步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊圖標(biāo)如圖 1 所示，其仿真模型 如圖 2 所示，模型由 7 個主要模塊組 成：三相不控整流器(Three-phase diode rectifier )、Braking chopper、三相逆變 器(Three-phase inverter)、測量單元( Measures)、 異 步 電 動 機 模 塊(I nduction machi ne)組成系統(tǒng)的主要 電路；轉(zhuǎn)速控制器( Speed Controller) 和直接轉(zhuǎn)矩控制模塊 DTC ，其中主電 路模塊和轉(zhuǎn)速控制模塊結(jié)構(gòu)基本與磁 場定向矢量控制系統(tǒng)相同。圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖標(biāo) 直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC 模塊結(jié)

5、構(gòu)圖如 圖2所示，轉(zhuǎn)矩給定Torque*、磁通給 定 Flux* 、電流 I_ab 和電壓 V_abc 輸 入信號都經(jīng)過采樣開關(guān)， DTC 模塊包 括轉(zhuǎn)矩和磁通計算、滯環(huán)控制、磁通 選擇、開關(guān)表、開關(guān)控制等單元。 DTC 模塊輸出時三相逆變器 Three-phase inverter 開關(guān)器件的驅(qū)動信號。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用 6 個開關(guān) 器件組成的橋式三相逆變器，該逆變 器有 8 種開關(guān)狀態(tài)，可以得到 6 個互 差 60°的電壓空間矢量和兩個零矢量。 交流電機定子磁鏈 里受電壓空間矢量 us控制Ws? /usdt，因此改變逆變器開 關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈Ws的運行軌跡，從而控制交流電

6、機的運行。圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制模塊結(jié)構(gòu)3 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計算轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計算(單元 結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，它首先將檢測 到的異步電動機三相電壓 V_abc 和 電 流 I_AB 經(jīng) 模 塊標(biāo)系(ap)上的電壓和電流， dq_V_transform和dq_I_transform 變換模塊結(jié)構(gòu)如 圖 5 所示。圖 4 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計算單元結(jié)構(gòu)dq_V_transform和 3.1 定子磁鏈計算dq_l_tra nsform邊換，得到二相坐定子磁鏈的模擬和離散計算式為Compels模塊得到復(fù)數(shù)形式表示(usRsis )dt(3-1)s（3-2）式中，us和is為兩相坐

7、的磁鏈s，并由 Compels to Magnitude_Angle計算定子磁鏈s的幅值和轉(zhuǎn)角。3.2轉(zhuǎn)矩計算電動機轉(zhuǎn)矩計算式為標(biāo)系上的定子電壓和電流，K為 積分系數(shù)，Ts為采樣時間。磁鏈計算采用離散梯形積Te P（ s iss is ）（3-3）式中，p為電動機極對數(shù)。分，模塊phi_d和phi_q分別輸出定子磁鏈的和軸分量s和，s 和 s 經(jīng) Real_Imag to圖5 abc/ a姿標(biāo)系變換模塊結(jié)構(gòu)4模塊結(jié)構(gòu)4.1磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用 滯環(huán)控制，磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制 器（Flux & Torque hysteresis 結(jié) 構(gòu)如圖6所示。轉(zhuǎn)矩控制史三位 滯

8、環(huán)控制方式，在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度 設(shè)為dTe是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差 （T； Te）dTe 和（T； Te） dTe 時，滯2 2環(huán)模塊dTe/2和dTe/2分別輸出 狀態(tài)“ 1和“ 3”當(dāng)滯環(huán)模塊dTe/2 和dTe/2輸出為“ 0時，經(jīng)或非門 NOR輸出狀態(tài)為“ 2。磁鏈控制 是二位滯環(huán)控制方式，在磁鏈滯 環(huán)寬度設(shè)為dW是，當(dāng)磁鏈偏差 （；e）寧和（；e）牛時,2 2模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“ 1和“ 24.2磁鏈選擇器直接轉(zhuǎn)矩控制將磁鏈空間劃 分為6個區(qū)間，磁鏈選擇模塊的位置角，判斷磁鏈s運行在哪一個分區(qū)。磁鏈選擇器結(jié)構(gòu)如 圖7所示，模塊輸入時磁鏈計算 模塊輸出的磁鏈位置角angle,通 過計較和邏輯運

9、算輸出磁鏈所在 的分區(qū)編號。圖 6 Flux & Torque hysteresis模塊圖7磁鏈選擇器模塊結(jié)構(gòu)4.3開關(guān)表表 1 Lookup Table 表格H phi狀態(tài)H Te狀態(tài)磁鏈選擇器狀態(tài)1234561(Flux=1)1234561207070736123451(Flux=-1)434561257070706561224圖 8 switching table 開關(guān)表開關(guān)表(switching table)(如 圖8)用于得到三相逆變器6個 開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，它由兩張Lookup Table 表格(Flux=1 和Flux=-1 )和三個多路選擇器組 成。兩張Lookup

10、Table表格對應(yīng) 的輸出見表1.表格輸出加1后通 過選擇開關(guān) 2( Multiport Switch2 ) 輸出對應(yīng)的6個開關(guān)器件的8種 開關(guān)狀態(tài)V0V7 ,其中包含了兩 種零狀態(tài)V0和V7。開關(guān)表中，Magnetisation模塊結(jié)構(gòu)如圖 9 所示，其作用是將 磁鏈反饋值與設(shè)定值比較，當(dāng)反 饋值大于設(shè)定值時， S-R flip-flop 觸發(fā)器 Q 端輸出 “1，”當(dāng)反饋值 器 Q 端輸出 “ 0，”從而控制電動 機啟動時逆變器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工 作狀態(tài)，使電動機啟動時產(chǎn)生初 始磁通。4.4 開關(guān)控制模塊 開關(guān)控制模塊（如圖 10）包 含了三個 D 觸發(fā)器，目的是限制 逆變器開關(guān)的切換頻率，并

11、且確小于設(shè)定值時， S-R flip-flop 觸發(fā)圖 9 Magnetisation 模塊保逆變器每相上下兩個開關(guān)處于相反的工作狀態(tài)，開關(guān)的切換頻 率可以在模塊的對話框中設(shè)置。圖 10 開關(guān)控制模塊5 仿真結(jié)果圖 11 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)仿真模型如圖 11 所示，系統(tǒng)由 三相交流電源、直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)模塊和檢測單元等模塊組成。 三相電源線電壓 360V、 60HZ， 電源內(nèi)阻0.02Q，電感0.05mH。 電動機額定參數(shù)： 149kW、360V、 60HZ ，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩項輸 入，在調(diào)速的同時負載轉(zhuǎn)矩也在 發(fā)生變化。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩給定實用 離散控制模型庫

12、 Discrete ControlDrive 中的 timer 模塊， Speed reference 設(shè)定值為： t=0s、1s 時 轉(zhuǎn)速分別為 500 r/min 、0r/min。Torque refere nee設(shè)定值為：t=0、0.5s、1.5s時轉(zhuǎn)矩分別為0 N*m、 792 N*m、 -792N*m。模型采用混合步長的離散算法，基本采樣時間Ts=0.2 s轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器采用時間為1.4 s。仿 真得到的結(jié)果如圖 13 所示。c）電磁轉(zhuǎn)矩圖 13 仿真結(jié)果從仿真波形可以看到在 t=0s 時，轉(zhuǎn)速按設(shè)定的上升率（900r/min/s）平穩(wěn)升高，在啟動0.6s時達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速500r/min。在00.5s范圍內(nèi)電動機是空載啟 動，電動機電流為200A（幅值）； 0.5s時加載792T，電流上升為 400A （幅值） ，加載時電磁轉(zhuǎn)矩 瞬時達到1200N*m，但是在系統(tǒng) 的控制下，加載對轉(zhuǎn)速的上升和 穩(wěn)定運行沒有明顯影響。 1s 后電 動機開始減速，定子電流減小， 并且電流頻率下降。在 t=1.5s 時 轉(zhuǎn)速下降為 0，這時轉(zhuǎn)矩給定從792 N*m 變化為 -792 N*m ，轉(zhuǎn) 速仍穩(wěn)定為0r/min，表明系統(tǒng)