三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真報(bào)告

1、三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真報(bào)告摘 要： 利用直接轉(zhuǎn)矩控制 ( DTC ) 理論，研究異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。利用 MATLAB /Simulink 軟件對(duì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。結(jié)果表明 : DTC 系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、精度高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)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(jī)；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(lái)，交流拖動(dòng)技術(shù)就從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜動(dòng)態(tài)性能上與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的問(wèn)題。所謂矢量控

2、制，就是將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來(lái)控制,通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，然后分別獨(dú)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 TorqueControl DTC)是在矢量控制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的，是繼矢量控制以后提出的又一種異步電動(dòng)機(jī)控制方法。其思路是把異步電動(dòng)機(jī)和逆變器看成是一個(gè)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(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈， 通過(guò)磁鏈跟蹤得出 PWM逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)從而直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩"與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制的主要優(yōu)點(diǎn)是:在定子坐標(biāo)系下對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，摒棄了矢量控制中的

3、解藕思想，直接控制電動(dòng)機(jī)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(kāi)了電動(dòng)機(jī)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(duì)比較容易測(cè)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(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響也更小 "此外，直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)直接輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差來(lái)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(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn) " 因此，直接轉(zhuǎn)矩控制一問(wèn)世便受到廣泛關(guān)注，目前國(guó)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(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成三相異步電動(dòng)機(jī)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

4、型由 7 個(gè)主要模塊組成： 三相不控整流器( Three-phase dioderectifier)、Braking chopper、三相逆變器( Three-phase inverter) 、測(cè)量單元( Measures) 、 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 模 塊(Induction machine)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(chǎng)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)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

5、 V_abc 輸入信號(hào)都經(jīng)過(guò)采樣開(kāi)關(guān)， DTC 模塊包括轉(zhuǎn)矩和磁通計(jì)算、滯環(huán)控制、磁通選擇、 開(kāi)關(guān)表、 開(kāi)關(guān)控制等單元。 DTC模塊輸出時(shí)三相逆變器Three-phaseinverter 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用 6 個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成的橋式三相逆變器，該逆變器有 8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以得到 6 個(gè)互差 60° 的電壓空間矢量和兩個(gè)零矢量。交流電機(jī)定子磁鏈 里受電壓空間矢量 us控制里s? /usdt,因此改變逆變器開(kāi) 關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈 聯(lián)的運(yùn)行 軌跡，從而控制交流電機(jī)的運(yùn)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(jì)算轉(zhuǎn)矩和定子

6、磁鏈計(jì)算(單元結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，它首先將檢測(cè)到的異步電動(dòng)機(jī)三相電壓V_abc和 電 流 I_AB 經(jīng) 模 塊標(biāo)系( B)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(jì)算單元結(jié)構(gòu)dq_V_transform和 3.1 定子磁鏈計(jì)算dq_I_transform邊換，得到二相坐定子磁鏈的模擬和離散計(jì)算式為Compels模塊得到復(fù)數(shù)形式表示(UsRsis )dtRsis )KTs(z 1)2(z 1)(3-1)(3-2)式中，Us和is為兩相坐 標(biāo)系上的定子電壓和電流，K為 積分系數(shù)，Ts為采樣時(shí)間。磁鏈計(jì)算采用離散梯

7、形積的磁鏈s ,并由 Compels toMagnitude_Angle計(jì)算定子磁鏈s的幅值和轉(zhuǎn)角。3.2轉(zhuǎn)矩計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為3Te p( s iss is )(3-3)式中，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)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隹標(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(dòng)機(jī)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 (Te Te)

8、dTe 和(T； Te)dTe 時(shí),滯22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“曲，經(jīng)或非門(mén) 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d¥是，當(dāng)磁鏈偏差 (*e e)和(*e e)/時(shí)，22模塊dPhi分別輸出狀態(tài) “1和 “2”4.2 磁鏈選擇器直接轉(zhuǎn)矩控制將磁鏈空間劃 分為6個(gè)區(qū)間，磁鏈選擇模塊s 的位置角，判斷磁鏈s運(yùn)行在 哪一個(gè)分區(qū)。磁鏈選擇器結(jié)構(gòu)如圖 6 Flux & Torque hysteresis模塊圖7磁鏈選擇器模塊結(jié)構(gòu)4.3 開(kāi)關(guān)表圖7所示，模塊輸入時(shí)磁鏈計(jì)算

9、模塊輸出的磁鏈位置角angle,通 過(guò)計(jì)較和邏輯運(yùn)算輸出磁鏈所在 的分區(qū)編號(hào)。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(kāi)關(guān)表開(kāi)關(guān)表(switching table)(如 圖8)用于得到三相逆變器6個(gè) 開(kāi)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(gè)多路選擇器組 成。兩張Lookup Table表格對(duì)應(yīng) 的輸出見(jiàn)表1.表格輸出加1后

10、通 過(guò)選擇開(kāi)關(guān) 2(Multiport Switch2 ) 輸出對(duì)應(yīng)的6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的8種 開(kāi)關(guān)狀態(tài)V0V7 ,其中包含了兩 種零狀態(tài)V0和V7。開(kāi)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(shí)， 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(dòng)”機(jī)啟動(dòng)時(shí)逆變器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生初始磁通。小于設(shè)定值時(shí)， S-R flip-flop 觸發(fā)圖 9 Magnetisation 模塊4.4 開(kāi)關(guān)控制模塊開(kāi)關(guān)控制模塊（如圖10）包含了三個(gè) D 觸發(fā)器， 目的是限制逆變器開(kāi)

11、關(guān)的切換頻率，并且確保逆變器每相上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)處于相反的工作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)的切換頻率可以在模塊的對(duì)話框中設(shè)置。圖 10 開(kāi)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(dòng)機(jī)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(cè)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(dòng)機(jī)額定參數(shù)：149kW 、 360V 、60HZ ， 系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)輸入，在調(diào)速的同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也在發(fā)生變化。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩給定實(shí)用離散控制模型庫(kù)Discrete ControlDrive 中的 timer 模塊， Speed re

12、ference 設(shè)定值為：t=0s、1s 時(shí) 轉(zhuǎn)速分別為 500 r/min 、 0r/min 。Torque reference設(shè)定值為：t=0、 0.5s、1.5s時(shí)轉(zhuǎn)矩分別為0 N*m、 792 N*m、 -792N*m。模型采用混合步長(zhǎng)的離散算法，基本采樣時(shí)間Ts=0.2 s,轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器采用時(shí)間為1.4s。仿 真得到的結(jié)果如圖 13 所示。a）轉(zhuǎn)速響應(yīng)b） a相定子電流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(shí)，轉(zhuǎn)速按設(shè)定的上升率（ 900r/min/s） 平穩(wěn)升高， 在啟動(dòng)0.6s時(shí)達(dá)至U設(shè)定的轉(zhuǎn)速500r/min。在00.5s范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)是空載啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)電流為200A （幅值）；0.5s時(shí)加載792T,電流上升為400A （幅值） ，加載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)達(dá)到 1200N*m ， 但是在系統(tǒng)的控制下，加載對(duì)轉(zhuǎn)速的上升和穩(wěn)定運(yùn)行沒(méi)有明顯影響。 1s 后電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速，定子電流減小，并且電流頻率下降。在t=1.5s 時(shí)轉(zhuǎn)速下降為0，這時(shí)轉(zhuǎn)矩給定從792 N*m 變化為 -792 N*m ，轉(zhuǎn)速仍穩(wěn)定為 0