按定子磁鏈定向控制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真

1、 基于三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)性能比較摘要 矢量控制系統(tǒng)（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）都是已經(jīng)普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，它們的理論基礎(chǔ)都緣于電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。兩種控制系統(tǒng)不同之處僅在于：VC系統(tǒng)選用了方程，而DTC系統(tǒng)則選用方程。兩種系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)也是一致的，因此，作為高性能的調(diào)速系統(tǒng)，VC和DTC在本質(zhì)上是相同的，都能實(shí)現(xiàn)較高的靜、動態(tài)性能。兩種系統(tǒng)的具體控制方法不一樣，因而具有不同的特色和優(yōu)缺點(diǎn)，除了普遍適用于高性能調(diào)速以外，又各有所側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，兩種方案的產(chǎn)品都在朝著克服其缺點(diǎn)的方向前進(jìn)，而科研方向應(yīng)該是取長補(bǔ)短、走互相融合的

2、道路。文章對按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究,運(yùn)用Matlab的Simulink和Power System工具箱及面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法,實(shí)現(xiàn)了帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真;重點(diǎn)介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置,給出了矢量交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果,仿真結(jié)果非常接近實(shí)際情況,說明了仿真模型的正確性。關(guān)鍵詞:交流異步電動機(jī);仿真建模; Matlab軟件;矢量控制關(guān)鍵詞：交流調(diào)速系統(tǒng) 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 Matlab軟件Abstract Both vector control system (VC) and direct torque

3、 control system (DTC) are widely used ac adjustable speed systems with high performances. Their theoretical basis derives from the multivariable nonlinear mathematical model of electric motors. The difference between VC and DTC lies only in that VC system selects equations, but DTC selects . Besides

4、, the general control structure of the two systems are identical, and hence as a high-performance ASD system VC and DTC are essentially the same. But the concrete control methods of them are different, so they possess different characteristics, different merits and defects. Besides the popularly use

5、d high-performance variable speed systems, they are laid with particular emphasis on different application area. Along with the technical progress, the products of these 2 systems are advancing in the direction of overcoming their defects. The way of scientific research should be to learn from each

6、others strong points and to make up the deficiencies. The simulation of the direct torque control system and the vector control system for rotor flux orientation is studied in this paper.The modeling and simulation of the vector control system of speed and flux close loop with the torque inside loop

7、 are completed by applying electrical principles and the toolbox of Simulink and PowerSystem in the Matlab software. The paper mainly introduces the modeling of the speed adjustmentsystem and the setting of parameters of the controller. The obtained results of the simulation are close to actual situ

8、ation, which proves the correctness of the modeling. Keywords：AC speed adjustable system, vector control, direct torque control Matlab software;第一章 按定子磁鏈定向控制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真要實(shí)現(xiàn)按定子磁鏈定向控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),還必須獲得定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號,現(xiàn)在實(shí)用系統(tǒng)中,多借助定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型,實(shí)時計(jì)算磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩.下面給出按定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分環(huán)節(jié)的仿真模型.1.主電路的建模和參數(shù)設(shè)置在按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制

9、系統(tǒng)中,主電路是由直流電源,逆變器,交流電動機(jī)模塊等組成.對于逆變器,可以采用電力電子模塊組中選取”universal bridge”模塊，取臂數(shù)為3，電力電子元件設(shè)置為IGBT/Diodes.交流電機(jī)取machines庫中的Asynchronous Machine Si units 模塊，參數(shù)設(shè)置為交流異步電動機(jī)，電壓為380v,50hz, Rs=0.435 ,Rr=0.816,Llr=0.002H,Lls=0.002H,Lms-=0.06931H，極對數(shù)為2。直流電壓參數(shù)為380v.2.控制電路模型和參數(shù)設(shè)置(1).脈沖發(fā)生器建模。由直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理可知，此系統(tǒng)采用電壓空間矢量控制的

10、方法，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，釘子電阻造成的壓降可以忽略時，其定子三相電壓合成空間矢量us和定子磁鏈幅值m的關(guān)系為usddtmejw1t=jw1mejw1t=wmej(w1t+2)1公式表明電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題可以轉(zhuǎn)換為電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡問題。在電壓空間矢量控制時有八個工作狀態(tài)，開關(guān)管VT1，VT2，VT3，導(dǎo)通，VT2，VT3，VT4導(dǎo)通VT3，VT4，VY5導(dǎo)通等，為了敘述方便，依次用電壓矢u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8表示，其中u7,u8為零矢量。 從直接轉(zhuǎn)矩控制原理可以知道脈沖發(fā)生器的作用在Te,都大于零時按照等順序依次導(dǎo)通開關(guān)管，故采用六個PWM模塊，參數(shù)設(shè)置為峰值為1

11、，周期為0.002，脈沖寬度為50。但六個PWM模塊的延遲時間分別設(shè)置為0，0.0033，0.0066，0.0099，0.0165。由給定的釘子磁鏈*以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI輸出的給定轉(zhuǎn)矩Te*同電機(jī)輸出的,Te相比較，當(dāng)偏差大于零時，PWM脈沖發(fā)生器控制逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件動作，按正常順序?qū)?，但如果偏差小于零或者有一個小于零時,PWM脈沖必須給出零矢量，也即只能使開關(guān)管VT1,VT3,VT5同時導(dǎo)通，VT2,VT4,VT6截至。為了達(dá)到這種要求，現(xiàn)假設(shè)等參數(shù)較高時為1，相對低時為0，由以上的說明可以列出電壓空間矢量狀態(tài)，見表 電壓空間矢量狀態(tài)表Te*Te*電壓矢量1010u1，u2，u61

12、001U70110U70101U7從表可以看出，對于Te,的值，當(dāng)兩個都大于零時，Relay模塊輸出為1，當(dāng)有一個小于零時或兩個都小于零時，Relay模塊對應(yīng)的輸出為零，也即模塊的參數(shù)的設(shè)置模塊設(shè)置參數(shù)是環(huán)寬為1，輸出為1或0。采用這種方法的好處在于可以和后面的的邏輯運(yùn)算模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。由于需要對PWM脈沖進(jìn)行控制，所以采用邏輯運(yùn)算模塊。下面以第一個開關(guān)管的為例說明控制原理。第三和第五個開關(guān)管控制方式和第一個開關(guān)管控制方式相同。當(dāng)Te*>Te,*>時，兩個模塊輸出均為1，應(yīng)該按u1,u2,u3,u4,u5,u6正常順序依次導(dǎo)通開關(guān)管，但當(dāng)Te*<Te,*<成立或者其中

13、一個成立時，兩個模塊輸出均為0，或其中一個為0，開關(guān)管的觸發(fā)脈沖應(yīng)為1，也即零矢量，其真值表見表所列，其中，1表示文為較高值，0表示相對低值，表示任意電平，PWM表示原有的觸發(fā)脈沖，PWM表示控制后的觸發(fā)脈沖。 第一個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)Te*Te*PWMPWM1010011011001101011從上面真值表可以設(shè)計(jì)出控制方案，采用兩個邏輯模塊搭建第一個開關(guān)管的觸發(fā)脈沖模型，參數(shù)設(shè)置為NAND，另一個為OR，如圖所示。 第一個開關(guān)管的pwm脈沖控制從圖可以看出，ln3是轉(zhuǎn)矩之差處理后的結(jié)果，ln4是定子磁鏈之差處理后的結(jié)果，當(dāng)二者均大于零時，輸出為1，經(jīng)過NAND模塊處理后，為低電平0，同PWM

14、原有脈沖進(jìn)行相或后，輸出的PWM脈沖保持不變，還是原有的PWM脈沖;當(dāng)有一個為零或者兩個都為零時，經(jīng)過NAND模塊處理后，為高電平1，同PWM原有脈沖進(jìn)行相或后，輸出的脈沖始終為1，從而保證了零矢量。 對于第二個，第四個和第六個開關(guān)管的PWM控制原理，也可以列出真值表 第二個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)Te*Te*PWMPWM1010011001001001010從上面真值表可以設(shè)計(jì)出控制方案，采用邏輯運(yùn)算模塊搭建第二個開關(guān)管的PWM觸發(fā)脈沖模型，如圖所示 第二個開關(guān)管的控制 從圖可以看出，當(dāng)ln3,ln4二者均大于零時，輸出為1，同PWM原有脈沖進(jìn)行相與，經(jīng)過AND模塊處理后，輸出PWM脈沖保持不變，還

15、是原有的PWM脈沖；當(dāng)ln3,ln4有一個為零或者兩個都為零時，經(jīng)過AND模塊處理后，PWM為低電平0，從而保證了第二個，第四個和第六個開關(guān)管截止。PWM觸發(fā)脈沖模型及子系統(tǒng)如圖所示。 Pwm脈沖模型及封裝后子系統(tǒng)(2)定子磁鏈模型。建立定子磁鏈模型時，先寫出坐標(biāo)系上定子磁鏈的數(shù)學(xué)模型式中，Lm為dq坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組互感，Lm=32Lms;Ls為dq坐標(biāo)系定子等效兩相繞組的自感，Ls=Lm+L1s 式中是在dq坐標(biāo)系上的定子磁鏈，由于直接轉(zhuǎn)矩控制需要的是坐標(biāo)系上的釘子磁鏈，還必須把上式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。 式中兩邊都左乘以兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換矩陣C2r/2s，得到兩相旋轉(zhuǎn)作

16、坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換方程為對于定子繞組而言，在靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型時任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型當(dāng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)等于0時的特例，=0，即為定子磁鏈在坐標(biāo)系上的變換陣，也即C2r/2s=1001=e從式可以看出，對于定子繞組的磁鏈方程，其dq坐標(biāo)系和ab坐標(biāo)系方程完全相同，故設(shè)計(jì)定子磁鏈模型及封裝后子系統(tǒng)如圖所示，其參數(shù)為, Lm=32Lms=0.103965,Ls=Lm+L1s=0.105965 定子磁鏈模型及封裝后子系統(tǒng)(3)轉(zhuǎn)矩模型的建立。由于MATLAB模型的中的交流電機(jī)測量模塊只有dq坐標(biāo)系上的值，沒有坐標(biāo)系的值，故采用轉(zhuǎn)矩方程為搭建轉(zhuǎn)矩模型如圖所示，其參數(shù)為p=2,Lm=0.103

17、965 轉(zhuǎn)矩模型及封裝后子系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)矩模型輸入的是電機(jī)測量模塊上dq坐標(biāo)系上的定，轉(zhuǎn)子電流，在電機(jī)測量模塊中，其定轉(zhuǎn)子電流的值與Te有關(guān)，當(dāng)Te=0時，仿真就會終止，為了防止這種情況發(fā)生，在轉(zhuǎn)矩模型后端加了一個保持模塊Memory，參數(shù)設(shè)置為1，即可達(dá)到要求。Relay模塊寬度設(shè)置為1，也即Switch o n point 為0.5, Switch off point 為-0.5,output when on為1，,output when off為0.(4)調(diào)節(jié)器的建模與參數(shù)設(shè)置。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用調(diào)節(jié)器，參數(shù)設(shè)置為=100，=10，上下限幅為800 -1。將主電路和控制電路的仿真模型進(jìn)行連接，即

18、可得圖按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：仿真中所選擇的算法為ode23tb,start 設(shè)為0，stop設(shè)為3.0s。 按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型3.仿真結(jié)果 仿真結(jié)果如圖所示，圖是對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時的仿真結(jié)果，而圖是對于負(fù)載變化時的仿真結(jié)果，負(fù)載開始時為10NM，在1.0時負(fù)載變?yōu)?0NM. 恒轉(zhuǎn)矩定子磁鏈軌跡 變轉(zhuǎn)矩定子磁鏈軌跡 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載電機(jī)的三項(xiàng)電流曲線，轉(zhuǎn)矩曲線，速度曲線 變轉(zhuǎn)矩負(fù)載電機(jī)的三項(xiàng)電流曲線，轉(zhuǎn)矩曲線，速度曲線 從仿真結(jié)果可以看出，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)給定信號w*=140rad/s時，在調(diào)節(jié)器作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速很快上升，最后穩(wěn)定在140

19、rad/s。而當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生變化時，由于系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)速很快上升為原來的給定轉(zhuǎn)速，表明系統(tǒng)動態(tài)性能較好。電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速由給定轉(zhuǎn)速信號控制，對于閉環(huán)內(nèi)的擾動能夠克服。在電機(jī)啟動階段，電流和轉(zhuǎn)矩波動都較大，且在穩(wěn)定時轉(zhuǎn)速和磁鏈都會上下波動，同直接轉(zhuǎn)矩控制理論相符合，整個變化曲線同實(shí)際情況非常類似。從仿真結(jié)果可以看出，雖然系統(tǒng)響應(yīng)較快，但是缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動較大，定子磁鏈的軌跡不夠平滑。而且當(dāng)轉(zhuǎn)矩變化時，可以明顯看到轉(zhuǎn)速曲線脈動，電流明顯增大。4小結(jié)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩Te和定子磁鏈r雙位式控制，根據(jù)定子磁鏈幅值偏差，電磁轉(zhuǎn)矩偏差以及期望電磁轉(zhuǎn)矩的極性，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶縮所在的位置，直接選

20、取輸出電壓矢量，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡化的控制結(jié)構(gòu)，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，但不可避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制。 第二章 矢量控制系統(tǒng)1.主電路建模與參數(shù)設(shè)置與直接轉(zhuǎn)矩主電路建模和參數(shù)完全一致.2.控制電路建模與參數(shù)設(shè)置(1)滯環(huán)脈沖發(fā)生器建模。滯環(huán)脈沖發(fā)生器作用是給定電流iA、iB、iC同輸出電流i*A、i*B、i*C相比較,電流偏差超過一定范圍時,滯環(huán)脈沖發(fā)生器控制逆變器上(下)橋臂功率器件動作,使得輸出電流盡可能接近給定電流。為了保證同一橋臂上下輪流動作,上臂橋采用Relay模塊,滯環(huán)寬度取12。為了加快仿真,下臂橋采用由Data TypeCo

21、nversion、Logical Operator等模塊組成。滯環(huán)脈沖發(fā)生器及封裝后的子系統(tǒng)如圖 電流跟蹤控制器仿真模型及封裝后子系統(tǒng)(2)轉(zhuǎn)子磁鏈模型。 在建立轉(zhuǎn)子磁鏈模型時,需要用坐標(biāo)變換,但在Matlab模塊庫中,沒有兩相靜止坐標(biāo)與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換模塊,只有三相坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)變換模塊,通過角度是否變化確定了變換方式。因此不能直接應(yīng)用Matlab中坐標(biāo)變換模塊。但如果把模塊abc-dq0 Transformation的旋轉(zhuǎn)角度加上90b,同時矩陣幅值乘以3/2時,兩者就完全相等。同樣,兩相坐標(biāo)變換到三相坐標(biāo),在應(yīng)用dq0-abc Transformation模塊時角度和幅值上也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適

22、當(dāng)調(diào)整。在轉(zhuǎn)子磁鏈模型中還需要求Ws,由于Ws=istLm/TrWr,故采用Fcn模塊,函數(shù)定義為Lmu(1)/(u(2)Tr+1e-3),其中,u(1)表示ist;u(2)表示W(wǎng)r。轉(zhuǎn)子磁鏈模型及封裝后子系統(tǒng)如圖所示。 電流變換與磁鏈觀測仿真模型及封裝后子系統(tǒng)(3)解耦部分建模。為了抑制轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的耦合性,也是采用Fcn模塊,函數(shù)義為n*pL*mu(1)u(2)/Lr,其中,u(1)為轉(zhuǎn)子磁鏈Wr,u(2)為ist。(4)調(diào)節(jié)器的建模與參數(shù)設(shè)置。磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器,然后進(jìn)行封裝。圖5所示為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型及封裝后的子系統(tǒng),磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器建模方法

23、與此相同。各參數(shù)設(shè)置如下:ASR:Kp=10,Ki=8,上下限幅為175175;ATR: Kp=415,Ki=12,上下限幅為6060;AR:Kp=118,Ki=100,上下限幅為1313。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型及封裝后的系統(tǒng) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的模型及封裝后的系統(tǒng) 磁鏈調(diào)節(jié)器的模型及封裝后的系統(tǒng)3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置:磁鏈給定為2.0。將主電路和控制電路的仿真模型進(jìn)行連接,即可得按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型,如圖所示。仿真中所選擇的算法為ode23 tb,Start設(shè)為0,Stop設(shè)為3.0 s。 轉(zhuǎn)速，磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)仿真模型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載電機(jī)的三項(xiàng)電流曲線，速度曲線，轉(zhuǎn)矩曲線 變轉(zhuǎn)矩負(fù)載電機(jī)的三項(xiàng)電流曲線，速度曲線，轉(zhuǎn)矩曲線 磁鏈的軌跡