基于Simulink_S函數(shù)的直接轉矩控制系統(tǒng)仿真研究

1、基于SimulinkS函數(shù)的直接轉矩控制系統(tǒng)仿真研究黃志武,劉心昊,年曉紅,單勇騰(中南大學信息科學與工程學院,湖南長沙410075關鍵詞:直接轉矩控制;感應電機;仿真;S函數(shù)中圖分類號:TH921151文獻標識碼:B文章編號:100327241(20060420052206Si m ulatio n of a Direct Torq ue Co ntrol S yste mbas e d o n t he Si m ulinkS Fu nctio nHUANG Zhi-wu,LIU Xin-hao,NIAN Xiao-hong,SHAN Yong-teng(School of In form

2、cition Science and Engineering Cential S outh University,Changsha410075,ChinaAbstract:In this paper,the basic principle of Direct T orque C ontrol is introduced.Then the simulation m odel of the direct torque control system based on S imulinkS function is deduced in the static-reference frame,and th

3、e m odules of the simulation m odel are introduced in detail.The result of simulation is given,and it proves that the simulation m odel is correct.K ey w ords:Direct torque control;Induction m otor;S imulationS function1引言上世紀八十年代初期由德國魯爾大學教授Depenbrock提出的直接轉矩控制(Direct T orque C ontrol,簡稱DT C是繼矢量控制技術之后

4、的一種新型的具有高性能的交流調(diào)速技術。其特點為結構簡單,對轉子參數(shù)不敏感,轉矩響應迅速。自其誕生以來,獲得了極大的發(fā)展,已經(jīng)成為交流調(diào)速的主流。因為感應電機本身是一個多變量、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng),要對它進行分析不是一件容易的事情,而且實物試驗要耗費大量時間與精力,增加了成本,因此對感應電機直接轉矩控制系統(tǒng)進行實物試驗研究是非常復雜與困難的,所以對感應電機直接轉矩控制進行仿真研究成為了一個熱點。而利用傳統(tǒng)的編程語言如C、F ortran語言對其進行仿真時,編出的語句冗長,調(diào)試收稿日期:2005-09-21時間長,可讀可視性低,使用起來很不方便。由美國The Mathw orks公司推出的MT

5、 L是目前國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具,它具有強大的運算能力,可以實現(xiàn)建模與仿真,數(shù)據(jù)分析,圖象分析等功能。特別是其中的S imulink工具箱是專為系統(tǒng)仿真開發(fā)的交互式軟件,具有可重載、可視化、可封裝的優(yōu)點1。目前很多文章都是采用在S im2 ulink中直接用模塊搭建系統(tǒng)仿真模型,由于系統(tǒng)的復雜性(如常微分方程組、開關表等,給模型搭建帶來很多不便,整個模型的可移植性不高。然而S imulink中的S函數(shù)卻可以用于處理常微分狀態(tài)方程組的求解等復雜運算,這樣就使得仿真簡便,快捷,可操作性強。本文就是在感應電機靜止-參考坐標系下,利用S imulinkS函數(shù)建立了感應電機直接轉矩控制系

6、統(tǒng)的仿真模型,并進行了全面的仿真實驗。2直接轉矩控制的基本原理直接轉矩控制的核心思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。通過檢測電機定子電壓和電流,利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法,直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學模型,計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩。它采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器(and-and控制, 把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較,使轉矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)。容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制,并產(chǎn)生PW M脈寬調(diào)制信號,直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制,以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出25。圖1感應電機直接轉矩控制系統(tǒng)基本原理圖直接轉矩控制的結構原理如圖1所示,它由逆變器、磁鏈估算、

7、轉矩估算、磁鏈位置估算、開關表和調(diào)節(jié)器等部分組成。其工作過程如下:首先由檢測單元檢測出電機定子電流和電壓值、實際轉速。輸入到感應電機數(shù)學模型模塊計算出、和轉矩實際值T e。和通過磁鏈計算單元,得到了定子磁鏈s的幅值|s|和所在區(qū)間信號S N。將實際轉速與給定轉速3通過轉速調(diào)節(jié)器得到轉矩給定值T e3。實際轉矩T e與轉矩給定值T e3經(jīng)轉矩調(diào)節(jié)器處理后得到轉矩開關信號T Q。磁鏈給定值|s3|與磁鏈反饋值|s|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器處理后產(chǎn)生磁鏈開關信號Q。開關信號選擇單元綜合磁鏈開關信號Q、轉矩開關信號T Q和磁連鏈位置信號S N,通過查表得到正確的電壓開關信號來使逆變器能提供合適的電壓給感應電機。3

8、感應電機的數(shù)學模型理想情況下,電機可以由下面的方程來表示3:電壓方程:u s=R s i s+s0=R r i r-r+jr(1磁鏈方程:s=L s i s+L m i rr=L m i s+L r i r(2在靜止-坐標系下,如果選取定子電流和轉子磁鏈為狀態(tài)變量,定子電壓為輸入變量,電機模型可由下面的狀態(tài)方程表示:x=Ax+Bv s i s=Cx (3其中:x =is,rTA=A11A12A21A22A11=-R sLs+1-TrIA12=-MLsL r1T rI-r JA21=MT rIA22=-1T rI+r JB1=1LsJ=b1IC=I,0I=1001J=0-110定子電流is=(i

9、 s,i sT定子電壓u s=(u s,u sT轉子磁鏈r=(r,rTR s,R r為定子,轉子電阻r為電機角速度L s,L r,L m為定子,轉子自感,互感漏感系數(shù)=1-M2/(LsL r轉子時間常數(shù)Tr=L rR r轉矩方程:Ts=32L mL rPn(ri s-ri r(4其中Pn為極對數(shù)運動方程:ddt=PnJ(Te-T l(5其中J為轉動慣量。4仿真模型的建立根據(jù)在2節(jié)中分析的直接轉矩控制的基本原理并參照圖1我們搭建的仿真模型如圖2所示,為了方便,我們將轉矩計算模塊放入了電機模型中,下面我們分塊來介紹感應電機直接轉矩控制系統(tǒng)的仿真模型:(1模擬感應電機模塊根據(jù)在2節(jié)所分析的,由式(3

10、、(4、(5就可以模擬一臺理想的感應電機。本模塊主要由S函數(shù)來編寫,m otorm odel是根據(jù)(3,(4編寫的,的求解是根據(jù)式(5來搭建求解的,如圖3所示。圖2仿真總體結構圖圖3模擬電機模塊S函數(shù)m otorm odel.m如下:functionsys,x0=m otorm odel(t,x,u,flag,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm,Pn%輸入:u(1=Us,u(2=Us,u(3=。%輸出:y(1=Us,y(2=Us,y(3=Is,y(4=Is,y(5=T e。%狀態(tài)變量:x(1=Is,x(2=Is,x(3=r,x(4=r。%電機參數(shù):Rs,Rr,Ls,Lr,Lm,Pn。a=1-Lm3L

11、m(Ls3Lr;b=LrRr;if abs(flag=1%連續(xù)變量sys(1=(-Rs(a3Ls-(1-a(a3b3x(1+Lm(a3Lr3 Ls3b3x(3+Lm(a3Lr3Ls3u(33x(4+1(a3Ls3u (1;sys(2=(-Rs(a3Ls-(1-a(a33x(2-Lm(a3Lr3 Ls3u(33x(3+Lm(a3Lr3Ls33x(4+1(a3Ls3u (2;sys(3=Lmb3x(1-13x(3-u(33x(4;sys(4=Lmb3x(2+u(33x(3-1b3x(4;elseif flag=3%輸出sys(1=x(1;sys(2=x(2;sys(3=x(3;sys(4=x(4;

12、sys(5 =1.53Pn3LmLr3(x(23x(3-x(13x(4;elseif flag=0%初始化設定sys=4;0;5;3;0;0;x0=0;0;0;0;else sys=;end(2磁鏈模型模塊DT C常用的磁鏈計算模型有三種:u-i模型,i-n模型和u -n模型。其中u-i模型較為簡單,其數(shù)學表達式如下:s=u s-i s R s(6可以運行在10%或30%額定轉速以上的高速范圍。而i-n模型可以在低速范圍內(nèi)運行,u-n模型可以在全速范圍內(nèi)運行2,但由于實現(xiàn)起來比較麻煩所以本文中沒有采用。參照公式(6本模塊具體搭建如下 :圖4磁鏈模型仿真模塊(3磁鏈合成計算模塊s和s通過磁鏈計算

13、單元,得到了定子磁鏈的幅值|s|和所在區(qū)間信號S N。本文中,直接轉矩控制的磁鏈運行空間選擇了圓形磁鏈6,如圖5所示 :圖5磁鏈運行區(qū)間如圖5所示,在靜止-參考坐標系將定子坐標A軸與軸重合,利用虛線將整個平面分成了六個區(qū)域S1-S6而不是傳統(tǒng)的利用U1-U6來劃分區(qū)間,U0-U7為電壓空間矢量,其中U0,U7為零矢量。判斷定子磁鏈的瞬時位置,常用的方法有利用求取arctan (.,并判斷各分量的正負情況,來綜合判定運行區(qū)間。此方法實現(xiàn)起來很麻煩。另一種方法是將定子三相軸線A-B-C逆時針旋轉120度,得到A1-B1-C1,如圖5。將s投影在這三個軸上,分別得到A1,B1,C1,則有:A1=-1

14、2s+32sB1=-12s-32s(7C1=s定義如下的開關函數(shù)4:Sx=1當x>=0(x=A1,B1,C1Sx=0當x<0(8則通過S(x=A1,B1,C1,并通過公式:S N=4S A1+S B1+S C1(9 就能判斷出磁鏈目前的位置.而幅值計算較為簡單,公式下:|s |=(2s +2s (10由公式(7,(8,(9,(10可以得到磁鏈合成計算的S 函數(shù)fcc.m ,主要語句如下:function sys ,x0,str ,ts=fcc (t ,x ,u ,flag if abs (flag =3if u (1=0sys (1=3;elsesys (1=43S (-0.53u

15、 (1+sqrt (33u (22+23S (-0.53u (1-sqrt (33u (22+S (u (1;end ;%二進制編碼,見公式(8,(9;sys (2=sqrt (u (13u (1+u (23u (2;%磁鏈幅值見公式(10function y =S (x if x >0y =0;elseif x <=0y =1;end elseif flag =0%初始化設定sys =0;0;2;2;0;0;x0=;else sys =;end(4轉速、轉矩、磁鏈調(diào)節(jié)器為了實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制,我們引入了速度控制器,通過將將實際轉速與給定轉速3比較,將轉速差送入PI 調(diào)節(jié)器,可得到

16、T e 3,構建如下: 圖6轉速控制器仿真模塊在DT C 中起到重要控制作用的是轉矩環(huán)和磁鏈滯環(huán),它們的控制信號分別為T Q 和Q 。當T 3e -T e >T 時,此時需要增加轉矩,則取T Q =1。當T 3e -T e <-T 時,此時需要減小轉矩,則取T Q =0.磁鏈控制與之相同。模塊搭建如圖7所示。 圖7(a 轉矩調(diào)節(jié)器仿真模型(b 磁鏈調(diào)節(jié)器仿真模型(5開關表模塊開關表輸入的信號是開關信號Q 、轉矩開關信號T Q 和磁鏈位置信號S N ,我們這里以區(qū)間1為例解釋,電壓信號的選擇.當磁鏈運行在區(qū)間1時,當T Q 為1時,若Q =1代表此時磁鏈幅值和轉矩都太小,需要增加,則

17、應施加U1來同時磁鏈和轉矩,而當Q =0,此時轉矩不夠,磁鏈太大,需要施加U5來達到要求.而對于T Q =0時,處理比較簡單,直接施加零矢量U7或U0來降低磁鏈速度來增加轉矩.根據(jù)這一原理,我們結合這三種信號,編成了表1,來供我們選擇合適的電壓信號.當電壓信號U 與開關信號Sabc 的關系如圖中所示:QT Q S1S2S3S4S5S600U7U7U0U7U0U001U5U3U1U6U4U210U0U0U7U0U7U711U1U2U3U4U5U6表1開關表根據(jù)表1,我們使用查表的方法來選取適時的施加電壓,而且通過32變換我們就能直接得到Us.開關表的S 函數(shù)s witchtable.m 如下:f

18、unction sys ,x0,str ,ts=s wicthtable (t ,x ,u ,flag ,E if abs (flag =3K table =7,7,0,7,0,0;5,3,1,6,4,2;0,0,7,0,7,7;1,2,3,4,5,6K sa =0,0,0,0,1,1,1,1;K sb =0,0,1,1,0,0,1,1;K sc =0,1,0,1,0,1,0,1;X =23u (2+u (3+1;Y=u (1;%Us =K table (X ,Y ;根據(jù)磁鏈和轉矩調(diào)節(jié)要求,結合磁鏈位置區(qū)間,在K table 中選取相應電壓向量K us =K table (X ,Y +1;Sa

19、 =K sa (K us ;Sb =K sb (K us ;Sc =K sc (K us ;sys (1=(23Sa -Sb -Sc 3E 323;sys (2=(Sb -Sc 3E 32sqrt (3;%根據(jù)開關信號直接算出us,us ,E 為直流電源電壓值elseif flag =0%初始化設定sys =0;0;2;3;0;0;x0=;else sys =;end5仿真結果本文用到的電機參數(shù)如下:R s =215,R r =217,L s =01333H ,L r =01333H ,L m =0131942H ,J =010086kg m 2,P n =2磁鏈滯環(huán)比較器滯環(huán)范圍為-0.00

20、5,0.005,即=0.005轉矩滯環(huán)比較器滯環(huán)范圍為-1,1,即T =1。減小滯環(huán)寬度,有利于降低磁鏈和轉矩的脈動幅度.轉速調(diào)節(jié)器P =0.3,I=0.5。 (a定子磁鏈 (b 實際轉速 (c 實際轉矩 (d 定子電壓A 相 (e 定子電流A 相圖8在初始給定轉速為1000rpm ,負載為20N m ,在1s 時,負載階躍為30N m ,在2s 時給定轉速階躍為200rpm ,總仿真時間為3s 的仿真結果當初始給定轉速為1000rpm ,負載為20N m ,在1s 時,負載階躍為30N m ,在2s 時給定轉速階躍為200rpm ,總仿真時間為3s 的仿真結果如圖8所示。從圖8中的圖象可以看

21、出,定子磁鏈為圓形,且保持比較好,不隨給定變化而改變,系統(tǒng)的仿真真實體現(xiàn)了電機的運行情況,系統(tǒng)能很快的進入穩(wěn)定狀態(tài),并能快速的跟隨給定的變化,穩(wěn)態(tài)誤差也較小。在初始給定轉速50rpm ,負載為20N m ,當2s 時,負載階躍減小至5N m ,仿真總時間為4s 的仿真結果如圖9所示。從圖9中的圖象可以看出,磁鏈的圖形有些失真,這是由于在接近零速時,定子壓降對磁鏈的影響加大,這是u -i 模型的不足之處。此外,轉速的響應也很慢。(a 定子磁鏈(b 實際轉速(c 實際轉矩(d 定子電壓A 相(下轉第72頁自動化技術與應用 年第 25 卷第 4 期 2006 經(jīng)驗交流 Technical Co mm

22、unications 可方便工作界面 、 職責和使用權限的管理 。任何技術操作多會 留下修改痕跡 : 包括修改人的用戶名 、 修改的時間 、 修改的電量 名稱 、 修改電量的時段等 。 的時間和精力投入到其他的工作中去 。 實現(xiàn)了對小水電的考核管理 : 加強了小水電計劃 、 力率 、 負 荷管理 ,對合理使用資源 、 提高電網(wǎng)穩(wěn)定 、 緩解電力緊張的矛盾 起到積極作用 。 提供科學的分析依據(jù) : 通過系統(tǒng)的統(tǒng)計 、 分析 ,可及時發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)的異常情況 ,減少電量損失 。 開放的應用平臺 ,模塊化的系統(tǒng)結構 ,對開拓電能量采集系 統(tǒng)的應用提供了良好的環(huán)境 。隨著應用的延伸 ,可進一步深入 到網(wǎng)損

23、 、 線損計算 、 計劃管理 、 計量管理等管理領域 。提高對供 電可靠性的分析 ,合理優(yōu)化電網(wǎng)結構 ,輔助供電企業(yè)查找電網(wǎng)缺 陷 ,薄弱環(huán)節(jié) ,為電力企業(yè)電網(wǎng)改造 ,節(jié)約生產(chǎn)成本 ,回收電費提 供有力的依據(jù)和手段 。更重要的是為企業(yè)不同層面的領導經(jīng) 營、 決策 、 提高電網(wǎng)管理水平 ,提供了更廣泛 、 科學的決策依據(jù) 。 5 投運以后的成效 6 結論 414 基于 Internet 技術的實時信息發(fā)布和數(shù)據(jù)查詢 發(fā)布的信息 ,確認數(shù)據(jù)是否可以采納 。 多個部門的應用成效主要表現(xiàn)在 : 尖不同時段電量的考核結算 。 時、 可靠 。 ( 上接第 56 頁 (e 定子電流 A 相 基于 Web 方

24、式和技術的信息發(fā)布 ,包括在廣域網(wǎng)上的信息 發(fā)布 ; 用戶身份確認和授權管理 ,在此基礎上的數(shù)據(jù)檢索 ,以及 其他經(jīng)審核后可以發(fā)布的信息 。所有系統(tǒng)原始數(shù)據(jù) 、 報表等經(jīng) 審核后的信息均在網(wǎng)上實時發(fā)布 , 各應用部門可根據(jù)網(wǎng)上實時 衢州地區(qū)電能量采集系統(tǒng) ,省地關口電量采集完整率達到 了 99. 55 % ,地縣 ( 市 和發(fā)電廠關口電量采集完整率達到了 99. 17 % ,調(diào)度范圍內(nèi)變電所電量采集完整率達到了 99. 48 % , 電能 6 結束語 要實現(xiàn)現(xiàn)代一流的供電企業(yè) , 離不開科學的 、 現(xiàn)代化的決 策、 管理系統(tǒng) 。電能量采集系統(tǒng)的建設是企業(yè)現(xiàn)代化經(jīng)營管理 的重要補充 ,對提高電網(wǎng)

25、管理水平 ,強化科學決策 ,具有積極的 指導意義 。電能量采集系統(tǒng)的運行 、 管理是一項長遠的工程 ,隨 著需求的不斷推陳出新 ,必然會有技術的不斷更新和發(fā)展 ,電量 信息應用的領域會越來越廣 ,實用化的要求會越來越高 。只有 加強電能量采集系統(tǒng)的建設和管理 , 加大對電量應用方面的研 究 ,進一步在管理標準化 、 業(yè)務流程化 、 服務信息化 、 響應快速化 等方面優(yōu)化和完善 ,才能在生產(chǎn)和管理中發(fā)揮更大的效益 。 作者簡介 :黃志強 (1963 - ,男 ,工程師 ,長期從事電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng) 、 電能 量采集系統(tǒng)的應用與管理工作 。 量采集系統(tǒng)的建成 ,實現(xiàn)了資源優(yōu)化 、 信息共享 、 統(tǒng)

26、一管理的應 用平臺 。電量信息的應用為減少工作失誤 ,提高供電企業(yè)經(jīng)濟 效益和現(xiàn)代化管理水平創(chuàng)造了條件 。目前實現(xiàn)的接口有電力營 銷系統(tǒng) 、 SCADA 、 小水火電考核系統(tǒng) ,在營銷 、 調(diào)度 、 生產(chǎn) 、 計劃等 提高了電量結算的時效性 : 實現(xiàn)營銷關口每月電量的統(tǒng)計 分析和結算 ; 每月 20 日大用戶電量的結算 。實現(xiàn)了峰 、 、 、 平 谷 減少了人為差錯 : 全過程的自動化管理 ,數(shù)據(jù)更為準確 、 及 提高了工作效率 、 減輕了勞動強度 : 各變電站全部實現(xiàn)了自 動抄表代替人工抄表 ,取消了定期抄表 ,使運行人員能夠有更多 接近零速時的運行還不是很理想 , 這與磁鏈模型的選擇有關 系 ,還有轉矩調(diào)節(jié)器控制細化問題 ,這是以后需要解決的問題 。 參考文獻 :