三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)仿真

1、1直接轉(zhuǎn)矩控制簡介直接轉(zhuǎn)矩控制(DirectTorqueControlDTC)，國外的原文有的也稱為Directself-controlDSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機定子坐標(biāo)上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)

2、矩控制系統(tǒng)的主要特點有：直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了。直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)(Band-Band)產(chǎn)生PWM波信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動機的數(shù)學(xué)模型簡化處理，沒有通常的

3、PWM信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。2直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差屮S的正負(fù)符號和電磁轉(zhuǎn)矩偏差A(yù)Te的正負(fù)符號，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶垮鳶所在位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是為電壓源型PWM逆變器傳動系統(tǒng)提出的一種先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，基于該技術(shù)的傳動系統(tǒng)性能可與矢量控制的異步電動機傳動系統(tǒng)性能相媲美。該控制方案的原理是通過查表的方法以選擇合適的電壓空間矢量，從而實現(xiàn)異步電動機傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接

4、控制。在電動機實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以便充分利用電動機鐵心；轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。通過控制定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角即轉(zhuǎn)矩角可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，其基本控制方法就是通過選擇電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)矩角的大小，以達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩個滯環(huán)控制器，分別比較定子給定磁鏈和實際磁鏈、給定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩的差值，然后，根據(jù)這兩個差值查詢逆變器電壓矢量開關(guān)表得到需要加在異步電動機上的恰當(dāng)?shù)碾妷洪_關(guān)矢量，最后通過PWM逆變器來實現(xiàn)對異步電動機的控制。整個控制系統(tǒng)框圖如

5、圖2.1所示：三相交流電源圖2.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖定子電壓分析電壓源型逆變器(如圖2.2)是由三組、六個開關(guān)(ss,ssss)組成。由于s與a,ab,b,c,c,a,r、s與r、s與r之間互為反向，即一個另一個斷開，所以三相開關(guān)有23=8種ab,b,c,c,可能的開關(guān)組合。用s表示三相開關(guān)s、s和s。若規(guī)定：a、b、c三相負(fù)載的某abc,a,b,c,一相與“+”極接通時，該項的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通時，該相的開關(guān)狀態(tài)為“0”態(tài)。8種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是6種工作狀態(tài)，即表2.1中的狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6，它們的特點是三相負(fù)載并不都接到相同的電位上；另一類開

6、關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，如表2.1中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，它們的特點是三相負(fù)載都被接到相同的電位上。EE圖2.2理想電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)圖狀態(tài)01234567Sa01100011Sb00111001S00001111表2.1對應(yīng)于逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，對外部負(fù)載來說，逆變器輸出7種不同的電壓狀態(tài)。這7種不同的電壓狀態(tài)也分為兩類：一類是6種工作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“1”至“6”：另一類是零電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“0”和“7”，對于外部負(fù)載來說，輸出的電壓都為零，所以統(tǒng)稱為零電壓狀態(tài)。用電壓空間矢量表示的離散電壓狀態(tài)如圖2.3所示。6種工作電壓空間矢量兩兩相隔60。，其頂點構(gòu)成正六邊形的6

7、個頂點。所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)是100-110-010-011-001-101。如果用符號u(t)表表示逆變器的輸出電壓空間矢量，電壓s空間矢量順序是Us1(100)-Us2(110)-Us3(010)-Us4(011)-Us5(001)-Us6(101),零電壓矢量位于正六變形的中心。u圖2.3用電壓空間矢量表示的離散的電壓狀態(tài)電壓空間矢量對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的影響2.3.1電壓空間矢量對定子磁鏈的影響輸出電壓u(t)直接加到三相異步電動機的定子繞組上，由此得到定子屮(t)為：ss屮(t)=jw(t)-i(t)RAt；若忽略定子電阻壓降的影響，貝U：屮(t)7u(t)dtssssss上式表示定子磁

8、鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間為積分關(guān)系。圖2.4表示定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量的關(guān)系。圖2.4定子電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量的關(guān)系上圖中，u(t)表示定子電壓空間矢量，屮(t)表示定子磁鏈空間矢ss量,S1,S2,S3,S4,S5,S6是正六邊形的六條邊。當(dāng)定子磁鏈空間矢量屮(t)在上圖所示位sTOC o 1-5 h z置時(其頂點在邊S1上)，如果逆變器加到定子上的電壓空間矢量u(t)為u(010)，定ss3子磁鏈空間矢量屮(t)軌跡，朝著電壓空間矢量u(010)所作用的方向運動。當(dāng)屮(t)沿ss3s著邊S到S1與S2的交點時，如果逆變器加到定子上的電壓空間矢量是u(011)

9、，s4則定子磁鏈空間矢量屮(t)的頂點將沿著S2的軌跡，朝著電壓空間矢量u(011)，所ss4作用的方向運動。按同樣的方法依次給出u(001)、u(101)u(100)u(110)，則s5s6s1s2磁鏈空間矢量屮(t)的頂點將沿著S3、S4、S5、S6的軌跡運動。從以上分析過程可以s得出如下結(jié)論：定子磁鏈空間矢量屮(t)的運動軌跡和相應(yīng)的定子電壓空間矢量u(t)對應(yīng)，定ss子磁鏈空間矢量屮(t)的運動方向平行于相應(yīng)的定子電壓空間矢量u(t)的作用方向，ss只要定子電阻壓降|i(t)R|比起|u(t)|足夠小，那么這種平行就能夠得到很好的近似。sss在適當(dāng)?shù)臅r刻依次給出定子電壓空間矢量u-u-

10、u-u-u-u。則得到s3s4s5s6s1s2定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊S1-S2-S3-S4-S5-S6形成了正六邊形磁鏈。正六邊形的六條邊代表定子磁鏈空間矢量的一個周期的運動軌跡。V5(001)V6(101)e圖2.5電壓空間矢量與磁鏈空間矢量幅值的變化關(guān)系對于電壓空間矢量與定子磁鏈幅值的變化關(guān)系，由上圖得如下結(jié)論所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角小于90。時，定子磁鏈增大;所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角大于90。時，定子磁鏈減小;所加零電壓矢量時，定子磁鏈為零。假設(shè)某一時刻定子磁鏈?zhǔn)噶繛殄?，?dāng)施加電壓矢量u,u,u時，定子磁鏈ss1s2s6幅值增加；當(dāng)施加電壓矢量u、u、u時，定子磁鏈幅

11、值減小；當(dāng)施加零電壓矢量s3s4s5時，定子磁鏈為零。當(dāng)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角大于90。時，按照上述結(jié)論，定子磁鏈幅值應(yīng)該減小，但是這種情況依然存在定子磁鏈幅值不變和增大的情形。2.3.2電壓空間矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響根據(jù)前面分析，當(dāng)施加電壓空間矢量時，如果忽略定子磁鏈幅值的變化，只考慮定子磁鏈相位角的變化，由于轉(zhuǎn)子磁鏈在電壓矢量作用過程中變化緩慢，可以近似認(rèn)為保持不變，因此轉(zhuǎn)矩角發(fā)生了變化。轉(zhuǎn)矩的變化趨勢，將只取決于轉(zhuǎn)矩角的變化趨勢。假設(shè)轉(zhuǎn)矩角Ye(0,上)，此時轉(zhuǎn)矩T是轉(zhuǎn)矩角丫的嚴(yán)格單調(diào)增函數(shù)。這種情況下，2e電壓空間矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，可以得出以下結(jié)論：所加電壓矢量超前于當(dāng)前定

12、子磁鏈時，轉(zhuǎn)矩增大。所加電壓矢量滯后于當(dāng)前定子磁鏈時，轉(zhuǎn)矩減小。所加零電壓矢量時，轉(zhuǎn)矩不變。3直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的建模與仿真3.1仿真模型的建立依據(jù)異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的分析，在simulink的基礎(chǔ)上可以建立其仿真模型,如圖3.1所示：rvleneiKE14FJFKtf*TFree-phaseThret-cjastflocfergriftir妙ng曲鞏電翡twterNe&sureE：DTCTTeLD旬MiwhductiHimachneRadZRpm:卻丄紳l_BShtorcunert-Tenv*EJe|iHnaDMik：Tn7jrCanv.-demuc圖3.1直接轉(zhuǎn)矩仿真系統(tǒng)圖系統(tǒng)原理的實現(xiàn)：三相

13、交流電源依次經(jīng)三相二極管整流、三相逆變器和電壓電流測量模塊給異步電機供電；給定轉(zhuǎn)速加于速度控制器，經(jīng)過磁鏈查表輸出給定磁鏈；給定速度與速度反饋(實際速度)比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號，同時速度控制器模塊輸出控制信號加于電機信號分離器。子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制模塊、轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊、磁鏈扇區(qū)判別模塊、電壓矢量開關(guān)表和開關(guān)控制器，給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別與實際轉(zhuǎn)矩和磁鏈取差值，然后分別經(jīng)過轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器，與磁鏈扇區(qū)sector起輸入到電壓開關(guān)矢量表中，選擇合適的電壓矢量；電壓電流測量模塊輸出i_ab和V_abc，送入到轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊，用于計算磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用6個開關(guān)器件

14、組成的橋式三相逆變器有八中開關(guān)狀態(tài)，可以得到六個互差60度得電壓空間矢量和兩個零矢量。交流電動機定子磁鏈屮S受電壓空間矢量Us控制，屮(t)7u(t)dt，因此改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈的運行軌跡，ss從而控制交流電動機的運行狀態(tài)。3.2仿真模塊的分析(1)轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速控制器結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。轉(zhuǎn)速給定Nnum(d經(jīng)過加減速限制環(huán)節(jié)使階躍輸入時實際轉(zhuǎn)速給定有一定的上升和下降斜率，轉(zhuǎn)速反饋N經(jīng)過低通濾波與N*得到轉(zhuǎn)速偏差(N*-N)。通過PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出用于符合DTC控制的磁通和轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值。PI調(diào)節(jié)器的輸入是參考轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速的差值，輸出是電機參考轉(zhuǎn)矩Torque*和參考磁鏈F

15、lux*。積分器采用模塊庫中的離散時間積分器構(gòu)建。Kp與Ki分別為比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù)，調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩由Saturation環(huán)節(jié)來限定幅值。甫CDCDMaaC.hlegralgainL-：；：il:h.:1：P-IFIU計Torque-LowHilarFroporionsigainEt：t工1Torc.e*Torque1HjhGales:n：r;皿mFUsesRFFUlsesIaba:clBTorque:L)7sicargfeTorque:Ijj-ItFl:esi:|js_；ngeSEctnrTorque&FIukcalculalorFusiseclorseBkeiFTeFIukssI

16、-ini-KZCMagCSwift:hingtabeH-圖3.2轉(zhuǎn)速控制器結(jié)構(gòu)圖直接轉(zhuǎn)矩DTC模塊圖3.3直接轉(zhuǎn)矩DTC模塊結(jié)構(gòu)圖直接轉(zhuǎn)矩DTC模塊結(jié)構(gòu)如圖3.3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)，還包括轉(zhuǎn)矩和磁通計算(Torque&Fluxcalculator)，滯環(huán)控制(Torque&Fluxhysteresis)，磁通選擇(Fluxsectorseeker)，開關(guān)表(Switchingtable)，開關(guān)控制(Switchingcontrol)等單元。DTC模塊輸出的是三相逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動信號。轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計算單元轉(zhuǎn)矩

17、和定子磁鏈計算(Torque&Fluxcalculator)單元結(jié)構(gòu)如圖3.4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dq_V_transform和dq丄transform變換得到二相坐標(biāo)系下(ap)上的電壓和電流，dq_V_transform和dq丄transform的變換模塊(見圖3.5)。Phi.q軸分量甲sa和甲s卩，甲sa和甲S卩經(jīng)Real-ImagtoComplex模塊得到復(fù)數(shù)形式的定子磁鏈屮s并由complextoMagnitude-Angle計算定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)角。圖3.4轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的計算單元結(jié)構(gòu)圖圖3.5三相坐標(biāo)到二相坐標(biāo)變換實現(xiàn)的模塊結(jié)構(gòu)

18、圖定子磁鏈的模擬和離散計算式為：屮=f(u-Ri)dt屮二(u-Ri)(z)saRsaRssaRsaP哪s哪2(Z_1)SSS哪和也卩為aP兩相坐標(biāo)系上的定子電壓和電流，K為積分系數(shù)，Ts為采樣時間。磁鏈采用離散梯形積分，模塊phi_d和phi-q分別輸出定子磁鏈的a和B式中,P3is0sa一屮i)sas0電動機的轉(zhuǎn)矩計算式為：3T=e2式中，p為電動機的極對數(shù)。磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器圖3.6磁通和轉(zhuǎn)矩制環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖電動機的轉(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(Torque&Fluxhysteresis)結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。轉(zhuǎn)矩控制是三位制環(huán)控制方式，在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度設(shè)為dTe時，當(dāng)轉(zhuǎn)

19、矩偏差(Te*-TJ+dTe和(Te*-Te)+和(屮e*-屮e)CSectorFIukectMsinneti&ation|O11O1)VOI1UO1O1:iv1IJ.口J.口口J.1V21111JV3|111)v4I111)V5|1O11O)V6|丄丄丄口)vccdorM_vectorGsitecrvlaaC圖3.8開關(guān)表模塊結(jié)構(gòu)圖用于得到三相逆變器的六個開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，它由兩張LookupTable（2D）表格（Flux=l和Flux=-1）和三個多路選擇器組成。兩張LookupTable（2D）表格對應(yīng)的輸出表格（見表3.2）輸出加1后通過選擇開關(guān)2輸出對應(yīng)的6開關(guān)器件的8種開關(guān)狀態(tài)

20、V0V7，其中包括了兩種零狀態(tài)V0和V7。表3.2LookupTable（2D）表格Hphi狀態(tài)HTe狀態(tài)磁鏈選擇器狀態(tài)Fluxsectorseeker1234561（表格Flux=1）1234561207070736123452（表格Flux=-1）134561227070703561224開關(guān)表中，Magnetisation模塊結(jié)構(gòu)如圖3.9所示，其作用是將磁鏈反饋值（Fluxest）（見圖3.6）與設(shè)定值（in_Flux）比較，當(dāng)反饋值大于設(shè)定值時，S-Rflip-flop觸發(fā)器Q端輸出“1”當(dāng)反饋值小于設(shè)定值時，S-Rflip-flop觸發(fā)器Q端輸出“0”從而控制電動機起動逆變器和轉(zhuǎn)速

21、調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)，使電動機起動時生產(chǎn)初始磁通。圖3.9Magnetisation模塊結(jié)構(gòu)圖3.3仿真結(jié)果及其分析系統(tǒng)參數(shù)：三相電源電壓360V、60Hz，電源內(nèi)阻0.02Q，電感0.05Mh。電動機額定參數(shù)：149kW、460V、60Hz，圖3.11和圖3.12是直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)模塊的電動機和控制器的參數(shù)設(shè)置頁，異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型如圖3.10所示。SpetdreferenceStatoicurrentRotorspeedElectromagneticTorqueDCbusvoltage460V60HzDTCInductionM?tsrDrife圖3.10直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)圖rnScope圖3.11電動機參數(shù)圖3.12DTC控制器參數(shù)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩兩項輸入，在調(diào)速的同時負(fù)載轉(zhuǎn)矩也在變化。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩給定使用離散控制器模型庫中的DiscreteControlBlock中的timer模塊，Speedrefrence設(shè)定值為：t=0、1s時轉(zhuǎn)矩分別為0、792、-792