三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)仿真

1、目錄摘要I1 設(shè)計總體思路11.1主電路的設(shè)計11.2 基本原理12 單元電路設(shè)計32.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型32.2 轉(zhuǎn)速控制器42.3 直接轉(zhuǎn)矩控制器42.4 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的計算52.5 磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器62.6 磁鏈選擇器62.7 開關(guān)表72.8 開關(guān)控制模塊83 實驗仿真、實驗波形記錄及分析94 總結(jié)125 附錄13參考文獻(xiàn)141 設(shè)計總體思路1.1主電路的設(shè)計直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱DTC(Direct torque control)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在他的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。

2、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的正負(fù)符號和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的正負(fù)符號，再根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈的矢量所在的位置，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)矩與定子磁鏈的控制。 系統(tǒng)主電路如圖1.1所示，由三相不控橋、交流母線、三相逆變器和異步電機(jī)組成，2812DSP的脈沖信號控制全控器件的導(dǎo)通。PW1 PW2 PW3 PW4 PW5 PW62812 DSP隔離驅(qū)動電路MFBSVD4VD2VD3VD6VD5V1V3V5V2V6V4C圖1.1 系統(tǒng)主電路圖1.2 基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1.2示，途中的和ATR分別為定子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

3、器，兩者均采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器，他們的輸出分別為定子磁鏈幅值偏差的符號函數(shù)sgn()和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號函數(shù)sgn()，如圖1.2所示。圖中，定子磁鏈給定與實際轉(zhuǎn)速有關(guān)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持恒定，在額定轉(zhuǎn)速以上，隨著的增加而減小。P/N為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器，當(dāng)渴望的電磁轉(zhuǎn)矩為正時，P/N=1，當(dāng)渴望的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)時，P/N=0，對于不同的電磁轉(zhuǎn)矩期望值，同樣符號函數(shù)sgn()的控制效果是不同的。 PWM控制電壓矢量選擇iASBSCSgn()sgn()sgn()M定子磁鏈計算3/2變換轉(zhuǎn)矩計算P/NATR- Te- ASR- iBuAuBSAFBSFBS圖1.2制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 sgn()

4、sgn()10圖1.2 帶有滯環(huán)的雙位式控制器當(dāng)渴望的電磁轉(zhuǎn)矩為正，即P/N=1時，若電磁轉(zhuǎn)矩偏差=-0，其符號函數(shù)sgn()=1，應(yīng)使定子磁場正向旋轉(zhuǎn)，使實際轉(zhuǎn)矩加大；若電磁轉(zhuǎn)矩偏差=-0，sgn()=0,一般采用定子磁場停止轉(zhuǎn)動，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即P/N=0時，若電磁轉(zhuǎn)矩偏差=-0，sgn()=1，一般采用定子磁場停止轉(zhuǎn)動，使電磁轉(zhuǎn)矩反向減小。2 單元電路設(shè)計2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型DTC Induction Motor Drive圖2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖標(biāo)三相異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊圖標(biāo)如圖2.1所示，仿真模型如圖2.2所示。該模塊由7個主要模塊組成：

5、三相不可控整流器（three-phase diode rectifier）、Braking chaopper、三相逆變器（three-phase inverter）、測量單元（Measures）、異步電動機(jī)模塊（Induction machine）、直接轉(zhuǎn)矩控制模塊DTC。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（Three-phase inverter），該逆變器有8種開關(guān)狀態(tài)，可以得到6個互差度的電壓空間矢量和兩個零矢量。交流電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)盏诫妷嚎臻g矢量us控制，因此改變逆變器開關(guān)狀態(tài)可以控制定子磁鏈的運(yùn)行軌跡（磁鏈的幅值和旋轉(zhuǎn)速度），從而控制電動機(jī)的運(yùn)行。2.2直接轉(zhuǎn)矩控制

6、系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)2.2 轉(zhuǎn)速控制器 如圖2.3所示，轉(zhuǎn)速給定N*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，轉(zhuǎn)速反饋N經(jīng)過了低通濾波器，得到轉(zhuǎn)速偏差（N*-N）。Proportional gain、Integral gain和discrete模塊組成帶限幅的離散PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)輸出經(jīng)過了選擇開關(guān)，根據(jù)對話框中設(shè)定的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)速控制的輸出。加減速斜率、PI調(diào)節(jié)器比例和積分系數(shù)、低通濾波器截止頻率等參數(shù)都在對話框中設(shè)定。圖2.3 轉(zhuǎn)速控制器Speed Controller結(jié)構(gòu)2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制器直接轉(zhuǎn)矩控制模塊由轉(zhuǎn)矩給定Torque*、磁通給定Flux*，電流I_a

7、bc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（Torque&Flux calculator）、滯環(huán)控制(Flux&Torque hystere-sis)、磁通選擇(Flux sector seeker)、開關(guān)表(Switching table)、開關(guān)控制(Switching control)等單元。DTC模塊是輸出三相逆變器Three-phase inverter 開關(guān)器件的驅(qū)動信號。 圖2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制模塊結(jié)構(gòu)2.4 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的計算轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈計算（Torque&Flux calculator）單元結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，它首先檢測到異步電機(jī)三相電壓V-A

8、B經(jīng)模塊dq-transform和dq-transform變換，得到二相坐標(biāo)系上的電壓和電流，dq-transform和dq-transform變換模塊結(jié)構(gòu)如2.6所示。定子磁鏈的模擬和離散計算公式為 （2-1） （2-2） 式中, 和為二相坐標(biāo)系上定子電壓和電流，K為積分系數(shù)，為采樣時間。磁鏈計算采用離散梯形積分，模塊phi-d和phi-q分別輸出定子磁鏈的和軸分量s和s，s和s經(jīng)Real-Imag to Complex模塊得到復(fù)數(shù)形式表示的定子磁鏈s，并由Complex to Magnitude-Angle計算定子磁鏈s的幅值和轉(zhuǎn)角。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩計算公式為 （2-3）圖2.5 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈

9、計算單元結(jié)構(gòu)圖 圖2.6 dq-V-transform和dq-I-tranform變換模塊圖2.5 磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁療都采用滯環(huán)控制，磁通和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器（Flux&Torque hystore-sis）結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。轉(zhuǎn)矩控制是三位滯環(huán)控制方式，在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度設(shè)為時，當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差和時，滯環(huán)模塊和分別輸出狀態(tài)1和3，滯環(huán)模塊和分別輸出為0時，經(jīng)或非門NOR輸出狀態(tài)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)為時，當(dāng)磁鏈偏差和時，模塊dPhi分別輸出狀態(tài)“1”和“2”。圖2.7 磁通和滯環(huán)控制器2.6 磁鏈選擇器 圖2.8 磁鏈選擇器模塊輸入是磁鏈計算模塊輸出的磁鏈位

10、置角angle通過比較和邏輯運(yùn)算輸出磁鏈所在偏號。2.7 開關(guān)表圖2.9 Magnetisation模塊開關(guān)表2.10用于得到三相逆變器6個開關(guān)期間的通斷狀態(tài)，開關(guān)表中，Magnetisation模塊結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，其作用是將磁鏈反饋與設(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)反饋值小于設(shè)定值時，觸發(fā)斷輸出0，從而控制電機(jī)起動時逆變器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)，使電動機(jī)起動時產(chǎn)生初始磁通。圖2.10 開關(guān)表2.8 開關(guān)控制模塊 開關(guān)控制模塊如圖2.11所示，包括三個D觸發(fā)器（D Flip-Flop），目地是限制逆變器開關(guān)的切換頻率，并且確保逆變器每相上下兩個

11、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對話框中設(shè)置。 圖2.11 開關(guān)控制模塊3 實驗仿真、實驗波形記錄及分析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖形如圖3.1所示，系統(tǒng)由三相交流電源、直接轉(zhuǎn)矩系統(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0.02，電感0.05mL。電動機(jī)參數(shù)：149kW、460V、60HZ，圖3.2是電動機(jī)和控制器參數(shù)頁，系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速（speed reference）和轉(zhuǎn)矩（Torque reference）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模型庫中的timer模塊，speed reference設(shè)定值為：t=0、1s時

12、轉(zhuǎn)速分別為500、0r/min。Torque reference設(shè)定值為：t=0、0.5、1.5s時轉(zhuǎn)速分別為0、792、-792N*m。模型采用混合步長的離散算法，基本采樣時間Ts=0.2us，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采樣時間為1.4us，仿真波形如圖3-3所示。圖3.1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型從仿真波形可以看到在t=0時，轉(zhuǎn)速按設(shè)定的上升率（900r/min）平穩(wěn)升高，在起動0.6s時達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速500r/min。在00.5s范圍內(nèi)電動機(jī)是空載起動，電動機(jī)為200A；0.5s時加載792T*m，電流上升到400A，加載時電磁轉(zhuǎn)矩瞬間達(dá)到1200N*m，但是在控制系統(tǒng)控制下，加載對轉(zhuǎn)速的上升和穩(wěn)定運(yùn)行沒有

13、明顯影響。1s后電動機(jī)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變化為-792。轉(zhuǎn)速仍穩(wěn)定為0r/min，表明系統(tǒng)有很好的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力。圖3.2 模塊參數(shù)a)轉(zhuǎn)速響應(yīng)b）a相定子電流c)電磁轉(zhuǎn)矩d）直流電壓圖3.3 仿真波形 4 總結(jié)本設(shè)計是三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）仿真，直接轉(zhuǎn)矩采用和雙位式控制，根據(jù)定子磁鏈幅值偏差、電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號以及期望電磁轉(zhuǎn)矩的極性P/N，再根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取輸入電壓矢量，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)自磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地殘生轉(zhuǎn)矩脈動，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制。通過此次課程設(shè)計，使我對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)有了基本理解，大大提高了自己的動手能力，在學(xué)科綜合運(yùn)用方面的能力也有了很大的提高，更重要的是學(xué)會了使用MATLAB SIMULINK進(jìn)行仿真。鍛煉了分析電路圖的實際本領(lǐng)，通過此綜合訓(xùn)練,為以后畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。5