高速电主轴直接转矩控制仿真与分析毕业论文(编辑修改稿)

高速电主轴直接转矩控制仿真与分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

某一时刻磁链所在位置，综合计算得到的该时刻的磁链幅值与给定值比 较结果来选择电压矢量以及持续时间，从而实现直接转矩控制。 提出了一种预前控制，即固定开关周期条件下，根据当前状态下电机的磁链误差 、 转矩和反电势，通过计算和比较选择出可以满足下一状态的空间电压矢量，从而实现对恒逆变开关频率控制。 最近研究出一种更新型的直接转矩控制系统，为了解决超大功率传动的问题，其逆变器采用软件开关式，这使得开关频率可以达到几千 Hz。 系统 整体上采用谐振式逆变器构成，摒弃了滞环并使用纯 BandBand 的 控制方式，使控制系统更容易实现。 有学者提出利用感应电动机定子磁链定向的解耦模型，首先通过求出的 d、q 轴的定子电流得到 d、 q 轴定子电压指令，经转换后可得出静止坐标下对应的定子电压矢量，即利用定子磁通定向的新型控制方案。 近几年来，国外常常用具有高速运算功能的数字信号处理器（ DSP）来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题，以弥补单片机运算速度慢的缺点，这是随着 DSP 技术的发展而出现的。 直接转矩控制技术的发展趋势 直接转矩因为系统简单和性能优良被广泛运用，但是在理论和应用实践方面重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 5 还存在许多需要进一步研究和解决的技术问 题。 (1)控制系统的的性能摆脱了电机参数的影响，但受定子电阻影响还是很大，因此需要考虑在不同频率时的变化。 在超低频时，定子电阻上的电压降较大，对系统影响比较明显，因此在超低速时，需要解决定子电阻的正确辨识和偏差补偿的问题，这是直接转矩控制系统需要研究的。 (2)直接转矩控制是一种无需速度直接反馈的控制技术，由于算法的不同，其基本控制系统只需要两个电流传感器，可靠性高，但是速度辨认方法还不明确，系统模型也需进一步研 究改良。 这使 无速度传感器研究逐渐兴起，并成为当前交流传动中的热门话题。 (3)直接转矩控制系统形成 PWM 脉冲的目的是产生圆形气隙磁场。 通过控制主回路中电压型逆变器，对开关切换时间作出正确选择，可以获得近似圆形的磁场，从而降低电机的谐波损耗、温度、转矩脉动和噪音。 直接转矩控制的关键在于根据电机转速和开关频率选择合适的开关状态，这需要很高的要求。 所以如何选择最佳开关控制策略还需要进一步的研究。 (4)直接转矩控制系统最显著的特点在于系统结构简单，控制思路简单，性能稳定，便于数字化。 因此实现数字化的直接转矩控制的 交流调速系统具有很大的经济价值和跨时代的意义。 然而高速 DSP 价格昂贵，普通单片机运行较慢，这对数字化来说是个急需解决的问题。 论文主要内容 本文主要介绍了高速电主轴直接转矩控制系统的基本结构和基本原理，并用MATLAB/SUMILINK 软件根据高速电主轴内置的异步电动机的数学模型建立仿真模型，从而进一步组建异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。 在这基础上，改变控制系统中直接影响异步电动机性能的参数，得到仿真结果，对其进行分析，验证高速电主轴直接转矩控制的有效性和可行性。 本章小结 本章详细 介绍 了高速电主轴的国内外研究现状 及差距 ， 并分析了直接转矩控制技术的现状和发展趋势 ，最后给出了论文的研究目的和主要研究内容。 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 直接转矩控制系统的基本原理 6 2 直接转矩控制的基本原理 引言 直接转矩控制 (DTC)变频调速系统 [6]是近十几年来继矢量变频调速技术后发展起来的一种新型高性能的控制方式。 运用空间矢量的分析法，采用定子磁场定向，之后在定向的坐标系中计算与控制交流电机的转矩，通过离散的两点式调节（ BangBang 控制）产生 PWM 信号直接控制逆变器的开关状态，从而获得转矩的高动态性能。 这种控制系统结构简单，控制方式直接，控制过程中省掉了复杂的矢量变换运算，并且将电动机数学模型的简化处理，使信号处理的物理概念明确，因此是一种具有高动态响应的新型交流调速技术。 异步电动机的数学模型 异步电动机理想数学模型 交 流异步电机 [7]的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型 [8]。 为了能够根据异步电动机的数学模型建立理想的电机模型，必须对电动机结构参数进行理想化设定： （ 1）电 动机 气隙 均匀； （ 2） 磁路线性； （ 3） 电机 有效导体沿气隙空间呈正弦状态分布，定子、转子三相绕组对称 （ 4） 磁场正弦分布，磁场谐波忽略不计。 (21) 上式中 ：、、 — 依次 为定子和转子相电压 、、 — 依次为定子和转子相电流； 、、 — 依次为定子和转子绕组的磁链； 微分算子。 ： (22) 上式中：、、 依次为为各相定子、转子自感，其他元素依次为定子、转子或定、转子间的互感。 3．转矩方程 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 直接转矩控制系统的基本原理 7 由能量守恒定理，在多绕组电机中，其磁场储能方程为 : （ 23） 上式中 : 由 能量守恒 定 理，异步电机 在 运行时，其电磁力矩 的大小相当于在 电流不变时磁场储能对 机械角位移的偏导 数，即： 上式中： — 电机磁极对数 — 电角位移， = （ 24） 上式中； — 定转子间的互感。 交流电机的数学模型 是 一组非线性的微分方程式 ，这是 由于转子的旋转 使 定、转子绕组 间 的互感 为 定 、 转子相对位置的函数。 所以需要对变量进行 2/3 坐标变换，这是 为了解除定、转子 之 间非线性的耦合关系需要。 即在 建立参考坐标系内的异步电机数学模型 ， 三相静止绕组 A、 B、 C 变换为两相静止绕组， 从而将 三相静止坐标系 变换成两 相静止坐标系。 异步电动机空间矢量等效电路 将控制系统中异步电动机的空间矢量电路进行等效变换后，得到等效电路，即： 图 异步电动机 空间矢量等效电路 该等效电路是将异步电动机分解到正交定子坐标系（ αβ坐标系）下，各元素的意义如下： — 定子电压空间矢量； 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 直接转矩控制系统的基本原理 8 — 定子电流空间矢量； — 转子电流空间矢量； — 定子磁链空间矢量； — 转子磁链空间矢量； — 电角速度（机械角速度与极对数的积）。 并且规定，将旋转空间矢量分解的到 参考坐标系 中，其中 在 α轴上的投影称为 α分量，在的 β轴上的投影称为 β分量。 根据上述规定，在定子坐标系下，可推导出异步电动机的方程 : （ 25） （ 26） 根据上述方程，可推导出定子磁链 、转子磁链方程式： （ 27） （ 28） （ 29） 逆变器的开头状态及电压空间矢量 逆变器的开关状态 逆变器（见图 22）由三组、六个开关（、、）组成。 根据与、与、与之间接通一个就会断开一个逻辑特点，三组开关可以组成 23=8 种可以实现开关方式。 图 22 逆变器等效电路 为了更好的讨论开关状态，作如下规定： a、 b、 c 三相负载的其中一相与“ +”极接通时，则该相开关状态记为“ 1”；与“ ”级接通时，开关状态记为“ 0”。 根据这个规则可得到 8 种开关状态，见表 21。 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 直接转矩控制系统的基本原理 9 表 21 逆变器的 8 种开关状态 状态 0 1 2 3 4 5 6 7 Sa 0 0 0 0 1 1 1 1 Sb 0 1 1 0 0 0 1 1 Sc 0 0 1 1 1 0 0 1 在 外部负载 作用下，这 8 种开关状态 中逆变器可 输出 7 种不同的电压状态。 而 这 7 种不同的电压状态 又有 两 种情况 ：一 种 是 相当 于开关状态 “ 1” 至 “ 6” ，分别 被 称为逆变器的电压状态 “ 1” 至 “ 6” 的 6种工作电压状态 ； 另一种 是 相当于零开关状态 “ 7” 和 “ 8” 的 零电压状态，对外 部电路 来说， 由于其 输出的电压都为零 ， 因此 把这两种状态 统称为逆变器的零电压状态 （见表 22）。 表 22 逆变器的电压状态与开关状态对照表 状态 工作状态 零状态 1 2 3 4 5 6 7 8 开关状态Sabc 011 001 101 100 110 010 000 111 电 压 状 态 （ 011） （ 001） （ 101） （ 100） （ 110） （ 010） （ 000） （ 111） us1 us2 Us3 Us4 Us5 Us6 Us7 1 2 3 4 5 6 7 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 直接转矩控制系统的基本原理 10 电压空间矢量 由于对异步电动机进行分析和控制时，为了使这过程更方便，引入 PARK 矢量变换 [9]来对三相进行分析和控制。 PARK 矢量变换的作用是把三个标量（三维）转换成为一个矢量（二维）。 三相定子绕组相三相电压、进行 PARK 矢量变换后，得到合成量。 （ 210） 其中， 、分别是三相定子负载绕组的相电压。 代表着三相电磁量的电压空间矢量。 逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向并且呈周期性地顺序出现电压空间矢量，两两相差 600，因此六个电压空间矢量正好构成了了一个正六边形。 其空间电压矢 量状态为 ,对应的开关状态是 011001101100110010其中 零电压矢量 位于正六边形中心。 空间电压矢量状态图如下图示。 图 25电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 异步电动机的磁链模型 在直接转矩控制中，定子磁链的实际值通常是根据定子电压、电流和转速的检测值以及电动机参数通过估计求得。 常用的磁链估计方法有：电压 电流模型法，电流 速度法，电压 转速法。 电流模型法 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 直接转矩控制系统的基本原理 11 一般在高速段，采用电压 电流模型法。 对于定子磁链矢量，根据定子电压矢量方程，有： （ 211） 通过该公式确定异步电动机的定子磁链，根据异步电动机的参数来确定定子电阻 ， 如果检测出的定子电压与定子电流足够精确，那么通过这个方法估计磁链就会很方便。 通过此方法估计定子磁链，其误差同定子电阻引起的。 在 上 30%额定转速以上范围内，采用电压 电流模型法，结构简单，精度高，优于其他的方法。 在定子频率接近零时，此方法不适用，理由是作用在定子电压和定子电阻间的差值消失，导致只有误差被积分。 以下为电压 电流模型法的原理图。 图 24 电压 电流模型法原理图 速度模型法 在低速段，可利用电流 速度模型法来估计定子磁链。 在此模型中定子磁链由定子电流与转速来确定。 定子磁链方程如下所示： (212) (213)。