毕业设计论文异步电机的直接转矩控制仿真研究(编辑修改稿)

毕业设计论文异步电机的直接转矩控制仿真研究(编辑修改稿)内容摘要：

分量； SR , rR 定子电阻与转子电阻 dqs , dqr dq 坐标系分别相对于定子、转子的角转速 (3)转矩方程 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 9 ()e p m sq rd sd rqT n L i i i i (23) 式中 eT —— 电动机转矩 pn —— 电动机极对数； (4)运动方程 eL pJdTT n dt (24) LT —— 负载转矩；  —— 电动机转速； J—— 电动机转动惯量； 以上构成异步电动机在两相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型。 它比异步电动机在三相以任意转速 旋转的坐标系上的数学模型简单，阶次有所降低，但是其非线性、多变量、强耦合的性质没有改变。 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 异步电动机在两相静止坐标系（  坐标系）下的数学模型是在任意速旋转坐标系下数学模型当转速等于零时的特例。 当 dqs =0 时 , dqr = ,即转速的负值。 数学模型由以下方程表述 (1)磁链方程 00000000ssSmSmrrmrmriLLiLLiLLiLL                      (25) 式中 s ， s ， r ， r —— dq子磁链的两个分量； si , si , ri , ri —— dq系下定子电流与转子电流的两个分量； mL —— 定子与转子同轴等效绕组间的互感； SL —— 定子等效两相绕组的自感； rL —— 转子等效两相绕组的自感； (2)电压方程 s d S S d q s s m d q s m s ds q d q s s S S d q s m m s qr d m d q r m r r d q r r r dr q d q r m m d q r r r r r qu R L P L L p L iu L R L P L L p iu L p L R L P L iu L L p L R L P i                                        (26) 式中 sdu ， squ ， rdu ， rqu —— dq坐标 定子电压与转子电压的两个分量； SR , rR —— 电阻； dqs , dqr —— dq坐标系分别相对于 定子 ,转子的角速度 (3)转矩方程 ()e p m sq rd sd rqT n L i i i i (27) 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 10 式中 eT —— 电动机转矩 pn —— 电动机极对数； (4)运动方程 eL pjdTT n dt (28) 式中 LT —— 负载转矩  —— 电动机转速 J —— 电动机转动惯量； 以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。 这种模型又称为 Kron的异步电动机方程式或双轴原型电机（ Two Axis Primitive Machine）基本方程式。 异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型 此模型的坐标轴用 d’q’表示，只是坐标系相对于定子的旋转速度 39。 39。 dqs 等于定子频率（旋转磁场）的同步角速度 1 ，而转子的转速为  ，因此坐标系相对 于转子的角速度 39。 39。 dqr ＝ 1  ＝ s ，即转差频率。 数学模型由以下方程表述： （ 1） 磁链方程 39。 39。 39。 39。 00000000s d s dSms q s qSmr d r dmrr q r qmriLLiLLiLLiLL                      (29) 式中 39。 sd , 39。 sq , 39。 rd , 39。 rq —— d’q’ 坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量； 39。 sdi , 39。 sqi , 39。 rdi , 39。 rqi —— d’q’ 坐标系下定子电流与转子电流的两个分量； mL —— 定子与转子同轴等效绕组间的互感； SL —— 定子等效两相绕组的自感； rL —— 转子等效两相绕组的自感； （ 2） 电压方程 39。 39。 1111s d s dS S s m ms q s qs S S m mr d r dm s m r r s rr q r qs m m s r r ruiR L P L L p LL R L P L L pL p L R L P LL L p L R L P                          (210) 式中 39。 sdu ， 39。 squ ， 39。 rdu ， 39。 rqu —— d’q’ 坐标 定子电压与转子电压的两个分量； SR , rR —— 定子电阻与转子电阻 1 —— 定子同步角转速 , 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 11 s —— 转差频率 （ 3） 转矩方程 39。 39。 39。 39。 ()e p m sq rd sd rqT n L i i i i (211) 式中 eT —— 电动机转矩 pn —— 电动机极对数； （ 4） 运动方程 eL pjdTT n dt (212) 式中 LT —— 负载转矩  —— 电动机转速 J —— 电动机转动惯量； 以上构成异步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型。 这种坐标系的突出特点是：当三相坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到两相同步旋转坐标系上就成为直流量 . 异步电动机直接转矩控制系统所用到的数学模型，是异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。 两相静止坐标系下的动态数学模型的仿真 本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的动态数学模型进行了仿真验证Matlab 仿真环境下 模块化的方法。 采用模块化的方法构建的异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型的总的结构图 23 所示。 O u t 1I n 1 O u t 2O u t 3I n 1I n 2I n 3O u t 1O u t 2I n 1I n 2O u t 1O u t 2c l o c kS u b s y s t e m 1 S u b s y s t e m 2 S u b s y s t e m 3KG a i nS c o p e 1S c o p e 2 图 23 异步电动机在两相静止坐标系下的总结构图 在图 23 中， Subsystem1 表示三相交流电源模块， Subsystem2 表示三相 相变换模块， Subsystem3 表示异步电动机模块，三部分的具体结构图如图 24，图 25，图 26 所示： 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 12 1I n 12 * p i * 5 0 2 / 3 * p i2 / 3 * p is i n++++s i ns i n2 2 0 * s q r t ( 2 )2 2 0 * s q r t ( 2 )2 2 0 * s q r t ( 2 )123O u t 1O u t 2O u t 3 图 24 三相交流电源模块结构图 1+++++12O u t 1O u t 2S q r t ( 2 / 3 )S q r t ( 2 / 3 )S q r t ( 2 / 3 ) S q r t ( 2 / 3 ) 1 / 2 1 / 223I n 1I n 3I n 2 图 25 三相 相变换模块结构图 12I n 2+++++4 . 6 8 52 9 . 0 7r + 2 . 1 3 . 1 43 . 1 4 3+1r + 4 . 8 2 9I n 10 . 9 71 . 9 4++K1S1 / 2 12O u t 1O u t 20 . 9 72 9 . 0 7r + 2 . 1 3 . 1 44 . 6 8 53 . 1 4 3+1r + 4 . 8 2 9XXXXXX 图 26 异步电动机模块结构图 仿真所用到的电机参数如下：额定电压 u=220v，频率 f=50Hz，额定转速v=1480r/min，定子电阻 SR ＝  ，转子电阻 rR ＝  ，定 子等效两相绕组的自感 sL ＝ ，转子等效两相绕组的自感 rL ＝ ，定子与转子同轴等效绕组间的互感 mL ＝ ，极对数 2np ，转动惯量 N m。 仿真时间 1ts。 分别对负载转矩为零和负载转矩为 10n  m 两种情形对恒电压 作用下电机的运行情况进行了仿真，仿真结果如图 27，图 28，图 29，图 210 所示。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 13 图 27 转速曲线（负载转矩为零） 图 28 转矩曲线（负载转矩为零） 图 29 转速线 (负载转矩为 10n m) 图 210 转矩曲线 (负载转矩为 10n m) 仿真结果表明：当负载转矩为零时，电机可以达到额定转速 1480r/min，电磁转矩在 以后稳定为零；当负载转矩 为 10n m 时，电机只能达到转速 1438 /minr ，电磁转矩在 以后稳定为 10n m。 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制是为电压源型ＰＷＭ逆变器传动系统提出的一种先进的标量控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系统性能相媲美。 该控制方案的原理是通过查表的方法以选择合适的电压空间矢量，从而实现异步电动机传动系统转矩和磁链的直接控制。 其控制原理如下： 首先，在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子磁链的函数： 213 s i n , 1 c o s2 mme p S rS R S rLLTn L L L L       其 中 （ 213） 式中 S , r —— 定子磁链、转子磁链 SL , rL , mL —— 定子电感、转子电感、定子转子 之间的互感 pn —— 电动机极对数 eT —— 电磁转矩  —— 转矩角，即定子磁链与转子磁链之 间的夹角 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 14 在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定。 通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角即转矩角可以控制电动机的转矩。 在直接转矩控制中，其基本控制方法就是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过ＰＷＭ逆变器来实现对异步电动机的控制。 整个控制系统框图如 图 211所示 ： 三 相 交 流 电 源P W M逆 变 器电 压矢 量 表异 步电 动 机信 号 计 算磁 链 滞 环控 制 器转 矩 滞 环控 制 器++ψ s *ψ sT e *T eE ψ sE T eH ψ sH T eS ( k )T eψ sω 图 211 直接转矩控制系统框图 磁链滞环控制器为两电平输出，原理图如图 212 所示 ： 102 H B ψ 图 212 磁链滞环控制器 数学 表达式如下： SS。