异步电动机直接转矩控制及其数字仿真毕业设计论文(编辑修改稿)

异步电动机直接转矩控制及其数字仿真毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

律为 : s 逆时针 旋转时： 若 *ee TTT 时，则 1tF ； 若 * 0eeTT时，则 0tF ； 若 *0 ee TTT   时，则 tF 保持不变。 张伟：直接转矩控 制的异步电机调速系统仿真研究 14 s 顺时针旋转时： 若 *ee TTT  时，则 1TF 。 若 * 0eeTT时，则 0TF  ； 若 * 0eeT TT   时，则 TF 保持不变 *eTe TFTT10 1 图 33 转矩滞环调节器 空间电压矢量对定子磁链和转矩的影响 空间电压矢量对定子磁链的影响 与磁链运动轨迹成 60 度和 120 度的两种空间电压矢量的电压状态可以让定子磁链的幅值增大，我们称在这两种电压状态的电压为定子磁链电压。 图 34 为圆形磁链运动轨迹调节过程示意图。 定子 磁链处于第一扇区，假设运动至 A 点，则有 s   ，此时，磁链滞环比较器输出信号为 F ,输出电压矢量应使 ||s 增加。 综合考虑转矩滞环比较器输出，如果需要 s作逆时针旋转时，可选择电压矢量 34UU或。 如果需要 s 作顺时针旋转，可选择电压矢量 2U。 同理，对于 B 点有 s   ，磁链滞环比较器输出信号 F =l，此时应选择电压矢量使 ||s 减小。 如果需要 s 作逆时针旋转时，可选择电压矢量 5U。 如果需要s 作顺时针旋转时，可选择电压矢量 6U 或 1U。 因此， 磁链调节使得定子磁链空间矢量在旋转的过程中，其幅值始终在系统允许的波动范围之内变化。 将异步电机的定子磁链方程式 (214)离散化得 : ( 1 ) ( 1 )( n ) = Ssss nn Tu    (35) 式中， ST 为采样周期中电动机的定子磁链与电压矢量的关系如图 35 所示。 从图安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 15 23 可以看出 :如对异步电动机施加工作状态的电压矢量，则定子磁链的运动方向和幅值都将发生变化。 施加零电压矢量的时候，则定子磁链就会相应的停止运动。 因此直接转矩控制就是让工作电压矢量和零电压矢量交替作用，这样就可以控制定子磁链走走停停，实现了对磁链的相位和幅值的控制。 100110 101010 010011 1U2U3U4U5U6U1S2S3S4S5S6S 图 34 圆形磁链运动轨迹调节过程示意图 张伟：直接转矩控 制的异步电机调速系统仿真研究 16 (n)s ( 1 ) Ss n Tu ( 1 )s nu   图 35 定子磁链与电压矢量的关系示意图 在定子电压压降比起 ()stu 足够小的前提下，至此可以得到以下结论 : (l)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角  的绝对值小于 90度的时候，作用的结果使磁链幅值增加。 (2)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角  的绝对值大于 90 度的时候，作用的结果使磁链幅值减小。 (3)当前所施加的电压矢量与当前定子磁链矢量之间的夹角  的绝对值等于 90 度或施加零电压矢量的时候，作用的结果使磁链幅值基本保持不变。 空间电压矢量对电磁转矩的影响 从前面的分析可知，转矩对转速起决定性的影响作用，转矩控制性能的好坏直接关系到直接转矩控制系统的动、静态特性能。 电磁转矩表达式为： | || |323 sin2e r ssrsrsrsrPPmmLTLLLLL      （ ） = （ 36） 由 (219)式表明，电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链的幅值以及它们之间的夹角（磁通角 （ t） )决定。 式 219 也可以写成： 32 Pe s sTi (37） 对式 37 两边进去微分计算，再乘以 L ，可得以下式子： ()T P P Re r s r m eSdL u Tdt        (38) 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 17 式中 srm s rmmLLR R RLL (39) 将 rs 代入式 221 可得 ()T P P Re r s s m eSdL u Tdt        (310） 因此，单纯从数学式 (310)上来看，可以得到以下结论 : (l)当施加超前于当前定子磁通的电压矢量，使得 0Teddt 时，转矩增加。 (2)当施加落后于当前定子磁通的电压矢量，使得 0Teddt 时，转矩减小。 在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心。 转子磁链的幅值由负载决定。 要改变电动机的转矩大小，可通过改变磁通角 （ t） 的大小来实现。 在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量 ()tSu 来控制定子磁链的旋转速度，达到控制定子磁链的目的，从而控制改变定子磁链的平均旋转速度 s 的大小，从而改变磁通角 （ t） 的大小，达到控制电动机转矩的目的，如图 36 所示  (0 1 0 )Su ()1s t()2s t()2r t ()1r t 1t（ ）2t（ ） 图 36 电压空间矢量对电机转矩的影响 1t 时刻的定子磁链 1()st 和转子磁链 1()rt 及磁通角 1()t 的位置如图 36。 从 1t时刻考察到 2t 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量 ( ) (010)ssu t u ，则定子磁链空间矢量由 1()st 的位置旋转到 2()sut 的位置。 转子磁链的位置变化实际上不受该期间定子频率的平均值的影响。 因此从 1t 时刻到 2t 时刻这段时间里，定子磁链的旋转速度要大于转子磁链旋转的速度，磁通角由 1()t 变大为 2()t ，相应的转矩也会增大。 若从 1t 时刻考察到 2t 时刻，若此时给出的定子电压空间矢量为零电压空间矢量，则定子磁链空间矢量的位置 1()st 保持静止不动，而转子磁链空间矢量却继续以定子频率的平均速度旋转，从而磁通角将减小，转矩因磁通角的减小变小。 因此，通过合理控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均速度的大小。 直接转矩控制通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。 张伟：直接转矩控 制的异步电机调速系统仿真研究 18 空间电压矢量开关信号的选择 对应于磁链和转矩调节的两种形式，空间电压矢量开关信号的选择也有两种形式。 一种是通过磁链、转矩的两点式或三点式调节信号和定子磁链所在的区间，确定所需施加的电压空间矢量，从而将所有状态列表依次列出，最后通过所选空间电压矢量输出开关脉冲信号输出给逆变器。 另一种是根据磁链和转矩的 PI 调节得到的参考的空间电压矢量的两个分量，合成所需要的参考的空间电压矢量。 但是，此时的空间电压矢量是旋转坐标系下的，还需叠加磁链旋转角度，将其转换成静止坐标系下的空间电压矢量，最后通过 SVPWM 方式输出开关脉冲信号给逆变器。 直接转矩控制系统的调速方案 在研究直接转矩控制系统的时候必须对异步电动机在不同运行速度下，电动机空间电压矢量以及磁链的变化进行分析。 因为只有进行必要的分析才能对异步电动机在不同的速度下运行存在的问题进行有目的的改进。 虽然在现实工业生产中我们对异步电动机在中速（正常的运行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情况的研究也要投入我们的研究。 下面就简单介绍几种调节方案，他们分别是低速调节方案、高速调节方案、低磁范围内的调节方案。 低速调节方案 异步电动机的低速范围是指额定转速 30%以下的异步 电动机转速范围。 在这个范围内，由于存在转速低 (包括零转速 )、定子电压影响大等特点，会造成 :如磁链波形畸变，在低定子频率乃至零频时保持转矩和磁链基本不变等问题。 为此要求在控制方法上做相应的考虑。 低速范围的调节方案有如下特点 : 一 .用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩。 二 .为了改善转矩动态性能，对定子磁链空间矢量要实现正反向变化控制。 三 .转矩调节器和磁链调节器的多功能的协调工作。 四 .用符号比较器确定区段。 五 .调节每个区段的磁链量。 六 .圆形磁链轨迹与六边形磁链轨迹，圆形磁链轨迹用于 15%额定转速以下范围，六边形磁链轨迹用于 15%30%额定转速的范围。 七 .每个区段上，有四个工作电压状态和两个零电压状态的使用与选择。 在低速调节范围内，可以采用 0o 电压矢量、 60o ―电压矢量、 +60o 电压矢量和 120o 电压矢量协调控制。 通过上述电压矢量的调节可以对磁链进行补偿，从而使磁链达到近圆形，得到比较安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） 19 好的控制结果。 高速调节方案 高速范围是指从 30%到 100%额定转速之间的转速范围。 这个范围内的调节方案是典型的 DSR 控制的转速范围。 高速范围的调节方案有以下几个特点 : 一 .用电动机模型检测计算电动机磁链和转矩。 电动机模型主要工作在 UI 模型下，且有模型电流和实际电流相比较的电流调节器来补偿校正。 二 .用磁链自控制环节内的施密特触发器 (也叫磁链给定值比较器 )来确定区段。 三 .转矩两点式调节。 四 .磁链两点式调节。 五 .六边形磁链轨迹。 在这个转速范围内工作的 DSR 控制，主要由磁链自给定环节和转矩两点式调节起作用。 磁链自控制环节给出正确的区段。 转矩两点式调节控制转矩。 由于这个转速范围内的转速较高，因此定子电阻压降的影响可以忽略，定子磁链的畸变也可忽略，六边形磁链能得到很好的保持， 因此磁链调节只是起辅助作用。 弱磁范围内的调节方案 弱磁范围的工作特点与基速以下时有很多不同。 首先，弱磁范围内进行的是恒功率调节，而不是恒转矩调节。 其次，弱磁范围是工作在基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中起作用。 逆变器的电压波形与普通电压型逆变器时一样。 由此带来弱磁范围工作的两个特点 :一是转速的提高，即定子频率的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值的减小，即稳态弱磁。 二是电机转矩的调节，不是靠工作电压和零状态电压交替工作从把转矩限制在容差内的方 法，而是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法。 转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。 弱磁范围内的调节方案有如下特点 . 一 .用电动机模型测量、计算磁链和转矩。 二 .用磁链自控制环节确定区段。 三 .六边形磁链轨迹。 四 .用功率调节器实现恒功率调节。 五 .通过改变磁链给定值实现的平均转矩的动态调节。 六 .每个区段上用一个工作电压状态。 在弱磁范围内，转矩调节器的输出由转矩给定值变为功率给定值，借以控制功率调节器进行弱磁范围的功率调节。 功率调节器的输出作为磁链给定值，以控制磁链自控制单元。 通过磁链给定值的调节变化，一方面实现对平均转矩的动态调节，另一方面实现弱磁升速的恒功率调节。 转矩调节器的输出一直为 ―1‖态，电压为全工作电压控制，不出现零电压状态。 磁链自控制单元控制六边形磁链轨迹。 张伟：直接转矩控 制的异步电机调速系统仿真研究 20 本章小结 本章介绍了直接转矩控制系统的基本构成。 本章重点介绍了直接转矩控制的几种调节方案，其主要包括低速、中速、高速三类，在本论文中中速调节方案是研究的重点。 第 4 章 异步电动机直接转矩控制系统的仿真 系统仿真工具的介绍 MATLAB 简介 MATLAB 是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业 数学软件 ，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 MATLAB 环境是由美国 New Mexico 大学的 Clever Moler 于 1980 年开始开发的，1984 年由 Clever Moler 等人创立的 MathWorks 公司推出了第一各商业版本。 MATLAB的两个显著的特点，即强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广泛的首选计算机工具。 现在 MATLAB 软件不但广泛的应用于控制领域，也应用与其他的工程领域和 非工程领域。 在控制界，很多著名的专家和学者为其擅长。