畢業(yè)設(shè)計——三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  畢 業(yè) 設(shè) 計</b></p><p>  2013 年 5 月 15日</p><p><b>  目 錄</b></p><p><b>  中文摘要:1</b></p><p><b>  關(guān)鍵詞:1</b>&

2、lt;/p><p>  Abstract:2</p><p>  Keywords:3</p><p><b>  1 緒論4</b></p><p>  1.1 課題研究的背景、目的及其意義4</p><p>  1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀6</p><

3、p>  2 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ)6</p><p>  2.1 三相異步電機的數(shù)學(xué)模型6</p><p>  2.1.1三相異步電機的數(shù)學(xué)模型6</p><p>  2.1.2電壓空間矢量對定子磁鏈的影響8</p><p>  2.1.3電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響9</p><p>  2.2 逆

4、變器以及基本空間矢量的概念和原理10</p><p>  3. 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理12</p><p>  3.1定子磁鏈矢量空間位置檢測13</p><p>  3.2 定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩和扇區(qū)的計算14</p><p>  3.2.1定子磁鏈估計14</p><p>  3.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩估計18&

5、lt;/p><p>  3.3 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制18</p><p>  3.4磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)20</p><p>  3.5 起動問題21</p><p>  3.6 直接轉(zhuǎn)矩控制與傳統(tǒng)的矢量控制比較21</p><p>  3.6.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點22</p><p>

6、;  3.6.2 DTC與矢量控制的比較22</p><p>  3.7 本章小結(jié)23</p><p>  4. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真和性能分析23</p><p>  4.1 關(guān)于MATLAB軟件23</p><p>  4.2 MATLAB軟件簡介24</p><p>  4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的M

7、atlab/Simulink仿真24</p><p>  4.4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能優(yōu)缺點分析26</p><p>  4.5本章小結(jié)27</p><p><b>  結(jié)論28</b></p><p><b>  謝辭30</b></p><p><b&g

8、t;  [參考文獻]31</b></p><p>  三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究</p><p><b>  中文摘要:</b></p><p>  對于三相異步電機來說,直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是一種高性能的變頻調(diào)速控制方案。三相異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型、高性能變頻調(diào)速技術(shù)。它利用空間矢量

9、分析方法,直接在定子坐標系下計算和控制交流電機的轉(zhuǎn)矩,采用定子磁場定向,通過對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)控制產(chǎn)生PWM信號,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制,以獲得系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)全數(shù)字化的特點,得到廣泛應(yīng)用。</p><p>  隨著經(jīng)濟的發(fā)展,在諸多領(lǐng)域里利用高性能的交流調(diào)速逐步替代價格較高的直流調(diào)速是一個趨勢。而直接轉(zhuǎn)矩控制是高性能交流調(diào)速技術(shù)中潛力最大的一種

10、,而且其控制方法本身非常適合全數(shù)字化實現(xiàn),所以對其進行深入的研究具有良好的現(xiàn)實意義。</p><p>  1985年德國學(xué)者Depenbrock和日本學(xué)者Takahashi相繼提出異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)思想。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生,就以自己新穎的控制思想,簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),優(yōu)良的靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的發(fā)展。</p><p>  DTC的研究雖然已取得了很大進展,

11、但是它在理論和實踐上還不夠成熟,如低速性能差、脈動轉(zhuǎn)矩大、限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。</p><p>  本論文研究采用直接轉(zhuǎn)矩控制方案的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。涉及到電機傳動、電力電子技術(shù)、自動控制原理等多學(xué)科領(lǐng)域,對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究,包括轉(zhuǎn)矩計算、磁鏈計算、轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)等,主要包括以下四個部分: </p><p>  第一部分,介紹課題的研究背景和國內(nèi)研究現(xiàn)狀

12、。</p><p>  第二部分,建立三相異步電機的數(shù)學(xué)模型,明確直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。</p><p>  第三部分,詳細分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分的組成。</p><p>  第四部分,用MATLAB的SIMULINK工具對所設(shè)計的三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果分析系統(tǒng)的動、靜態(tài)控制效果。</p><p><

13、b>  關(guān)鍵詞:</b></p><p>  異步電機、直接轉(zhuǎn)矩控制、系統(tǒng)仿真、磁鏈計算</p><p><b>  Abstract:</b></p><p>  For three-phase asynchronous motor direct torque control (DTC) is a high performa

14、nce frequency control. The three-phase asynchronous motor direct torque control following the vector control technology developed a new, high-performance frequency control technology. Use of space vector analysis method,

15、 directly in the stator coordinate system and control the torque of the AC motor stator flux orientation control of torque and flux hysteresis PWM signal directly to the inverter switching state the </p><p>

16、  With economic development, the use of high-performance AC speed gradually to replace higher-priced DC speed in many areas is a trend. Direct Torque Control is the greatest potential for a high-performance AC variable s

17、peed, and the control method is very suitable for all-digital, so its in-depth study has a good practical significance.</p><p>  1985 German scholar Depenbrock and Japanese scholars Takahashi have put forwar

18、d the idea of induction motor direct torque control (DTC). Direct Torque Control technology was born, novel control their own thoughts, concise system structure, excellent static performance by the general concern and ha

19、s been a rapid development.</p><p>  The DTC study has been made a lot of progress, but it also in theory and practice is not mature enough, such as low-speed performance, torque ripple, limiting the speed r

20、ange of the system.</p><p>  Three-phase induction motor speed control system of this thesis direct torque control scheme. Related to the multidisciplinary field of motor drives, power electronics, automatic

21、 control theory, the direct torque control system, including torque calculation, flux, torque, flux linkage hysteresis regulator and speed PI regulator, mainly includes the following four parts:</p><p>  Fir

22、st part of introducing the subject of research background and domestic research status quo.</p><p>  The second part of the establishment of a mathematical model of the three-phase asynchronous motor, clear

23、basic principle of direct torque control.</p><p>  The third part, a detailed analysis of the composition of the various parts of the direct torque control system.</p><p>  The fourth part of th

24、e simulation using MATLAB-SIMULINK tool for the design of three-phase asynchronous motor direct torque control system and dynamic analysis of simulation results, static control effect.</p><p><b>  Keyw

25、ords:</b></p><p>  Asynchronous motors, DTC, System Simulation, MTBLAB, Flux calculation</p><p><b>  1 緒論</b></p><p>  1.1 課題研究的背景、目的及其意義</p><p>  在我

26、們的日常生活中,電機傳動設(shè)備已經(jīng)深入到社會生活的各個領(lǐng)域。在能源開采、工業(yè)生產(chǎn)以及交通物流等等領(lǐng)域中,電機傳動設(shè)備更是必不可少的,可以說它與我們的生活息息相關(guān)。在這些電機傳動設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域中,比如風(fēng)機水泵、港口起重設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電機等等還有對電機進行調(diào)速的需求。交流異步感應(yīng)電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、成本低廉以及維護簡單的特點,在其中占據(jù)了絕大多數(shù)。統(tǒng)計表明,我國60%的發(fā)電量是通過各類電動機消耗的。而在使用的所有電機中,80%以上為功

27、率在220KW以下的中小型交流感應(yīng)異步電機。就交流調(diào)速系統(tǒng)本身來說,在很多港口碼頭、工廠車間、大型電站和大型船舶航天器的制造場所,對調(diào)速性能有著很高的要求,不僅要求速度精度高,還要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精確迅速。目前,我國在相關(guān)技術(shù)的研究和產(chǎn)品化上跟國外先進水平還相去甚遠。更重要的是,統(tǒng)計表明,在我國電機驅(qū)動系統(tǒng)的能源利用率極低,與國外平均水平相比要低20%,存在非常嚴重的電能浪費情況,這對我國本來就十分嚴峻的用電現(xiàn)狀可以說更加不利。</p&

28、gt;<p>  因此,為了滿足不斷發(fā)展的實際需求,同時減小能源損耗,延長電機壽命,必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機調(diào)速技術(shù)。這不僅關(guān)乎我們當前的經(jīng)濟發(fā)展,更重要的,因為它與能源開發(fā)和節(jié)約息息相關(guān),還對我們未來的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。</p><p>  但是,由于交流感應(yīng)電機的數(shù)學(xué)模型具有多變量、高階數(shù)、強耦合以及非線性等等特點,使得對其進行高效和精確的調(diào)速控制非常困難。近年來,隨著電力

29、電子技術(shù)、各種傳感技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展,交流電機調(diào)速的研究進入了一個高速發(fā)展的階段,涌現(xiàn)出了很多卓有成效的調(diào)速控制算法。其中比較有代表性的幾種調(diào)速控制方法如下。</p><p>  (1)基于恒壓頻比的標量控制技術(shù),也稱Ⅵ控制。</p><p>  (2)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全解耦的矢量控制技術(shù),也稱矢量控制。</p><p&

30、gt;  (3)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的矢量控制技術(shù),也稱直接轉(zhuǎn)矩控制。</p><p>  在這些方法中,尤其以直接轉(zhuǎn)矩控制最為引人注目。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼Ⅵ控制和矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法,最早是由德國教授Depenbrock和日本學(xué)者Takahashi提出的。它的主要思想是利用滯環(huán)比較器實現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制,結(jié)合扇區(qū)信息,通過一個開關(guān)表有選擇地輸出基本空間電壓矢量,來

31、控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈按要求快速變化。相比于開環(huán)的Ⅵ控制,采取閉環(huán)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制具有不可比擬的控制精度,具有更好的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。相比于矢量控制,直接轉(zhuǎn)矩控制采用了定子坐標系,摒棄了復(fù)雜的坐標變換和解耦過程,控制結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),動態(tài)響應(yīng)也更好。</p><p>  但是,經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法也存在一些明顯的不足,主要有以下幾條。</p><p>  (1)由于在控制過程中只考慮了轉(zhuǎn)

32、矩和磁鏈誤差的方向性,而忽略了誤差的大小,這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過程中誤差超過滯環(huán)比較的帶寬,從而使實際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動,影響實際性能。</p><p>  (2)由于采取根據(jù)控制信號選取開關(guān)表控制逆變器開關(guān)的方法,必然導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率不能固定,變化較大,導(dǎo)致電流脈動大且會影響逆變器的使用壽命。</p><p>  (3)在定子磁鏈觀測時采用了U.I模型,導(dǎo)致在低速運行區(qū)間,由于死

33、區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響,使得定子磁鏈觀測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差,嚴重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。</p><p>  雖然直接轉(zhuǎn)矩控制存在上述缺點,但是由于它較之其他算法的確存在巨大優(yōu)勢,而且其缺點可以隨著新的控制技術(shù)以及高性能的數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展被不斷克服,使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究成為目前交流調(diào)速研究領(lǐng)域最大的熱點。</p><p>  目前,國外的直接轉(zhuǎn)矩控制

34、技術(shù)已經(jīng)成功地實現(xiàn)了產(chǎn)品化,瑞典的ABB公司、Emtron公司等都有相關(guān)的變頻器問世。而在國內(nèi),清華大學(xué)的李永東教授在低頻區(qū)間性能改善和死區(qū)補償方面提出了很多好的解決方案;上海大學(xué)的陳伯時教授也對直接轉(zhuǎn)矩算法有非常深入和有成效的研究;四川工業(yè)大學(xué)在直接轉(zhuǎn)矩控制用于電力機車方面有比較深入的研究。但是總體來說,我國針對直接轉(zhuǎn)矩控制算法的研究目前還停留在理論研究和仿真實驗的階段,與世界先進水平還有很大的差距,要想拿出有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)產(chǎn)

35、品,還有很遠的路要走。</p><p>  鑒于以上所述,對于直接轉(zhuǎn)矩控制的研究以及盡早地產(chǎn)品化具有非常重要的實際意義和良好的經(jīng)濟前景??梢灶A(yù)見,具備寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好技術(shù)性能的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速產(chǎn)品是未來發(fā)展的主流。因此,研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制算法是大勢所趨,非常必要。</p><p>  1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p>&

36、lt;p>  針對直接轉(zhuǎn)矩控制算法的種種不足,世界各國的研究者就進行了大量的工作,也取得了相當多的成果。各種研究和改進主要集中在以下幾點:</p><p>  (1)電機參數(shù)的辨識。在控制算法中,電機參數(shù)是必不可少的量。傳統(tǒng)的測量電機參數(shù)的方式是進行堵轉(zhuǎn)實驗和空載實驗,但是這需要專門的實驗平臺,造價昂貴,不利于大范圍的實際應(yīng)用。電機參數(shù)的辨識包括啟動前的離線辨識和電機運行過程中的在線辨識,離線辨識用于為控制

37、算法的計算提供原始數(shù)值,在線辨識是為了適應(yīng)實際運行中電機參數(shù)發(fā)生變化的情況,進行實時的參數(shù)修正,以保證對電機控制性能的優(yōu)良。</p><p>  (2)磁鏈觀測器的設(shè)計。在直接轉(zhuǎn)矩控制中,定子磁鏈的觀測準確與否直接決定了控制性能,精度高同時簡單易行的磁鏈觀測方法具有非常重要的意義。</p><p>  (3)無速度傳感器的算法研究。在直接轉(zhuǎn)矩控制中需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速這個參數(shù),通常情況下是采用加裝

38、速度傳感器的方法來獲取速度信息,但是在復(fù)雜的實際情況中,加裝傳感器不僅非常麻煩,而且會帶來額外的成本,因此,采用一定的算法來估計電機的轉(zhuǎn)速非常有必要。</p><p>  (4)控制器的設(shè)計。經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制中對磁鏈和轉(zhuǎn)矩采取滯環(huán)比較器進行控制,它只考慮了誤差的方向而忽略了大小,會造成很大的脈動,影響系統(tǒng)性能。</p><p>  2 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ)</p>&l

39、t;p>  2.1 三相異步電機的數(shù)學(xué)模型</p><p>  2.1.1三相異步電機的數(shù)學(xué)模型</p><p>  本文的主要目的是研究對交流三相異步電機的控制。不論是對于經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論,研究的對象都是被控對象的數(shù)學(xué)模型。在建立三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型前,需要做出以下假設(shè):</p><p>  (1)忽略空間諧波,假設(shè)三相定轉(zhuǎn)子繞組在空間上互

40、相相差1200電角度,它們產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布;</p><p>  (2)渦流、磁飽和鐵芯損耗忽略不計,各相繞組的自感和互感都是線性的;</p><p>  (3)不考慮溫度和頻率變化對電機參數(shù)的影響。</p><p>  異步電動機的空間矢量等效電路圖如圖2.1所示</p><p>  圖2.1 異步電動機空間矢量等效電路

41、圖</p><p>  將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量,在正交的軸上的投影稱為分量,則有電壓公式:</p><p><b>  (2-1)</b></p><p>  其中,下標,分別表示對應(yīng)空間矢量和分量和分量。移項并積分可得定子磁鏈公式:</p><p><b>  (2-2)</b><

42、;/p><p><b>  轉(zhuǎn)矩公式:</b></p><p><b>  (2-3)</b></p><p>  式中 ——電磁轉(zhuǎn)矩(N ) </p><p>  ——電機極對數(shù) ——磁通角(rad)</p><p><b>  電機運動公式</b

43、></p><p><b>  (2-4)</b></p><p>  式中 ——負載轉(zhuǎn)矩(N )</p><p>  J ——轉(zhuǎn)動慣量(kg )</p><p>  上述三式就是三相交流異步電機在兩相靜止坐標系下的電壓公式、磁鏈公式以及轉(zhuǎn)矩公式,它們共同組成了電機的數(shù)學(xué)模型,這就是本文接下來進行控制系統(tǒng)分析和研究

44、的基礎(chǔ)。</p><p>  2.1.2電壓空間矢量對定子磁鏈的影響</p><p>  對于式(2-3),若忽略定子電阻壓降的影響,則有:</p><p><b>  (2-5)</b></p><p>  所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關(guān)系,該關(guān)系見圖2.1。</p><p>  圖2.2中

45、, (x=1~6)表示電壓空間矢量, 表示定子磁鏈空間矢量, 、 、 、 、 、 表示正六邊形的六條邊,也表示等分的六個區(qū)間。當定子磁鏈空間矢量 ,在圖2-4所示位置時,其頂點在邊 上,如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為 (011),根據(jù)式(2-5)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關(guān)系,定子磁鏈空間矢量的頂點將沿著 邊的軌跡,朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運動,到達 和 的交點時,這時如給逆變器加上電壓空間矢量 (001),則

46、定子磁鏈空間矢量 ,頂點會按照與 (001)平行的方向,沿著邊 的軌跡運動。到達 和 的交點時,若給逆變器加上電壓空間矢量 (101),則定子磁鏈空間矢量 頂點會按照與 (101)平行的方向,沿著邊 的軌跡運動。同樣如依次給出 (100) , (110), (010),定子磁鏈空間矢量 ,將依次沿著 、 、 的軌跡運動。</p><p>  圖2.2 電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量間的關(guān)系<

47、/p><p>  至此可以得到如下結(jié)論:</p><p>  1.定子磁鏈空間矢量 頂點的運動方向和軌跡對應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量 的作用方向,只要定子電阻壓降影響相對較小, 的運動軌跡近似平行 指示的方向;</p><p>  2.在適當?shù)臅r刻,比如在圖2.2中正六邊形的相鄰的邊與邊的交點處,依次給出定子電壓空間矢量u1-u2-u3-u4-u5-u6,則定子磁鏈的運動軌

48、跡依次沿邊 - - - - ,形成正六邊形定子磁鏈軌跡;</p><p>  3.一個正六邊形代表定子磁鏈一個周期的運動軌跡,母殺邊代表看一個周期定子磁鏈軌跡的1/6 ,稱之為一個區(qū)段。</p><p>  直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài),簡單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡,用于控制電動機的轉(zhuǎn)矩。這種方法是最初的直接轉(zhuǎn)矩控制方案,即直接自控制方案的基本思想。</p><

49、p>  2.1.3電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響</p><p>  轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角 有關(guān)。在實際運行中,保持定子磁鏈幅值為額定值,以充分發(fā)揮電動機的性能,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負載決定,要改變電動機轉(zhuǎn)矩,可以通過改變磁通角 來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中,其基本控制方法就是通過電壓空間矢量 來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度,控制定子磁鏈斷續(xù)旋轉(zhuǎn),以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度,從而改變磁通角,以達到控

50、制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。電壓空間矢量對電動機轉(zhuǎn)矩的影響如圖2.3所示。在 時刻,磁通角為 ( ),此時施加電壓空間矢量 (110),定子磁鏈 將從 ( )旋轉(zhuǎn)到 ( ),運動軌跡為 (t),平行于 (110)。而轉(zhuǎn)子磁鏈不直接跟隨定子磁鏈,定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度,磁通角由 ( )增加到 ( ),相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。如果在 時刻,施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量,則定子磁鏈靜止不動或反向旋轉(zhuǎn),磁通角減小,轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。

51、 </p><p>  圖2.3 電壓空間矢量對電動機轉(zhuǎn)矩的影響</p><p>  2.2 逆變器以及基本空間矢量的概念和原理</p><p>  在三相異步交流電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中,逆變器是非常重要的一個組成部分,它的主要功能是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電。一個電壓型三相逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。</p><p>  圖2.4 電壓型三相

52、逆變器模型</p><p>  在圖2.2中,直流側(cè)為電壓源,是由市電經(jīng)過整流提供的。它主要由六個開關(guān)組成,可以分為三組,每個橋臂上兩個。逆變器的一個最主要的特點是:單橋臂的上下兩個開關(guān)不能同時導(dǎo)通,即Sa和Sa’在同一時刻若一個為導(dǎo)通狀態(tài)1,則另一個必須為關(guān)斷狀態(tài)O。逆變器的三個橋臂A、B和C分別連接到電機的定子的三相接出端子上,黜代表定子電阻,三相電阻平衡,N為中心點。</p><p>

53、;  8種不同的開關(guān)狀態(tài)組合下,輸出的相電壓和線電壓如表2.1所示。</p><p>  表2.1 逆變器輸出的相電壓和線電壓</p><p>  對表2.1所示的定子三相電壓進行3/2變換可以得到表2.2,根據(jù)表2.2可</p><p>  以在а-β坐標系上得到8個基本電壓空間矢量,如圖2.2所示。其中,包括兩</p><p>  個零矢

54、量和六個非零矢量,非零矢量的幅值都為2Vdc/3,相角依次相差60度。</p><p>  表2.2 基本空間電壓矢量</p><p>  3. 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理</p><p>  對電動機的控制歸根結(jié)底是要實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。在感應(yīng)電動機矢量控制中,基本的控制思想是將定子電流作為控制變量,通過控制定子電流勵磁分量來控制轉(zhuǎn)子磁通、定子磁通或者氣隙磁通

55、,在此基礎(chǔ)上,通過控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量使可控制電磁轉(zhuǎn)矩。為此,先要進行磁場定向,之后在沿磁場定向的坐標系中將定子電流空間矢甚變換為三相軸系的電流變量。總之,對電動機的控制是通過控制定子電流來間接控制電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>  直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同,它是直接將磁通和電磁轉(zhuǎn)矩作為控制變量, 因此無需進行磁場定向和矢量變換,這種對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制,無疑更為簡捷和快速,進—步提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。正因如此

56、,雖然直接轉(zhuǎn)矩控制從理論提出到實際應(yīng)用都滯后于矢量控制,但由于該方法本身固有的優(yōu)勢,使直接轉(zhuǎn)矩控制的理論研究和技術(shù)開發(fā)越來越受到重視,進展的步伐也越來越快。</p><p>  本章分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理,對直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制進行了比效性分析。</p><p>  3.1定子磁鏈矢量空間位置檢測</p><p>  圖3.1是直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)

57、的簡化框圖。途中VSI表示電壓源逆變器,它能提供8個開關(guān)電壓矢量。將定子磁鏈矢量實際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環(huán)比較器,同時將轉(zhuǎn)矩實際值與給定值比較厚的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器,根據(jù)兩個滯環(huán)比較器的輸出,由表2-2給出的開關(guān)電壓矢量查詢表,可以確定開關(guān)電壓矢量的選擇。但是,在查詢前,需要提供定子磁鏈矢量的位置信息。圖3-1中的表示的是區(qū)間順序號。</p><p>  圖3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)&l

58、t;/p><p>  定子磁鏈空間矢量可以用DQ軸系統(tǒng)表示。</p><p><b> ?。?-1)</b></p><p><b> ?。?-2)</b></p><p><b>  (3-3)</b></p><p><b> ?。?-4)&l

59、t;/b></p><p><b>  式中</b></p><p><b> ?。?-5)</b></p><p>  這樣。可以通過估計定子磁鏈交,直軸分量值和確定的空間相位和幅值。但是,與矢量控制的要求不同,這里并不需要定子磁鏈矢量確切的位置信息,只要知道定子磁鏈矢量處于哪個區(qū)間就可以了。因此,可以簡單的利用定

60、子磁鏈兩個分量的符號信息,不利用三角函數(shù)的計算,只是利用比較器就可以完成了。例如,對于區(qū)間①,>0,但這時可能存在>0,也可能存在<0這兩種情況??梢赃M一步利用定子B相繞組磁鏈的信息。如圖3-2所示,當定子磁鏈位于①區(qū)間時,應(yīng)小于0.同理,對于其他區(qū)間可以采用同樣的方法來確定。</p><p>  3.2 定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩和扇區(qū)的計算</p><p>  3.2.1定子磁鏈

61、估計</p><p>  要實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制,就必須將磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實際值準確地檢測出來.實際上,很難采用直接手段檢測出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實際值,因此一般都是采用間接法,利用定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等直接測量的量,來重構(gòu)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的觀測值。所以定子磁鏈的準確觀測是異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要組成部分,起著決定性作用。磁鏈觀測模型,共有三種形式: u-i模型、i-n模型、u-n模型。</p><

62、p><b>  電壓--電流模型:</b></p><p>  定子磁鏈的u-i模型如圖3.2所示。</p><p>  圖3.2 定子磁鏈的u-i模型</p><p>  在計算過程中唯一所需要了解的電動機參數(shù)是易于確定的定子電阻.定子電壓u,和定子電流i同樣也是易于確定的物理量,它們能以足夠的精度被檢測出來.u-i模型只有在被積分的

63、差值較大時才能提供正確的結(jié)果。其誤差是由定子電阻的存在引起的。由于這個原因,u-i模型在30%額定轉(zhuǎn)速以上時,測量誤差及積分漂移的影響變的微不足道,采用此模型才能比較準確地觀測出定子磁鏈。但是當定子頻率接近零時,用這種方法來確定定子磁鏈是不可能的,因為用做積分的定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失了,以致在穩(wěn)定情況下只有誤差被積分。

64、 </p><p>  根據(jù)式(2-3),在電機高速運行時,特別是在30%額定轉(zhuǎn)速以上時,電壓u較大,u-Ri較大,定子電阻壓降的影響很小,由此引起的誤差較小,此時u-i模型可以很好地確定定子磁鏈,且結(jié)構(gòu)簡單,精度較高。</p><p>  在30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi),電壓u較小,u-Ri較小,定子電阻壓

65、降的影響很大,由此引起的誤差較大,此時磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算。由定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈的方法稱為i-n模型法。根據(jù)圖3-1可以推導(dǎo):</p><p><b>  (3-6)</b></p><p><b>  (3-7)</b></p><p>  由此可以得到定子磁鏈的i-n模型,如圖3.3所示。</p&

66、gt;<p>  圖3.3 i-n模型</p><p>  與u-i模型相比i-n模型中不出現(xiàn)定子電阻,也就是說不受定子電阻變化的影響。但是i-n模型受轉(zhuǎn)子電阻 、漏電感 ,主電感L變化的影響。此外i-n模型還要求精確的測量角速度 。 的測量誤差對i-n模型的結(jié)果影響很大。</p><p>  綜合以上u-i模型和i-n模型的特點,我們可以采用兩種模型相結(jié)合的方法(即u-n

67、模型),用定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。如圖3.4所示:</p><p>  圖3.4 u-n模型</p><p>  圖2-9中,電流調(diào)節(jié)“PI”單元的作用是強迫電動機模型電流和實際的電動機電流相等.如果電動機模型得到的電流 與實際測量到的電動機電流 不相等.就會產(chǎn)生一個差值 送入到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。電流調(diào)節(jié)器就會輸出補償信號加到積分單元的輸入端,以修正 和電流值,直至 完全等于

68、 為止, 才為零,電流調(diào)節(jié)器才停止調(diào)節(jié)。由此可見,由于引入了電流調(diào)節(jié)器,使得電動機模型的仿真精度大大提高了。 電動機模型綜合了u-i模型和i-n模型的優(yōu)點,又很自然地解決了切換問題。高速時,電動機模型實際工作在u-i模型下,磁鏈實際上只是由定子電壓與定子電流計算得到。由定子電阻誤差、轉(zhuǎn)速測量誤差以及電動機參數(shù)誤差引起的磁鏈誤差在這個工作范圍內(nèi)將不再有意義。低速時,電動機模型實際工作在i-n模型下。</p><p>

69、;  3.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩估計</p><p>  利用公式3-3可以進行電磁轉(zhuǎn)矩估計</p><p><b>  (3-8)</b></p><p>  式中是估計值,為實測值。</p><p>  3.3 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制</p><p>  在DTC控制理論中,核心就是通過選擇合理的

70、電壓空間矢量,控制定子磁鏈的幅值保持在給定值附近,保持圓形的磁鏈軌跡,在此基礎(chǔ)上保持電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值變化。在經(jīng)典DTC控制理論中,定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制都是通過滯環(huán)比較器實現(xiàn)的。其中,對定子磁鏈采取兩點式調(diào)節(jié),對電磁轉(zhuǎn)矩采取三點式的調(diào)節(jié),如式(3.6)和式(3.7)所示。</p><p><b> ?。?.6)</b></p><p><b> ?。?/p>

71、3.7)</b></p><p>  其中,,,即參考值和實際值的差值。和分別表示定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的最大允許偏差。</p><p>  假設(shè)某時刻定子磁鏈矢量、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的位置如圖3.1所示,處</p><p>  于扇區(qū)1中,兩個半圓弧表示定子磁鏈幅值變化范圍的上下限。假設(shè)此時的幅值已經(jīng)達到了上限,應(yīng)該減小的幅值。此時選擇U120(010),則的矢

72、頭會沿著與U120(010)平行的方向移動,直到的幅值減到下限值;此時,滯環(huán)比較器輸出變?yōu)閘,再選擇U60(011)來增大的幅值。以此類推,如圖中虛線箭頭所示,就保證了的幅值一直被限定在希望的范圍內(nèi)。</p><p>  再考慮轉(zhuǎn)矩的控制,由前面分析已知,增大夾角,可以增大電磁轉(zhuǎn)矩,減小則相應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩。假設(shè)此時轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出1,表示應(yīng)該適當增大電磁轉(zhuǎn)矩,則選擇U120(010),使加速逆時針旋轉(zhuǎn),以增大,

73、從而增大電磁轉(zhuǎn)矩。至此,通過上面的分析可以得到,當處于扇區(qū)l中時,空間電壓矢量U120(010)的作用是減小的幅值,同時增大電磁轉(zhuǎn)矩;U60(011)的作用是增大的幅值,同時增大電磁轉(zhuǎn)矩;U240(100)的作用是減小的幅值,同時減小電磁轉(zhuǎn)矩;U300(101)的作用是增大的幅值,同時減小電磁轉(zhuǎn)矩。當施加零電壓矢量時,定子磁鏈矢量保持不變。</p><p>  通過上面分析可以得到,在確定了定子磁鏈矢量所處的扇區(qū)

74、后,再根據(jù)兩個滯環(huán)比較器的輸出信號,就可以根據(jù)表3.1所示,合理地選擇相應(yīng)的空間電壓矢量,控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩跟隨給定值快速變化。</p><p>  表3.1 空間電壓矢量選擇表</p><p>  3.4磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)</p><p>  磁鏈調(diào)節(jié)有兩種形式,第一種是施密特兩點式或三點式調(diào)節(jié),或稱Bang-Bang調(diào)節(jié),如圖3.6 a) 為給定的定子磁鏈

75、幅值, 為觀測到的定子磁鏈幅值,將兩者做差,得到的差值送入滯回比較器:當差值大于設(shè)定容差時,輸出信號 為“1”,說明需要增大定子磁鏈;當差值小于設(shè)定容差時,輸出信號 為“0”,說明需要減小定子磁鏈。另一種形式是PI調(diào)節(jié),如圖3.6 b)所示。它是將定子磁鏈幅值和觀測到的定子磁鏈幅值的差值送入PI調(diào)節(jié)器,輸出所需要的電壓空間矢量分量,方向與定子磁鏈空間矢量平行,用來調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值。</p><p><b&g

76、t;  圖3.6 磁鏈調(diào)節(jié)</b></p><p>  轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)類似,也分為施密特兩點式或三點式調(diào)節(jié)和PI調(diào)節(jié),如圖3.7 a),圖3.7 b)所示。調(diào)節(jié)原理與磁鏈調(diào)節(jié)相同。轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)節(jié)輸出的是與定子磁鏈空間矢量垂直方向上的所需電壓空間矢量,用以調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度,進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。</p><p>  圖3.7 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)</p><p>

77、<b>  3.5 起動問題</b></p><p>  當電動機開始起動時,即在t=0時刻,控制系統(tǒng)給定定子磁鏈參考值,然后又在=時刻,給定電磁轉(zhuǎn)矩指令值。</p><p>  由于定子歷次需要一個過程,定子磁場是逐步建立起來的,所以定子磁鏈矢量的幅值在=這個時刻之前,甚至過了時刻可能都還沒有達到參考值。因為如此,在起動初始時刻,若按照表2-2規(guī)定的規(guī)則選擇定子開關(guān)

78、電壓矢量,那么在電磁轉(zhuǎn)矩達到其指令值之前,就只有一種狀態(tài),即為“+”號,定子磁鏈的狀態(tài)也為“+”號。如此,逆變器只能在這個規(guī)則下一次選擇非零開關(guān)電壓矢量,在這種情況之下,既不能選擇零電壓開關(guān)矢量,又沒有辦法實現(xiàn)對定子磁鏈的調(diào)制,這樣的結(jié)果是定子磁鏈矢量的軌跡呈靈變形,而不是圓形。在六分之一個周期內(nèi),定子磁鏈的幅值在拐角處達到最大,而后再減小,在下一個拐角處又一次達到最大。</p><p>  解決這一問題的方法是

79、,在起動期間想轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸入載波信號,例如方波信號,頻率控制在500,這樣既能有效利用零電壓開關(guān)矢量,又能改善定子磁鏈和電流的波形。</p><p>  3.6 直接轉(zhuǎn)矩控制與傳統(tǒng)的矢量控制比較</p><p>  與矢量控制等方法通過控制電流、磁鏈等來間接控制轉(zhuǎn)矩不同,直接轉(zhuǎn)矩控制方法將電機的電磁轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量,在а-β靜止坐標系下,以定子磁鏈定向的方式,同時控制電機的定子磁鏈

80、和電磁轉(zhuǎn)矩,保持定子磁鏈的軌跡為圓形,同時控制電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定轉(zhuǎn)矩的變化。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的算法框圖如圖3.2所示。</p><p>  圖3.2 經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制框圖</p><p>  3.6.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點</p><p>  直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型、控制電動機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要

81、利用矢量旋轉(zhuǎn)變換對異步電動機的 數(shù)學(xué)模型解耦簡化,計算簡單明了,物理概念清楚。</p><p>  直接轉(zhuǎn)矩控制僅用到了定子磁鏈,不用轉(zhuǎn)子回路的參數(shù),所以控制效果不受轉(zhuǎn)子回路參數(shù)變化的影響。</p><p>  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,用離散的電壓空間矢量來描述逆變器對交流電動機的控制,這既合乎實際,又特別簡單明了。</p><p&

82、gt;  調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制,矢量變換的目的就是實現(xiàn)異步電動機的轉(zhuǎn)矩控制。而直接轉(zhuǎn)矩控制更進一步,它不是通過控制電流,磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量,采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩,因此,它并不過于追求圓磁鏈軌跡,只追求對轉(zhuǎn)矩控制的快速和準確性。</p><p>  直接轉(zhuǎn)矩控制既直接控制轉(zhuǎn)矩又直接控制定子磁鏈,通過改變滯環(huán)調(diào)節(jié)器的容差,把轉(zhuǎn)矩控制引起的轉(zhuǎn)速波動限制在容許的范圍內(nèi)。&l

83、t;/p><p>  直接轉(zhuǎn)矩控制利用空間電壓矢量的概念,對逆變器的六個開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷進行綜合控制,在相同的控制效果下,可以降低開關(guān)頻率,減小開關(guān)損耗</p><p>  3.6.2 DTC與矢量控制的比較</p><p>  直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)與傳統(tǒng)的矢量控制相比,具有以下的主要特點:</p><p>  1.控制結(jié)構(gòu)非常簡單。傳

84、統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)需要四個PI調(diào)節(jié)器和一個單獨的PWM調(diào)節(jié)器,而DTC控制僅需要一對滯環(huán)控制器和一個速度PI調(diào)節(jié)器,這使得DTC具有更優(yōu)良的動態(tài)性能;</p><p>  2.直接轉(zhuǎn)矩控制的運算均在定子靜止坐標系中進行,不需要在旋轉(zhuǎn)坐標系中對定子電流進行分解和設(shè)定,所以不需要像矢量控制那樣進行復(fù)雜的坐標變換,大大地簡化了運算處理過程,簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了控制運算速度。</p>&l

85、t;p>  3.直接轉(zhuǎn)矩控制利用一對滯環(huán)比較器直接控制了定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩,而不是像矢量控制那樣,通過控制定子電流的兩個分量間接地控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,它追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準確性,并不刻意追求圓形磁鏈軌跡和正弦波電流。</p><p>  4.直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間電壓矢量,將逆變器和控制策略一體化設(shè)計,并根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出,直接對逆變器開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷進行最佳控制,最終產(chǎn)生離散的PWM電壓輸出

86、,因此傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)不需要單獨的PWM調(diào)制器。</p><p>  綜上所述,直接轉(zhuǎn)矩控制在很大程度上克服了矢量控制的復(fù)雜性,它采用空間矢量的分析方法,直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩,采用定子磁場定向,借助離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能,是一種具有高動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。</p><p><b>  

87、3.7 本章小結(jié)</b></p><p>  本章給出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的簡化框圖,并介紹了三種定子磁鏈估計的模型。簡要介紹了電磁轉(zhuǎn)矩估計方法。然后介紹了磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的原理和方法。最后對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了簡要總結(jié)。</p><p>  4. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真和性能分析</p><p>  由于電力電子器件自身的非關(guān)聯(lián)性,給電力電子電路和系

88、統(tǒng)的分析了一定的復(fù)雜性和困難,一般常用波形分析和分段線性化處理的方法來研究電力電子電路?,F(xiàn)代計算機仿真技術(shù)為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法,可以使復(fù)雜的電力電子電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計變得更加容易和有效。</p><p>  4.1 關(guān)于MATLAB軟件</p><p>  作為當今世界最流行的第四代計算機語言,MATLAB軟件語言系統(tǒng),由于它在科學(xué)計算,網(wǎng)絡(luò)控制,系統(tǒng)建模與仿真,數(shù)

89、據(jù)分析,自動控制,圖形圖像處理航天航空,生物醫(yī)學(xué),物理學(xué),通信系統(tǒng),DSP處理系統(tǒng),財務(wù),電子商務(wù),等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及它自身所具備的獨特優(yōu)勢,目前MATLAB已備受許多科研領(lǐng)域的青睞與關(guān)注。</p><p>  4.2 MATLAB軟件簡介</p><p>  MATLAB軟件是由美國公司MATH WORKS公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)。MATLAB的英文是MATR

90、IX LABORATORY(矩陣實驗室)的縮寫,被譽為“巨人肩膀上的工具”。由于使用MATLAB編程運算與人進行科學(xué)計算的思路和表達方式一直,所以不像學(xué)習(xí)其他高級語言那樣難于掌握,用MATLAB編寫程序有如在演算紙上排列出公式與求解問題。在這個環(huán)境下對所要求解的問題,用戶只需要簡單的列出數(shù)學(xué)表達式,其結(jié)果便以數(shù)值或者圖形方式顯示出來。</p><p>  最早開發(fā)MATLAB軟件的目的就是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好

91、的授課和學(xué)習(xí)。從MATLAB誕生開始,由于其高度的繼承性和應(yīng)用的方便性,在高校中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。由于它能非??斓膶崿F(xiàn)科研人員的設(shè)想,極大的節(jié)約了科研人員的時間,受到了大多科研人員的重視與青睞。它可以很方便地設(shè)計出漂亮的界面,例如它像VB一樣可以設(shè)計出漂亮的用戶接口,同時因為它還具有最豐富的函數(shù)庫,極易實現(xiàn)計算功能。另外MATLAB和其他高級語言也具有良好的接口,可以很方便地與其他語言實現(xiàn)混合編程,這都進一步拓寬了它的應(yīng)用范圍和使

92、用領(lǐng)域。</p><p>  在美國的一些大學(xué)里,MATLAB軟件正成為對數(shù)值,線性代數(shù)以及其他一些高等應(yīng)用數(shù)學(xué)課程的輔助教學(xué)的有力工具;在工程技術(shù)界,MATLAB也被用來構(gòu)建與分析一些實際課程的數(shù)學(xué)模型,其典型的應(yīng)用包括數(shù)值計算,算法預(yù)測與驗證,以及一些特殊矩陣的計算應(yīng)用,如自動控制理論,統(tǒng)計,數(shù)字信號處理,圖像處理,系統(tǒng)辨識和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。它包括了被稱為工具箱的各類應(yīng)用問題的解求工具。工具箱實際上是對MATLA

93、B軟件進行擴展應(yīng)用的一系列MATLAB函數(shù),它可以用來求解許多科學(xué)門類數(shù)據(jù)處理與分析問題。</p><p>  4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真</p><p>  根據(jù)前面所述,在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型。模型中包括三相交流異步電機模型、逆變器模塊、整流模塊以及最重要的控制算法模型。在控制算法模型中,主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)

94、矩計算模塊、磁鏈和計算控制模塊、區(qū)間選擇模塊以及開關(guān)表選擇模塊等。系統(tǒng)的仿真模型如圖4.1所示。</p><p>  圖4.1 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型</p><p><b>  電機模型主要參數(shù):</b></p><p>  PN=149.2KW,UN=460V,fN=60Hz,RS=0.01485Ω,J=3.1kg·

95、m2</p><p><b>  速度PI模塊系數(shù):</b></p><p>  kp=30,ki=200</p><p>  仿真結(jié)果如4.1和圖4.2所示。圖4.1表示的是定子磁鏈在兩相靜止坐標系下的形狀,可以看到,直接轉(zhuǎn)矩控制通過磁鏈的閉環(huán)控制,使定子磁鏈矢量的矢頭保持圓形的運動軌跡,保持了定子磁鏈的幅值在給定值0.8Wb附近。</

96、p><p>  圖4.1 經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈波形</p><p>  圖4.2表示的是定子電流、轉(zhuǎn)速以及電磁轉(zhuǎn)矩的波形。對于轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩,黃色的表示實際值,紫色的表示給定值。通過圖4.2可以看出,經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制能夠保證轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有根好的動態(tài)性能,能在短時間內(nèi)跟髓給定值變化,并保證輸出電流波形保持正弦。</p><p>  但是,從圖4.1和圖4.2也要看

97、到,經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法下定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩相對于給定值的脈動仍然比較大,電流波形不夠圓滑。</p><p>  圖4.2 定子電流、轉(zhuǎn)速以及電磁轉(zhuǎn)矩的波形</p><p>  4.4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能優(yōu)缺點分析</p><p>  根據(jù)上一節(jié)的仿真結(jié)果以及前面章節(jié)的理論分析,可以很清楚地看到,與矢量控制以及V/F控制等方法相比,直接轉(zhuǎn)矩控制方法是一種

98、完全不同的控制算法,具有以下三個明顯的優(yōu)點:</p><p>  (1)算法理論簡單明了,不需要復(fù)雜的坐標變換和數(shù)學(xué)計算,對電機參數(shù)依賴非常小,僅僅需要定子電阻這一很容易得到的參數(shù)。</p><p>  (2)DTC算法直接對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行控制,并采用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙閉環(huán)的控制策略,可以使得被控制量快速準確地跟隨給定值變化,動態(tài)性能良好。</p><p>  

99、(3)總體控制結(jié)構(gòu)非常簡單,僅僅需要簡單的PI調(diào)節(jié)器和滯環(huán)比較器;此外,由于采用了空間電壓矢量的概念,直接通過數(shù)字量控制逆變器的通斷,使得控制大大簡化,非常有利于DSP實現(xiàn)。</p><p>  當然,作為一種在近年來才逐步發(fā)展起來的控制方法,直接轉(zhuǎn)矩控制自身還存在很多問題,具體表現(xiàn)在下面三個方面:</p><p>  (1)由于在控制過程中只考慮了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的方向性,而忽略了誤差的大

100、小,這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過程中誤差超過滯環(huán)比較的帶寬,從而使實際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動,影響實際性能。</p><p>  (2)由于采取根據(jù)控制信號選取開關(guān)表控制逆變器開關(guān)的方法,必然導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率不能固定,變化較大,導(dǎo)致電流脈動大且會影響逆變器的使用壽命。</p><p>  (3)在定子磁鏈觀測時采用了U-I模型,導(dǎo)致在低速運行區(qū)間,由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響

101、,使得定子磁鏈觀測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差,嚴重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。</p><p>  上述三個問題是影響直接轉(zhuǎn)矩控制大范圍應(yīng)用的主要問題,也是直接轉(zhuǎn)矩</p><p>  控制研究中的熱點和難點問題。改進方案主要有四個:</p><p> ?。?)使用改進的開關(guān)表,改進控制參數(shù)與開關(guān)量之間的對應(yīng)關(guān)系,使之產(chǎn)生更優(yōu)的控制電壓波形。(2)以PWM和SVM技

102、術(shù)實現(xiàn)DTC固定開關(guān)頻率運行方案。(3)引入模糊控制和智能控制,用軟件來解決轉(zhuǎn)矩脈動問題。(4)磁通軌跡改善。采用矢量細分法,消除所選矢量在某些區(qū)域的不對稱作用而使磁通的軌跡得到改善,并且在磁通旋轉(zhuǎn)速度上也提高了對稱性,消除了電流的畸變。</p><p><b>  4.5本章小結(jié)</b></p><p>  本章通過使用MATLAB/SIMULINK仿真工具,根據(jù)直

103、接轉(zhuǎn)矩控制原理,搭建了異步動機的仿真模型,并得到了仿真結(jié)果。并對仿真結(jié)果進行分析,分析得出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點及其缺點。</p><p><b>  結(jié)論</b></p><p>  異步電動機是一個多變量(多輸入多輸出)系統(tǒng),而電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響,而且其數(shù)學(xué)模型也是非線性的,所以是強藕合、非線性的多變量系統(tǒng)。為了避開對磁鏈和轉(zhuǎn)矩分量解藕

104、的繁瑣運算,更好地提高系統(tǒng)動態(tài)性能,出現(xiàn)了利用轉(zhuǎn)矩反饋控制電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。</p><p>  本文首先建立了三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型,然后通過3/2變換得到了在兩相靜止坐標系上電機的數(shù)學(xué)模型。接下來,本文根據(jù)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu),引出了空間矢量的概念,介紹了8個基本的空間電壓矢量,并詳細介紹了基本空間電壓矢量對電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響作用。最后,在上述理論的基礎(chǔ)上,詳細介紹了經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制算法的原理和系統(tǒng)框架,

105、并在Matlab/Simulink中建立了系統(tǒng)的仿真模型,進行了帶載調(diào)速仿真,觀測了定子磁鏈、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及母線電壓等重要物理量,然后指出了經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制存在的三個主要問題:磁鏈、轉(zhuǎn)矩和電流脈動大;開關(guān)頻率不固定;低速性能不佳。經(jīng)研究還得出結(jié)論如下:</p><p>  1.直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡單,理論清晰,動態(tài)性能優(yōu)良,響應(yīng)迅速。</p><p>  2.直接轉(zhuǎn)矩控制

106、需要的電機參數(shù)只有定子電阻,大大提高了系統(tǒng)魯棒性。但是在低速時為了準確計算磁鏈采用的i-n模型需要受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。</p><p>  3. MATLAB/SIMULINK強大的計算功能和繪圖能力非常適合控制系統(tǒng)的建模與仿真,尤其S一函數(shù)編寫的靈活性和通俗性為電力拖動系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計提供了有力的技術(shù)支持。</p><p>  受本人研究水平和研究時間的限制,對于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

107、,本文還有很多工作尚未完成,許多問題有待進一步研究,下一步工作可以從以下幾個方面展開:</p><p>  1.雖然控制系統(tǒng)的硬件平臺已經(jīng)搭建,但由于時間倉促,只進行了控制算法和控制信號的調(diào)試,今后應(yīng)對控制系統(tǒng)的軟硬件進一步完善,實現(xiàn)系統(tǒng)功能。</p><p>  2.無速度傳感器是當今電機控制領(lǐng)域的一個熱點,將其引入直接轉(zhuǎn)矩控制可以大大簡化硬件設(shè)計,實際應(yīng)用前景廣闊。今后可以對無速度傳感

108、器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)加以研究。</p><p>  隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破?,F(xiàn)代控制理論和智能控制理論應(yīng)用于DTC技術(shù),為改進DTC系統(tǒng)提供了堅實的理論依據(jù);同時高性能的數(shù)字處理器(DSP)的出現(xiàn),為改進DTC系統(tǒng)提供了強大的物質(zhì)基礎(chǔ)。尤其是目前數(shù)字化潮流勢不可擋,各行各業(yè)都向數(shù)字化靠攏。如智能IPM整合了DSP控制器,將電機控制的大部分電路集成到標準封裝的模塊中,集成了IGBT

109、模塊,IGBT驅(qū)動電路、電壓電流反饋、保護模塊和DSP控制模塊,使得控制結(jié)構(gòu)愈發(fā)簡單,控制性能與控制精度、響應(yīng)速度均得到提高。特別是DSP芯片在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為解決低速區(qū)的問題提供了可能,因為只要實現(xiàn)了對定子電阻的準確辨識,就能從根本上消除定子電流和磁鏈畸變,問題也就迎刃而解。而全數(shù)字化的實現(xiàn),將使采樣精度更高,誤差率更小,更易于實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此利用現(xiàn)代控制理論、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,將之應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究,從軟

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