畢業設計_異步電機直接轉矩控制(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ?01 0? ?00 0? ?1114su 圖 2 3 電 壓 空 間 矢 量 表 示 的7 種 離 散 電 壓 狀 態 異步電動機磁鏈模型 對于異步電動機直接轉矩控制系統，對其進行定子磁鏈觀測非常重要，對于磁鏈的估算提出了三種模型： iu? 模型， ni? 模型和 nu? 模型。下面分別對這三種模型進行分析。 1. iu? 模型 用定子 電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫 iu? 模型發。 定子河南理工大學畢業設計（論文）說明書 11 磁鏈可根據一個簡單公式分析，其公式為： ? ? ? ? ? ?? ?dtRtitut ssss ? ??? （ 211） 用該公式確定定子磁鏈，得到精確的電壓，電流，便于計算出定子磁鏈。 iu? 模型計算定子磁鏈，其誤差由定子電阻 sR 引起。故 iu? 模型在30%額定轉速以上時，能夠非常準確的確定定子磁鏈，并且仍要注意溫度對電阻的影響。在定子頻率接近零時，這種方法也不適用，原因在于用作定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失，以致 只有誤差被積分。總之在30%額 定轉速以上時， iu? 模型法，結構簡單，精度高。 下圖為 iu? 模型的原理圖。 ? ?tu s IsR?_ ??? ?tis??ψ圖 2 4 U i模 型 原 理 圖 2. ni? 模型 ni? 模型是利用定子電流與轉速來確定定子磁鏈。當電動機在 30%額定轉速以下時， 磁鏈只能根據轉速來正確計算，這時利用 ni? 模型計算磁鏈是非常合適的。 下式為 ni? 模型 定、轉子 磁鏈計算公式： ? ?? ????????????????????????????????rrsrrrssLRLiLL11 （ 212） 河南理工大學畢業設計（論文）說明書 12 ? ?? ????????????????????????????????rrsrrrssLRLiLL11 （ 213） 式中 ： ??r 、??r為轉子磁鏈在 ? ? 坐標系上的分量； ??s 、 ??s 為定子磁鏈在 ? ? 坐標系上的分量。 由公式可知， ni? 模型雖然不受定子電阻的影響，但其受到轉子電阻rR 、漏電感 ?L 、主電感 L 的影響。此外 ni? 模型結構復雜，角速度 ? 的測量誤差對模型影響很大，故需要精密的測量角速度 ? 。 3. nu? 模型 nu? 模型綜合了 iu? 模型和 ni? 模型的特點 ，是一個在全速范圍內都適用的磁鏈模型，其由定子電壓和轉速來獲得定子磁鏈。 其主要優點是： （ 1） 結合了 iu? 模型和 ni? 模型的優點，很自然的解決了切換的問題； （ 2） 引入 PI電流調節器 ，大大提高了電動機模型的仿真精度； 缺點是： 結構過于復雜，實用性差。 電壓空間矢量對電動機定子磁鏈和轉矩的影響 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 將逆變器的輸出電壓 ??tus 直接加到異步電動機的定子上，定子電壓與逆變器電壓相等也為 ??tus ，得定子磁鏈 ??ts? 與定子電壓 ??tus 關系式為： ??ts? = ? ? ? ?? ?dtRtitusss? ? （ 214） 若忽略定子電阻壓降的影響，近似為： ??ts? = ??dttus? （ 215） 該關系式表示定子磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的積分關系。 如下圖 河南理工大學畢業設計（論文）說明書 13 7? ?011? ?001? ?101? ?100? ?110? ?010? ?00 0? ?1111S2S 3S 4S5S6S?? ? ?ts?? ?tus 圖 2 5 電 壓 空 間 矢 量 與 磁 鏈 空 間 矢 量 關 系 根據磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的關系圖 可得出： （ 1） 忽略定子電阻 sR 的影響，可得到定子磁鏈 ??ts? 頂點的運動軌跡方 向平行于電壓空間矢量 ??tus 的指向的方向。 （ 2）在適當時給出定子電壓空間矢量 654321 ssssss uuuuuu ????? ，可得到定子磁鏈運行的軌跡為 654321 SSSSSS ????? ，形成正六邊形。 于是可利用逆變器的六個工作電壓狀態可簡單的得到六邊形的磁鏈軌跡對電動機進行控制。這就是直接轉矩控制系統的基本思 想，電壓空間矢量對定子磁鏈的影響可通過以下方式實現： （ 1）恒轉矩調速：在 正常 電壓空間矢量作用期間， 適時的插入零矢量對電動機進行控制，當 有效電壓空間矢量作用時，定子磁鏈運動軌跡沿著電壓空間矢量作用方向運動 。插入零矢量后，定子磁鏈靜止，由于零矢量的插入，使得旋轉速度變慢，在這期間保持電壓空間矢量作用時間不變，定子磁鏈幅值不變，電動機實現恒磁通調速，即實現了恒轉矩調速。 （ 2）恒功率調速： 通過改變電壓空間矢量的作用時間，達到改變定子磁鏈旋轉速度的目的。由于電壓空間矢量幅值不變，只改變了作用時間，所以定子磁鏈所圍 成的面積發生改變，作用時間變短，面積變小，定子磁鏈幅值變小。 對電動機實現了恒功率調速。 電壓空間矢量對轉矩的影響 河南理工大學畢業設計（論文）說明書 14 異步電動機轉矩的大小跟定、傳子磁鏈的幅值和磁通角有關。在實際運用時，為了充分利用鐵心，保持定子磁鏈幅值不變，轉子磁鏈的幅值是根據負載決定，故在直接轉矩控制系統中，可以通過改變磁通角的大小來實現對轉矩的控制，其控制方法為通過控制電壓空間矢量來對定子磁鏈的旋轉速度進行控制，改變了定子磁鏈的平均旋轉速度，從而改變了磁通角的大小 ，以實現對電動機轉矩的控制。其主要控制方法有以下幾方面： （ 1）增大轉矩：增大有效電壓空間矢量，使得電壓幅值足夠大，就使得定子磁鏈的旋轉速度大于轉子磁鏈的旋轉速度，磁通角增大，對應的轉矩增大。 （ 2）減小轉矩：給出零電壓空間矢量，定子磁鏈會走走停停，定子磁鏈旋轉速度小于轉子旋轉速度，磁通角減小，轉矩減小。 （ 3）迅速減小轉矩：施加有效反向電壓空間矢量，定子磁鏈會進行反方向旋轉，磁通角迅速減小，使得轉矩也迅速減小。 通過控制工作狀態的電壓空間矢量和零狀態電壓空間矢量的交替出現的時間，實現了對定子磁鏈旋轉的速度的改變，通過這樣的瞬態調節可獲得高性能的轉矩特性。 直接轉矩控制系統 調節器 原理 通過前文的介紹，直接轉矩控制系統的 基本 控制方式已經 清楚 ， 根據前文可得到系統的控制環節及結構。直接轉矩控制系統的基本結構可分為以下 幾 個部分： （ 1） 控制部分： 分為 磁鏈滯環調節器、轉矩滯環調節器 ； （ 2）逆變部分：由逆變器組成； （ 3）電機部分： 為 異步電動機。 河南理工大學畢業設計（論文）說明書 15 323232A M M U C TD M CA Z SU TA M CA T R?se?se?? s?? sA??B??C??AS ?BS ?CS ?S CSUASUBSUABCBi CiAi AuBu Cu?su?sui??1sg??sg??sg??sg??sg??sg??2ECTQ?si ?siei gTei fTsR sR?????? sg?IM~3圖 2 6 直 接 轉 矩 控 制 系 統 原 理 圖 圖中各個單元器件名稱為： AMM— 異步電機數學模型 ； UCT— 坐標變換單元 ； DMC— 磁鏈自控制單元 ； AZS— 零狀態選擇單元 ； AMC— 轉矩計算單元 ； ATR— 轉矩調節器 ； UT— 逆變器 。 由圖可知，直接轉矩控制系統工作原理為：通過 AMM計算得到定子磁鏈，并分解到 ??, 坐標軸，然后經過 UCT進行坐標變換，通過將計算得到的磁鏈值與 DMC給定的磁鏈值進行比較，得到磁鏈開關信號， 通過 AMC計算得到轉矩值，根據 轉矩調節器 ATR的輸出量決定是否插入零狀態，確定電河南理工大學畢業設計（論文）說明書 16 壓開關狀態，對逆變器的輸出電壓進行控制，使其產生六邊形磁鏈。 磁鏈滯環調節器 磁鏈調節的主要任務是對磁鏈量進行調節。在電動機低速運行時，由于定子電阻壓降的影響，定子磁鏈幅值減小，在電動機低頻運行時，定子磁鏈幅值也減小，為了避免定子磁鏈的減小，引入磁鏈滯環調節器，主要作用在于加大定子磁鏈幅值，維持磁鏈幅值在允許范圍內波動。 磁鏈調節過程是通過磁鏈電壓完成，磁鏈電壓為定子電壓 空間矢量，目的在于區別轉矩電壓，作用在于增大定子磁鏈幅值。對磁鏈電壓的選擇主要有兩種：一種是與磁鏈運動軌跡成 600角的電壓空間矢量；另一種是成 1200角的電壓空間矢量。 磁鏈調節器器實際上也是一個施密特觸發器，對磁鏈幅值進行兩點式調節。引入容差寬度???，它是定子磁鏈幅值g?與給定幅值f?之間允許的波動范圍，磁鏈調節器輸入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開關信號Q?。 ??f?g? ??? ?? Q???圖 2 7 磁 鏈 調 節 器 原 理 圖 轉矩滯環調節器 轉矩調節的任務是實現對轉矩的直接控制。為了實現這一效果，轉矩調節器必須有以下兩個功能：一是用轉矩兩點式 調節器直接調節轉矩；二是在調節轉矩的同時，能夠控制定子磁鏈的旋轉方向，以加強轉矩的調節。 轉矩調節器也采用施密特觸發器，輸入信號為轉矩給定值gT與轉矩反饋值fT的信號差 T? 。調節器輸出量為轉矩開關信號QT。 容差為 m?? ， 調節器采用離散的亮點式調節方式。 河南理工大學畢業設計（論文）說明書 17 ??fTgTm??QTm??m?10T?圖 2 7 轉 矩 調 節 器 原 理 圖 當fT下降到調節器容差下限 m?? ，調節器輸出信號QT狀態為 ” 1” 。在 1?QT作用下，得到相應的電壓空間矢量， 使得定子磁鏈前轉，轉矩上升。當fT上升到容量上限 m?? 時，QT變為“ 0”態，在 0?QT作用下，零電壓加到電動機上，定子磁鏈靜止，轉矩減小，下降到調節器容差下限m?? ，重復運行。反復這樣運行，實現了調節器兩點式調節，把轉矩波動限制在給定值的容差范圍內，達到轉矩的直接控制。 河南理工大學畢業設計（論文）說明書 18 3 直接轉矩控 制的 SIMULINK仿真 MATLAB/SIMULINK 介紹 MATLAB (Matrix Laboratory)為美國 Mathworks公司 1983年首次推出的一 套 高性能的數值分析和計算軟件，其功能不斷擴充，版本不斷升級，1992年推出劃時代的 ， 1993年推出了可以配合 Microsoft Windous使用的微機版， 95年 ， 97年 ， 99年 ， 內容都有長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和 PDF格式，可以方便的瀏覽。至 2021年 6月推出 ， 2021年 6月推出 ，繼而推出 版 , 2021年 7月 MATLAB7和 ，目前的最新版本為 。 MATLAB將矩陣運算、數值分析、圖形處理、編程技術結合在一起，為用戶提供了一個強有力的科學及工程問題的分析計算和程序設計工具，它還提供了專業水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能，是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發平臺。 MATLAB 可以完成以下工作： （ 1） 數值分析 （ 2） 數值和符號計算 （ 3） 工程與科學繪圖 （ 4） 控制系統的設計與仿 真 （ 5） 數字圖像處理 技術 （ 6） 數字信號處理技術 （ 7） 通訊系統設計與仿真 （ 8） 財務與金融工程 SIMULINK是 MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個 軟件包 ，被廣泛應用于 線性系統 、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。 SIMULIN