異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制及其數(shù)字仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 律為 : s? 逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)時(shí)： 若 *ee TTT? ??時(shí)，則 1tF? ； 若 * 0eeTT??時(shí)，則 0tF? ； 若 *0 ee TTT? ? ? ?時(shí)，則 tF 保持不變。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 14 s? 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)： 若 *ee TTT? ? ??時(shí)，則 1TF ?? 。 若 * 0eeTT??時(shí)，則 0TF ? ； 若 * 0eeT TT?? ? ? ?時(shí)，則 TF 保持不變 *eTe?? TFT?T??10 1? 圖 33 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 空間電壓矢量對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 空間電壓矢量對定子磁鏈的影響 與磁鏈運(yùn)動軌跡成 60 度和 120 度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。圖 34 為圓形磁鏈運(yùn)動軌跡調(diào)節(jié)過程示意圖。定子 磁鏈處于第一扇區(qū)，假設(shè)運(yùn)動至 A 點(diǎn)，則有 s ???? ?? ，此時(shí)，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號為 F? ,輸出電壓矢量應(yīng)使 ||s? 增加。綜合考慮轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出，如果需要 s?作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選擇電壓矢量 34UU或 。如果需要 s? 作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量 2U 。同理，對于 B 點(diǎn)有 s ???? ?? ，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號 F? =l，此時(shí)應(yīng)選擇電壓矢量使 ||s? 減小。如果需要 s? 作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選擇電壓矢量 5U 。如果需要s? 作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可選擇電壓矢量 6U 或 1U 。因此， 磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動范圍之內(nèi)變化。 將異步電機(jī)的定子磁鏈方程式 (214)離散化得 : ( 1 ) ( 1 )( n ) = Ssss nn Tu?? ? ? ? (35) 式中， ST 為采樣周期中電動機(jī)的定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系如圖 35 所示。從圖安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 23 可以看出 :如對異步電動機(jī)施加工作狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運(yùn)動方向和幅值都將發(fā)生變化 。施加零電壓矢量的時(shí)候，則定子磁鏈就會相應(yīng)的停止運(yùn)動。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實(shí)現(xiàn)了對磁鏈的相位和幅值的控制。 100110 101010 010011 1U2U3U4U5U6U1S2S3S4S5S6S?? 圖 34 圓形磁鏈運(yùn)動軌跡調(diào)節(jié)過程示意圖 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 16 (n)s? ( 1 ) Ss n Tu ?( 1 )s nu ??? ? 圖 35 定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系示意圖 在定子電壓壓降比起 ()stu 足夠小的前提下，至此可以得到以下結(jié)論 : (l)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角 ? 的絕對值小于 90度的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值增加。 (2)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角 ? 的絕對值大于 90 度的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值減小。 (3)當(dāng)前所施加的電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角 ? 的絕對值等于 90 度或施加零電壓矢量的時(shí)候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值基本保持不變。 空間電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響 從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性能。 電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： | || |323 sin2e r ssrsrsrsrPPmmLTLLLLL????? ? ? ??? ? ??? （ ） = （ 36） 由 (219)式表明，電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的幅值以及它們之間的夾角（磁通角 ?（ t） )決定。 式 219 也可以寫成： 32 Pe s sTi??? (37） 對式 37 兩邊進(jìn)去微分計(jì)算，再乘以 L? ，可得以下式子： ()T P P Re r s r m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (38) 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 式中 srm s rmmLLR R RLL?? (39) 將 rs??? 代入式 221 可得 ()T P P Re r s s m eSdL u Tdt ?? ? ? ?? ? ? ? (310） 因此，單純從數(shù)學(xué)式 (310)上來看，可以得到以下結(jié)論 : (l)當(dāng)施加超前于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得 0Teddt? 時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加。 (2)當(dāng)施加落后于當(dāng)前定子磁通的電壓矢量，使得 0Teddt? 時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。 在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機(jī)鐵心 。轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定 。要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，可通過改變磁通角 ?（ t） 的大小來實(shí)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 ()tSu 來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到控制定子磁鏈的目的，從而控制改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度 s? 的大小，從而改變磁通角 ?（ t） 的大小，達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，如圖 36 所示 ?? (0 1 0 )Su ()1s t?()2s t?()2r t? ()1r t? 1t（ ）2t?（ ） 圖 36 電壓空間矢量對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 1t 時(shí)刻的定子磁鏈 1()st? 和轉(zhuǎn)子磁鏈 1()rt? 及磁通角 1()t? 的位置如圖 36。從 1t時(shí)刻考察到 2t 時(shí)刻，若此時(shí)給出的定子電壓空間矢量 ( ) (010)ssu t u? ，則定子磁鏈空間矢量由 1()st? 的位置旋轉(zhuǎn)到 2()sut 的位置。轉(zhuǎn)子磁鏈的位置變化實(shí)際上不受該期間定子頻率的平均值的影響。因此從 1t 時(shí)刻到 2t 時(shí)刻這段時(shí)間里，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度要大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，磁通角由 1()t? 變大為 2()t? ，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也會增大。 若從 1t 時(shí)刻考察到 2t 時(shí)刻，若此時(shí)給出的定子電壓空間矢量為零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量的位置 1()st? 保持靜止不動，而轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量卻繼續(xù)以定子頻率的平均速度旋轉(zhuǎn)，從而磁通角將減小，轉(zhuǎn)矩因磁通角的減小變小。因此，通過合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 18 空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇 對應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。 一種是通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢量輸出開關(guān)脈沖信號輸出給逆變器。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個(gè)分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時(shí)的空間電壓矢量是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的，還需疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標(biāo)系下的空間電壓矢量，最后通過 SVPWM 方式輸出開關(guān)脈沖信號給逆變器。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速方案 在研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的時(shí)候必須對異步電動機(jī)在不同運(yùn)行速度下，電動機(jī)空間電壓矢量以及磁鏈的變化進(jìn)行分析。因?yàn)橹挥羞M(jìn)行必要的分析才能對異步電動機(jī)在不同的速度下運(yùn)行存在的問題進(jìn)行有目的的改進(jìn)。 雖然在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中我們對異步電動機(jī)在中速（正常的運(yùn)行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。下面就簡單介紹幾種調(diào)節(jié)方案，他們分別是低速調(diào)節(jié)方案、高速調(diào)節(jié)方案、低磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案。 低速調(diào)節(jié)方案 異步電動機(jī)的低速范圍是指額定轉(zhuǎn)速 30%以下的異步 電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，由于存在轉(zhuǎn)速低 (包括零轉(zhuǎn)速 )、定子電壓影響大等特點(diǎn)，會造成 :如磁鏈波形畸變，在低定子頻率乃至零頻時(shí)保持轉(zhuǎn)矩和磁鏈基本不變等問題。為此要求在控制方法上做相應(yīng)的考慮。低速范圍的調(diào)節(jié)方案有如下特點(diǎn) : 一 .用電動機(jī)模型檢測計(jì)算電動機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 二 .為了改善轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能，對定子磁鏈空間矢量要實(shí)現(xiàn)正反向變化控制。 三 .轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的多功能的協(xié)調(diào)工作。 四 .用符號比較器確定區(qū)段。 五 .調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)段的磁鏈量。 六 .圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡，圓形磁鏈軌跡用于 15%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，六邊形磁鏈軌跡用于 15%30%額定轉(zhuǎn)速的范圍。 七 .每個(gè)區(qū)段上，有四個(gè)工作電壓狀態(tài)和兩個(gè)零電壓狀態(tài)的使用與選擇。在低速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可以采用 0o 電壓矢量、 60o ―電壓矢量、 +60o 電壓矢量和 120o 電壓矢量協(xié)調(diào)控制。 通過上述電壓矢量的調(diào)節(jié)可以對磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償，從而使磁鏈達(dá)到近圓形，得到比較安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 好的控制結(jié)果。 高速調(diào)節(jié)方案 高速范圍是指從 30%到 100%額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速范圍。這個(gè)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案是典型的 DSR 控制的轉(zhuǎn)速范圍。高速范圍的調(diào)節(jié)方案有以下幾個(gè)特點(diǎn) : 一 .用電動機(jī)模型檢測計(jì)算電動機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)模型主要工作在 UI 模型下，且有模型電流和實(shí)際電流相比較的電流調(diào)節(jié)器來補(bǔ)償校正。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)內(nèi)的施密特觸發(fā)器 (也叫磁鏈給定值比較器 )來確定區(qū)段。 三 .轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)。 四 .磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)。 五 .六邊形磁鏈軌跡。 在這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的 DSR 控制，主要由磁鏈自給定環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)起作用。磁鏈自控制環(huán)節(jié)給出正確的區(qū)段。轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩。由于這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速較高，因此定子電阻壓降的影響可以忽略，定子磁鏈的畸變也可忽略，六邊形磁鏈能得到很好的保持， 因此磁鏈調(diào)節(jié)只是起輔助作用。 弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案 弱磁范圍的工作特點(diǎn)與基速以下時(shí)有很多不同。首先，弱磁范圍內(nèi)進(jìn)行的是恒功率調(diào)節(jié)，而不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時(shí)間，工作電壓在整個(gè)區(qū)段中起作用。逆變器的電壓波形與普通電壓型逆變器時(shí)一樣。由此帶來弱磁范圍工作的兩個(gè)特點(diǎn) :一是轉(zhuǎn)速的提高，即定子頻率的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)的加快，靠的是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁。二是電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，不是靠工作電壓和零狀態(tài)電壓交替工作從把轉(zhuǎn)矩限制在容差內(nèi)的方 法，而是靠六邊形磁鏈給定值的動態(tài)變化調(diào)節(jié)的方法。轉(zhuǎn)矩的脈動頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案有如下特點(diǎn) . 一 .用電動機(jī)模型測量、計(jì)算磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 二 .用磁鏈自控制環(huán)節(jié)確定區(qū)段。 三 .六邊形磁鏈軌跡。 四 .用功率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。 五 .通過改變磁鏈給定值實(shí)現(xiàn)的平均轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)。 六 .每個(gè)區(qū)段上用一個(gè)工作電壓狀態(tài)。 在弱磁范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出由轉(zhuǎn)矩給定值變?yōu)楣β式o定值，借以控制功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行弱磁范圍的功率調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。通過磁鏈給定值的調(diào)節(jié)變化，一方面實(shí)現(xiàn)對平均轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)，另一方面實(shí)現(xiàn)弱磁升速的恒功率調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出一直為 ―1‖態(tài)，電壓為全工作電壓控制，不出現(xiàn)零電壓狀態(tài)。磁鏈自控制單元控制六邊形磁鏈軌跡。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 20 本章小結(jié) 本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。本章重點(diǎn)介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的幾種調(diào)節(jié)方案，其主要包括低速、中速、高速三類，在本論文中中速調(diào)節(jié)方案是研究的重點(diǎn)。 第 4 章 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真 系統(tǒng)仿真工具的介紹 MATLAB 簡介 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 環(huán)境是由美國 New Mexico 大學(xué)的 Clever Moler 于 1980 年開始開發(fā)的，1984 年由 Clever Moler 等人創(chuàng)立的 MathWorks 公司推出了第一各商業(yè)版本。 MATLAB的兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，即強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和完美的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應(yīng)用最廣泛的首選計(jì)算機(jī)工具。 現(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛的應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用與其他的工程領(lǐng)域和 非工程領(lǐng)域。在控制界，很多著名的專家和學(xué)者為其擅長