基于交流电动机动态模型的直.doc

湖南科技大学
信息与电气工程学院

《课程设计报告》

题 目：基于交流电动机动态模型的直
接转矩控制系统的仿真与设计
专 业：电气工程其自动化
班 级： 三
姓 名：
学 号：
指导教师： 吴新开

任务书
题 目

基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计

时 间安排
2013年12月22号-2014年1月3号
目 的：
应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
要 求：
1. 应详细叙述控制系统各部件的方案选择
2. 应详细叙述控制系统的设计过程及参数选择的理由.
3. 设计报告应包括控制系统原理图一份,并附系统工作原理说明.
4. 仿真结果曲线图要有性能分析.
5. 设计报告应有自己的设计感想.

总体方案实现：
1.直接转矩控制系统设计。
2.磁链的调节通过磁链滞环比较器实现。
3.转矩调节器的任务是实现对转矩的直接控制。
4.异步电动机直接转矩控制系统的仿真。
5.总结与展望。

指导教师评语：

评分等级：（ ）

指导教师签名：

异步电动机直接转矩控制系统的基本理论
DTC 系统只需检测电压、电流信号，运用空间矢量的思想，
在定子坐标系下就可以实现对交流电动机磁链和转矩的计算
与控制[4-5]. 如图1 所示是异步电动机直接转矩控制系统的基本
组成. 通过对转矩和磁链的控制，产生转矩开关信号、磁链开关
信号和扇区信号，与最优开关矢量表对照，输出逆变器控制信
号，实现对电动机转矩的直接控制.

一、设计参数
额定输出功率10KW；
定子绕组额定线电压380V；
定子绕组额定相电流15A;
定子绕组每相电阻0.2欧姆；
定子绕组接线形式Y；
转子额定转速980rpm;
转子形式:鼠笼式；
转子每相折算电阻:3欧姆；
转子折算后额定电流30A；
额定功率因数：0.75；
电机机电时间常数1S;
电枢允许过载系数1.5；
二、设计目的
应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
三、方案的论证
直接转矩控制系统的组成：
直接转矩控制充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断变化电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩与磁链的变化，从而控制异步电动机的磁链和转矩按要求快速变化。直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变化，电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。
(l)磁链、转矩观测器:由电流、电压的采样值经过3/2变化按照电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩;
(2)磁链调节器:为了控制定子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系统采用两点式控制，输出磁链控制信号;
(3)转矩调节器:利用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩;
(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出合适的开关状态来控制逆变器驱动电机稳定运行。
直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电压、相电流的采样值经3/2坐标变换，得到坐标下的分量，再按照异步电机的定子磁链和转矩模型计算出实际转矩和定子磁链的两个分量、，这样就可以计算出定子磁链幅值和磁链位置。将测量得到实际转速和给定转速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩。将给定转矩和送入转矩调节器，得到转矩控制信号，磁链调节器根据给定子磁链幅值和转子磁链幅值的差值输出磁链控制信号。最后开关状态选择单元根据磁链控制信号、转矩控制信号和磁链位置，查逆变器开关状态表，输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机正确运行。
3.1 磁链调节

磁链的调节通过磁链滞环比较器实现。滞环比较器如图3-2所示。磁链误差为，将误差进行滞环比较，当误差超过允许值就进行电压切换，使误差控制在滞环宽度内。调制规则为:
当时，，此时选择电压矢量使增加;当时，此时选择择电压矢量使得减小;当时，不变，此时电压矢量不变。

图3-2 磁链滞环调节器
磁链位置检测单元:
为了检测定子磁链的位置，将坐标系分为六个区域：
（3-4）
其中N=1,2,3,4,5,6，每个区域占角度，定子磁链在第n区域，我们就称其在n区域。转矩调节器的结构与磁链调节器的结构一样，也采用滞环比较器(见图3-3)输入量为转矩给定值及转矩观测值，输出量为，为转矩滞环范围。
3.2 转矩调节

转矩调节器的任务是实现对转矩的直接控制。为了控制转矩，转矩调节器必须具备两个功能:(l)转矩调节器直接调节转矩;(2)在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。通过电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电机转矩的目的，用定转子磁链矢量积来表达异步电机的电磁转矩。

在实际运行中要确保要保证定子磁链矢量的幅值为定值，使电动机的铁芯得到充分的利用；转子磁链矢量的幅值由电动机带动的负载决定。可以通过改变磁通角的大小来改变电动机转矩的大小。通过加载有效空间电压矢量，改变空间电压矢量，使空间电压矢量的幅值更合理，定子磁链的转速大于转子磁链转速的大小使磁通角增大，从而增加转矩；加载零电压矢量，控制定子磁链停止运行使磁通角变小，从而使转矩减小。
转矩调节器的控制规律为:
逆时针旋转时：
若时，则；
若时，则；
若时，则保持不变。
顺时针旋转时：
若时，则;
若时，则；
若时，则保持不变

图3-2 转矩滞环调节器
四、 调试过程及结果分析
4.1直接转矩控制系统仿真模型
由第二章知两相静止坐标系下的异步电机的电压方程:
(4-1)
磁链方程：

4.2电压和电流的坐标变换模块
电压的三相坐标/两相坐标的变换关系如式(4-3 )所示：
（4-3）
电压2/3的变换关系：

图4-2 电压坐标3/2变换仿真模块

图表4-3 电流2/3坐标变换仿真模块

4.3 磁链、转矩控制模型
磁链控制采用两点式调节、转矩控制采用三点式调节

图4-4 磁链控制器

图4-5 转矩控制器

4.4磁链幅值计算与区域判定模型

图4-6 磁链幅值，磁链当前扇区判断模型
磁链幅值计算采用matlab函数，其表达式为Sqrt(u(1) 2+u(2) 2)。磁链当前所在扇区判定选用simulink的s一Funetion来实现。
4.3 异步电动机直接转矩控制系统的仿真参数与结果
仿真电机参数如下:额定功率为10KW，额定电压为380V，额定转速为980r/min，定子电阻为0.2。，转子电阻为3。频率为工频50赫兹，取摩擦系数为0。
系统给定值如下:给定磁链为0.5，给定转矩为30N·M，负载转矩为0N*M，给定直流电压为308V；给定磁链容差为0.01Wb，给定转矩容差为0.1N*M。

图4-8 直接转矩控制系统的磁链轨迹

图4-9 转矩响应波形

图4-10直接转矩控制系统的三相定子电流波形

图4-11直接转矩控制系统的定子电压波形

图4-12电动机相电压波形
通过图可以看出，采用直接转矩控制时，电机运行平稳，输出转矩脉动小，电机启动快，系统的转矩响应都比较快。同时转矩的脉动从波形上看频率很高，对转矩变化跟随比较好。说明直接转矩控制系统的动态和稳态时的性能优良。

五、设计及调试中的体会
在做设计的时候我对异步电机数学模型做了一个简单的了解，了解了定子转子的磁链的模型，查阅了大量的资料了解了直接转矩控制系统在运动控制中的优点与缺点。我利用 Matlab软件对直接转矩控制系统进行仿真，验证了直接转矩控制理论的正确性。
六、体会和建议
随着现代科技的进步在研究直接转矩控制的时间加入现代的最新科技是提升生产力的必然选择。直接转矩控制中定子电阻的观测、无速度传感器理论、电压矢量细化等研究的不断深入，与神经网络、模糊控制等新技术的融合，以及研究将直接转矩控制技术应用于同步电机的趋势，使得直接转矩控制在理论上日趋成熟。相信在不久的将来直接转矩控制系统必将占据交流电机控制的主导地位。

参考文献
交流调速系统仿真模型
主电路

参考书目：

[1]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003
[2]冯垛生主编.交流调速系统.北京:机械工业出版社2000
[3]陈治明.电力电子器件[M].北京：机械工业出版社，1992
[4]王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，2003
[5]张明勋.电力电子设备和应用手册[M].北京：机械工业出版社，1992
[6]顾绳谷.电机及拖动基础下册[M].北京:机械工业出版社2000