异步电动机直接转矩控制系统仿真-毕业论文.doc

课程设计(论文)题目名称 异步电动机直接转矩控制系统仿真 课程名称 运动控制系统 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业学生姓名学 号题目名称三相异步电机直接转矩控制(DTC)系统仿真设计时间课程名称运动控制系统课程编号121203204设计地点电力电子与电力拖动实验室/综合仿真实验室一、课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 运动控制系统课程设计是继电机与拖动基础和运动控制系统课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。二、已知技术参数和条件 异步电动机的参数：460V，60Hz，2对极，Rs=0.01485欧，Lls=0.03027mH，Rr=0.009295欧，Llr=0.3027mH,Lm=0.069mH,J=3.1kg.m2，变器直流电源510V,Ls=0.71mH,Lr=0.071mH,Tr=0.87三、任务和要求1. 完成主电路的参数设置和仿真2. 完成开关控制模块的仿真3. 控制策略采用直接转矩控制，结合主电路完成系统仿真。 4. 频率变化范围1-60Hz 注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1、电力电子与电力拖动实验室，4套DJDK-1电力电子与电力拖动实验装置；2、DJDK-1电力电子与电力拖动实验指导书；3. Matlab/Simulink仿真软件五、进度安排2011年6月20日-21日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2011年6月22日-23日：总体方案设计及主电路的仿真2011年6月24日-27日：各单元模块的仿真2011年6月28日-30日：整理并书写设计说明书2011年7月1日：答辩并考核六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主管主任（签字）： 年 月 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 曾 斌 学 号 0841229082 系 电气工程系 专业班级 电气一班 题目名称 三相异步电动机直接转矩控制 课程名称 运动控制系统 一、学生自我总结 在对异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模和仿真的过程中，拓宽了我们的专业知识领域。期间，我曾遇到过很多困难，比如系统仿真模型的正确建立，模型参数的设置和调整，系统模型的模块化调试，以及对调试中出现的错误和警告的分析和排除等等。整个任务的完成离不开自己的努力，更离不开指导老师的悉心指导和帮助，我也因此提高了自身仿真研究的能力，发现问题与解决问题的能力，掌握和运用专业知识的能力，并再次认识到及时与老师和同学交流和沟通的重要性。 学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘 要直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。本文分析异步电动机数学模型的基础上,提出了一种基于MATLAB/SIMULINK的交流电机直接转矩控制系统的仿真模型.通过搭建独立的功能模块和模块的有机整合, 得到一个完整的异步电动机控制系统的仿真模型在仿真模型中,定子磁链控制器电磁转矩控制器均采用双电平方式, 仿真结果证明了该方案的合理性和有效性。仿真结果表明:DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。关键词:异步电机；直接转矩控制；MATLAB仿真目 录摘要I1直接转矩控制系统概述.12 直接转矩控制的理论基础32.1基本思想32.2定子电压分析32.3 电压空间矢量对定子磁链的影响52.4电压空间矢量对定子电磁转矩的影响63直接转矩控制系统的建模与仿真.73.1仿真模型的建立73.2仿真模块的分析.83.2.1转速控制器.83.2.2直接转矩DTC模块93.2.3转矩和定子磁链计算模块103.2.4磁通和转矩制环控制器113.2.5磁链选择器113.2.6开关表123.2.7开关控制模块124仿真结果及其分析.145总结.16参考文献.17附录I18 1 直接转矩控制系统概述直接转矩控制技术是在上世纪80年代中期继矢量控制变换技术之后发展起来的一种异步电动机调速技术，直接转矩控制变频调速系统。直接转矩控制思想于1977年ABPiunkett在IEEE杂志上首先提出，1985年由德国鲁尔大学的德彭布罗克（Depenbrock）教授首先取得了实际应用的成功。接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同与矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机调速系统，电机磁场接近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机小得多。直接转矩控制系统的主要特点有：(1)直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；即不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学摸型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变化与计算。因此，它所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程作出直接和明确的判断。(2)直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的转子磁链轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。(3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量，使问题变得简单明了。(4)直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。与著名的矢量控制的方法不同直接控制转矩步是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两点调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制即直接又简单。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制也用于磁链量的控制，但以转矩为中心来进行综合控制。综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式（Bang-Bang 控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。2 直接转矩控制的理论基础2.1 基本思想直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差Te的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩和定子磁链的控制。2.2 定子电压分析电压源型逆变器(如图2.1)是由三组、六个开关（Sa、Sa、Sb、Sb、Sc、Sc）组成。由于Sa与Sa、Sb与Sb、Sc与Sc之间互为反向，即一个另一个断开，所以三相开关有=8种可能的开关组合。用Sabc表示三相开关Sa、Sb和Sc若规定：a、b、c三相负载的某一相与“+”极接通时，的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通时，该相的开关状态为“0”态。8种可能的开关状态可以分成两类：一类是6种工作状态，即表2.1中的状态“1”到状态“6，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上；另一类开关状态是零开关状态，如表2.1中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上。ScScSbSaSbSa图2.1 理想电压源型逆变器结构图 表2.1 六个开关器件的八种状态状态0123 456701100 011 0011100 100001111对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。这7种不同的电压状态也分为两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于开关状态“0”和“7”，对于外部负载来说，输出的电压都为零，所以统称为零电压状态。用电压空间矢量表示的离散电压状态如图2.2所示。6种工作电压空间矢量两两相隔，其顶点构成正六边形的6个顶点。所对应的开关状态是100-110-010-011-001-101。如果用符号表量， Us2（110） Us1(100)-Us2(110)-Us3(010)- Us4(011)-Us5(001)-Us6(101)。零电压矢量位于正六变形的中心。Us3（010） Us6（101） Us1（100） Us5（001） Us4（011） 图2.2 用电压空间矢量表示的离散的电压状态2.3 电压空间矢量对定子磁链的影响逆变器的输出电压直接加到三相异步电动机的定子绕组上，由此得到定子磁链为： 若忽略定子电阻压降的影响，则：上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。图2.3表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量的关系。Us6（101） Us1（100） Us5（001） Us4（011） Us3（010） Us2（110） 图2.3 定子电压空间矢量与定子磁链空间矢量的关系图2.3中,表示定子电压空间矢量，表示定子磁链空间矢量,S1,S2,S3,S4,S5,S6是正六边形的六条边。当定子磁链空间矢量在图2.3所示位置时(其顶点在边S1上)，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量为(010)，则根据式子，定子磁链空间矢量轨迹，朝着电压空间矢量(010)所作用的方向运动。当沿着边S到S1与S2的交点时，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量是(011)，则定子磁链空间矢量的顶点将沿着S2的轨迹，朝着电压空间矢量(011)，所作用的方向运动。按同样的方法依次给出(001)、(101)、(110)，则磁链空间矢量的顶点将沿着S3、S4、S5、S6的轨迹运动。从以上分析过程可以得出如下结论：(1)定子磁链空间矢量的运动轨迹和相应的定子电压空间矢量对应，定子磁链空间矢量的运动方向平行于相应的定子电压空间矢量的作用方向，只要定子电阻压降比起足够小，那么这种平行就能够得到很好的近似。(2)在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量。则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边S1-S2-S3-S4-S5-S6形成了正六边形磁链。(3)正六边形的六条边代表定子磁链空间矢量的一个周期的运动轨迹。对于电压空间矢量与定子磁链幅值的变化关系，有如下结论：(1)所加电压矢量与当前定子磁链的夹角小于时，定子磁链增大；(2)所加电压矢量与当前定子磁链的夹角大于时，定子磁链减小；(3)所加零电压矢量时，定子磁链为零。假设某一时刻定子磁链矢量为，当施加电压矢量，时，定子磁链幅值增加；当施加电压矢量、时，定子磁链幅值减小；当施加零电压矢量时，定子磁链为零。当所加电压矢量与当前定子磁链的夹角大于时，按照上述结论，定子磁链幅值应该减小。但是这不是一个严谨的结论，这种情况依然存在定子磁链幅值不变和增大的情形。2.4 电压空间矢量对电磁转矩的影响根据前面分析，当施加电压空间矢量时，如果忽略定子磁链幅值的变化，只考虑定子磁链相位角的变化，由于转子磁链在电压矢量作用过程中变化缓慢，可以近似认为保持不变，因此转矩角发生了变化。转矩的变化趋势，将只取决于转矩角的变化趋势。假设转矩角，此时转矩是转矩角的严格单调增函数。这种情况下，电压空间矢量对电磁转矩的影响，可以得出以下结论：(1)所加电压矢量超前于当前定子磁链时，转矩增大。(2)所加电压矢量滞后于当前定子磁链时，转矩减小。(3)所加零电压矢量时，转矩不变。3 直接转矩系统的建模与仿真3.1 仿真模型的建立直接在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角即转矩角可以控制电动机的转矩。在直接转矩控制中，其基本控制方法就是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过PWM逆变器来实现对异步电动机的控制。整个控制系统框图如图3.1所示：图3.1 直接转矩控制系统原理结构图系统原理的实现：三相交流电源依次经三相二极管整流、三相逆变器和电压电流测量模块给异步电机供电；给定转速加于速度控制器，经过磁链查表输出给定磁链；给定速度与速度反馈（实际速度）比较后经过PI调节器输出给定转矩信号，同时速度控制器模块输出控制信号加于电机信号分离器。依据异步电机直接转矩控制的分析，在simulink的基础上可以建立其仿真模型，如图附录I所示。 子系统包括转矩和磁链滞环控制模块、转矩和磁链观测模块、磁链扇区判别模块、电压矢量开关表和开关控制器，给定转矩和磁链分别与实际转矩和磁链取差值，然后分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区sector一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量；电压电流测量模块输出i_ab和V_abc，送入到转矩和磁链观测模块，用于计算磁链。直接转矩控制系统采用6个开关器件组成的桥式三相逆变器有八中开关状态，可以得到六个互差60度得电压空间矢量和两个零矢量。交流电动机定子磁链受电压空间矢量Us控制，因此改变逆变器的开关状态可以控制定子磁链的运行轨迹，从而控制交流电动机的运行状态。系统结构主要有七个主要模块组成：三相不控整流器，Braking chopper,三相逆变器，测量单元，异步电动机模块组成系统主电路，转速控制器和直接转矩控制模块。3.2 仿真模块的分析3.2.1 转速控制器转速控制器结构如图3.3所示。转速给定N*经过加减速限制环节使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降斜率，转速反馈N经过低通滤波与N*得到转速偏差（N*-N）。通过PI调节器来调节输出用于符合DTC控制的磁通和转矩的设定值。PI调节器的输入是参考转速与实测转速的差值，输出是电机参考转矩Torque*和参考磁链Flux*。积分器采用模块库中的离散时间积分器构建。Kp与Ki分别为比例增益系数和积分增益系数，调节器输出的转矩由Saturation环节来限定幅值。 图3.2 转速控制器结构图3.2.2 直接转矩DTC模块直接转矩DTC模块结构如图3.4所示，转矩给定Torque*,磁通给定Flux*,电流I-ab和电压V-abc输入信号都经过采样开关，还包括转矩和磁通计算（Torque & Flux calculator），滞环控制（Torque & Flux hysteresis）,磁通选择（Flux sector seeker）,开关表（Switching table）,开关控制（Switching control）等单元。DTC模块输出的是三相逆变器开关器件的驱动信号。 图3.3 直接转矩DTC模块结构图3.2.3 转矩和定子磁链计算转矩和定子磁链计算（Torque & Flux calculator）单元结构如图3.4所示，它首先将检测到的异步电动机三相电压V-abc和电流I-ab经模块dq-V-transform和dq-I-transform 变换得到二相坐标系下（）上的电压和电流，dq-V-transform和dq-I-transform的变换模块如图3.5。 图3.4 转矩和定子磁链的计算单元结构图 此模块用于估计电机磁通值、电磁转矩以及磁链角，图是其模块结构图。三相坐标系中的电压值和两相坐标系中的电流值经坐标变换，代入异步电机的磁链估计模型，估计出转矩值和磁链值，以及磁链角。该模块中，三相静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换原理如图3.6所示：变换式为： 两相静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换的变换式为： 图3.5 三相坐标到二相坐标变换实现的模块结构图定子磁链的模拟和离散计算式为 式中，和is为两相坐标系上的定子电压和电流，K为积分系数，Ts为采样时间。磁链采用离散梯形积分，模块phi-d和phi-q分别输出定子磁链的和轴分量s和s，s和s经Real-Imag to Complex模块得到复数形式的定子磁链s并由complex to Magnitude-Angle计算定子磁链的幅值和转角。电动机的转矩计算式为式中，p为电动机的极对数。3.2.4 磁通和转矩滞环控制器电动机的转矩和磁链都采用滞环控制，磁通和转矩滞环控制器（Torque&Flux和时，模块dPhi分别输出态“1”和“2”。和hysteresis）结构如图3.6 所示。转矩控制是三位制环控制方式，在转矩滞环宽度设为dTe时，当转矩偏差 和 ，制环模块和 分别输出“3”和“1”，当制环模块和输出为“0”时，经或非门NOR输出状态“2”。磁链控制制环二位控制方，在磁环制环宽度设为时，当磁链偏差结果为 图3.6 磁通和转矩制环控制器结构图3.2.5 磁链选择器直接转矩控制将磁链空间划分为6个区间，见表3.1，磁链选择模块（Flux sector seeker）根据定子磁链的位置角判断定子磁链运行在哪一个分区。磁链选择器（lux sector seeker）结构如图3.7。表3.1 磁链扇区判别表值扇区S123456图3.7 磁链选择器结构图3.2.6 开关表 开关表模块的图见3.9 用于得到三相逆变器的六个开关器件的通断状态，它由两张Lookup Table（2D）表格（Flux=1和Flux=1）和三个多路选择器组成。两张Lookup Table（2D）表格对应的输出见表3.2表格输出加1后通过选择开关2输出对应的6开关器件的8种开关状态V0V7，包括了两种零状态V0和V7。图3.8 开关表模块结构图表3.2 Lookup Table（2D）表格H phi状态H Te状态磁链选择器状态 Flux sector seeker1234561 (表格Flux=1)1234561207070736123452（表格Flux=-1)134561227070703561224开关表中，Magnetisation模块结构如图3.10所示，其作用是将磁链反馈值（Flux est）（见图3.7）与设定值（in_Flux）比较，当反馈值大于设定值时，S-Rflip-flop触发器Q端输出“1”，当反馈值小于设定值时，S-Rflip-flop触发器Q端输出“0”，从而控制电动机起动时逆变器和转速调节器工作状态，使电动机起动时产生初始磁通。 图3.9 Magnetisation模块结构如图3.2.7 开关控制模块 开关控制模块（Switching control）（见图3.10）包含了三个D触发器（D flip-flop），目的是限制逆变器开关的切换频率，并且确保逆变器每相上下两个开关处于相反的工作状态，开关的切换频率可以在模块对话框中设置。 图3.10 开关控制模块结构图 4 仿真结果及其分析异步电动机直接转矩控制系统仿真模型如图4.1 图4.1 直接转矩控制仿真系统图系统参数：三相电源电压360V、60Hz，电源内阻0.02，电感0.05Mh。电动机额定参数：149kW、460V、60Hz，图4.2和 4.3 是直接转矩系统模块的电动机和控制器的参数设置页。 图4.3 DTC控制器参数 图4.2 电动机参数系统有转速和转矩两项输入，在调速的同时负载转矩也在变化。转速和转矩给定使用离散控制器模型库中的Discrete Control Block中的timer模块，Speed refrence设定值为：t = 0、1s时转速分别为500、0 r/min。Torque reference设定值为：t = 0、0.5、1.5s时转矩分别为0 、792 、792Nm。模型采用混合步长的离散算法，基本采样时间Ts1.4s。仿真结果如图4.4。 图4.4 仿真结果图从仿真的波形可以看出在t=0s时，转速按照设定的上升率（900r/min）平稳升高，在启动0.6s时达到设定的速度（500r/min）。在00.5s范围内电动机是空载起动，电动机的电流为200A（幅值）；0.5s时加载792 Nm，电流上升为400A（幅值）；加载时电磁转矩瞬间达到1200Nm，但是在系统的控制下，加载对转速的上升和稳定运行没有明显的影响。1s后电动机开始减速，定子电流减小，并且电流频率下降。在t=1.5s时转速下降为0，这时转矩给定从792Nm到792Nm，转速仍稳定为0r/min，表明系统有很好的转矩和速度响应能力。5 总结在这次设计完成的过程中，我加深了对所学的基本理论、专业知识的理解，并综合运用所学知识来解决实际的问题，学习软件仿真的基本技能，基本程序和基本方法。针对交流异步电机变频调速系统的直接转矩控制方案进行了系统化的建模和仿真。在Matlab 环境下，利用Simulink 和Power System Blockset，采用结构化和模块化的方法，构建系统仿真模型，并对其动态及稳态性能进行仿真实验。在对异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模和仿真的过程中，拓宽了我们的专业知识领域。期间，我曾遇到过很多困难，比如系统仿真模型的正确建立，模型参数的设置和调整，系统模型的模块化调试，以及对调试中出现的错误和警告的分析和排除等等。整个任务的完成离不开自己的努力，更离不开指导老师的悉心指导和帮助，我也因此提高了自身仿真研究的能力，发现问题与解决问题的能力，掌握和运用专业知识的能力，并再次认识到及时与老师和同学交流和沟通的重要性。参考文献1阮毅 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2003，26(20):19-22.2洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真M.北京：机械工业出版社，2011.1.3王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社,2005. 附录I直接转矩仿真系统图