直接转矩控制系统

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书I目录1概述......................................................................12异步电机动态模型的建立....................................................22.1异步电机的三相数学模型...............................................22.2异步电机两相模型.....................................................43直接转矩控制的基本原理及特点..............................................63.1直接转矩控制系统原理与特点...........................................63.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统.....................................74系统建模与仿真...........................................................104.1Matlab/Simulink简介................................................104.2模块模型实现........................................................104.2.1电机模型......................................................114.2.2磁通和转矩滞环控制器..........................................124.2.3磁链选择器....................................................134.2.4电压矢量选择..................................................144.2.5其他模块......................................................15附录.......................................................................185感受和体会...............................................................17参考文献...................................................................24武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书1直接转矩控制技术仿真分析1概述异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。直接转矩控制就是一种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，直接转矩系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的正、负符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。直接转矩控制系统能够实现优良的静、动态特性，但是也有其不足之处。基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的对象，就不能满足要求了。要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异步电动机的动态数学模型来设计。本说明书第二章主要讲述异步电机动态模型的建立，分析其动态模型以及控制特点。第三章讲述直接转矩控制的特点。第四章主要讲述仿真模型的构造。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书22异步电机动态模型的建立电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。交流电机不同于直流电机，不能简单地分析设计调速系统，由于其动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。2.1异步电机的三相数学模型研究异步电机数学模型时忽略空间谐波、磁路饱和、铁心磁损，也不考虑频率变化和温度变化对绕线电阻的影响。其动态模型由磁链方程、电压方程、、转矩方程、运动方程组成。1.磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为cbaCBAcCcbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL（2-1a）或写成LiΨ（2-1b）式中，L是6×6电感矩阵，其中对角线元素AAL，BBL，CCL，aaL，bbL，ccL是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。2.电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为tRiuddAsAAtRiuddBsBB（2-2）tRiuddCsCC武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为tRiuddaraatRiuddbrbb（2-3）tRiuddcrcc式中uA、uB、uC、ua、ub、uc——定子和转子相电压的瞬时值；iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子和转子相电流的瞬时值；A、B、C、a、b、c——各相绕组的全磁链；Rs、Rr——定子和转子绕组电阻；写成矩阵式为cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuuuuuu（2-4a）或写成ΨRiup（2-4b）3.转矩方程根据机电能量转换原理，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为LiiψiTTWW2121'mm（2-5）电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率mmW/'（电流约束为常值），且机械角位移m=/np，于是.const'mp.constm'meiiWnWT（2-6）将式（2-4）代入到式（2-5），并考虑到电感的分块矩阵关系式，得iLLiiLi002121rssrppeTTnnT（2-7）又由于][][cbaCBArsiiiiiiTTTiii（2-8）代入式（2-7）得武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4rsrssrsrpe21iLiiLiTTnT（2-9）代入磁链方程有epmsAaBbCcAbBcCaAcBaCb[()sin()sin(120)()sin(120)]TnLiiiiiiiiiiiiiiiiii（2-10）4.运动方程运动控制系统的运动方程为tnJTTddpLe（2-11）其中TL——负载阻转矩；J——机组的转动惯量；转角方程为ddt（2-12）2.2异步电机两相模型异步电机三相原始模型相当复杂，实际应用中要经过坐标变换，将其三相模型变换为2相来建立模型。其变换原则是在不同坐标下绕组产生的合成磁动势相等。变换的形式有3/2变换和2/2变换，具体分析模型的建立见第四章。建立的两相数学模型叙述如下。在αβ坐标系上的电压源型变频器-异步电动机具有四阶电压方程和一阶运动方程，因此其状态方程也是5阶的，须选取5个状态变量，而可选的变量共有9个，即转速w，4个电流变量rrssiiii、、、和4个磁链变量rrss、、、。由于转子电流是不可测的，不宜用作状态变量，因此只能选定子电流ssii、和定子磁链ss、，或者定子电流ssii、和转子磁链rr、。也就是说，可以用两种状态方程来表示，即sri和ssi两种状态方程。本次计算采用定子电流ssii、和定子磁链ss、，再加上转速w共个5状态变量来建立ssi状态方程。αβ坐标系上的状态方程武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书5ssssrssrrssssrsssssrssrrssssrssssssssssssLpsssspLuiiTLLRLRLTLdtdiLuiiTLLRLRLTLdtdiuiRdtduiRdtdTJniiJndtds1111)(112（2-13）输出方程22TssY（2-14）其中，状态变量TssssXii（2-15）输入变量TssLUuuT（2-16）电磁转矩()epssssTnii（2-17）武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书63直接转矩控制的基本原理及特点直接转矩控制系统简称DTC（DirectTorqueControl）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。其基本思想是根据定子磁链幅值偏差s的正负符号和电磁转矩偏差eT的正负符号，再依据当前定子磁链矢量s所在的位置，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，实现电磁转矩与定子磁链的控制。3.1直接转矩控制系统原理与特点如图3-1为异步电动机直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号*T，在*T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。图3-1直接转矩控制系统图从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链s的幅值保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书7是通过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，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点：①直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，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模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机的转子电阻和电感。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电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接又