课程设计异步电机直接转矩控制

异步电机直接转矩控制技术研究课程设计摘要随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电动机调速技术发展到现在，有了长足的进步。异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，为非线性，所以控制起来极为不便。20世纪70年代出现的矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电动机调速系统的性能可以与直流电动机调速系统的性能相媲美。而交流电动机尤其是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电动机调速系统的优势强于直流电动机调速系统。在交流电动机控制技术中调压调频控制、矢量控制以及直接转矩控制（DirectTorqueControl简称DTC）具有代表性。其中应用直接转矩控制技术是一种高性能的控制调速技术，直接转矩控制对交流传动来说是一种最优的电动机控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。本文在理解了直接转矩控制原理的基础上，在MATLAB中进行了仿真，得到了较为理想的结果。关键字：异步电动机、MATLAB仿真、直接转矩控制、电压矢量目录摘要................................................................I第1章绪论.........................................................11.1课题研究背景................................................11.2直接转矩控制技术的发展现状...................................11.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势...........................11.2.2目前的热点研究问题及解决方法...........................21.3本文研究的主要内容...........................................3第2章直接转矩控制系统理论.........................................42.1概述.........................................................42.2异步电动机的数学模型........................................42.3逆变器的数学模型与电压空间矢量..............................62.4直接转矩控制系统的组成.......................................82.5磁链调节...................................................102.6转矩调节...................................................102.7空间电压矢量对定子磁链和转矩的影响.........................112.7.1空间电压矢量对定子磁链的影响..........................112.7.2空间电压矢量对电磁转矩的影响..........................13第3章直接转矩控制系统的MATLAB仿真...............................153.1异步电机及PWM控制模块仿真..................................153.2三相-两相变换（3/2变换）...................................163.3转速调节器（ASR）...........................................173.4定子磁链的计算和转矩计算模块................................183.5空间电压矢量的选择模块......................................18第4章仿真结果及分析..............................................20致谢...............................................................22参考文献...........................................................23武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书1第1章绪论1.1课题研究背景自从电气化时代开始以来，电动机就成为重要的动力来源。直流电机拖动系统和交流电机拖动系统在19世纪中期先后诞生。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样可以根据调速性能的要求，按照经典控制理论的方法独立设置调节器，分别对励磁磁场和转矩进行控制，因此直流调速系统具有良好的调速性能，调速平滑且易于控制，在高性能电气传动领域一直占据主导地位。随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件如GTO、MOSFET、IGBT等的不断出现，使交流传动调速在近十年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。这时，直流电机和交流电机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等。于是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。1985年，德国鲁尔大学的M．Depenbrock教授提出了一种新型交流调速理论——直接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。1.2直接转矩控制技术的发展现状1.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系，可以获得良好的动态性能，控制结构简单，易于实现，很快就得到广泛的推广与应用。而传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要进一步研究。仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情，必须另辟蹊径。现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的控制技术作支撑，它已经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项综合技术。下面就直接转矩控制技术所需要进一步研究的问题进行了总结：(1)先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书2题对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性，尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改善控制性能。(2)磁链与转矩估计问题对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏，甚至会导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时，尤其接近零速时，很多估计方法往往会失效．解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要意义。(3)速度估计问题近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速度估计方法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发高精度及适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。(4)空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题。1.2.2目前的热点研究问题及解决方法异步电机直接转矩控制计算方便，控制结构简单，动态性能好。但在低速运行时，存在一些问题，这些问题成为目前DTC研究的热点。主要体现在以下两方面：(1)低速时，由于定子电阻的变化带来的一系列问题。主要表现在定子电流和磁链的畸变非常严重。主要解决方法：(1.1)采用u—n模型。使用电流PI调节器，强迫电机模型电流和实际电机电流相等，精度大大提高，但结构比较复杂。(1.2)模糊定子电阻辨识器(FLI)，以定子磁链大小和相角误差作为输入，通过推论和解模，对定子电阻进行辨识御。(2)低速时，转矩脉动、死区效应、开关频率问题。主要解决方法：(2.1)使用改进的开关状态表，改进控制参数与开关量的关系，使之产生更优的控制电压波形。(2.2)运用FuzzyPI转矩控制器代替传统的控制方法，即引入模糊控制和智能控制，用软件来解决转矩脉动问题。(2.3)引入模糊控制方法，对转速进行辨识，从而得到稳定的开关频率并降低武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书3转矩脉动。1.3本文研究的主要内容本文主要研究和设计了异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统。首先阐述了异步电动机直接转矩控制系统的基本原理。通过了解定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用，以及对定子磁链和转矩计算模型的学习，利用Matlab／Simulink搭建直接转矩控制系统仿真模型，对系统进行仿真，验证理论的正确性和可行性。本文的主要内容如下：第1章为绪论部分，阐述了电机调速技术的发展概况，以及直接转矩控制的发展现状，提出异步电机的直接转矩控制理论以及目前的热点研究问题。最后论述论文研究的内容。第2章阐述了课题设计的主要思想和直接转矩控制系统的基本原理。本章首先给出了最后搭建的仿真模型，介绍了异步电动机的数学模型，逆变器的数学模型和电压空间矢量。然后再对直接转矩控制系统的各部分模块作了理论的描述和分析，说明了设计的理论依据。第3章利用Matlab软件的Simulink模块对直接转矩控制系统进行仿真，针对直接转矩控制系统的各个组成环节分别建立仿真模型，构建直接转矩控制系统。第4章对仿真的结果进行分析，并对所搭建的直接转矩控制系统进行简单评价。武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书4第2章直接转矩控制系统理论2.1概述自从70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制方法，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全控制。它的提出具有跨时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难于准确观测、系统特性受电动机参数的影响较大以及在模拟直流电动机过程中所用矢量旋转变化的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。直接转矩控制针对电动机的核心变量作直接控制。直接转矩控制系统的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。根据直接转矩控制系统原理搭建的MATLAB模型如图2.1所示。图2.1MATLAB中搭建的直接转矩控制系统仿真模型接下来，本章将从异步电动机的数学模型入手，阐述直接转矩控制系统的基本原理，对系统各部分的结构设计进行介绍和分析。2.2异步电动机的数学模型交流异步电机的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性，强耦合的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。在讨论交流异步电机的数学模型武汉理工大学《现代电力传动系统》课程设计说明书5前假设电机有如下特性:(l)电动机三相定、转子绕组完全对称。(2)电动机定、转子表面光滑，无齿槽效应。(3)电动机气隙磁动势在空间正弦分布。(4)铁心涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计。在满足上述理想电动机假设条件下，经推导可得异步电动机在静止坐标系下的数学模型。对于分析直接转矩控制系统，采用空间矢量的数学分析方法，以定子磁链定向，建立在静止正交定子坐标系上，图