直接转矩控制的MATLAB仿真

直接转矩控制的MATLAB仿真 摘要:近来对于交流电机的控制主要有矢量和直接转矩控制:矢量控制通过坐标变换来利用电流、磁链等量间接控制转矩，但要经过复杂的运算，而直接转矩控制把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这次直接转矩仿真把逆变器和交流电动机视为一体，按照闭环负反馈跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，在MATLAB环境下，利用SIMULINK，采用结构化和模块化的方法，构建异步电机直接转矩控制系统的仿真模型。其主要功能模块包括:异步电机模块，功率变换模块，转速控制器模块，SVPWM—DTC模块，信号检测模块。系统仿真模型结构如图2所示。其中异步电机由一个通用逆变桥组成的PWM电压源逆变器馈送能量。速度控制模块中的PI控制器产生DTC模块所需的转矩和磁通参考值。DTC模块计算电磁转矩和磁通估计值，分别和参考值比较，然后由独立的PI调节器计算参考电压矢量。再通过DTC控制器模块，得到控制电机运行的逆变器开关状态，总体仿真结果还算满意，并且足以使我对于电力电子与异步电机控制有了深刻的了解。 关键字:直接转矩控制、异步电机、功率变换、磁通估计 1 引言 交流异步电机具有结构简单、可靠性高，宽调速范围和价格低廉等优点，广泛应用于现代交流传动系统。然而，异步电机又是一个多变量、强耦合、参数时变的非线性对象，很难对其进行高性能的控制。近年来，随着电力电子技术与计算机技术的进步，特别是高速单片数字信号处理器(DSP)、高性能的智能功率模块(IPM)以及功能齐全和界面友好的仿真工具的出现，许多复杂算法得以在异步电机控制中运用，大大提高了异步电机的调速性能。 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另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，因而得名。 实际的控制系统中，由于转子磁通的定向受转子参数变化的影响，使实际的系统达不到理论分析上的性能;同时矢量控制运算量大、控制复杂，对硬件的要求较高，这也给实时控制带来困难。 1985年德国鲁尔大学的DEPENBECODK提出直接转矩控制(Direct Self-Control)理论。直接转矩控制技术，是用空间电压矢量的分析方法在定子坐标系下计算、控制交流电机的转矩，借助于双位模拟调节器产生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。与矢量控制比较，直接转矩控制根据定子磁链和转矩偏差，直接得到逆变器的开关状态，实现对电机输出转矩的控制。具有转矩动态响应快，控制算法简单和鲁棒性强的特点。 由美国THE MATHWORKS公司推出的MATLAB是目前国际上最流行的科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 计算的软件工具,它具有强大的运算能力,可以实现建模与仿真,数据分析,图象分析等功能。特别是其中的SIMULINK工具箱是专为系统仿真开发的交互式软件,具有可重 载、可视化、可封装的优点[1 ] 。目前很多文章都是采用在SIMULINK中直接用模块搭建系统仿真模型,由于系统的复杂性(如常微分方程组、开关 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 等) ,给模型搭建带来很多不便,整个模型的可移植性不高。然而SIMULINK中的S 函数却可以用于处理常微分状态方程组的求解等复杂运算,这样就使得仿真简便,快捷,可操作性强。本文就是在感应电机静止α- β参考坐标系下,利用SIMULINKPS 函数建立了感应电机直接转矩控制系统的仿真模型,并进行了全面的仿真实验。 感应电机检测单元AM UUUabc U,S, SU磁链合abc开关信号选,,逆变器ISN异步电动机成计算S择单元(INVERTER)的数学模型(幅值和(开关表)区间) ,TQQ |,|S 直流电压源磁链调节器*|,|(DC)S, Te *Te转速调节器转矩调节器*, 1-1 DTC异步电机仿真原理图 直接转矩控制的结构原理如图1 所示,它由逆变器、磁链估算、转矩估算、磁链位置估算、开关表和调节器等部分组成。其工作过程如下:首先由检测单元检测出电机定子电流和电压值、实际转速ω。输入到感应电机数学模型模块计算出Ψa、Ψb和转矩实际值Te。Ψa和Ψb通过磁链计算单元,得到了定子磁链Ψs 的幅值| Ψs| 和所在 **区间信号SN。将实际转速ω与给定转速通过转速调节器得到转矩给定值 。实T,e *际转矩Te 与转矩给定值经转矩调节器处理后得到转矩开关信号TQ。磁链给定值Te *与磁链反馈值经磁链调节器处理后产生磁链开关信号ΨQ。开关信号选择|,||,|SS 单元综合磁链开关信号ΨQ、转矩开关信号TQ 和磁链位置信号SN ,通过查表得到正确的电压开关信号来使逆变器能提供合适的电压给感应电机。 2 直接转矩控制的基本原理 异步电机数学模型是一个高阶、强耦合、多变量、非线性系统。理想状态下(一般这样假设)电机三相(定、转子)均对称，定、转子表面光滑，无齿槽效应，电机气隙磁势在空间正弦分布，铁心涡流、饱和及磁滞损耗不计。在固定坐标系下(，，0)，用异步电机转子的量来表示异步电机数学模型(则有,u,,,r ,0)。基本方程如下: u,r ..，，，RLLsmis，，u，，,s,,,s00..,,,,,,i，uRLLsm,s,ss,,,,,00,,.. (1) ,,,,i,,,r,,，LLRLLmrmrr0,,,,,,..i,,,r，，，，,,0,,,,，LLmLRLrmrr，， T,n(,i,,i),nL(ii,ii)ep,s,s,s,spm,s,r,s,r (2) Jd,,TTLF (3) ,,,endtnpp R 、:定子电阻和自感 Lss 、:转子电阻和自感 RLrr :定子互感 Lm :电机转子角速度，即机械角速度 , u 、u:定子电压(、)分量 ,,,s,s ii 、:定子电流(、)分量 ,,,s,s 、:转子电压(、)分量 uu,,,r,r 、:转子电压(、)分量 ii,,,r,r ，分别为机械转动惯量和机械磨擦系数 FJ 本文均采用空间矢量分析方法，图1是异步电机的空间矢量等效图，在正交 定子坐标系(坐标系)下描述异步电机模型。 ,,, L,iRi s s r L* L Rr ..u s, i,ru s j,, r 2-1 异步电动机空间矢量等效图 各个物理量定义如下: —定子电压空间矢量 u(t)s —定子电流空间矢量 i(t)s —转子电流空间矢量 i(t)r —定子磁链空间矢量 ,(t)s —电角速度 , 依图1以下表达式表示异步电机在定子坐标系下的方程: ， (4) U,Ri，,ssss ，0 = -+j (5) Ri,,,rrrr =Li (6) ,us =- (7) ,Li,rs,r 定子旋转磁场输出功率为(下式表示定子旋转磁场的频率): ,s 33，，，P=== (8) ,TRE{,i*}(,i，,i)sdsss,s,s,s,22 . 并且有 , (9) j,L(i，ji),ss,s,s 把表达式(9)分解到()坐标下得: ,,, . (10) ,,,,Li,,,,ss,ss,s, . (11) ,,,,Li,,,,ss,ss,s, 把式(10)和式(11)代入式(8)得转矩表达式: 3 (12) T,(,i,,i)ds,s,s,s,2 从图1可得: ，结合式(6)、式(7)得: i,i，isur 13 (13) T,(,i,,,)ds,r,s,r,L2, 上式也可以表示成(为磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角): , 13 (14) T,,,sin,dsrL2, 定子磁链的幅值根据式(4)由定子电压积分来计算的，而转子磁链幅值由负载决定的，它根据式(5)由转子电流决定，而稳态转矩据式(14)则通过计算磁通角来实现。 3 仿真模型建立 3.1 电压型逆变器的模型 逆变器是直接转矩伺服驱动器中的重要部分，本系统采用的是电压型逆变 ,,,器。如图2，每个桥臂各有上、下两个开关管(S、S、S、、、)，SSSabcabc在同一时刻总有一个开关管断开，另 a ,, 与，与 一个闭合。其中SSSSSSScaabbba b ,2E 与均互为反向，也即一个导 SSScca,,, SSS abc通而另一个断开。a、b、c表示异 c 步电机的三相。逆变器总共有8种 3-1 电压型逆变器 开关状态，如表1: 表1 逆变器8种开关状态 开关状态 0 1 2 3 4 5 6 7 S0 1 0 1 0 1 0 1 a S0 0 1 1 0 0 1 1 b S0 0 0 0 1 1 1 1 c 从表1可以看出，开关状态0、7属于同一状态，其相当于把电机三相A、B、C同时接到同一电位上，这两种状态称为零状态;而另外状态1,6则称为工作状态。所以实际上电压逆变器共有7种不同状态。由图2可知，当电压型逆变器在没有零电平输出时它的六种工作状态的电压波形、电压幅度和开关状态的对应关系如图3，图中、、、、、分别对应状态(011)、(001)、(101)、uuuuuus1s2s3s4s5s6 (100)、(110)、(010)。 3.2 磁链模型 DTC常用的磁链计算模型有三种:u-i模型, i-n模型和u-n模型。其中u-i模型较为简单,其数学表达式如下: ,,(U,Ri)dt (15) SSSS, 在SIMULINK中以下面的模块来实现:其中的给定为定子电阻，经过坐标变换后的电压与电流与定子电阻由积分运算得到磁链。 3-2 仿真中的定子磁链 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 图 可以运行在10 %或30 %额定转速以上的高速范围。而i - n 模型可以在低速范围内运行, u - n 模型可以在全速范围内运行 ,但由于实现起来比较麻烦所以本文中没有采用。 3.3 磁链合成计算 3-3 磁链合成设计图 3.4 磁链轨迹区段的确定 在直接转矩控制中，为了能够选取合适的电压空间矢量，必须确定磁链所在区段的具体位置。只有这样才能结合磁链与转矩开关信号给出当前所需要接通的电压矢量。 3.4.1六边形磁链轨迹区段的确定 电机定子磁链的运动方向是依方向进行，六种工作状态电压形成磁,u(t)ss 链轨迹六个边。将定子磁链分解成三相(如图3-4): , ,, ,c S5 , ( 2 ) b S4S6 ,, (1 ) , a , , S3 S1 ,,bc S2 3-5 ()坐标下 ,,,3-4 三相坐标系下 圆形磁链轨迹区域图 六边形磁链轨迹图 定子磁链三相分量为、、。、、通过施密特触发器得,,,,,,,a,b,c,a,b,c磁链开关信号、、，这三个磁链信号与电压开关信号关系为: S,S,S,abc ,;,;,，其中、、是开关信号、SUS,SUS,SUS,SUSUSUSUacbacbabca 、的反相。定子磁链与六边形区段对应关系如表2: SUSUbc 表2 定子磁链与六边形区段对应关系表 (011) (001) (101) (100) (110) (010) ,(,，,，) ,c,a,b S1S2S3S4S5S6磁链区段 3.4.2 圆形磁链轨迹区段的确定 22圆形磁链轨迹磁链幅为:,,,，, ，，为定子磁链在(坐,,s,s,s,s,标,,,)下的投影。如图8将圆形轨迹分成六个区域，根据，的正负值,,s,s,可以确定磁链轨迹在哪个区域中。;例如在第一象限，,30?，在ab弧?30?，,,而在bc弧段?30?。通过这种方式可以确定磁链在圆形轨迹的任何一个区域。 , 3.5 转速、转矩、磁链调节器 为了实现速度的闭环控制,我们引入了速度控制器,通过将将实际转速ω与给定转 *速比较,将转速差送入PI调节器,再经过滞环比较器可得到给定转矩,，由坐标转换后Te定子电压和磁链算得转矩相比较来决定磁链开关进而来控制直流逆变器。 3-6 给定转速算得给定转矩 3-7 磁链调节器 3.6 直接转矩的开关矢量表 将上述磁链调节器与转矩调节器结合起来，共同控制逆变器开关状态，这样既能保证磁链在限定范围内，也能使电机的输出转矩快速跟随给定转矩，从而保证系统有很高的动态特性。开关状态表如表3: 表3 开关状态表 1 2 3 4 5 6 ,(N) Y T,out 1 uuuuuus1s5s4s6s2s3 0 1 uuuuuus0s7s0s7s0s7,1 uuuuuus2s3s1s5s4s6 1 uuuuuus5s4s6s2s3s1 0 0 uuuuuus7s0s7s0s7s0,1 uuuuuus6s2s3s1s5s4 4 异步电机DTC仿真结果与分析 4.1 初始给定仿真 首先给定转速为1000rpm,负载为20N*m,对其进行了最初的仿真尝试,以下为仿真的显波器的显示,虽然MATLAB软件中可以在SIMULINK中把显波器的属性改后可以直接把图形拷贝到WORD中,但我试了多次,结果不行,所以直接截屏得到这些图,并对其进行分析. 对于SIMULINK仿真,我采用MATLAB推荐的ODE23TB或ODE15S算法,示波器的显示可以用右键点击选用AUTOSCALE或者选中一块区域放大来看. 4-1 直流逆变PWM输出三相电压 4-2 坐标变换后的定子磁链 4-3 电机转子电流 4-4 磁链合成后幅值图 80 70 60 50 40 30 20 10 000.10.20.30.40.50.60.70.80.91 4-5 电机的电磁转矩 4-6 磁链开关的输出图 4-7 异步电机输出转速 4-8 判断磁链所属区段的输出图 由这些输出结果可知:由4-2图可知输出的定子磁链比较符合结果，先建立时好似离心运动轨迹，但很快建立圆形定子磁场，并且幅值也在给定附近变化，但变化范围很小;异步电机的输出转速响应迅速，并且无超调;但是电机的输出的电流与转矩 却出现了大的脉动，电流总体是正弦曲线，还比较符合仿真预测，但转矩的脉动范围却有一些大，这也是它的一个缺点。 4.2 转速与转矩均变化仿真 初始给定负载转矩为20N*m,在0.5秒时阶跃为30N*m,而初始给定转速为1000rpm,在0.75秒时阶跃为500rpm. 4-9 测得异步电机转矩的输出图 4-10 测得转速的输出图 4-11 给定转速算得给定转矩输出图 4-12 异步电机定子电流随给定转速和转矩输出图 4-13 异步电机坐标变换后磁链轨迹 4-14 磁链所属区段随给定转矩和转速的输出图 结果分析:这次是在两个给定同时变化时观测输出，从仿真结果可知，虽然给定转速与转矩同时变化，但对于定子磁链轨迹的影响是比较小的，这也是我这个系统比较满意的一点，而且还是圆形轨迹;这次从输出的三相定子电流和输出转矩可知，起动时定子电流和电机输出转矩均很大，输出转矩大约为75N*m,而后下降趋于稳定，电流也相应趋于稳定，但这段时间里，由给定转速算得给定转矩上升到略大给定的20N*m，在0.5秒时,转矩上升到30N*m,由定子三相电流图可得电流波形没有畸变,但幅值变大,这也 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 定子电流的频率与负载转矩无关,负载与给定转矩上升至大于30N*m而稳定,但转速略下降而后上升;在0.75秒时,转速阶跃到500rpm,这时定子电流有略微失真,而后稳定但这次幅值没有变化,频率却变小,负载与给定转矩先瞬间下降而后陡升到起动转矩大小而后趋于稳定,但这次输出转矩却与给定转矩30N*m 非常接近. 参考文献 [1 ] 薛定宇,陈阳泉. 基于MATLAB SIMULINK的系统仿真技术与应用[M] . 北京:清 华大学出版社,2002. [2 ] 李夙. 异步电动机直接转矩控制[M] . 北京:机械工业出版社,1998. [3 ] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统(第二版) [M] . 北京:机械工业出版社,2000. [4 ] 魏金成. 基MATLABPSIMULINK的无速度传感器直接转矩控制(DTC) 系统仿真 [J ] . 四川工业学院学报,2002. [5 ] DEPENBROCKM1 Direct Self-Control (DSC) of inverter-fed induction machine[J ]1 IEEE Trans Power Electronics ,1988 ,PE - 3 (4) ,420 - 429. [6 ] GIUSEPPE S1BUJA , MARIAN P1KAZMIERKOWSKI1 Direct Torque Control of PWM Inverter- Fed AC Motors-A Survey [ J ]1 IEEE trans Industrial Electronics,2004,51(4):744-757.