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1、 青海大学 综合型设计实验报告 实验名称：异步电机直接转矩控制系统 姓 名： 学 号： 所在院系：化工学院化工机械系 专 业：自动化（2） 指导老师：实验时间：2013.12.162013.12.27综合性设计型实验报告系别：化机系 班级：10级自动化（2） 2013 2014 学年第 一 学期学号姓名指导教师课程名称 综合性设计型实验实验名称异步电机直接转矩控制系统设计实验类型设计性实验地点青海大学实验时间2013.12.16-2013.12.27实验内容：（简述）1了解并熟悉异步电机直接转矩控制系统的原理及组成；2建立了异步电机直接转矩控制系统的模型；3用MATLAB进行仿真实验，并观测异
2、步电机定子磁链的轨迹，三相和两相坐标系下的电流波形，以及电机启动和加载后的转矩和转速波形，得到了良好的仿真结果。实验目的与要求：1通过试验掌握异步电机直接转矩控制系统知识内容；2能将异步电机直接转矩控制系统的数学模型转换成仿真模型；3在进行仿真实验中，调整参数，得到最佳值；4记录试验结果。设计思路：（设计原理、设计方案及流程等）直接转矩原理：直接转矩控制的核心思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。通过检测电机定子电压和电流, 利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法, 直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型, 计算与控制异步电动机的磁链和转矩。它采用离散的两点式调节器(砰-砰控制器)
3、, 把转矩检测值与转矩给定值作比较, 使转矩波动限制在一定的容差范围内。产生六拍阶梯波, 直接对逆变器的开关状态进行控制, 以获得高动态性能的转矩输出。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。异步电动机数学模型的动态方程 在正交定子参考坐标系下，将电动机变量表示成矢量的形式，异步电动机模型的空间矢量等效图 图中：Us-定子电压空间矢量Is-定子电流空间矢量Ir-转子电流空间矢量 Us-定子磁链空间矢量异步电机在定子坐标系上由下列方程表示：
4、定子磁链和转子磁链由下试获得：根据定子磁场提供的功率，可以得出转矩方程：式中，定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁链角。运动方程：2设计方案在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电机，而转子磁链幅值由负载决定。上式表明，当维持定子磁链和转子磁链的幅值都恒定不变时，只要改变它们两者之间的夹角就可以改变转矩，这实际上就是直接转矩控制之所以简单的根本所在。从而得出控制系统框图。从图中可看到，直接转矩控制系统主要由以下几部分组成:(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，
5、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Sabc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
6、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。(l)速度PI调节器单元由图3-1可知，给定转矩由给定转速和实际转速。偏差经过速度PI调节器得到。根据异步电动机运动方程可知电磁转矩与速度偏差之间是比例积分的关系。因此，通过速度调节器能获得理想中的转矩值，实现转速的闭环控制。而公式中的字母所代表的参数通常根据控制系统的实际情况进行整定。(2)磁链和转矩滞环比较单元定子磁链计算采用较为简单
7、的U-I模型，磁链与定子电压之间的关系为：由于定子电阻通常比较小，在分析时忽略钉子电阻压降的影响，则有： 上式表明单位时间内的定子的电压矢量实际上就是磁链矢量的增量，定子电压的大小和方向决定了磁链轨迹的运行速度和方向。由此可知控制异步电机的输入电压矢量，就可以控制定子磁链的大小、旋转方向和速度。关键技术分析：1在异步电机直接转矩控制系统设计中，采用了保持钉子磁链的幅值为额定值，而转子磁链幅值由负载就决定，通过改变磁通角，来改变电机转矩的整体控制思想；2本次仿真中，通过对开关状态的编号，从而对映开关状态表一一导入到开关状态选择器中，是遇到的关键技术之一。实验过程：（包括主要步骤、成果介绍、代码分
8、析、实验分析等）设计步骤：1. 异步电机模型仿真所用到的电机参数如下：额定电压Un=400V，频率，额定转速V=1430r/min，定子电阻Rs =1.405，转子电阻Rr = 1.395，定子等效两相绕组的自感Ls =0.005839H，转子等效两相绕组的自感Lr =0.005839H，定子与转子同轴等效绕间的互感Lm = 0.1722H，极对数pn = 2，转动惯量J = 0.0131kg.m2 2. 转速控制器此模块通过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
9、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3. 转矩控制器转采用滞环比较器滞环比较器参数设置如图4. 转矩和磁链观测模块此模块用于估计电机磁通值、电磁转矩以及磁链角，图4-9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。 转矩和磁链观测模块变换式为： 两相静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换的变换式为： 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下图所示：三相静止-两相旋转坐标转换2s/2r坐标变换5. 扇区选择模块：直接
10、转矩控制将磁链空间划分为6个区间，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）结构图如下磁链扇区判别值扇区S123456电压空间矢量表该模块以给定磁链和实际磁链的差值u1,给定转速和实际转速的差值u2，以及磁链所在的扇区u3这三个量作为输入，输出相应的开关电压矢量。模型如图所示: 空间电压矢量选择表6电压电流测量模块电压电流测量模块7开关状态开关状态表状态工作状态零状态12345678Sa00111001Sb10001101Sc11100001电压源型逆变器是由三组、六个开关组成。由于Sa
11、与、Sb与、Sc与之间互为反向，即一个接通另一个断开，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，该项的开关状态为“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，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。理想电压源型逆变器结构图逆变器的8种开关状态状态0123 456701100 011 0011100 100001111对应于逆变器的8种开关状态
12、，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3-9所示。6种工作电压空间矢量两两相隔60，其顶点构成正六边形的个顶点。所对应的开关状态是100-110-010-011-001-101。如果用符号Us(t)表示逆变器的输出电压空间矢量，则电压空间矢量的顺序是Us1(100)-Us2(110)-Us3(010)- Us4(011)-Us5(001)-Us6(101
13、)。零电压矢量位于正六变形的中心。用电压空间矢量表示的离散的电压状态状态工作状态零状态12345689开关状态011001101100110010000111电压状态表示Ua（t）Us (011)Us (001)Us (101)Us (100)Us (110)Us (010)Us (000)Us (111)表示Ua（t）Us1Us2Us3Us4Us5Us6Us7表示Ua（t）1234567逆变器的电压状态与开关状态的对照关系pluse1内代码为： 8. 总体结构体如下：实验分析：系统给定值如下:给定磁链为0.9s，Tm=15，TL=0NM，给定直流电压为600V；给定转速1400r/min，给定转矩容差为0.1NM。仿真结果如下：仿真所得的磁链波形、转速、转矩、脉冲波形和三相电流分别如下图所示： 磁链波形 转速 转矩 脉冲波形 三相电流由转矩和定子电流的波形看出，转矩和定子电流均存在脉动太大的问题，这是本文做得不足而需要改进的地方。分析一下，应该有以下的原因：首先，直接转矩控制系统使用了转矩滞环控制器来控制电机的转矩，使得实际转矩值保持在其给定值的一定范围之内变化，
