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1、 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE coordinate Flux Voltage space vector Matlab Simulink 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 目 录 1 绪论 1 1 1 交流调速系统的主要类型 1 1 2 直接转矩控制技术的产生与概况 2 1 3 直接转矩控制的主要特点 2 1 4 直接转矩控制技术的发展 3 2 直接转矩控制基本概念 4 2 1 异步电动机数学模型 4 2 2 坐标变换和变换矩阵 6 2 3 逆变器模型 8 2 4 电压空间矢量 9 2 5 电压空间矢
2、量对定子磁链的影响 10 2 6 电压空间矢量对电动机转矩的影响 11 2 7 直接转矩控制的基本结构 12 2 7 1 直接转矩控制系统基本结构原理框图 12 2 7 2 结构介绍 13 3 异步电动机的定子磁链模型 19 3 1 定子磁链模型 17 3 2 转矩调节器与磁链调节器 18 3 2 1 转矩调节器 19 3 2 2 磁链调节器 19 4 直接转矩控制系统的仿真研究 21 4 1 基本思路 21 4 2 系统仿真模型的建立 21 4 3 仿真结果 27 5 结论 30 参考文献 31 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 致谢 33 异步电动机直接转矩控制 MATLAB
3、 仿真研究 第 1 页 共 33 页 1 绪论 1 1 交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机 即感应电机 和同步电机两大类 每类电机又有不同 类型的调速系统 按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有 1 降电压调速 2 转差离合器调速 3 转子串电阻调速 4 绕线电机串级调速或双馈电机调速 5 变极对数调速 6 变压变频调速等等 在研究开发阶段 人们从多方面探索调速的途径 因而种类繁多是很自然的 现在 交流调速的发展已经比较成熟 为了深入掌握其基本原理 就不能满足于这种表面上的 罗列 而要进一步探讨其本质 认识交流调速的基本规律 电动机的能量转换类型 按照交流异步电机的原理 从定
4、子传入转子的电磁功率可分成两部分 一部分是拖 动负载的有效功率 称作机械功率 另一部分是传输给转子电路的转差功率 与转差率 s 成正比 他们的公式关系见公式 1 1 1 2 1 3 Pm Pmech Ps 1 1 Pmech 1 s Pm 1 2 Ps sPm 1 3 从能量转换的角度上看 转差功率是否增大 是消耗掉还是得到回收 是评价调速 系统效率高低的标志 从这点出发 可以把异步电机的调速系统分成三类 转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中 上述的第 1 2 3 三种调速方法都属于这一类 在三类异步电机调速系统中 这类系统的效率最低 而且 越到低速时效率
5、越低 它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的 恒转矩负载 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 第 2 页 共 33 页 时 可是这类系统结构简单 设备成本最低 所以还有一定的应用价值 转差功率馈送型调速系统 在这类系统中 除转子铜损外 大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入 转速越低 能馈送的功率越多 上述第 4 种调速方法属于这一类 无论是馈出还是 馈入的转差功率 扣除变流装置本身的损耗后 最终都转化成有用的功率 因此这类系 统的效率较高 但要增加一些设备 转差功率不变型调速系统 在这类系统中 转差功率只有转子铜损 而且无论转速高低 转差功率基本不变 因此效率更高 上述
6、的第 5 6 两种调速方法属于此类 其中变极对数调速是有级 的 应用场合有限 只有变压变频调速应用最广 可以构成高动态性能的交流调速系统 取代直流调速 但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器 相比之下 设 备成本最高 1 1 2 直接转矩控制技术的产生与概况 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掉了交流调速 系统在静 动态性能上与直流无法与媲美的问题 矢量控制技术模仿直流电动机的控制 以转子磁场定向 用适量变换的方法 实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解 耦 但在实际上由于转子磁链难以观测 由于系统受电动机的转速影响较大 以及在模 拟直接电动机控制过
7、程中所用矢量旋转变换的复杂性 使得实际的控制效果难以达到理 论分析的结果 这是矢量控制技术在实践上的不足之处 1985 年德国鲁尔大学的德朋布洛克 Depenbrock 教授首次提出了直接转矩控制的 理论 接着 1987 年把它推广到弱磁调速范围 2 1 3 直接转矩控制的主要特点 1 直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 控制的电机的磁链和转矩 它不需要将交流电动机与直流电动机做比较 等效 转化 既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 所用的控制信号使观测者对于 交流电动机
8、的物理过程能够做出直接和明确的判断 2 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链 只要知道定子电阻就可以把它观 测出来 而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链 而观测转子磁链需要知道电动机转子 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 第 3 页 共 33 页 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 其他物理量 使问题变的简单明了 4 直接控制控制强调的是转矩的直接控制效果 它包含两层意思 直接控制转 矩 对转矩的直接控制 3 1 4 直接转矩控制技术的发展 异步电动机的直接转矩
9、控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的高性能 交流变频调速技术 它以其新颖的控制思想 简明的系统结构 优良的动 静态性能得 到了迅速的发展 它的主要特点有 省去了复杂的矢量旋转变换与电动机数学模型的简 化处理 没有通常的 PWM 信号发生器 不需要精确测量磁链矢量的位置 而只需要确 定磁链矢量所在的区域 采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模和控制其 各物理量 控制磁场定向用的是定子磁链 所以直接转矩控制被广泛的应用于交流调速 领域中 4 1985 年 德国鲁尔大学的 Depenbrock 教授首次提出了基于六边形磁链的直接自控 制 DSC 的理论 而后 1987 日本东芝公司的
10、 I Takahashi 教授提出了基于圆形磁链的 直接转矩控制 DTC 直接转矩控制技术在理论研究与产品开发上 已取得了丰富的成果 并带来了巨大 的经济效益 但作为新兴的技术 还存在许多不成熟 不完善的问题 如低速运行时 受电动机的参数变化影响严重 稳态运行时 脉动大 这些大大限制了直接转矩控的应用 随着近年来国内外专家 学者对直接转矩控制进行的大量深入的研究 Domenico Casadei 等提出在单位功率因素的条件下产生出符合直接转矩控制要求的电压矢量的控制策略 Aalborg 大学能源技术研究所 Kyo Beum Leed 等 提出的直接转矩控制与空间矢量调制 相结合的控制方法 直接
11、转矩控制在很大程度上解决了矢量控制中的计算控制复杂 易 受电动机参数变化影响 实际性能难以达到理论分型结果的一些重大问题 5 综上所述 直接转矩控制是一种具有高性能的交流调速方法 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 第 4 页 共 33 页 2 直接转矩控制基本概念 2 1 异步电动机数学模型 普通的 VVVF 调速系统是基于异步电机稳态数学模型 虽然也能够在一定范围内实 现平滑调速 但是如果遇到轧钢机 数控机床 机器人 载客电梯等需要高动态性能的 调速系统或伺服系统 就不能完全适应了 要实现高动态性能的系统 必须认真研究异 步电动机动态数学模型 异步电动机的动态数学模型是一个高阶
12、 非线性 强耦合的多变量系统 在研究其 多变量非线性数学模型时 常作如下的假设 1 忽略空间谐波 设三相绕组对称 在空间互差 120 电角度 所产生的磁动势沿 气隙周围按正弦规律分布 2 忽略磁路饱和 各绕组的自感和互感都是恒定的 3 忽略铁心损耗 4 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响 6 在 DTC 的分析中 采用空间矢量的数学模型分析方法 使问题变得简单明了 异 步电动机的空间矢量的等效电路图如图 2 1 所示 is Rs L ir Rr L i j r r us 图 2 1 异步电动机空间矢量等效电路图 各物理量定义如下 us t 定子电压空间矢量 is t 定子电流空间矢量 i
13、r t 转子电流空间矢量 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 第 5 页 共 33 页 t 定子磁链空间矢量 r t 转子磁链空间矢量 电角度 规定各绕组电压 电流 磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则 这时 异 步电机的数学模型由下述电压方程 磁链方程 转矩方程和运动方程组成 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为 A AAs d ui R dt 2 1 B BBs d ui R dt 2 2 B BBs d ui R dt 2 3 与此相应 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 a aar d ui R dt 2 4 b bbr d ui R dt 2 5 b bbr
14、 d ui R dt 2 6 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 上述各量都已折算到定子侧 为简单起见 表示折算的上标 均省略 下同 7 电压方程的矩阵形式 其中 微分算子 代替微分符号 d dt 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 AAs BBs CCs aar bbr ccr uiR uiR uiR uiR uiR uiR p A B C a
15、 b c 2 7 2 自感表达式 对于每一相绕组来说 它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和 因此 定子各 相自感为 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 第 6 页 共 33 页 LAA LBB LCC Lms Lls 2 8 转子各相自感为 Laa Lbb Lcc Lms Lls 2 9 3 磁链方程 磁链方程分块矩阵 rr L sssrs rsrr LLi Li s 2 10 式中 s A B C T r a b c T i s iA iB iC T i r ia ib ic T 4 电压方程 didLdidL uRip LiRiLiRiLi dtdtdtd 2 11 式中 L
16、di dt 项属于电磁感应电动势中的脉变电动势 dL dt wi 项属于电磁感应 电动势中与转速成正比的旋转电动势 8 5 转矩方程 转矩方程如下 2 3 ssssne iiPT 2 12 6 电力拖动系统运动方程 若忽略电力拖动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性 则系统的运动方程式是 eL P J d TT ndt 2 13 其中 L T为负载转矩 e T为电磁转矩 J为转动惯量 2 2 坐标变换和变换矩阵坐标变换和变换矩阵 上文中虽已推导出异步电机的动态数学模型 但是 要分析和求解这组非线性方程 显然是十分困难的 在实际应用中必须设法予以简化 简化的基本方法是坐标变换 1 坐标变换的基本思路 从上节分析异步电机数学模型的过程中可以看出 这个数学模型之所以复杂 关键 是因为有一个复杂的6 6 电感矩阵 它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系 因 此 要简化数学模型 须从简化磁链关系入手 2 交流电机的物理模型 如果能将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式 分析和控制就可 异步电动机直接转矩控制 MATLAB 仿真研究 第 7 页 共 33 页 以大大简化 坐标变换正是按照
