直接转矩控制系统与仿真
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逆变器输出的电压矢量, 就可控制电机转矩的大小。 即把计算所得的电机实际转 矩 M 与给定值 M 比 较, 当误差 M- M 大于允许误差 ! M 时让逆变器输
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出零电压矢量, 使电机 输出转矩减小 , 回到误 差限 内; 反之让其输出非零电压矢量, 使转矩增大; 当误 差在允许范围内时, 逆变器维持原状态不变。 1. 3 D. T . S 系统异步电机数学模型 对于 A、 B、 C 三相坐标系中异步电机基本方程 式的求解是十分困难的, 故常采用各种线性变换( 坐 标变换) 对其进行改造, 使异步电机动态特性的分析 和求解变得比较容易进行。适当选取坐标变换 , 将 A、 B、 C 坐标系变换为 ∀ 、 # 坐标系 , 相当于把三相感
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结论
从实验和仿真结果来看 , 整个系统结构简单 , 价 格低廉 , 运行可靠 , 控制性能良好, 是一种非常有实 用价值的控制系统。 参
(1) (2) (3) (4) 1989 马忠梅 . 单片机的 C 语言应用程序设 计 . 北 京 : 北京航空航 天 大学出版社 , 1999 吴受章 . 应用最优控制 . 西安 : 西安交大出版社 , 1992 韩惠君 . 系统仿真 . 北京 : 国防工业出版社 , 1993
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编译、 运行、 动态跟踪诊断、 打印都集成到一起。只 要点一下菜单、 或按一个∀热键∀ , 就可实现其功能。 Mpro 还提供简明、 及时、 多窗口的 信息来表示 或引导使用者的操作过程。良好、 明快、 集成的图形 界面大大提高了用户开发自己软件产品的效率。在 UNIX 系统下没有自己的集成环境语言程序的开发, 如果不利用 Motif 库函数, 而直接利用 X 窗口库函数 开发同样功能的程序 , 其复杂度和工作量将不知道 大多少倍 , 而且 Mpro 可在任何一种支持 Mot if 图形 用户界面标准的 UNIX 工作站上迅速移植成功。
3
结论
一个好的用户接口应该具有直观性、 一致性、 可
移植性、 可靠性、 易使用性、 提供反馈以及提供用户 指导和帮助信息等 , 真正做到人机友好。在 Motif 下 开发自己的产品, 将会有更高的开发效率 , 更好的移 植性, 更精彩的界面, 从而有更强的竞争力。 作 者 简 介
吕冬梅 : 哈尔滨市公安局通讯计算机应用监察处 。 邮编 : 150010 王惠娟 : 哈尔滨市公安局通讯计算机应用监察处 。 邮编 : 150010 ( 收稿日期 : 2000 ∋ 12∋ 20) 责任编辑 : 杨立民
图2 空间电压矢量
调的交流电 , 供给交流负载。本系统采用单片微机, s 恒定的情况下 , 只需简单的硬件资源 , 即可实现异步电机的交流调 速。图 3 为系统控制电路硬件结构。 系统包括一个主程序, 五个子程序( 积分计算磁 链子程序、 计算转矩子程序、 计算合成磁链子程序、 A D 子程序、 查表子程序等) , 两个中断子程序 ( 定时 器 0 中断子程序、 INT1 中断子程序) 。 2. 2 实现结果 本系 统 对 额 定 功 率 为: 5. 5KW, 额 定 转 速: 171rad s, 极数 P: 4 星型接法的三相感应电动机进 行了实验。当 Vd 很低 ( 约在 20V 左右 ) 时, 电机开 始步进式地缓慢而平滑地连续运转 , 随着 Vd 的增 大 , 电机 转速亦随之增大, 反之 亦然。通过反复实 验 , 证明该系统具有高动态性能特性。 此外 , 在同一电 机下, 本文对 该系统进 行了仿 真 , 研究这种控制方法的有效性以及此系统动、 静态 性能。图 4 给出电机合成磁链 s、 电机转矩 M 以及 电机转速 的仿真图形。
2001 年第 2 期
信
息
技
术
# 10#
直接转矩控制系统与仿真
杜育宽 魏应彬 孙盛杰
摘 要 利用单片微机实现异步电动机直接转矩控制系统。 分析该系统的基本原理、 控制规律、 数学 模型、 系统的软 、 硬件实现以及对该系统的仿真和实验 。从仿真和实验结果分析 , 证明这种控制系统的有效 性。 关键词 直接转矩控制 异步电机 仿真 择逆变器的最佳开关模式来直接控制磁链矢量 的控制。 s
图 4 电机合成磁链 s、 电机转矩 M 以及电机转速
的仿真图形
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信
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技
术
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三相桥臂上开关元件的通与断。 1. 2 系统控制规律 磁链控制规律: 对于电压型 PWM 逆变器 , s0∃ 1. 2. 1
应电动机变换成为等值的两相感应电机。通过变换 和整理, 可得定子磁链和转矩到二相 ∀、 # 的变换式 为:
∀ #
电机定子磁链矢量可表示为: s∃ = %Vs∃ dt = Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) & t+
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技
术
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境 MPro
Mpro 将交互式工程项目 ( project ) 设计, 文 件管 理, 打印, 高效率的文本编辑 , 程序编译, 运行, 动态 跟踪诊断集成在一起, 提供给用户一个高效的开发 环境。其界面和操作方式与目前微机上常用的集成 程序开发环境( 如 BorlandC 十十) 类似。它的 Project 设计提供多窗口逐步引导用户为自己的大工程建立 良好的框架结构 , 建立各子模块间的连接关系 , 建立 各子模块与其包含文件的编译关系 , 连接各种图形 库、 窗口库、 数据库等, 选择不同的编译设置提高编 译效率。在 UNIX 系统下 开发 大工程 进行 整体 设 计, 建立与操作系统、 窗口、 编译器的联系这对用户 来说 最 难掌 握 , 对 开 发效 率 影响 最大 的 工作 , 在 Project 良好界面 的逐步引导下 就会比较容易 地完 成。 Mpro 的文本编辑是在 Mot if 的 Text( 文本 ) 类部 件的基础上开发出来的, 完全克服了 VI、 E 等老式文 本编辑器编程效率低下的缺点。它的功能和微机上 优秀文本编辑软件很相似。利用! 热键∀ 的编辑功能 更加简捷 . 多窗口的便捷复制、 删除、 粘贴、 查询、 替 换、 跳行使用户感到得心应手。它的大编辑存储区 能够装入几万行的大型程序。此外 , Mpro 还将程序
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1. 2. 2
转矩控制规律 : 在磁链
控制异步电动机转矩实质上就 是控制转差角 速度 & , 当逆变器输出非零电压矢量时 , s 以最大角速 度 s 旋转 , 转差角速度 & = 电压矢量时, 磁链 = s( 为电机转子 角速度) 为正 , 电机转矩 M 增大。当逆变器 输出零 s 停转 , s= 0, 转差角速度 & 为负值 , 故电机转矩 M 减小。所以通过控制
0
引言
尽管矢量控制理论能实现交流电动机高性能速
的运动轨迹和速度, 实现对异步电动机转矩和速度
度控制 , 但所得到的控制器对于较大范围的应用来 说太复杂, 而且对电机参数的依赖性过大。控制方 法的改进 ( 及替代矢量变换) 应保持直接转矩控制的 特点。直接转矩控制系统是根据对定子电压、 电流 的检测, 实时计算出电机的磁链和转矩 , 将其与给定 值比较 , 通过磁链矢量和转矩的 Bang_Bang 控 制选
M= np ( i#
- i∀
#
)
2 D. T. S 系统实现
图 3
系统控制电路硬件结构图
系统设计 通用的 PWM 型逆变器实际上是一种交 - - 直
- - 交电压型变频器, 它由整流器、 中间环节和逆变 器组成 , 通过整流器将工频交流电整流成直流电 , 经 过中间环节 , 由逆变器将直流电逆变成频率、 幅值可
考
文
献
陈坚 . 交流电机数学模型及调速系统 . 北 京 : 国防工业出版 社 ,
作
者
简
介
杜育宽 : 海南大学信息学院 。邮编 : 570228 魏应彬 : 海南大学信息学院 。邮编 : 570228 孙盛杰 : 海南大学信息学院 。邮编 ; 570228 ( 收稿日期 : 2001 ∋ 01∋ 15) 责任编辑 : 李光辉
= % ( u∀ - i∀Rs ) dt = % ( u# - i#Rs ) dt
∀
Leabharlann Baidu
三个开关量 Sa 、 Sb 、 Sc 的通和断可以组成 8 种 工作状态 , V0 和 V7 表示两个零矢量 , 如图 2 所示。 当逆变器处于某一工作状态时 , s∃ 沿 该状态 对应的电压矢量 Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) 方向运动 , s∃ 的速 度比例于电压矢量的幅值。这意味着当 Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) 为非零电压矢量时 , s∃ 以恒定速度旋转 ; 而当 Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) 为零电压矢量时 , s∃ 停止不动。这 样, 利用磁链的 Bang_Bang 控制切换逆变器开 关状 态( 选择电压矢量 ) 可使 s∃ 轨迹按一定规律运动。 由此, 在两个空间非零电压矢量间插入一个或多个 空间零电压矢量就可调节 s∃ 的旋转速度。 2. 1
1 直接转矩控制 ( D. T. S) 系统基本原 理、 控制规律及数学模型
1. 1 D. T. S 系统基本原理 系统原理框图如图 1 所示。
图 1 D. T. S 系统基本原理框图
系统由两个控制环组成, 内环为磁链环, 外环为 转矩环。系统中开关状态逻辑切换单元 ( ESS) 的输
出为三个具有 ! 1∀ 和! 0∀ 两个状态并互差 2 3 电角 度的开关状态量 Sa、 Sb 、 Sc, 用以控制逆变器 A、 B、 C
逆变器输出的电压矢量, 就可控制电机转矩的大小。 即把计算所得的电机实际转 矩 M 与给定值 M 比 较, 当误差 M- M 大于允许误差 ! M 时让逆变器输
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出零电压矢量, 使电机 输出转矩减小 , 回到误 差限 内; 反之让其输出非零电压矢量, 使转矩增大; 当误 差在允许范围内时, 逆变器维持原状态不变。 1. 3 D. T . S 系统异步电机数学模型 对于 A、 B、 C 三相坐标系中异步电机基本方程 式的求解是十分困难的, 故常采用各种线性变换( 坐 标变换) 对其进行改造, 使异步电机动态特性的分析 和求解变得比较容易进行。适当选取坐标变换 , 将 A、 B、 C 坐标系变换为 ∀ 、 # 坐标系 , 相当于把三相感
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结论
从实验和仿真结果来看 , 整个系统结构简单 , 价 格低廉 , 运行可靠 , 控制性能良好, 是一种非常有实 用价值的控制系统。 参
(1) (2) (3) (4) 1989 马忠梅 . 单片机的 C 语言应用程序设 计 . 北 京 : 北京航空航 天 大学出版社 , 1999 吴受章 . 应用最优控制 . 西安 : 西安交大出版社 , 1992 韩惠君 . 系统仿真 . 北京 : 国防工业出版社 , 1993
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编译、 运行、 动态跟踪诊断、 打印都集成到一起。只 要点一下菜单、 或按一个∀热键∀ , 就可实现其功能。 Mpro 还提供简明、 及时、 多窗口的 信息来表示 或引导使用者的操作过程。良好、 明快、 集成的图形 界面大大提高了用户开发自己软件产品的效率。在 UNIX 系统下没有自己的集成环境语言程序的开发, 如果不利用 Motif 库函数, 而直接利用 X 窗口库函数 开发同样功能的程序 , 其复杂度和工作量将不知道 大多少倍 , 而且 Mpro 可在任何一种支持 Mot if 图形 用户界面标准的 UNIX 工作站上迅速移植成功。
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结论
一个好的用户接口应该具有直观性、 一致性、 可
移植性、 可靠性、 易使用性、 提供反馈以及提供用户 指导和帮助信息等 , 真正做到人机友好。在 Motif 下 开发自己的产品, 将会有更高的开发效率 , 更好的移 植性, 更精彩的界面, 从而有更强的竞争力。 作 者 简 介
吕冬梅 : 哈尔滨市公安局通讯计算机应用监察处 。 邮编 : 150010 王惠娟 : 哈尔滨市公安局通讯计算机应用监察处 。 邮编 : 150010 ( 收稿日期 : 2000 ∋ 12∋ 20) 责任编辑 : 杨立民
图2 空间电压矢量
调的交流电 , 供给交流负载。本系统采用单片微机, s 恒定的情况下 , 只需简单的硬件资源 , 即可实现异步电机的交流调 速。图 3 为系统控制电路硬件结构。 系统包括一个主程序, 五个子程序( 积分计算磁 链子程序、 计算转矩子程序、 计算合成磁链子程序、 A D 子程序、 查表子程序等) , 两个中断子程序 ( 定时 器 0 中断子程序、 INT1 中断子程序) 。 2. 2 实现结果 本系 统 对 额 定 功 率 为: 5. 5KW, 额 定 转 速: 171rad s, 极数 P: 4 星型接法的三相感应电动机进 行了实验。当 Vd 很低 ( 约在 20V 左右 ) 时, 电机开 始步进式地缓慢而平滑地连续运转 , 随着 Vd 的增 大 , 电机 转速亦随之增大, 反之 亦然。通过反复实 验 , 证明该系统具有高动态性能特性。 此外 , 在同一电 机下, 本文对 该系统进 行了仿 真 , 研究这种控制方法的有效性以及此系统动、 静态 性能。图 4 给出电机合成磁链 s、 电机转矩 M 以及 电机转速 的仿真图形。
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直接转矩控制系统与仿真
杜育宽 魏应彬 孙盛杰
摘 要 利用单片微机实现异步电动机直接转矩控制系统。 分析该系统的基本原理、 控制规律、 数学 模型、 系统的软 、 硬件实现以及对该系统的仿真和实验 。从仿真和实验结果分析 , 证明这种控制系统的有效 性。 关键词 直接转矩控制 异步电机 仿真 择逆变器的最佳开关模式来直接控制磁链矢量 的控制。 s
图 4 电机合成磁链 s、 电机转矩 M 以及电机转速
的仿真图形
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三相桥臂上开关元件的通与断。 1. 2 系统控制规律 磁链控制规律: 对于电压型 PWM 逆变器 , s0∃ 1. 2. 1
应电动机变换成为等值的两相感应电机。通过变换 和整理, 可得定子磁链和转矩到二相 ∀、 # 的变换式 为:
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电机定子磁链矢量可表示为: s∃ = %Vs∃ dt = Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) & t+
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境 MPro
Mpro 将交互式工程项目 ( project ) 设计, 文 件管 理, 打印, 高效率的文本编辑 , 程序编译, 运行, 动态 跟踪诊断集成在一起, 提供给用户一个高效的开发 环境。其界面和操作方式与目前微机上常用的集成 程序开发环境( 如 BorlandC 十十) 类似。它的 Project 设计提供多窗口逐步引导用户为自己的大工程建立 良好的框架结构 , 建立各子模块间的连接关系 , 建立 各子模块与其包含文件的编译关系 , 连接各种图形 库、 窗口库、 数据库等, 选择不同的编译设置提高编 译效率。在 UNIX 系统下 开发 大工程 进行 整体 设 计, 建立与操作系统、 窗口、 编译器的联系这对用户 来说 最 难掌 握 , 对 开 发效 率 影响 最大 的 工作 , 在 Project 良好界面 的逐步引导下 就会比较容易 地完 成。 Mpro 的文本编辑是在 Mot if 的 Text( 文本 ) 类部 件的基础上开发出来的, 完全克服了 VI、 E 等老式文 本编辑器编程效率低下的缺点。它的功能和微机上 优秀文本编辑软件很相似。利用! 热键∀ 的编辑功能 更加简捷 . 多窗口的便捷复制、 删除、 粘贴、 查询、 替 换、 跳行使用户感到得心应手。它的大编辑存储区 能够装入几万行的大型程序。此外 , Mpro 还将程序
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转矩控制规律 : 在磁链
控制异步电动机转矩实质上就 是控制转差角 速度 & , 当逆变器输出非零电压矢量时 , s 以最大角速 度 s 旋转 , 转差角速度 & = 电压矢量时, 磁链 = s( 为电机转子 角速度) 为正 , 电机转矩 M 增大。当逆变器 输出零 s 停转 , s= 0, 转差角速度 & 为负值 , 故电机转矩 M 减小。所以通过控制
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引言
尽管矢量控制理论能实现交流电动机高性能速
的运动轨迹和速度, 实现对异步电动机转矩和速度
度控制 , 但所得到的控制器对于较大范围的应用来 说太复杂, 而且对电机参数的依赖性过大。控制方 法的改进 ( 及替代矢量变换) 应保持直接转矩控制的 特点。直接转矩控制系统是根据对定子电压、 电流 的检测, 实时计算出电机的磁链和转矩 , 将其与给定 值比较 , 通过磁链矢量和转矩的 Bang_Bang 控 制选
M= np ( i#
- i∀
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2 D. T. S 系统实现
图 3
系统控制电路硬件结构图
系统设计 通用的 PWM 型逆变器实际上是一种交 - - 直
- - 交电压型变频器, 它由整流器、 中间环节和逆变 器组成 , 通过整流器将工频交流电整流成直流电 , 经 过中间环节 , 由逆变器将直流电逆变成频率、 幅值可
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陈坚 . 交流电机数学模型及调速系统 . 北 京 : 国防工业出版 社 ,
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简
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杜育宽 : 海南大学信息学院 。邮编 : 570228 魏应彬 : 海南大学信息学院 。邮编 : 570228 孙盛杰 : 海南大学信息学院 。邮编 ; 570228 ( 收稿日期 : 2001 ∋ 01∋ 15) 责任编辑 : 李光辉
= % ( u∀ - i∀Rs ) dt = % ( u# - i#Rs ) dt
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Leabharlann Baidu
三个开关量 Sa 、 Sb 、 Sc 的通和断可以组成 8 种 工作状态 , V0 和 V7 表示两个零矢量 , 如图 2 所示。 当逆变器处于某一工作状态时 , s∃ 沿 该状态 对应的电压矢量 Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) 方向运动 , s∃ 的速 度比例于电压矢量的幅值。这意味着当 Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) 为非零电压矢量时 , s∃ 以恒定速度旋转 ; 而当 Vi∃ ( Sa, Sb, Sc) 为零电压矢量时 , s∃ 停止不动。这 样, 利用磁链的 Bang_Bang 控制切换逆变器开 关状 态( 选择电压矢量 ) 可使 s∃ 轨迹按一定规律运动。 由此, 在两个空间非零电压矢量间插入一个或多个 空间零电压矢量就可调节 s∃ 的旋转速度。 2. 1
1 直接转矩控制 ( D. T. S) 系统基本原 理、 控制规律及数学模型
1. 1 D. T. S 系统基本原理 系统原理框图如图 1 所示。
图 1 D. T. S 系统基本原理框图
系统由两个控制环组成, 内环为磁链环, 外环为 转矩环。系统中开关状态逻辑切换单元 ( ESS) 的输
出为三个具有 ! 1∀ 和! 0∀ 两个状态并互差 2 3 电角 度的开关状态量 Sa、 Sb 、 Sc, 用以控制逆变器 A、 B、 C