直接转矩控制系统

目录

1概述 (1)

2异步电机动态模型的建立 (2)

2.1异步电机的三相数学模型 (2)

2.2异步电机两相模型 (4)

3直接转矩控制的基本原理及特点 (6)

3.1直接转矩控制系统原理与特点 (6)

3.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (7)

4系统建模与仿真 (10)

4.1 Matlab/Simulink简介 (10)

4.2模块模型实现 (10)

4.2.1电机模型 (11)

4.2.2磁通和转矩滞环控制器 (12)

4.2.3磁链选择器 (13)

4.2.4电压矢量选择 (14)

4.2.5其他模块 (15)

附录 (18)

5感受和体会 (17)

参考文献 (24)

直接转矩控制技术仿真分析

1概述

异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。直接转矩控制就是一种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，直接转矩系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的正、负符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。直接转矩控制系统能够实现优良的静、动态特性，但是也有其不足之处。

基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的对象，就不能满足要求了。要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异步电动机的动态数学模型来设计。

本说明书第二章主要讲述异步电机动态模型的建立，分析其动态模型以及控制特点。第三章讲述直接转矩控制的特点。第四章主要讲述仿真模型的构造。

2异步电机动态模型的建立

电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。交流电机不同于直流电机，不能简单地分析设计调速系统，由于其动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。

2.1异步电机的三相数学模型

研究异步电机数学模型时忽略空间谐波、磁路饱和、铁心磁损，也不考虑频率变化和温度变化对绕线电阻的影响。其动态模型由磁链方程、电压方程、、转矩方程、运动方程组成。

1.磁链方程

每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡c b a C B A cC cb

ca

cC

cB

cA

bc bb ba bC bB bA ac ab aa aC aB aA Cc Cb Ca CC CB

CA Bc Bb Ba BC BB BA Ac Ab Aa AC AB AA

c b a C B A i i i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ψψψψψψ

（2-1a ）

或写成 Li Ψ=

（2-1b ）

式中，L 是6×6电感矩阵，其中对角线元素AA L ，BB L ，CC L ，aa L ，bb L ，cc L 是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。

2.电压方程

三相定子绕组的电压平衡方程为

t

R i u d d A

s A A ψ+

= t

R i u d d B

s B B ψ+

= （2-2）

t

R i u d d C

s C C ψ+

=

与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为

t R i u d d a

r a a ψ+=

t R i u d d b

r b b ψ+= （2-3）

t R i u d d c

r c c ψ+=

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； ψA 、ψB 、ψC 、ψa 、ψb 、ψc ——各相绕组的全磁链； Rs 、Rr ——定子和转子绕组电阻； 写成矩阵式为

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣

⎡+⎥

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣

⎡c b a C B A c b a C B A r r r s s s c b a C B A 0

00000000000000000000000000

ψψψψψψp i i i i i i R R R R R R u u u u u u

（2-4a ）

或写成 ΨRi u p +=

（2-4b ）

3.转矩方程

根据机电能量转换原理，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为

Li i ψi T T W W 2121'

m m ===

（2-5）

电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率m m W θ∂∂/'

（电流约束为常值），且

机械角位移 θm = θ / np ，于是

.

const 'm

p

.

const m

'

m

e ==∂∂=∂∂=

i i W n W T θ

θ

（2-6）

将式（2-4）代入到式（2-5），并考虑到电感的分块矩阵关系式，得

i L L i i L i ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂=∂∂=002121rs sr p p e θθθT T n n T

（2-7）

又由于

][][c b a C B A

r s

i i i i i i T T T ==i i i

（2-8）

代入式（2-7）得