按定子磁链定向控制直接转矩控制系统仿真(共17页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 基于三相异步电机直接转矩控制系统与矢量控制系统性能比较摘要 矢量控制系统（VC）和直接转矩控制系统（DTC）都是已经普遍应用的高性能交流调速系统，它们的理论基础都缘于电动机的多变量非线性数学模型。两种控制系统不同之处仅在于：VC系统选用了方程，而DTC系统则选用方程。两种系统的总体控制结构也是一致的，因此，作为高性能的调速系统，VC和DTC在本质上是相同的，都能实现较高的静、动态性能。两种系统的具体控制方法不一样，因而具有不同的特色和优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，又各有所侧重的应用领域。随着技术的发展，两种方案的产品都在朝着克服其缺点的方向前进，而科研方向应

2、该是取长补短、走互相融合的道路。文章对按转子磁链定向的矢量调速系统进行了计算机仿真研究,运用Matlab的Simulink和Power System工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真方法,实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模与仿真;重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置,给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果,仿真结果非常接近实际情况,说明了仿真模型的正确性。关键词:交流异步电动机;仿真建模; Matlab软件;矢量控制关键词：交流调速系统 矢量控制 直接转矩控制 Matlab软件Abstract Both vector control system (VC) and

3、direct torque control system (DTC) are widely used ac adjustable speed systems with high performances. Their theoretical basis derives from the multivariable nonlinear mathematical model of electric motors. The difference between VC and DTC lies only in that VC system selects equations, but DTC sele

4、cts . Besides, the general control structure of the two systems are identical, and hence as a high-performance ASD system VC and DTC are essentially the same. But the concrete control methods of them are different, so they possess different characteristics, different merits and defects. Besides the

5、popularly used high-performance variable speed systems, they are laid with particular emphasis on different application area. Along with the technical progress, the products of these 2 systems are advancing in the direction of overcoming their defects. The way of scientific research should be to lea

6、rn from each others strong points and to make up the deficiencies. The simulation of the direct torque control system and the vector control system for rotor flux orientation is studied in this paper.The modeling and simulation of the vector control system of speed and flux close loop with the torqu

7、e inside loop are completed by applying electrical principles and the toolbox of Simulink and PowerSystem in the Matlab software. The paper mainly introduces the modeling of the speed adjustmentsystem and the setting of parameters of the controller. The obtained results of the simulation are close t

8、o actual situation, which proves the correctness of the modeling. Keywords：AC speed adjustable system, vector control, direct torque control Matlab software;第一章 按定子磁链定向控制直接转矩控制系统仿真要实现按定子磁链定向控制的直接转矩控制系统,还必须获得定子磁链和转矩信号,现在实用系统中,多借助定子磁链和转矩的数学模型,实时计算磁链的幅值和转矩.下面给出按定子磁链定向的直接转矩控制系统各部分环节的仿真模型.1.主电路的建模和参数设置在按

9、定子磁链控制的直接转矩控制系统中,主电路是由直流电源,逆变器,交流电动机模块等组成.对于逆变器,可以采用电力电子模块组中选取”universal bridge”模块，取臂数为3，电力电子元件设置为IGBT/Diodes.交流电机取machines库中的Asynchronous Machine Si units 模块，参数设置为交流异步电动机，电压为380v,50hz, Rs=0.435 ,Rr=0.816,Llr=0.002H,Lls=0.002H,Lms-=0.06931H，极对数为2。直流电压参数为380v.2.控制电路模型和参数设置(1).脉冲发生器建模。由直接转矩控制的工作原理可知，此

10、系统采用电压空间矢量控制的方法，当电机转速较高，钉子电阻造成的压降可以忽略时，其定子三相电压合成空间矢量us和定子磁链幅值m的关系为usddtmejw1t=jw1mejw1t=wmej(w1t+2)1公式表明电机旋转磁场的轨迹问题可以转换为电压空间矢量的运动轨迹问题。在电压空间矢量控制时有八个工作状态，开关管VT1，VT2，VT3，导通，VT2，VT3，VT4导通VT3，VT4，VY5导通等，为了叙述方便，依次用电压矢u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8表示，其中u7,u8为零矢量。 从直接转矩控制原理可以知道脉冲发生器的作用在Te,都大于零时按照等顺序依次导通开关管，故采用六个PW

11、M模块，参数设置为峰值为1，周期为0.002，脉冲宽度为50。但六个PWM模块的延迟时间分别设置为0，0.0033，0.0066，0.0099，0.0165。由给定的钉子磁链*以及转速调节器PI输出的给定转矩Te*同电机输出的,Te相比较，当偏差大于零时，PWM脉冲发生器控制逆变器上下桥臂功率开关器件动作，按正常顺序导通，但如果偏差小于零或者有一个小于零时,PWM脉冲必须给出零矢量，也即只能使开关管VT1,VT3,VT5同时导通，VT2,VT4,VT6截至。为了达到这种要求，现假设等参数较高时为1，相对低时为0，由以上的说明可以列出电压空间矢量状态，见表 电压空间矢量状态表Te*Te*电压矢量

12、1010u1，u2，u61001U70110U70101U7从表可以看出，对于Te,的值，当两个都大于零时，Relay模块输出为1，当有一个小于零时或两个都小于零时，Relay模块对应的输出为零，也即模块的参数的设置模块设置参数是环宽为1，输出为1或0。采用这种方法的好处在于可以和后面的的逻辑运算模块进行协调控制。由于需要对PWM脉冲进行控制，所以采用逻辑运算模块。下面以第一个开关管的为例说明控制原理。第三和第五个开关管控制方式和第一个开关管控制方式相同。当Te*Te,*时，两个模块输出均为1，应该按u1,u2,u3,u4,u5,u6正常顺序依次导通开关管，但当Te*Te,*成立或者其中一个成

13、立时，两个模块输出均为0，或其中一个为0，开关管的触发脉冲应为1，也即零矢量，其真值表见表所列，其中，1表示文为较高值，0表示相对低值，表示任意电平，PWM表示原有的触发脉冲，PWM表示控制后的触发脉冲。 第一个开关管的导通状态Te*Te*PWMPWM1010011011001101011从上面真值表可以设计出控制方案，采用两个逻辑模块搭建第一个开关管的触发脉冲模型，参数设置为NAND，另一个为OR，如图所示。 第一个开关管的pwm脉冲控制从图可以看出，ln3是转矩之差处理后的结果，ln4是定子磁链之差处理后的结果，当二者均大于零时，输出为1，经过NAND模块处理后，为低电平0，同PWM原有脉

14、冲进行相或后，输出的PWM脉冲保持不变，还是原有的PWM脉冲;当有一个为零或者两个都为零时，经过NAND模块处理后，为高电平1，同PWM原有脉冲进行相或后，输出的脉冲始终为1，从而保证了零矢量。 对于第二个，第四个和第六个开关管的PWM控制原理，也可以列出真值表 第二个开关管的导通状态Te*Te*PWMPWM1010011001001001010从上面真值表可以设计出控制方案，采用逻辑运算模块搭建第二个开关管的PWM触发脉冲模型，如图所示 第二个开关管的控制 从图可以看出，当ln3,ln4二者均大于零时，输出为1，同PWM原有脉冲进行相与，经过AND模块处理后，输出PWM脉冲保持不变，还是原有

15、的PWM脉冲；当ln3,ln4有一个为零或者两个都为零时，经过AND模块处理后，PWM为低电平0，从而保证了第二个，第四个和第六个开关管截止。PWM触发脉冲模型及子系统如图所示。 Pwm脉冲模型及封装后子系统(2)定子磁链模型。建立定子磁链模型时，先写出坐标系上定子磁链的数学模型式中，Lm为dq坐标系定子与转子同轴等效绕组互感，Lm=32Lms;Ls为dq坐标系定子等效两相绕组的自感，Ls=Lm+L1s 式中是在dq坐标系上的定子磁链，由于直接转矩控制需要的是坐标系上的钉子磁链，还必须把上式进行坐标转换。 式中两边都左乘以两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换矩阵C2r/2s，得到两相旋转作坐标系

16、变换到两相静止坐标系的变换方程为对于定子绕组而言，在静止坐标系上的数学模型时任意旋转坐标系数学模型当坐标旋转等于0时的特例，=0，即为定子磁链在坐标系上的变换阵，也即C2r/2s=1001=e从式可以看出，对于定子绕组的磁链方程，其dq坐标系和ab坐标系方程完全相同，故设计定子磁链模型及封装后子系统如图所示，其参数为, Lm=32Lms=0.,Ls=Lm+L1s=0. 定子磁链模型及封装后子系统(3)转矩模型的建立。由于MATLAB模型的中的交流电机测量模块只有dq坐标系上的值，没有坐标系的值，故采用转矩方程为搭建转矩模型如图所示，其参数为p=2,Lm=0. 转矩模型及封装后子系统由于转矩模型

17、输入的是电机测量模块上dq坐标系上的定，转子电流，在电机测量模块中，其定转子电流的值与Te有关，当Te=0时，仿真就会终止，为了防止这种情况发生，在转矩模型后端加了一个保持模块Memory，参数设置为1，即可达到要求。Relay模块宽度设置为1，也即Switch o n point 为0.5, Switch off point 为-0.5,output when on为1，,output when off为0.(4)调节器的建模与参数设置。转速调节器采用调节器，参数设置为=100，=10，上下限幅为800 -1。将主电路和控制电路的仿真模型进行连接，即可得图按定子磁链控制的直接转矩控制系统的仿

18、真模型。系统仿真参数设置：仿真中所选择的算法为ode23tb,start 设为0，stop设为3.0s。 按定子磁链控制的直接转矩控制系统的仿真模型3.仿真结果 仿真结果如图所示，图是对于恒转矩负载时的仿真结果，而图是对于负载变化时的仿真结果，负载开始时为10NM，在1.0时负载变为50NM. 恒转矩定子磁链轨迹 变转矩定子磁链轨迹 恒转矩负载电机的三项电流曲线，转矩曲线，速度曲线 变转矩负载电机的三项电流曲线，转矩曲线，速度曲线 从仿真结果可以看出，对于恒转矩负载，当给定信号w*=140rad/s时，在调节器作用下，电机转速很快上升，最后稳定在140rad/s。而当负载产生变化时，由于系统的

19、自动调节，使得转速很快上升为原来的给定转速，表明系统动态性能较好。电机的稳态转速由给定转速信号控制，对于闭环内的扰动能够克服。在电机启动阶段，电流和转矩波动都较大，且在稳定时转速和磁链都会上下波动，同直接转矩控制理论相符合，整个变化曲线同实际情况非常类似。从仿真结果可以看出，虽然系统响应较快，但是缺点是转矩脉动较大，定子磁链的轨迹不够平滑。而且当转矩变化时，可以明显看到转速曲线脉动，电流明显增大。4小结直接转矩控制系统采用转矩Te和定子磁链r双位式控制，根据定子磁链幅值偏差，电磁转矩偏差以及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁链矢量s所在的位置，直接选取输出电压矢量，避开了旋转坐标变换，简化的

20、控制结构，控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数的影响，但不可避免产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。 第二章 矢量控制系统1.主电路建模与参数设置与直接转矩主电路建模和参数完全一致.2.控制电路建模与参数设置(1)滞环脉冲发生器建模。滞环脉冲发生器作用是给定电流iA、iB、iC同输出电流i*A、i*B、i*C相比较,电流偏差超过一定范围时,滞环脉冲发生器控制逆变器上(下)桥臂功率器件动作,使得输出电流尽可能接近给定电流。为了保证同一桥臂上下轮流动作,上臂桥采用Relay模块,滞环宽度取12。为了加快仿真,下臂桥采用由Data TypeConversion、Logical Oper

21、ator等模块组成。滞环脉冲发生器及封装后的子系统如图 电流跟踪控制器仿真模型及封装后子系统(2)转子磁链模型。 在建立转子磁链模型时,需要用坐标变换,但在Matlab模块库中,没有两相静止坐标与两相旋转坐标的变换模块,只有三相坐标到两相坐标变换模块,通过角度是否变化确定了变换方式。因此不能直接应用Matlab中坐标变换模块。但如果把模块abc-dq0 Transformation的旋转角度加上90b,同时矩阵幅值乘以3/2时,两者就完全相等。同样,两相坐标变换到三相坐标,在应用dq0-abc Transformation模块时角度和幅值上也应当进行适当调整。在转子磁链模型中还需要求Ws,由于

22、Ws=istLm/TrWr,故采用Fcn模块,函数定义为Lmu(1)/(u(2)Tr+1e-3),其中,u(1)表示ist;u(2)表示Wr。转子磁链模型及封装后子系统如图所示。 电流变换与磁链观测仿真模型及封装后子系统(3)解耦部分建模。为了抑制转子磁链和电磁转矩的耦合性,也是采用Fcn模块,函数义为n*pL*mu(1)u(2)/Lr,其中,u(1)为转子磁链Wr,u(2)为ist。(4)调节器的建模与参数设置。磁链调节器、转矩调节器和转速调节器均采用PI调节器,然后进行封装。图5所示为转速调节器的模型及封装后的子系统,磁链调节器和转矩调节器建模方法与此相同。各参数设置如下:ASR:Kp=1

23、0,Ki=8,上下限幅为175175;ATR: Kp=415,Ki=12,上下限幅为6060;AR:Kp=118,Ki=100,上下限幅为1313。 转速调节器的模型及封装后的系统 转矩调节器的模型及封装后的系统 磁链调节器的模型及封装后的系统3.系统仿真参数设置:磁链给定为2.0。将主电路和控制电路的仿真模型进行连接,即可得按转子磁链定向矢量交流变频调速系统的仿真模型,如图所示。仿真中所选择的算法为ode23 tb,Start设为0,Stop设为3.0 s。 转速，磁链闭环控制的矢量控制系统仿真模型恒转矩负载电机的三项电流曲线，速度曲线，转矩曲线 变转矩负载电机的三项电流曲线，速度曲线，转矩

24、曲线 磁链的轨迹 结果分析：在恒转矩为10Nm的负载的时候，转速在上升阶段，转矩也在上升，开始电流也比较大，当转速稳定在给定转速时，电流下降到20左右，转矩也下降维持在10Nm左右.当运行到1秒时，负载转矩变为50Nm时，电流也略微增大，转矩也平滑的变为50Nm左右。转速看不到明显抖动，依然维持在给定转速，表明系统动态性能良好。和直接转矩时曲线对比，可以很明显看出，矢量控制系统的转矩比较平滑，而直接转矩控制的转矩脉动很大。从矢量控制系统的磁链轨迹和直接转矩控制系统对比，可以看出矢量控制系统的磁链轨迹非常接近圆形轨迹，开始轨迹半径比较小，最终轨迹半径趋向稳定，而且非常平滑。4小结矢量控制系统通过

25、电流闭环控制，实现了定子电流的两个分量ism和ist的解耦，进一步实现了转矩Te和转子磁链r的解耦，有利于设计转速和磁链调节器，实行连续控制，可获得较宽的调速范围，但按转子磁链定向受电机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。转矩动态响应不够快。，总结矢量控制与直接转矩控制系统的控制方法各有所长，也各有不足之处。虽然两种控制策略各有一些不足之处，但很多有识之士在克服这些缺点方面做了许多研究和开发工作，获得了不少进展，因此，上述结论也不是一成不变的。直接转矩控制和矢量控制两种方案的产品都在朝着克服其缺点的方向前进，而科研方向应该是取长补短地走互相融合的道路。如何取长补短，探索新型的控制方法是当前的研究的课题之一，由于本人水平和时间有限，只能带进一步学习。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统M.第3版.北京:机械工业出版社,2003.2.顾春雷，陈中.电力拖动自动控制系统与matlab仿真. -北京：清华大学出版社，2011.43.陈伯时.矢量控制与直接转矩控制的理论基础和应用特色J.电力电子，2004 (1) ; 5 - 9.专心-专注-专业