2022年直接转矩控制基本原理和仿真研究报告.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用直接转矩掌握的基本原理和仿真讨论摘要： 直接转矩掌握技术是继矢量掌握技术之后,在沟通传动领域内进展快速的一种高性能调速技 术,该掌握方法以其思路新奇、结构简洁及性能良好等优点引起了广泛关注和讨论；与矢量掌握技 术不同,直接转矩掌握技术采纳定子磁场定向,直接将磁通和电磁转矩作为掌握量,对电磁转矩的 掌握更加简捷快速,提高了系统的动态响应才能；由于直接转矩掌握技术本身的固有优势,使直接 转矩掌握的理论讨论和技术开发越来越受到重视,进展的步伐也越来越快；本文将直接转矩掌握技 术应用于异步电机中,从异步电机的数学模型动身,介绍

2、了直接转矩掌握技术的基本理论；在深化剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化,在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形磁链掌握系统仿真模型；仿真结果说明,直接转矩掌握技术动态响应才能快,掌握方法直接,但是 低速性能较差,低速状态下存在转矩脉动过大,定子电流畸变严峻等缺点；关键字： 直接转矩掌握,异步电机,simulink The Basic Principle and Simulation Study of Direct Torque Control Kong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu technology is a high-speed technology i

3、n the field of AC drive following the technique of vector control and it has rapid development in recent years.This control strategy attracts wide attention and research for its novel idea, simple structure and good performance. Differ from the vector control technologies, DTC technology uses the st

4、ator flux orientation and directly makes the flux and electromagnetic torque as the control volume, therefore the control of the electromagnetic torque is simple and fast, the system dynamic response capability is improved. Due to the inherent advantages of DTC technology, its theoretical research a

5、nd technological development is receiving increasing attention, also the pace of progress faster and faster.In this article, we make direct torque control techniques applied to asynchronous motors. From a mathematical model of induction motor starting, introduced the basic theory of DTC technology.

6、Based on depth analysis of the basis and principles, we module the DTC algorithm. In the Simulink environment, the asynchronous motor direct torque control system of quasi-circular flux simulation model is established. Simulation results show that the DTC technologies has fast dynamic response capab

7、ility and directly control method, but the low-speed performance is poor, such as torque ripple is too large in low speed state and the stator current distortion is serious.Key words:direct torque control DTC,asynchronous motor,simulink 1 前言 直接转矩掌握技术作为一种新奇的电机掌握策略,基本思想就是直接将电磁转矩作为 被掌握量,与矢量掌握相比,无需进行复杂的

8、坐标变换,对电机的掌握更加快捷快速,控 制系统的动态响应才能得到进一步提高；为了将直接转矩掌握方法应用于异步电机中,我 们在分析三相异步电机的数学模型基础上,具体阐述直接转矩掌握的基本原理,并将各个 部分模块化,在 MATLAB/Smulink 环境下建立了直接转矩掌握仿真模型进行了仿真讨论；2 直接转矩掌握的基本原理和仿真模型 2.1 直接转矩掌握的基本原理和仿真图名师归纳总结 2.1.1直接转矩掌握的基本原理第 1 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 1 直接转矩掌握系统的基本原理图如下列图 1；其基本原

9、理是将速度传感器检测出的电机实际转速 n 与电机给定转速 n*比较的值输入 PI 调剂器后得到给定转矩值；由霍尔传感器得到的异步电机定子电压和电流经过磁链和转矩转矩估量器得到转矩实际值,两相定子磁链重量、以及定子磁链幅值；定子磁链幅值 与给定的磁链幅值比较后输入磁链滞环调剂器得到磁链信号；给定转矩值 与转矩实际值 经过比较后输入到转矩滞环调剂器得到转矩信号；定子磁链在两相静止坐标系下的、重量经过区间判定单元得到定子磁链所处扇区信号；磁链开关信号、转矩开关信号 以及定子磁链扇区信号 通过查阅开关表得到所要的电压矢量信号、进而掌握异步电机运行状态；2.1.2 直接转矩掌握的仿真模型总图异步电机直接

10、转矩掌握系统主要由以下几个子系统组成：异步电机模型、转速调节器、磁链信号和转矩信号产生模块、定子磁链扇区判定模块、电压矢量挑选模块和名师归纳总结 逆变器模块组成,完整系统模型图如图2 所示；第 2 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 2 异步电机直接转矩掌握2.2 三相异步电机的基本原理和仿真模块 2.2.1 三相异步电机的数学模型 要想对三相异步电机进行高效掌握,其数学模型的精确建立是不行或缺的；如大家所 知,三相异步电机本身是一个非线性、强耦合的高阶多变量系统,建立一个系统的、完整 的反映异步电机真实性能

11、的数学模型是讨论直接转矩掌握技术在异步电机中应用的理论基 础；为了建立三相异步电机数学模型,一般在异步电机理论基础上进行如下的假设：1）忽视空间谐波,设电机三相绕组对称分布,在空间互差 生的磁动势沿气隙空间正弦规律分布；2）忽视磁路饱和,电机定转子表面光滑；3）忽视铁心损耗；4）忽视频率变化和温度变化对电机绕组电阻的影响；120 电角度,各项电流所产在上述假设基础上,由于电机的电压和电流测量都处于静止坐标系中,因而如将三相 异步电机的在三相静止坐标系下的各个状态方程变换到两相静止坐标系下,会简化数学模 型和状态方程,两相静止坐标系一般称为 - 坐标系,如图 3 中a）、 b）即分别为三相 定子

12、坐标系和两相静止坐标系下的定子电流,三相 / 两相变换矩阵如式 1-1 ）； 1-1）名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3 坐标变换关系图异步电机数学模型在两相静止坐标系下的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程,具体如下：电压方程： 1-2）磁链方程： 1-3转矩方程： 1-4运动方程： 1-5名师归纳总结 其中,为两相静止坐标系下定子电压,重量,为两相静止坐标下第 4 页,共 14 页的定子电流重量,为两相静止坐标系下转子电流重量,为电机定子和转子每相电阻,为定子自感,

13、为转子自感,为定转子互感,p 代表微分运算；,为两相静止坐标系下定子磁链重量,分别为两相静止坐标系下转子磁链重量；代表电机电磁转矩,代表负载转矩,J 代表电机的转动惯量,代表极对数,为电机- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用角速度；2.2.2异步电机模型2.2.1节的异步电机数学模型的电压方程、磁链方程、转矩方程名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 6 u-i 模型结构图使用 u-i 模型来确定异步电机定子磁链的优点是在运算

14、过程中唯独需要用到的电机参数只有定子电阻,式 1-6）中的定子电压、定子电流和定子电阻属于易于测量的物理量,因此该方法是定子磁链观测中最简洁的方法；在异步电机高速运行时,定子电阻引起的压降可以忽视不计,利用 u-i 模型估算法可以得到特别精确的观测结果；但是在低速时,定子电压很小,定子电阻变化引起的影响不能忽视,因此定子电阻参数变化对积分结果影响很大, u-i 模型的观测结果会失真,需要随着温度的变化对电阻值进行修正；而且实际检测定子电压和电流时,不行防止的会产生幅值偏差和相位偏差；积分器存在误差积存和直流温漂问题,这些问题在电机处于低速运行时将特别突出；u-i 模型观测定子磁链的算法中不包含

15、电子转子参数的信息,且运算时不需要电机转速信息,适合无速度传感器直接转矩掌握系统；定子磁链的掌握目标是挑选定子电压矢量实现定子磁链对给定值的动态跟踪,将定子磁链幅值掌握在容差限制的范畴内,使定子磁链轨迹接近于圆形；定子磁链的幅值和相位可由式 在直接转矩掌握中,定子磁链由磁链滞环比较器来掌握,对定子磁链幅值进行两点式调剂,滞环比较器的带宽为2,上下限分别为和-,它们是定子磁链偏差答应的波动范畴,磁链滞环比较器的原理图如图7 所示；图 7 磁链滞环比较原理上图中输入信号是运算定子磁链幅值与给定定子幅值的比较值,输出信号为磁链信号 Q；当 时,磁链信号 Q=1；当 式中,为异步电机的极对数, 为定子

16、磁链和转子磁链之间的夹角；可以看出电磁转矩是由定子磁链和转子磁链的矢量积打算,通过转变定子磁链和转子磁链之间的夹角可 以掌握电磁转矩的大小；在直接转矩掌握中电磁转矩的掌握和定子磁链的掌握类似都是通 过滞环比较器来完成,与磁链滞环比较器采纳的是两点式调剂不同,转矩滞环调剂器采纳 的三点式调剂方法,其原理图如图 8 所示；图 8 转矩滞环比较器原理转矩调剂采纳三点式调剂的缘由是如采纳两点式调剂,当转速处于低速或者突然降至 低速时会使零电压矢量的作用时间变长,简洁引起圆形磁链产生畸变,增加转矩脉动；转矩滞环比较器的输入信号是给定转矩和实际转矩的比较值,输出为转矩信号,上下限分别为和-；当时,转矩信号

17、TQ=1；当时,转矩信号 TQ=-1,其他情形转矩信号TQ=0；2.4.3磁链信号和转矩信号产生模块磁链信号和转矩信号产生模块如图9 所示；磁链信号产生模块的输入分别为定子磁链给定值和定子磁链运算值,转矩信号产生模块的输入分别为电磁转矩给定值与电磁转矩实际值,磁链滞环比较器的容差值设为 0.01,转矩滞环比较器的容差值为 0.5；其中定子磁链幅值由公式 1-7 运算得到图 9 磁链和转矩开关信号的仿真模型2.5 定子磁链扇区判定名师归纳总结 2.5.1定子磁链的区间判定第 7 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用

18、图 10 磁链所处区间为了确定定子磁链 所处的区间位置,可将定子磁链轴线顺时针旋转 120 ,成为轴线 a1 、b1、 c1,如图 10 所示,设定子磁链 s 在轴线 a1、 b1、c1 上的投影为、可以得到： 1-9自定义一个函数 :,即可得到定子 磁链所处的区 间位第 8 页,共 14 页置 ； 由 式 SN=即可得到定子磁链的扇区信号SN；11 所示；2.5.2定子磁链扇区判定模块3.1 节中的公式运算得到,其仿真模型图如图定子磁链所处的区间位置由- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 11 定子磁链扇区判定模块仿真模型

19、2.6 电压矢量挑选 电磁转矩的大小由定子磁链的幅值、转子磁链的幅值和定子磁链及转子磁链之间的夹 角 打算；在实际应用中,定子磁链的幅值要保持为额定值以便充分利用电机铁心,负载打算了转子磁链的幅值,因此电磁转矩的大小就通过转变定子磁链及转子磁链之间的夹角 来实现；在直接转矩掌握技术中,电机实际运行时转子磁链的旋转速度不会发生突变,因此基本掌握方法就是通过挑选电压矢量掌握定子磁链的旋转速度来转变夹角 的大小,从而掌握电磁转矩大小；电磁转矩与所挑选电压矢量的关系如图 12 所示；图 12 定子磁链和电压矢量的关系图当施加正向电压矢量时,定子磁链的旋转速度增加,使定子磁链与转子磁链之间的夹 角增大,

20、从而增大转矩；当施加零电压矢量时,定子磁链的运动会停止,而转子磁链的旋 转照旧进行,使两者的夹角减小,从而减小转矩；当施加反向电压矢量,定子磁链的旋转 方向会反向,能快速减小定子磁链与转子磁链的夹角,从而快速减小转矩；具体的电压矢 量挑选方法见表 1；表 1 电压矢量挑选表将此表分为两个子表如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用表中 QQ 为磁链信号, TQ 为转矩信号；再依据电压矢量与每相电压信号的关系可得下表； Sa,Sb,Sc分别为三相的电压矢量信号；依据这三张表可以画出电压矢量挑

21、选模块图如图 13 所示；图 13 电压矢量挑选模块2.7 逆变器在沟通传动领域中,逆变器是不行或缺的装置,作用是将直流电转换为沟通电,通过掌握逆变器来对电机进行调速；与矢量掌握不同,直接转矩掌握去掉了快速电流掌握环,名师归纳总结 逆变器由电流可控电压逆变器变为正常的电压型逆变器,结构图如图14 所示；第 10 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 14 电压型逆变器结构图由上图可以看出,电压型逆变器由上下三组共六个开关组成,每一组的两个开关状态为相反关系,即其中一个如是导通状态,另一个必需是断开状态,三组开关

22、共有 8 种开关状态；规定某一相与“ ” 极相通时的开关状态为“1” 态,相对的如某一相与“ ” 极相通就开关状态为“0” 态；逆变器的电压矢量信号与输出电压的关系如表2 所示；表 2 电压矢量信号与输出电压转换表依据此表可以在 simulink 中使用 Embedded Matlab Function 功能编写函数实现由电压 矢量信号得到输出的三相电压；代码如下：function uA,uB,uC= fcnSa,Sb,Sc,Ud if Sa=0&Sb=0&Sc=0 uA=-Ud/2,uB=-Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa=1&Sb=0&Sc=0 uA=Ud/2,uB=-Ud/

23、2,uC=-Ud/2 elseif Sa=1&Sb=1&Sc=0 uA=Ud/2,uB=Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa=0&Sb=1&Sc=0 uA=-Ud/2,uB=Ud/2,uC=-Ud/2 elseif Sa=0&Sb=1&Sc=1 uA=-Ud/2,uB=Ud/2,uC=Ud/2 elseif Sa=0&Sb=0&Sc=1 uA=-Ud/2,uB=-Ud/2,uC=Ud/2名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - elseif个人资料整理仅限学习使用 Sa=1&Sb=0&Sc=1 uA=Ud/2,

24、uB=-Ud/2,uC=Ud/2else uA=Ud/2,uB=Ud/2,uC=Ud/2end框图如图 15 所示：图 15 逆变器模块3仿真结果仿真试验中异步电机的参数如下：额定电压 =380v ,额定频率 =50Hz ,额定功率 =,定子电阻 =1.85 ,转子电阻 =2.658 ,定子电感 =0.2941H,转子电感 =0.2898H,定转子互感 =0.2838H ,转子转动惯量 =0.1284Nm.s 2,极对数 =2；图 16为给定负载转矩 10N/m 的情形下,给定转速在 0-0.25s 时发生的阶跃变化；图 16中a）图为定子磁链轨迹、b）图为定子相电流波形、 c）图为电磁转矩波

25、形、d）图为电机转速波形；a 定子磁链轨迹名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用b）定子电流波形c）电磁转矩波形d）电机转速波形图16 给定负载转矩下仿真波形由于种种缘由我们的仿真是失败的,我们总结了我们失败的缘由如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用（1）对 DTC的原理明白不够,不能依据波形判定错误缘由；（2）对 simulink 使用不够明白,一些参数的设置不正确；（3）PI 调剂器不会设置；虽然仿真是失败的,但我们仍是从这次仿真中得到了许多收成：名师归纳总结 （1）团队合作可以提高整体效率；第 14 页,共 14 页（2）Simulink基本使用；（3）DTC基本原理；- - - - - - -