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异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真

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异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真 摘要 直接转矩控制系统变频调速技术(Direct Torque Control,DTC)是利用空 间矢量的分析方法,直接在定予坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转 矩,直接定子磁链和转矩,采用定子磁场定向,借助于离散的两点式调 节(Bang—Bang控制)产生PWM信号,对逆变器的开关状态进行最佳控制, 以获得高动态性能的转矩响应。

定子磁链运动轨迹近似为圆形的控制方案是通过实时计算电机转矩与 磁链的误差,结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。

为了能 够更好的,更直观的观测圆形磁链轨迹,了解直接转矩控制的特点及其所能 达到的效果,本论文在对异步电动机直接转矩控制的基本原理进行充分分析 的基础上,利用MATLAB/sIMuLINK软件,构建了异步电动机直接转矩控 制系统的模型,对圆形磁链轨迹控制方法进行了仿真。

在仿真中分析了磁链滞环参数的变化对系统控制性能的影响,分析仿真 实验结果,本文所设计的系统模型基本上是成功的,实验结果是比较令人满 意的。

以TI公司生产的电机专用数字信号处理器TMS320LF2407A为核心可 方便实现直接转矩控制系统的数字化。

F240内部的外设模块为电机控制提 供的硬件功能,使软件编程的工作得到大大的简化,它的实时运算能力大大 提高了电机的控制性能和可靠性。

关键训:直接转矩控制,磁链,仿真,MATLAB/SIMULINK,DSP

异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真

SIMULATIoN oF oF DIRECT ToRQUE CONTROL ASYNCHRoNoUS MACHINE WITH MATLAB ABSTRACT rIhe flux and torque of stator of asynchronous machine are directly tracked, calculated and controlled in the stator-oriented coordinates,using the method of Park vector.The signal of PWM is built by dint of the discrete band—band state adjustment in order tO control optimally the of the switches of inverter and get the optimal system’S dynamic and static response. In the scheme of raking the track of stator flux approximate circle,the relevant vector of inverter switch is selected by calculating in real time the stator error of torque and flux and linking the dimensional position of observe the round track of flux better and more directly the effect got by DTC,the simulation flux.In order to and know the trait and the soft of model with MATI。

AB/SIMULINK thesis. was set up by using the method of the round flux i.n this In the simulation system,the performances have been parameter of the asynchronous analyzed when the to band of stator flux is changed.According the result ol’the simulation,the model designed in the thesis was proved correct,and the result is satisfying. ,I’he digital DTC system is implemented easily using which is a TMS320LF2407A, fixed—point DSP Inc.It and developed specially for motor control by Texas Instruments combines high—performance design processing capabilities a and dual several advanced peripherals that include the event manager module and 1 0由h analog—to—digital converter.The easy and the performance to of the control software becomes system are and reliability of the control greatly improved due the application of DSP. KEY WORDS:Direct DSP Torque ‘ Control,Flux,Simulation,MATLAB/SIMULINK,

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异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB仿真 l绪论 1.1电机调速技术的发展概况 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一。

在当今社会中广泛应用着各式各 样电气传动系统,其中许多机械有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织 机械等等,为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要调速的另一类设备如风机、水泵 等为了减少运行损耗,节约电能也需要调速。

如果根据原动机来分类,那么原动机是直 流电动机的系统称之为直流电气传动系统;反之原动机是交流电动机的系统,则称之为 交流电气传动系统。

如果根据转速的变化情况来分类,电气传动系统又可分为恒速电气 传动系统和变速电气传动系统两大类。

在上世纪80年代以前,直流传动是唯一的电气传动方式。

这是因为直流电动机调速 方便,只要改变电机的输入电压或励磁电流,就可以在宽广的范围内实现无级调速,而 且在磁场一定的条件下它的转矩和电流成正比,从而使得它的转矩易于控制、转矩的调 节性能和控制性能比较理想。

但是,在直流电气传动系统中,由于直流电动机本身在结构上存在严重的问题,它 的机械接触换向器不但结构复杂,制造费时,价格昂贵,而且在运行中容易产生火花, 特别是由于换向器强度不高等问题的存在,直流电动机无法做成高速大容量的机组;此 外由于电刷易于摩擦等问题存在,在运行中需要有经常性的维护检修,以上这些缺陷就 造成了直流电气传动不尽理想. 1885年交流鼠笼型异步电动机的问世打破了直流传动作为唯一电气传动方式的局 面。

由于它结构简单、运行可靠、价格低廉而且坚固耐用,惯量小,便于维修,适用于 恶劣环境等特点,使其在工农业生产中得到了极广泛的应用。

但是交流电动机调速比较困难,而且其调速性能(调速范围、稳定性或静差度、平滑 性等)却无法与直流调速系统相媲美,因此这些电机绝大部分都是恒速运行的。

早在19 世纪30年代,国外就开始研究各种交流电机变速传动。

在早期采用的主要是绕线式异步 电动机转子外串电阻和鼠笼型异步电动机变极调速:后来在50年代异步电动机定予串饱 和电抗器的调速方法也有了一定的发展。

由于受电机结构和制造工艺的限制,变极调速 通常只能实现两三种极对数的变换,不能做到连续地调节速度,调速范围和极数都非常 有限。

此外还可以依靠改变定子电压(改变电源电压或定子串阻抗),或绕线型电动机转 子串电阻,或带转差离合器的异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。

但是电机 的损耗与转差率s成比例地增大,效率随转速的降低而降低,由于电机在高转差低转速 下运行特性恶化,使实际可行的调速范围受到限制。

在60年代大功率半导体变频装置的 问世丌创了电力电子技术发展的新时代,这种半导体电力电子器件具有体积小、价格低、

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陕西科技大学硕士学位论文 坚固耐用、性能良好等优点,通过使用它可以连续地改变电源频率,十分理想地实现交 流电动机的无级调速,从而使交流电机调速技术飞跃发展。

尤其是70年代以来,大规模 集成电路和计算机控制技术的发展,新型电力电子器件的出现,以及先进控制理论(如自 适应控制、模糊控制、神经网络控制等)等的应用,为交流电力拖动的开发进一步创造了 有利条件。

如今交流调速领域相当活跃,新技术层出不穷。

目前,交流调速系统正向集成化、 实用化、智能化方向发展。

诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调速、无换向电 动机调速,特别是矢量控制技术、直接转矩控制技术的应用,使得交流调速逐步具备了 宽调速范围、高稳速精度、快动态响应等良好的技术性能。

原来的交直流拖动分工格局 被逐渐打破,在各工业部门用可调速交流拖动取代直流拖动已指日可待,特别是在世界 能源紧张、能源费用高涨的今天,交流调速技术作为节约能源的一个重要手段,引起了 人们的高度重视。

总之,交流调速技术的应用有着广阔的前景,随着生产技术的不断发 展,交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。

1.2直接转矩控制技术的产生及应用 直接转矩控制变频调速技术,德语称之为DSR(Direkte Selbstregelung),英语称之为 DSC(Direct Self-Contr01)或DTC(Dii'e&Torque℃ontr01),是近十几年继矢量控制变频调速 技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流调频技术…。

在1985年,德国鲁尔大学的M.Depenbroek教授首次提出了一种新型交流调速理论 ——直接转矩控制系统(DTC)01。

不同于矢量控制技术,直接转矩控制有着自己的特点。

它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实 际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。

直接转矩控制,以转矩为主要对象进行 综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链的控制。

直接转矩控制与矢量控制的区别是,它 不是通过控制电流、磁链等变量间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量控制,其实 质是用空间矢量的分析方法,以定子磁场定向方式,对定子磁链和电磁转矩进行直接控 制的。

.这种方法是在定子坐标系上计算磁链的模和转矩的大小,通过磁链和转矩的直接 观测来实现PWM控制和系统的高动态性能。

此系统结构简单,在很大程度上克服了矢 量控制中由于坐标变换引起的计算量大,控制结构复杂,系统性能受电机参数影响较大 等蚨点,系统的动静态性能指标都十分优越,是一种很有发展前途的交流调速方案。

因 此,直接转矩控制技术一诞生,就以自己新颖的控制思想,简洁明了的系统结构,优良 的静、动态性能受到了普遍的注意和得到了迅速的发展。

直接转矩控制系统具有控制原理简单、转矩动态响应快、需要传感器较少等优点。

法国阿尔斯通公司在上海地铁车辆上就是采用此种控制方式。

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异步电动机赢接转矩控制系统的MATLAB仿真 根掘Depenbrock提出的直接转矩控制,定子磁链是依照正六边形轨迹运动的。

由于 『F六边形的六条边分别与六个非零电压空间矢量对应,因此可以通过三个Smith触发器 (每相一个)来简单切换逆变器的六个工作状态,直接通过六个非零电压空间矢量实现磁 链轨迹控制。

与其他控制方式相比,这种控制方式结构简单,在输出同样的频率时元件 开关次数最少,丌关损耗也小,因而在要求元件开关频率不能太高的大功率场合得到广 泛应用。

这种技术己成功地应用于兆瓦级交流电气传动机车上,如德国的大功率GTO 电力机车。

为了得到高性能的速度控制,必须是电机气隙磁场尽可能为圆形。

日本学者 1.Takahashi提出了直接转矩控制的另一种形式——磁链轨迹的圆形方案,即让磁链向量 基本上沿圆形轨迹运动。

“。

这种方法通过实时计算电机转矩和磁链的误差,结合电机定 子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。

由于磁链运动轨迹近似为圆形,电压、电流 中谐波的含量在一定程度上减少了,但控制系统显得复杂一些。

这种控制方式能充分发 挥新型申.力电子器件(如IGBT)的开关频率优势,因而在中小功率场合获得广泛应用。

在直接转矩系统控制算法上,主要针对定子磁链和电机输出转矩的基本控制这两方 面,有些学者改变电压矢量选取方式,设计定子电阻在线观测器、转矩观测器,结合高 级的预测算法、模糊控制原理进一步改进。

在数字式的DTC系统中,由于采用了磁通和转矩环,而磁通和转矩均非直接检测的 状态变量,还需要用电流、电压检测信号运算得到,因此,其实时性的要求比矢量控制 更加难以满足。

然而由于近几年发展起来的数字信号处理器(DSP)具有高速的运算功能, 解决了高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题,此外还有其它各种高性 能硬件的推出,如具有很高开关频率的IGBT模块,都为直接转矩控制系统性能的改进 了硬件基础,使许多需要很强运算能力,具有很高开关频率的改进方法得以实现, 所以DSP等器件的出现为这类问题的解决开辟了一条新途径。

1995年ABB公司首先采用直接转矩控制技术,结合诸多先进的生产制造工艺推出 的高性能变频器ACS600系列直接转矩控制通用变频器,动态转矩响应速度已达到小于 2ms,在带速度传感器时的静态速度精度达到±0.01%:在不带速度传感器的情况下,即 使受到输入电压的变化或负载突变的影晌,同样可以达到±0.1%~±O.5%的速度控制精 度。

它具有很宽的功率范围、优良的速度控制和转矩控制特性、完整的保护功能以及灵 活的编程能力。

因而,它能够满足绝大多数的工业现场应用,不使用电机轴上的脉冲码 盘反馈,从零速丌始就可以实现电机速度和转矩的精确控制。

ACS600 SingleDrive能在 几毫秒内测出电机的实际转速和状态,所以在任何状态下都能立即起动,无起动延时。

在零转速下,不需速度反馈就能电机满转矩;能够可控且平稳的最大起动转矩。

其他公司也在以直接转矩控制为努力目标研制新型产品n,。

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陕西科技大学硕士学位论文 1.3直接转矩控制技术的发展 对直接转矩控制系统而言,直接将瞬时转矩作为状态变量加以反馈调节,转矩在定 子侧展丌,兼顾磁链幅值的闭环控制,采用空间矢量PWM策略,直接输出逆变器开关 状态,被公认为可使感应电动机达到高性能的新途径。

但是实际上无法达到矢量控制那 种良好的低速性能,根源在于低速转矩控制特性变差,低速下定子电阻影响、逆变器的 死区效应、转矩脉动的产生及带负载能力下降,从而制约了DTC方法实用化的进程。

因此,电动机直接转矩控制技术的发展主要以改进DTC系统低速性能为研究方向, 相应地出现了很多研究方方法。

新的控制思想,特别是智能控制思想开始应用到直接转 矩控制中,提出了基于模糊控制、神经网络控制、变结构控制、滑模控制、高级预测算 法以及模型自适应法的转速辨识等新型直接转矩控制方法。

总之为了进一步提高控制性 能,消除低速脉动,交流调速向高频化方向发展。

其中SVPWM和软关断技术,与智能 控制相结合,这将使交流调速系统的性能有一个根本的提高,是直接转矩控制的未来。

现在,直接转矩控制已不仅仅用于交流异步感应电机,它也开始应用于永磁直流电机。

将来,结合高速DSP的实际应用,改进系统低速性能,使直接转矩控制必将在电机调速 的各个方面发挥更大的作用。

在国外直接转矩控制不断得到发展和完善,许多文章从不 同的角度提出了新的见解和方法,特别是随着各种智能控制理论的引入,又涌现了许多 基于模糊控制和人工神经网络的DTC系统“…。

以下简单介绍几种改进直接转矩控制系 统性能的研究。

a.智能丌关状念选择器的研究 传统方法用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁通调节,触发器的容差 大小将直接影响系统的性能。

并且,根据转矩误差、定子磁链幅值误差来选择逆变器的 开关状念,对于一些不确定的因素引起的误差微小变化不能及时控制,变化的参数对直 接转矩控制系统的性能有直接影响。

有的方法是通过细化转矩调节器和磁通调节器的输 出来改善系统的性能的。

而智能开关状态选择器则是通过使用模糊控制器或人工神经网 来选择丌关状念,较好地抵消了触发器的容差影响,性能改善更加明显。

b.电压矢量选择方式的改进 直接转矩控制通过定子磁通定向,直接对转矩进行控制,省去了繁杂的解耦过程, 使得系统结构简单、控制方便。

该方式在每个采样周期所选用的电压矢量总是保证转矩 在t=0时刻能最快地向着正确的方向变化。

很显然,用这种方法选择电压矢量.虽然在 各时刻的控制效果最佳,但是整个采样周期内的效果却未必最好。

为了改善这种情况, 减小转矩的脉动,一些研究者提出了一种新的电压矢量选择方法——预期电压法:首先 根掘转矩偏差、磁通偏差和转速计算出~个能达到最佳控制的预期电压,然后用电压型 逆变器的6个工作电压中与之相邻的两个电压矢量来合成它,计算出各自的工作时间, 4

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