异步电机直接转矩控制系统的设计..pdf
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1、网络教育学院 本 科 生 毕 业 论 文(设计) 题目:基于 MATLAB 异步电机直接转矩控制系统的设计 学习中心:大连理工大学网络教育学院 层次:专科起点本科 专业:电气工程及其自动化 年级: 2010 年 秋 季 学号: 101132409221 学生:王 子 健 指导教师:唐 兴 波 完成日期: 2012 年 8 月 16 日 异步电机直接转矩控制系统的设计 摘 要 直接转矩控制 (Direct Torgue Control,DTC) 系统利用空间矢量的分析方法, 直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转矩。采用定子磁场定向, 直接跟踪定子磁链和转矩。借助于离散的两点式调节(B
2、angBang 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, 采用圆形磁链轨迹 控制方法,建立了异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB SIMULINK仿真模型。 在对磁链、转矩估算模型的分析设计过程中,本文对几种估算模型进行了比较, 最终综合了这几种模型的优点,设计出了磁链
3、转矩估算的iu模型。考虑到实际 中对转矩的需要是第一位的,本文制定了优先调节转矩的控制策略,为了能够更 好的实现对转矩的控制,专门设计了转矩的三值调节器,并在电压空间矢量选择 上,以优先考虑达到转矩要求。在对磁链、转矩估算模型的分析设计过程中,本 文在几种估算模型中选择了磁链转矩估算的iu模型。考虑到实际中对转矩控制 的需要是第一位的,本文制定了优先调节转矩的控制策略。为了能够更好的实现 对转矩的控制,专门设计了转矩的三值调节器,并在电压空间矢量选择上,以优 先考虑达到转矩要求。 关键词 :直接转矩控制;空间矢量;圆形磁链轨迹;异步电动机;磁链转矩估算 异步电机直接转矩控制系统的设计 目 录
4、引言 . 1 1 直接转矩控制技术概况 2 1.1 直接转矩控制技术的产生及应用 2 1.2 直接转矩控制技术的发展 2 1.3 论文内容 4 2 直接转矩控制理论 5 2.1 概述 5 2.2 直接转矩控制的基本原理 5 2.2.1 异步电机动态数学模型. 5 2.2.2 三相电压型逆变器的输出电压状态 7 2.2.3 空间电压矢量 . 8 2.2.4 异步电机的磁链观测模型. 9 2.2.5 磁链、转矩与空间电压矢量的关系 10 2.3 直接转矩控制系统的基本组成 . 12 2.3.1 磁链调节器 13 2.3.2 转矩调节器 14 2.3.3 磁链扇区划分和确定单元 15 2.3.4 开
5、关信号选择单元 16 2.3.5 逆变器的开关频率调节 17 2.4 本章小结 . 17 3 仿真工具与仿真算法的选择. 18 3.1 仿真工具的选择 . 18 3.1.1 常用的仿真语言及仿真工具 18 3.1.2 MATLABSIMULINK简介 . 18 3.2 仿真算法 . 19 3.2.1 常用的仿真算法 19 3.2.2 SIMULINK 中的仿真算法 . 19 3.3 本文对算法的选择. 19 3.4 本章小结 . 20 4 异步电机直接转矩控制系统的建模的与仿真. 21 4.1 系统仿真模型的建立 . 21 4.1.1 磁链和转矩的估算模型 21 4.1.2 转速 PI 调节器
6、 . 22 4.1.3 磁链和转矩的滞环调节模型 22 4.1.4 磁链空间位置判断模型 23 4.1.5 开关信号单元电压空间矢量的选择 25 4.2 直接转矩控制系统仿真实验 . 25 4.2.1 仿真参数 . 25 4.2.2 仿真结果 . 25 4.2.3 仿真结果分析 . 30 4.3 本章小结 . 30 异步电机直接转矩控制系统的设计 结 论 . 31 致谢 32 参考文献 33 异步电机直接转矩控制系统的设计 1 引言 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,
7、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。
8、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。 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
9、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。 异步电机直接转矩控制系统的设计 2 1 直接转矩控制技术概况 1.1 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DSR(Direkte Selbstregelung),英语称之为 DSC(Direct Self-Control)或DTC(Direct Trogue Control),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 1 。 在1
10、985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) 2 。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。直接转矩控制系统具有控制原 理简单
11、、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。 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 1Takahashi 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 3 ,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。 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
12、.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 0.5 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,从零速开始就可以实现电机速度和转 矩的精确控制。 1.2 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 矩在定子侧展开,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 异步电机直接转矩控制系统的设计 3 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
13、。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。改进直 接转矩控制系统性能的研究有以下几种方法: a智
14、能开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。 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,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。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
15、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,然后用零电压补足采样周期。但是通过电压 合成,每个周期内一般有两个非零电压和一个零电压以最佳的时间搭配交替作用, 从而相当于将采样频率增到了两倍或两倍以上,使控制更加准确,性能在整个周 期内趋向最佳。 c改善低速性能的研究 在一些文献早提到了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器。该观测器把 对定子电阻值影响比较大的三个因素定子电流、转速和运动时间作为输入量, 以定子阻值的变化作为输出,设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就 是控制中的定子电阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化,低速
16、性能有 了比较好的改善。 异步电机直接转矩控制系统的设计 4 上面所提到的改进方法都是针对直接转矩控制系统的某一方面。虽然对系统的 控制性能有一定的改进,但它毕竟不能从根本上改善系统的性能,要使系统性能 有一个根本的改善必须从整个系统方面着手。随着现代工业的发展,对交流调速 技术的要求越来越高。因此,研制开发高性能的交流调速装置是一项紧迫的课题, 对我国国民经济的发展具有重要的意义。 1.3 论文内容 直接转矩控制技术是本世纪80年代中期发展起来的新技术。它是继矢量变换 控制技术之后,且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术, 以其新颖的控制思想、简洁的系统和优良的动静态性能得
17、到了迅速的发展。本论 文在研究和分析直接转矩控制原理的基础上,利用图形仿真工具MATLAB/SIMULINK 完成了直接转矩控制系统的近似圆形磁链控制方法的仿真实验。结合直接转矩控 制的算法,通过改变控制系统中直接影响电机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环 调节器的参数,对仿真结果进行了具体分析,验证了直接转矩控制方法的可行性 和有效性。 异步电机直接转矩控制系统的设计 5 2 直接转矩控制理论 2.1 概述 直接转矩控制 DTC(Direct Torque Control)变频调速技术是近十几年来继矢 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变频调速技 术。直接转矩控制技术基于
18、定子两相静止参考坐标系,一方面维持转矩在给定值 附近,同时另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹( 预先设定,如六边形或近似圆形 ) 运动。在经典 DTC 控制结构中,采用 BangBang控制器对交流电机的电磁转矩和定 子磁链幅值直接进行闭环Bang Bang 控制,从而将转矩与磁链的脉动限定在预定 的范围内,当实际值超过调节范围的上下限时,Bang-Bang 控制器就会产生动作, 输出的数字控制量就会发生变化。借助空间电压矢量的分析方法,利用该数字控 制量产生 PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制 1 。 2.2 直接转矩控制的基本原理 2.2.1 异步电机动态数学模型 由于直接转矩控
19、制是基于静止坐标系的,因此采用坐标系上的数学模 型。异步电机数学模型如下 5 : 异步电动机在静止坐标系上的电压矩阵方程 r r s s rrrmm rrrmm mss mss r r s s i i i i pLRLPLL LpLRLPL PLpLR PLpLR u u u u 00 00 (2-1) 电动机的磁链方程 r r s s rm rm rs rs r r s s i i i i LL LL LL LL 00 00 00 00 (2-2) 电动机的转矩方程 )( srrsmpe iiiiLnT (2-3) 式中 s u、 s u、 r u、 r u、 s i、 s i、 r i、
20、r i、 s 、 s 、 r 、 r 分别为 坐标系下定子、转子电压、电流、磁链值, s L 、 r L 、 m L 分别为定子、转子自感和 定转子见的互感; s R 、 r R 分别为定、转子电阻;P 为微分算子;为电机转子角 速度; p n 为电机极对数。 异步电机直接转矩控制系统的设计 6 为了便于分析异步电机的数学模型,为了抽象出理想的电机模型,必须进行 一些假设,这些假设是 6 : (1)气殊均匀; (2)磁路线性; (3)定、转子三相绕组对称,其有效导体沿气隙空间作正弦分布; (4)忽略磁场谐波,即设磁场正弦分布; 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式,都将它等效成绕线转子,并折算到定子
21、 侧,折算后的每相匝数都相等。 在直接转矩控制的分析中,采用空间矢量的数学分析方法。图1是异步电机的 空间矢量的等效电路图。该等效电路是在正交定子坐标系(坐标系)下型 等效电路图 7 。 s R s U L s i r i r R L sr r j 图 1 异步电机空间矢量等效电路图 S U -定子电压空间矢量 s i -定子电流空间矢量 r i-转子电流空间矢量 s- 定子磁链空间矢量 r- 转子磁链空间矢量 -电角速度(机械角速度和极对数的积) 并且规定,将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量,在正交的轴上的 投影称为分量。由以上可知,异步电机在定子坐标系上由下列方程式表示: S U = s
22、R s i + dt d s (2-4) 0= r R r i + dt d j r r (2-5) r = rs iL(2-6) s =dtiRU sss )( (2-7) 异步电机直接转矩控制系统的设计 7 r +( r j T 1 ) r = s T 1 (2-8) sin| 2 31 )( 2 3 rsssssape L iinT (2-9) 上述公式中 r R L T为电机转子时间常数, r 转子角速度为磁通角。在实 际运行中,保持定子磁链的幅值为额定值,以便充分利用电机铁磁材料,转子磁 链的幅值由负载决定。由于定子磁链发生变化时,转子磁链矢量基本上保持不变, 因而只要改变定子磁链矢
23、量的空间位置,就可以改变磁通角,从而改变电磁转矩。 转子磁链可以根据式 (2-6) 通过改变转子电流来实现。而定子磁链可以根据式(2-7) 以定子电压的积分来改变。稳态转矩的计算根据式(2-9) 通过对转子磁链与磁通角 的计算来完成。 2.2.2 三相电压型逆变器的输出电压状态 在众多的脉宽调制技术中,SVPWM是一种优化的 PWM技术,能明显减小逆变器 输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗,降低转矩脉动,且其控制简单,数字化 实现方便,电压利用率高,已有取代传统SPWM的趋势。图 2-4所示简化三相电压型 逆变器电路中,由于逆变器的开关是由自关断器件构成的,而且每相桥臂的开关 器件是互锁的,因
24、而六个开关器件的工作状态并不完全独立,实际上只有三个独 立变量。这样逆变器可以用三个单刀双掷开关 a S 、 b S 、 c S 来表示。现在定义三个 开关函数; a S 、 b S 、 c S、 x S (x=a,b,c)=l,代表上半桥臂导通, 当 x S (x=a,b,c)=0 代表下半桥臂导通。因此共有 3 2=8种可能的开关组合;如表 1所示。 a U b U c U a S b S c S d u E E 图2 逆变器的结构图 表 1 逆变器开关的 8 种组合状态 异步电机直接转矩控制系统的设计 8 状态0 1 2 3 4 5 6 7 a S01010101 b S00110011
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