1、電氣與電子信息工程學(xué)院計算機(jī)仿真技術(shù)答卷答卷題目: 基于MATLAB直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真 課程名稱： 計算機(jī)仿真技術(shù) 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 班 級： 學(xué)號： 姓 名： 摘 要 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型、高性能變頻調(diào)速技術(shù)。它省去了復(fù)雜的矢量變化、克服了矢量控制系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性特點(diǎn)，響應(yīng)快、控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 本文介紹了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和系統(tǒng)的基本構(gòu)成，利用MATLAB工具，構(gòu)建了異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算和控制交流電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，直接跟蹤定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采

2、用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式（Band-Band控制）產(chǎn)生PWM信號，對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。通過直接改變影響電動機(jī)性能的磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩的控制，通過仿真得到仿真圖，對仿真圖進(jìn)行分析，驗證直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的有效性和可靠性。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)，直接轉(zhuǎn)矩控制，磁鏈，仿真 一、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1985年，德國人M.Depenbrock提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，在實(shí)現(xiàn)磁鏈的同時也實(shí)現(xiàn)了對直接轉(zhuǎn)矩的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)性能受到了普遍的注意和

3、得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)M.Depenbrock所提出的直接轉(zhuǎn)矩控制理論所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中，其磁鏈的軌跡是按正六邊形運(yùn)動，其六邊分別有相應(yīng)的六個非零電壓矢量與之對應(yīng)，可簡單的切換六個工作狀態(tài)直接由六個非零電壓矢量完成六邊形磁鏈軌跡，磁環(huán)控制簡單。日本東芝公司的Takahashi教授于1986 年提出了磁鏈軌跡的園形方案，即讓磁鏈?zhǔn)噶炕旧涎貓@形軌跡運(yùn)動。這是一種磁鏈的實(shí)時控制，通過比較實(shí)時計算所得的實(shí)際磁鏈幅值與給定值相比較，并同時考慮此時磁鏈所處的位置來選擇電壓矢量及持續(xù)時間的長短。T.G.Haberler提出了一種預(yù)前控制法，即依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差和反電勢，在一固定的開關(guān)周期條件下選擇和

4、計算下一個狀態(tài)所需要的空間電壓矢量。實(shí)現(xiàn)恒逆變開關(guān)頻率控制。最近出現(xiàn)了諧振式逆變器構(gòu)成的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，摒棄了滯環(huán)，采用純Band-Band控制，使得系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。采用軟件開關(guān)式逆變器，其開關(guān)頻率可以達(dá)到幾十個千Hz，它著眼于超大功率傳動問題。有的學(xué)者提出定子磁通定向的新型控制方案，即采用了感應(yīng)電機(jī)定子磁鏈定向的解耦模型，首先求出所需的d、q軸定子電流，然后得到d、q軸定子電壓指令，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換得到靜止坐標(biāo)下對應(yīng)作用的定子電壓矢量。近幾年發(fā)展起來的數(shù)字信號處理器（DSP）具有高速的運(yùn)算功能， 國外常用DSP來解決高性能交流電氣傳動數(shù)字控制中測量及控制的速度問題， 以彌補(bǔ)單片機(jī)運(yùn)算速度太慢的缺

5、點(diǎn)。 二、直接轉(zhuǎn)矩控制機(jī)理分析2.1異步電動機(jī)理想數(shù)學(xué)方程為了能夠便于分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立出理想電機(jī)模型，必須對電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行一些假設(shè)：（1）氣隙均勻；（2）磁路線性（3）定子，轉(zhuǎn)子三相繞組對稱，有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布;（4）忽略磁場諧波，磁場正弦分布。1.電壓方程 =+ （2-1）式中；、定子、轉(zhuǎn)子相電壓；、定子、轉(zhuǎn)子相電流； 、定子、轉(zhuǎn)子繞組的全磁鏈；微分算子。2.磁鏈方程= （2-2）式中；、各相定子、轉(zhuǎn)子自感，電磁矩陣中其他元素為定子、轉(zhuǎn)子或定轉(zhuǎn)子見的互感。3.轉(zhuǎn)矩方程由能量守恒定律推出電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機(jī)中，其磁場儲能為: = （2-3）式中；

6、= = 根據(jù)能量守恒原理，在異步電機(jī)運(yùn)行時，其電磁力矩等于電流不變時磁場儲能對機(jī)械角位移的偏導(dǎo)數(shù)。 =式中；電機(jī)磁極對數(shù) 電角位移，= =-+ （2-4）式中；定轉(zhuǎn)子間的互感。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感是定、轉(zhuǎn)子相對位置的函數(shù)，使得交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為一組非線性的微分方程式。為了解除定、轉(zhuǎn)子間這種非線性的耦合關(guān)系需要對其進(jìn)行變量的坐標(biāo)變換，建立參考坐標(biāo)系內(nèi)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。即將三相靜止繞組A、B、C變換為兩相靜止繞組、之間的變換，這稱為三相靜止坐標(biāo)系和二相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡稱3/2變換。2.2異步電動機(jī)空間矢量等效電路控制系統(tǒng)利用異步電機(jī)空間矢量的等效電路進(jìn)行分析。該效電路等效

7、電路是在正交定子坐標(biāo)系上描述異步電動機(jī)的，下圖為異步電動機(jī)空間矢量等電效電路。圖中各量定義如下： 定子電壓空間矢量； 定子電流空間矢量； 轉(zhuǎn)子電流空間矢量； 定子磁鏈空間矢量； 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量； 電角速度（機(jī)械角速度和極對數(shù)的積）。并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量，在正交的軸上的投影稱為分量。 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動機(jī)在定子坐標(biāo)系上可由以下方程表示： （2-5） （2-6） 由以上方程推出定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： （2-7） （2-8） （2-9） 三、 直接轉(zhuǎn)矩控制的MATLAB仿真3.1仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)定 圖3-1 直接轉(zhuǎn)矩仿真模型 圖3-2 參數(shù)設(shè)定3.2仿真結(jié)果及分析圖3-3磁鏈軌跡圖3-4 電流波形圖3-5 轉(zhuǎn)矩波形圖3-6 轉(zhuǎn)速波形仿真結(jié)果分析：在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通過直接控制影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的磁鏈與轉(zhuǎn)矩對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。仿真中利用P-I調(diào)節(jié)器對啟動過程進(jìn)行放大，所以在啟動時三相電流、轉(zhuǎn)矩都比較大，使轉(zhuǎn)速迅速提升并達(dá)到平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡，三相電流幅值降低，轉(zhuǎn)矩幅值降低，并且隨著轉(zhuǎn)速的平衡也達(dá)到平衡狀態(tài)。參考文獻(xiàn)1 王忠禮,段慧達(dá),高玉峰.MATLAB應(yīng)用技術(shù) 北京:清華大學(xué)出版社,20072 李德華. 交流調(diào)速系統(tǒng). 北京.