三相异步电机直接转矩控制系统DTC仿真.docx
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三相异步电机直接转矩控制系统DTC仿真
1设计总体思路
1.1主电路的设计
直接转矩控制系统简称DTC(DirecttorquecontroI)系统,是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。
在他的转速环里面,利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩,因而得名。
直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差△/的正负符号和电磁转矩偏差口的正负符号,再根据当前定子磁链的矢量必所在的位置,直接选取合适的电压空间矢量,减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差,实现电磁转矩与定子磁链的控制。
系统主电路如图1.1所示,由三相不控桥、交流母线、三相逆变器和异步电机组成,2812DSP的脉冲信号控制全控器件的导通。
图l.i系统主电路图
1.2基本原理
直接转矩控制系统的原理结构如图1・2示,途中的APR和ATR分别为定子磁链调节器和转矩调节器,两者均采用带有滞环的双位式控制器,他们的输出分别为定子磁链幅值偏差△匕的符号函数sgn(^)和电磁转矩偏差7;的符号函数sgn(ATr),如图1.2所示。
图中,定子磁链给定応与实际转速。
有关,在额定转速以下,保持恒定,在额定转速以上,応随着。
的增加而减小。
P/N为给定转矩极性鉴别器,当渴望的电磁转矩为正时,P/N=l,当渴望的电磁转矩为负时,P/N=O,对于不同的电磁转矩期望值,同样符号函数sgn(A7;.)的控制效果是不同的。
图1.2制系统原理结构图
-
1
sgn(A7;)
sgn(△/)
0
图1.2带有滞环的双位式控制器
当渴望的电磁转矩为正,即p/n=i时,若电磁转矩偏差AT=r;-r>o,其符号函数
sgn(A7;)=l,应使定子磁场正向旋转,使实际转矩7;加大:
若电磁转矩偏差厶T.=T;-Te<0,sgn(A7;.)=0,一般采用定子磁场停止转动,使电磁转矩减小。
当期望的电磁转矩为负,即P/N=0时,若电磁转矩偏差厶Te=T*-Te<0,其符号函数sgn(A7,f)=0,应使定子磁场反向旋转,使时机电磁转矩7;方向增大;若电磁转矩偏差厶Te=T;-Te>0,sgn(A7;)=l,一般釆用定子磁场停止转动,使电磁转矩反向减小。
2单元电路设计
2.1直接转矩控制系统模型
Motor
图2.1直接转矩控制系统图标
三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图2」所示,仿真模型如图2.2所示。
该模块山7个主要模块组成:
三相不可控整流器(three-phasedioderectifier)Brakingchaopper、三相逆变器(three-phaseinverter)>测量单元(Measures)、异步电动机模块(Inductionmachine)>直接转矩控制模块DTC。
直接转矩控制系统采用6个开关器件组成的桥式三相逆变器(Three-phaseinverter),该逆变器有8种开关状态,可以得到6个互差60°度的电压空间矢量和两个零矢量。
交流电动机定子磁链攵到电压空间矢量血控制,因此改变逆变器开关状态可以控制定子磁链的运行轨迹
(磁链的幅值和旋转速度),从而控制电动机的运行。
2.2直接转矩控制系统模型结构
2.2转速控制器
如图2.3所示,转速给定2经过加减速限制环节,使阶跃输入时实际转速给定有一定的上升和下降,转速反馈N经过了低通滤波器,得到转速偏差(Nx-N)oProportionalgain、Integralgain和discrete模块组成带限幅的离散PI调节器,调节输出经过了选择开关,根据对话框中设定的转矩或转速控制方式决定转速控制的输出。
加减速斜率、PI调节器比例和积分系数.低通滤波器截止频率等参数都在对话框中设定。
2.3直接转矩控制器
直接转矩控制模块山转矩给定Torque\磁通给定Flux%电流I_abc和电压V_abc输入信号都经过釆样开关,DTC模块包括转矩和磁通计算(Torque&Fluxcalculator)、
滞环控制(Flux&Torquehystere-sis)s磁通选择(Fluxsectorseeker)开关表(Switchingtable)x开关控制(Switchingcontrol)等单元。
DTC模块是输出三相逆变器Three-phaseinverter开关器件的驱动信号。
图2.4直接转矩控制模块结构
2.4转矩和定子磁链的计算
转矩和定子磁链讣算(Torqiie&Fluxcalculator)单元结构如图2.5所示,它首先检测到异步电机三相电压V-AB经模块dq-transform和dq-transform变换,得到二相坐标系上的电圧和电流,dq-transform和dq-transform变换模块结构如2.6所示。
定子磁链的模拟和离散讣算公式为
(2-1)
(2-2)
%讦卜%卩一RJsaM
p・、K7"\(z+1)
式中,"如和心为a卩二相坐标系上定子电压和电流,K为积分系数,7;为釆样时间。
磁链讣算釆用离散梯形积分,模块phi-d和phi-q分别输出定子磁链的a和卩轴分量Wsa和T$p,Wsa和必卩经Real-ImagtoComplex模块得到复数形式表示的定子磁链必,并illComplextoMagnitude-Angle讣算定子磁链Ts的幅值和转角。
电动机转矩计算公式为
3z、
人=齐(”扫-H儿)(厶3)
"1,
图2.5转矩和立子磁链计算单元结构图
图2.6dq-V-transform和dq-1-tranform变换模块图
2.5磁通和转矩滞环控制器
电动机的转矩和磁疗都采用滞环控制,磁通和转矩滞环控制器(Flux&Torquehystore-sis)结构如图2-7所示。
转矩控制是三位滞环控制方式,在转矩滞环宽度设为时,当转矩偏差(厂-7;)>+牛和(厂一7;)v—华时,滞环模块牛和-牛分别输出状态1和3,滞环模块乞和—竺分别输岀为0时,经或非门NOR输出状态2,磁链控
22
制是二位滞环控制方式,在磁链滞环宽度设为dW时,当磁链偏差(厂―7;)>+牛和(7;-7;)<-华时,模块dPhi分别输出状态T”和“2”。
2
图2.7磁通和滞环控制器
2.6磁链选择器
图2.8磁链选择器
模块输入是磁链讣算模块输出的磁链位置角angle通过比较和逻辑运算输出磁链所在偏号。
2.7开关表
OD-
Fluxest
图2.9Magnetisation模块
开关表2.10用于得到三相逆变器6个开关期间的通断状态,开关表中,Magnetisation
模块结构如图2.9所示,其作用是将磁链反馈与设定值比较,当反馈值大于设定值时,
S-R-flip-flop触发器Q端输出1,当反馈值小于设定值时,触发断输出0,从而控制电机起动时逆变器和转速调节器匸作状态,使电动机起动时产生初始磁通。
图2.10开关表
2.8开关控制模块
开关控制模块如图2.11所示,包括三个D触发器(DFlip-Flop),口地是限制逆变器开关的切换频率,并且确保逆变器每相上下两个开关处于相反的工作状态,开关的切换频率可以在模块对话框中设置。
图2.11开关控制模块
3实验仿真、实验波形记录及分析
异步电机直接转矩控制仿真图形如图3.1所示,系统山三相交流电源、直接转矩系统模块和检测单元等模块组成。
三相电源线电压360V.60H乙电源内阻0.02Q,电感0.05mLo电动机参数:
149kW、460V、60H乙图3.2是电动机和控制器参数页,系统有转速(speedreference)和转矩(Torquereference)两项输入,在调速的同时负载转矩也在变化。
转速和转矩给定使用离散控制模型库中的timer模块,speedreference设定值
为:
匸0、Is时转速分别为500>Or/minoTorquereference设定值为:
t=0、0.5、l・5s时
转速分别为0、792.-792N*mo模型采用混合步长的离散算法,基本采样时间Ts=0.2us,
转速调节器釆样时间为1.4us,仿真波形如图3-3所示。
Machineteminal
voltages
DTChKluctionMotorDriveduringspeedregulation
Discrete,
Ts=2e-O06s
TheTs*parameterusedinthismodelissetto2e-6bytheModelPropertiesCallbacks
图3.1转矩控制系统仿真模型
从仿真波形可以看到在t=0时,转速按设定的上升率(900r/min)平稳升高,在起动0.6s时达到设定的转速500r/mino在0~0.5s范围内电动机是空载起动,电动机为200A;0.5s时加载792T*m,电流上升到400A,加载时电磁转矩瞬间达到1200N*m,但是在控制系统控制下,加载对转速的上升和稳定运行没有明显影响。
Is后电动机开始减速,定子电流减小,并且电流频率下降,在t=1.5s时转速下降为0,这时转矩给定从792变化为-792。
转速仍稳定为0r/min,表明系统有很好的转矩和转速响应能力。
-Electricalparameters
Refereneeframe:
Stationaryv
Nominadvalues
Power(VA):
149.263
Voltage(Vrms):
Equivalentcircuitvalues
Stator:
Rotor:
Resistance(ohrn£14.&SC-39.295e-3
LeakageinductanceCH):
0.3027C-3
0.3027e・3
Frequency(Hz):
inductance(H):
-FlechaniueI[>合「金metersRotorvalues
Inertia(kg*mA2):
[3..1
Fnction(N・m-s:
10.08
Polepairs:
卜I
Initialvalues
Initialcurrents
PhaseA:
PhaseB:
PhgeC:
Fdagnitude(A):
a
0
0
Phase(deg):
0
0
0
AsynchronousMachine
Converters-andDCbus
Controller
Regulationtype:
Speedregulationv*
Schematic
-Speedcontrollor
Speedramp-s(「pm/s)
Acceleration:
900
Deceleration:
-900
Speedcutoff
frequenoy(Mz):
Speedcontrollersamplingtinre(s):
PIregulator
Proportionalgain:
I
Integralgain:
〔200—|
Torqueoutputlimits[N・m>
Negative^
|4200
Positive:
1200
rDTCcontroller
Hysteresisbandv/idth
Torque(N・m):
Flux(Wb):
0.02
Initialmachineflux(Wb>:
Maximum
switchingfrequency(Hz):
2CCCC
DTCsamplingtimeCs):
Z0e-€
图3.2模块参数
a)转速响应
b)a相左子电流
c)电磁转矩
d)直流电压
图33仿真波形
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- 三相 异步电机 直接 转矩 控制系统 DTC 仿真
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