基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计.docx
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基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计
运动控制课程设计
班级:
电气三班
学号:
姓名:
基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计
●设计目的
应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法,结合生产实际,确定系统的性能指标与实现方案,进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术,通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型,对控制系统进行性能仿真研究,掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上,应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计,为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
1直接转矩控制的基本原理及规律
直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl)系统,是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。
在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩,因此而得名为直接转矩控制。
1.1直接转矩控制系统原理与特点
如图1-1为直接转矩控制的原理框图,和VC系统一样,它也是分别控制异步电动机的转速和磁链,转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号
,在
后面设置转矩控制内环,它可以抑制磁链变化对于转矩的影响,从而使得转速和磁链系统实现解耦。
因此,从整体控制结构上来看,直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制系统(VC)系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。
图1-1直接转矩控制系统图
从图中中可以看出,直接转矩控制系统,就是通过使定转子磁链
的幅值保持恒定,然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽,以调节定子磁链矢量的运动速度,从而改变磁通角的大小,以实现对电机转矩的控制。
在直接转矩控制技术中,其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度,控制定子磁链走走停停,以改变定子磁链的平均旋转速度的大小,从而改变磁通角的大小,以达到控制电动机转矩的目的。
从以上介绍我们可以了解到DTC系统在具体控制方法上的一些特点:
转矩和磁链的控制采用双位式控制器,并在PWM的逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形,从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量,省去了旋转变换和电流控制,简化了控制器的姐结构。
选择定子磁链作为被控制量,而不像VC系统中那样选择旋转磁链,这样一来,计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响,提高了控制系统的鲁棒性。
如果从数学模型控制的规律,显然要比转子磁链定向时复杂的多。
由于采用了直接转矩控制,在减速或负载变化的动态过程中,可以获得快速的转矩响应,但必须注意限制过大的冲击电流,以免损坏功率开关器件,因此实际的转矩响应也是有限的。
1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统
在DTC系统中采用的是两相静止坐标(αβ坐标),为了简化数学模型,由三相坐标变换成两相是非常重要的,所以可以避开旋转变换。
由式(1-1)和式(1-2)可得
(1-1)
(1-2)
移项并积分后得
(1-3)
(1-4)
式(1-3)和式(1-4)就是图1-1中所采用的定子磁链模型,其结构框图如图2-2所示。
它适合于中低速时切换到电流模型,这是上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃。
图2-2定子磁链模型结构框图
在两相静止坐标系上的电磁转矩表达式为
(1-5)
整理可得
(1-6)这就是DTC系统所用的系统模型,结构图如图1-3所示。
图1-3转矩模型结构框图
交流电动机控制系统设计参数
额定输出功率10KW;
定子绕组额定线电压380V;
定子绕组额定相电流15A;
定子绕组每相电阻0.2欧姆;
定子绕组接线形式Y;
转子额定转速980rpm;
转子形式:
鼠笼式;
转子每相折算电阻:
3欧姆;
转子折算后额定电流30A;
额定功率因数:
0.75;
电机机电时间常数1S;
电枢允许过载系数1.5;
环境条件:
电网额定电压:
380/220V;
电网电压波动10%;
环境温度:
-40~+40摄氏度;
环境相对湿度:
10~90%.
控制系统性能指标:
转差率:
3%;
调速范围:
D=20;
电流超调量小于等于5%;
空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;
稳速精度:
0.03.
2系统仿真分析
2.1仿真模型的建立
根据前文所述直接转矩控制基本原理,可以采用Simulink建立直接转矩如图2-1所示
图2-1直接转矩系统仿真图
在这个仿真系统中拥有一下几个模块,分别是三相桥式逆变器、三相异步电动机、坐标变换(3/2)、定子磁链观测电路、PWM控制信号观测电路。
2.2坐标变换
三相电压在静止
坐标系变换的表达式为:
(2-1)
三相电流在静止
坐标系变换的表达式为:
(2-2)
根据表达式(2-1)、(2-2)以及电机的参数可以得到三相电压电流在静止
坐标系的仿真图,在图2-1中我们采用模块代替了这部分仿真电路,模块内部电路图如图2-2所示。
图2-23/2坐标变换仿真图
电路的输入为三相电压或者电流,经过电路的数学转换之后,最终在电路的a、b两端输出在静止坐标系下的电流(
)或者静止坐标系下的电压(
和
)。
2.3定子磁链观测电路
在直接转矩控制系统中无论是按圆形轨迹控制还是采用六边形轨迹控制,都需要已知定子磁链。
电机额定定子磁链的表达式为:
(2-3)
E——每相定子电势的有效值
f——定子频率
而在计算电机实际运行时的定子磁链是一般采用以下表达式:
(2-4)
介于观测定子磁链的重要性,在仿真图2-1中采用模块Subsystem代替了复杂的仿真电路的,基于定子电压电流和转速的磁链观测模型,模块Subsystem中的具体电路图如图2-3所示。
2-3磁链观测仿真电路
2.4PWM控制信号生成模块
基于定子磁链的直接转矩控制系统的原理就是以定子磁链为控制对象,根据定子磁链的需要对电路的电压电流进行调整。
在本次仿真中,对电流及电压的调整都需要对三相逆变电路进行调整,也就是需要对三相桥式逆变电路的6个开关管的开关频率及开关时间进行有目的性的控制。
在这次仿真过程中对于PWM波的产生采用了二维表格(表2-1)的方法得出,其中Ms为磁链信号,Ms=0表示减少磁链,Ms=1表示增加;磁链Ts为转矩信号,Ts=--1表示减少转矩,Ts=0表示保持转矩不变,Ts=1表示增加转矩;Fs为磁链所在扇区信号。
表2-1电压矢量选择表
Ms
Ts
Fs
1
2
3
4
5
6
0
-1
U1
U5
U4
U6
U2
U3
0
U0
U7
U0
U7
U0
U7
1
U2
U3
U1
U5
U4
U6
1
-1
U5
U4
U6
U2
U3
U1
0
U7
U0
U7
U0
U7
U0
1
U6
U2
U3
U1
U5
U4
在本次仿真中采用了函数计算s-Function的方法来对来确定Ms、Ts以及Fs的数值,在仿真中s-function1和s-function2共同确定二维坐标系中的数值。
2.5仿真结果
如图2-1中异步电机的仿真参数如图2-4所示,具体为:
额定功率Pn=3730w,额定线电压Un=460V,额定频率fn=50Hz,额定转速n=1460rpm,定子电阻Rs=1.115Ω,定子漏感L1s=0.005974H,转子电阻Rr=1.803Ω,转子漏感L1r=0.005974H,互感Lm 0.2037H,转动惯量J=0.02kg·m2,摩擦系数F=0.005752
图2-4异步电机仿真参数
在三相逆变器输出的三相电压电流会随着反馈回路磁链、转速以及转矩而发生变化,所以会出现一些波动,如图2-5为三相电流的输出波形。
图2-5三相电流波形
由于直接转矩控制系统仿真是基于定子磁链的,所以整个控制的目的就是为了得到一个圆形的定子磁链,仿真结果定子磁链如图2-6所示。
图2-6定子磁链轨迹
直接转矩控制系统的输出转矩在调节过程中现会达到幅值,然后由于闭环反馈使得定子磁链维持圆形,输出转矩会逐渐靠近于给定转矩(Tm=20),但由于是动态模型所以会出现波动,具体波形如图2-7所示。
2-7输出转矩波形
直接转矩控制系统的转速输出时非常稳定的,最后达到额定转速(n=1000)如图2-8所示为转速输出。
图2-8转速输出波行
通过仿真分析,观测各部分波形不难发现,在电压空间矢量按磁链控制的同时,也接受转矩的砰-砰控制。
例如在电机正转时,当实际转矩低于ASR输出转矩下限时,按磁链控制得到相应的电压空间矢量,是定子磁链向前旋转,转矩上
升;当实际转矩达到ASR输出允许上线时,不论磁链如何,立即切换到零矢量,使得定子磁链静止不动,转矩下降。
稳态时,上述情况不断地重复,使得转矩波动被控制在允许范围之内。
但同时我们也发现DTC系统依然存在着一些问题:
由于采用了砰-砰控制,实际转矩必然在以给定转矩为中心的上下限内脉动,而不是完全恒定的,如图2-7所示。
由于磁链计算采用了带几分环节的电压模型,积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的精度
这两个问题在低速时表现得比较明显,所以在使用直接转矩控制系统时需要
注意到调速范围的要求。
3心得与体会
通过这次强化训练,我学到了很多以前没有涉及到得知识,也发现了很多平时学习中的不足。
在平时的学习中常常都是考试要考什么,我就学什么,对于一些公式根本就没有去理解和推到,所以就造成了考完试以后就把这些知识给忘掉,没有能够转化成自己的知识。
作为一名学习电气工程及自动化的学生,我们的梦想是成为一名电气工程师,所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义,而且是十分必要的。
在成为一名合格的电气工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。
这这次课程设计也培养了我们的团队合作精神,让几个人一起作一个课题可以让我们更好的发挥自己的特长。
课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识,又掌握了Matlab的在交流调速应用中的基本使用方法。
同时,这次课程设计也培养了我认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
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- 基于 交流电动机 动态 模型 直接 转矩 控制系统 仿真 设计