按定子磁链定向控制直接转矩控制系统仿真

基于三相异步电机直接转矩控制系统与矢量控制系统性能比较摘要矢量控制系统（VC）和直接转矩控制系统（DTC）都是已经普遍应用的高性能交流调速系统，它们的理论基础都缘于电动机的多变量非线性数学模型。两种控制系统不同之处仅在于：VC系统选用了sri方程，而DTC系统则选用ssi方程。两种系统的总体控制结构也是一致的，因此，作为高性能的调速系统，VC和DTC在本质上是相同的，都能实现较高的静、动态性能。两种系统的具体控制方法不一样，因而具有不同的特色和优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，又各有所侧重的应用领域。随着技术的发展，两种方案的产品都在朝着克服其缺点的方向前进，而科研方向应该是取长补短、走互相融合的道路。文章对按转子磁链定向的矢量调速系统进行了计算机仿真研究,运用Matlab的Simulink和PowerSystem工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真方法,实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模与仿真;重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置,给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果,仿真结果非常接近实际情况,说明了仿真模型的正确性。关键词:交流异步电动机;仿真建模;Matlab软件;矢量控制关键词：交流调速系统矢量控制直接转矩控制Matlab软件AbstractBothvectorcontrolsystem(VC)anddirecttorquecontrolsystem(DTC)arewidelyusedacadjustablespeedsystemswithhighperformances.Theirtheoreticalbasisderivesfromthemultivariablenonlinearmathematicalmodelofelectricmotors.ThedifferencebetweenVCandDTCliesonlyinthatVCsystemselectssriequations,butDTCselectsssi.Besides,thegeneralcontrolstructureofthetwosystemsareidentical,andhenceasahigh-performanceASDsystemVCandDTCareessentiallythesame.Buttheconcretecontrolmethodsofthemaredifferent,sotheypossessdifferentcharacteristics,differentmeritsanddefects.Besidesthepopularlyusedhigh-performancevariablespeedsystems,theyarelaidwithparticularemphasisondifferentapplicationarea.Alongwiththetechnicalprogress,theproductsofthese2systemsareadvancinginthedirectionofovercomingtheirdefects.Thewayofscientificresearchshouldbetolearnfromeachother’sstrongpointsandtomakeupthedeficiencies.Thesimulationofthedirecttorquecontrolsystemandthevectorcontrolsystemforrotorfluxorientationisstudiedinthispaper.ThemodelingandsimulationofthevectorcontrolsystemofspeedandfluxcloseloopwiththetorqueinsidelooparecompletedbyapplyingelectricalprinciplesandthetoolboxofSimulinkandPowerSystemintheMatlabsoftware.Thepapermainlyintroducesthemodelingofthespeedadjustmentsystemandthesettingofparametersofthecontroller.Theobtainedresultsofthesimulationareclosetoactualsituation,whichprovesthecorrectnessofthemodeling.Keywords：ACspeedadjustablesystem,vectorcontrol,directtorquecontrolMatlabsoftware;第一章按定子磁链定向控制直接转矩控制系统仿真要实现按定子磁链定向控制的直接转矩控制系统,还必须获得定子磁链和转矩信号,现在实用系统中,多借助定子磁链和转矩的数学模型,实时计算磁链的幅值和转矩.下面给出按定子磁链定向的直接转矩控制系统各部分环节的仿真模型.1.主电路的建模和参数设置在按定子磁链控制的直接转矩控制系统中,主电路是由直流电源,逆变器,交流电动机模块等组成.对于逆变器,可以采用电力电子模块组中选取”universalbridge”模块，取臂数为3，电力电子元件设置为IGBT/Diodes.交流电机取machines库中的AsynchronousMachineSiunits模块，参数设置为交流异步电动机，电压为380v,50hz,Rs=0.435,Rr=0.816,Llr’=0.002H,Lls=0.002H,Lms-=0.06931H，极对数为2。直流电压参数为380v.2.控制电路模型和参数设置(1).脉冲发生器建模。由直接转矩控制的工作原理可知，此系统采用电压空间矢量控制的方法，当电机转速较高，钉子电阻造成的压降可以忽略时，其定子三相电压合成空间矢量us和定子磁链幅值Ψm的关系为(Ψ)ΨΨ公式表明电机旋转磁场的轨迹问题可以转换为电压空间矢量的运动轨迹问题。在电压空间矢量控制时有八个工作状态，开关管VT1，VT2，VT3，导通，VT2，VT3，VT4导通VT3，VT4，VY5导通等，为了叙述方便，依次用电压矢u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8表示，其中u7,u8为零矢量。从直接转矩控制原理可以知道脉冲发生器的作用在ΔTe,ΔΨ,都大于零时按照等顺序依次导通开关管，故采用六个PWM模块，参数设置为峰值为1，周期为0.002，脉冲宽度为50。但六个PWM模块的延迟时间分别设置为0，0.0033，0.0066，0.0099，0.0165。由给定的钉子磁链Ψ*以及转速调节器PI输出的给定转矩Te*同电机输出的Ψ,Te相比较，当偏差大于零时，PWM脉冲发生器控制逆变器上下桥臂功率开关器件动作，按正常顺序导通，但如果偏差小于零或者有一个小于零时,PWM脉冲必须给出零矢量，也即只能使开关管VT1,VT3,VT5同时导通，VT2,VT4,VT6截至。为了达到这种要求，现假设等参数较高时为1，相对低时为0，由以上的说明可以列出电压空间矢量状态，见表电压空间矢量状态表Te*TeΨ*Ψ电压矢量1010u1，u2，…u61001U70110U70101U7从表可以看出，对于ΔTe,ΔΨ的值，当两个都大于零时，Relay模块输出为1，当有一个小于零时或两个都小于零时，Relay模块对应的输出为零，也即模块的参数的设置模块设置参数是环宽为1，输出为1或0。采用这种方法的好处在于可以和后面的的逻辑运算模块进行协调控制。由于需要对PWM脉冲进行控制，所以采用逻辑运算模块。下面以第一个开关管的为例说明控制原理。第三和第五个开关管控制方式和第一个开关管控制方式相同。当Te*Te,Ψ*Ψ时，两个模块输出均为1，应该按u1,u2,u3,u4,u5,u6正常顺序依次导通开关管，但当Te*Te,Ψ*Ψ成立或者其中一个成立时，两个模块输出均为0，或其中一个为0，开关管的触发脉冲应为1，也即零矢量，其真值表见表所列，其中，1表示文为较高值，0表示相对低值，χ表示任意电平，PWM’表示原有的触发脉冲，PWM表示控制后的触发脉冲。第一个开关管的导通状态Te*TeΨ*ΨPWM’PWM1010χχ0110χ11001χ10101χ1从上面真值表可以设计出控制方案，采用两个逻辑模块搭建第一个开关管的触发脉冲模型，参数设置为NAND，另一个为OR，如图所示。第一个开关管的pwm脉冲控制从图可以看出，ln3是转矩之差处理后的结果，ln4是定子磁链之差处理后的结果，当二者均大于零时，输出为1，经过NAND模块处理后，为低电平0，同PWM’原有脉冲进行相或后，输出的PWM脉冲保持不变，还是原有的PWM’脉冲;当有一个为零或者两个都为零时，经过NAND模块处理后，为高电平1，同PWM’原有脉冲进行相或后，输出的脉冲始终为1，从而保证了零矢量。对于第二个，第四个和第六个开关管的PWM控制原理，也可以列出真值表第二个开关管的导通状态Te*TeΨ*ΨPWM’PWM1010χχ0110χ01001χ00101χ0从上面真值表可以设计出控制方案，采用逻辑运算模块搭建第二个开关管的PWM触发脉冲模型，如图所示第二个开关管的控制从图可以看出，当ln3,ln4二者均大于零时，输出为1，同PWM’原有脉冲进行相与，经过AND模块处理后，输出PWM脉冲保持不变，还是原有的PWM’脉冲；当ln3,ln4有一个为零或者两个都为零时，经过AND模块处理后，PWM为低电平0，从而保证了第二个，第四个和第六个开关管截止。PWM触发脉冲模型及子系统如图所示。Pwm脉冲模型及封装后子系统(2)定子磁链模型。建立定子磁链模型时，先写出坐标系上定子磁链的数学模型式中，Lm为dq坐标系定子与转子同轴等效绕组互感，Lm=3Lms;Ls为dq坐标系定子等效两相绕组的自感，Ls=Lm+L1srqrdsqsdrmrmmsmsrqrdsqsdiiiiLLLLLLLL00000000式中是在dq坐标系上的定子磁链，由于直接转矩控制需要的是αβ坐标系上的钉子磁链，还必须把上式进行坐标转换。式中两边都左乘以两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换矩阵Cr/s，得到两相旋转作坐标系变换到两相静止坐标系的变换方程为对于定子绕组而言，在静止坐标系上的数学模型时任意旋转坐标系数学模型当坐标旋转等于0时的特例，φ=0，即为定子磁链在αβ坐标系上的变换阵，也即Cr/s=[1001]=e从式可以看出，对于定子绕组的磁链方程，其dq坐标系和ab坐标系方程完全相同，故设计定子磁链模型及封装后子系统如图所示，其参数为,Lm=3Lms=0.103965,Ls=Lm+L1s=0.105965定子磁链模型及封装后子系统(3)转矩模型的建立。由于MATLAB模型的中的交流电机测量模块只有dq坐标系上的值，没有坐标系的值，故采用转矩方程为搭建转矩模型如图所示，其参数为p=2,Lm=0.103965转矩模型及封装后子系统由于转矩模型输入的是电机测量模块上dq坐标系上的定，转子电流，在电机测量模块中，其定转子电流的值与Te有关，当ΔTe=0时，仿真就会终止，为了防止这种情况发生，在转矩模型后端加了一个保持模块Memory，参数设置为1，即可达到要求。Relay模块宽度设置为1，也即Switchonpoint为0.5,Switchoffpoint为-0.5,outputwhenon为1，,outputwhenoff为0.(4)．调节器的建模与参数设置。转速调节器采用调节器，参数设置为=100，=10，上下限幅为[800-1]。将主电路和控制电路的仿真模型进行连接，即可得图按定子磁链控制的直接转矩控制系统的仿真模型。系统仿真参数设置：仿真中所选择的算法为ode23tb,start设为0，stop设为3.0s。(-)ep