《控制系統(tǒng)仿真》課程論文模板

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1、 基于全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的研究 摘要：建立了一種包含弱磁控制的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的速度控制，既可以實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又可以實(shí)現(xiàn)弱磁范圍內(nèi)的恒功率調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)的調(diào)速性能良好，在換向調(diào)速過(guò)程中，無(wú)抖動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象，很好地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)調(diào)速的四象限特性，弱磁控制過(guò)程平穩(wěn)。對(duì)研究全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制具有較好的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；調(diào)速；弱磁；仿真 Research of Direct Torque Control Speed Adjustment System within Full-speed

2、Range Abstract: A simulation system of direct torque control speed adjustment system is introduced, it include field-weakening control. The simulation system realized induction-motor speed control within full-speed range, constant torque adjustment less than foundation speed and constant power adju

3、stment greater than foundation speed. The results of simulation show that system performance is excellent. The ripple and overshoot of speed are reduced; the four-quadrant characteristic of induction-motor varying speed is achieved successfully; the field-weakening control is very smooth. The simula

4、tion model has better reference meaning for researching direct torque control system within full-speed range. Keyword: direct torque control, adjustment speed, flux weakening, simulation 中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目（MTKJ08-379） 1．引言 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，它在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算復(fù)雜、特性易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響、實(shí)際性能難以達(dá)到理論分析

5、結(jié)果的一些重要技術(shù)問(wèn)題[1]。直接轉(zhuǎn)矩控制采用雙滯環(huán)控制策略，電機(jī)在運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈脈動(dòng)較大，影響了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，所以研究的焦點(diǎn)大都集中在減小轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈脈動(dòng)上[2-3]。為了提高定子磁鏈的估計(jì)精度，改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能等，提出了多種行之有效的減小脈動(dòng)方法[4-6]。在直接轉(zhuǎn)矩的調(diào)速控制方面，有同步轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的研究[7]，也有基于弱磁范圍內(nèi)的速度控制等[8]，但基于全速度范圍內(nèi)的控制仿真研究還不多見(jiàn)[9，10]。本文建立了一種直接轉(zhuǎn)矩控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的速度控制。所謂全轉(zhuǎn)速范圍，是指電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速以下

6、的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又可以實(shí)現(xiàn)弱磁范圍內(nèi)的恒功率調(diào)節(jié)，而且能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的四象限運(yùn)行特性。 2．直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的建模 直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC），是基于動(dòng)態(tài)模型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。外環(huán)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)，控制轉(zhuǎn)速的大小；內(nèi)環(huán)采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較控制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 2.1 磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制 要進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的閉環(huán)控制，必須取得異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，磁鏈觀測(cè)和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)通常采用的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1） （2） 式中：ys(t)為定子磁鏈，us(t)為定子相電壓，is(t)為定子相電流，Rs為定子電阻，P為電機(jī)極對(duì)

7、數(shù)，ysa，sb為定子磁鏈在ab坐標(biāo)軸上的分量，isa，sb為定子電流在ab坐標(biāo)軸上的分量。 （a）磁鏈滯環(huán) （b）轉(zhuǎn)矩滯環(huán) 圖1 磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 Fig.1 the relay adjustor of torque and flux 圖2 轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器的仿真模型 Fig.2 the model of relay adjustor of torque and flux 圖3 磁鏈圓扇區(qū)的劃分 Fig.3 the division of sector 磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制仿真模型如圖2所示，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器由兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出相加，同時(shí)兩個(gè)輸

8、出經(jīng)過(guò)異或邏輯運(yùn)算（NOR），數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換（Convert），再乘以2，最終輸出為0或2。磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的輸出為1或2。磁鏈滯環(huán)環(huán)寬Fbm設(shè)定為0.02Wb，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬Tbw設(shè)定為10N.m。磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較輸出為H_Te和H_phi。 圖4為轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)及磁鏈角計(jì)算仿真模型。逆變器輸出的三相電壓ua,b,c進(jìn)行3/2 圖4 轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)及磁鏈角計(jì)算仿真模型 Fig.4 the calculation mode of torque, flux and it’s angle 圖5 磁鏈扇區(qū)的計(jì)算模型 Fig.5 the calculation mod

9、el of flux sector 變換得到usa、usb，ia,b,c進(jìn)行3/2變換得到isa、isb，再通過(guò)離散積分模塊（Discrete-Time Integrator），可以計(jì)算出定子磁鏈分量ysa、ysb。根據(jù)式（2），利用兩個(gè)乘法器（Product）和一個(gè)加法器（Sum）模塊，可以計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)矩值Te。 利用定子磁鏈分量ysa、ysb，可以計(jì)算出磁鏈幅值Ys和磁鏈角q。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，圖4采用了將定子磁鏈分量ysa、ysb構(gòu)成一個(gè)復(fù)數(shù)（Real-Imag to Complex），然后用求復(fù)數(shù)模和復(fù)角模塊（Complex to Magnitude -Angle），輸出磁鏈幅值y

10、s和磁鏈角q。 1.2 定子磁鏈扇區(qū)的計(jì)算 定子磁鏈扇區(qū)將磁鏈圓等分為六等份，每個(gè)扇區(qū)間隔60o，用Sn表示，定子電壓矢量和扇區(qū)的劃分如圖4所示。磁鏈角的初始線（q＝0）與電壓矢量U1（100）的方向相同，扇區(qū)S1確定為U1（100）的方向線±30o 的扇形區(qū)域，S2定為U2（110）的方向線±30o的扇形區(qū)域，以此類(lèi)推可定義出六個(gè)扇區(qū)S1-S6。 扇區(qū)計(jì)算模型如圖5所示，六個(gè)扇區(qū)的判斷主要采用關(guān)系比較模塊和邏輯運(yùn)算模塊。由于磁鏈角的取值范圍為[-180o,+180o]，所以S4的確定關(guān)系式為q＞150o和q≤-150o，兩者為“或”的關(guān)系，其它扇區(qū)的關(guān)系均為“與”的關(guān)系。 1.3開(kāi)

11、關(guān)選擇表的建立 假定定子磁鏈位于扇區(qū)S1，并以逆時(shí)針?lè)较?。?dāng)實(shí)際磁鏈達(dá)到下限值，Dy＞0，Hy＝1，則需用非零電壓矢量來(lái)增加磁鏈，此時(shí)分兩種情況：（1）電磁轉(zhuǎn)矩幅值達(dá)到下限，DT＞0， HTe＝1，則選取電壓矢量U2（110），達(dá)到同時(shí)增加轉(zhuǎn)矩和磁鏈的目的；（2）電磁轉(zhuǎn)矩幅值達(dá)到上限，DT＜0，HTe＝3，則用電壓矢量U6（101），達(dá)到增加磁鏈和減少轉(zhuǎn)矩的目的。如果此時(shí)DT＝0，HTe＝2，可以插入零電壓矢量U0或U7。由此可以確定異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)選擇表（見(jiàn)表1），零電壓U0、U7的選擇以減少開(kāi)關(guān)切換次數(shù)為原則。 電壓矢量U0~U7對(duì)應(yīng)逆變器六只開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表2所

12、示。三相逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)順序分別為[a+，a-，b+，b-，c+，c-]，例如[1，0，0，1，1，0]，表示a相上橋臂、b相下橋臂、c相上橋臂開(kāi)通，a相下橋臂、b相上橋臂、c相下橋臂關(guān)斷。 開(kāi)關(guān)選擇表的仿真模型如圖6所示，開(kāi)關(guān)表由兩個(gè)二維查表函數(shù)（lookup2D）來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Dy＞0，Hy＝1，選擇第一個(gè)查表函數(shù)；當(dāng)Dy＜0，Hy＝2，選擇第二個(gè)查表函數(shù)。查表函數(shù)（lookup2D）參數(shù)的設(shè)置與開(kāi)關(guān)表相對(duì)應(yīng)，為3行6列矩陣，輸出填入與開(kāi)關(guān)表相對(duì)應(yīng)的電壓矢量值0~7。當(dāng)磁鏈偏差HY、轉(zhuǎn)矩偏差HTe、扇區(qū)Sn確定后，即可輸出惟一的電壓矢量值。電壓矢量值加1，送入8選1多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Multip

13、ort switch），電壓矢量值轉(zhuǎn)換成逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即6路PWM脈沖。 圖6 開(kāi)關(guān)選擇表的仿真模型 Fig.6 the simulation model of switching option table 表1 電壓矢量開(kāi)關(guān)選擇表 Tab.1 switching option table of voltage vector Hy HTe Sn 1 2 3 4 5 6 1 1 U2 U3 U4 U5 U6 U1 2 U0 U7 U0 U7 U0 U7 3 U6 U1 U2 U3 U4 U5 2 1

14、 U3 U4 U5 U6 U1 U2 2 U7 U0 U7 U0 U7 U0 3 U5 U6 U1 U2 U3 U4 表2 電壓矢量與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系 Tab.2 the relation of voltage vector and switching state 電壓矢量 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài) U0（000） 0，1，0，1，0，1 U1（100） 1，0，0，1，0，1 U2（110） 1，0，1，0，0，1 U3（010） 0，1，1，0，0，1 U4（011） 0，1，1，0，1，0 U5（001） 0，1，0

15、，1，1，0 U6（101） 1，0，0，1，1，0 U7（111） 1，0，1，0，1，0 1.4 速度控制器 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)外環(huán)為速度控制器，速度調(diào)節(jié)器一般采用帶有飽和特性和帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。速度給定值 n*先通過(guò)速度變化率限制模塊（Rate Limiter）處理，速度變化率設(shè)為[-900，900rpm/s]，然后與實(shí)際速度n進(jìn)行比較，速度偏差信號(hào)輸入PI調(diào)節(jié)器。速度PI調(diào)節(jié)器的積分器采用離散時(shí)間積分器（Discrete-Time Integrator），由于轉(zhuǎn)速是一個(gè)漸變量，積分器的離散采樣時(shí)間設(shè)為系統(tǒng)采樣時(shí)間的7倍（7×Ts），以提高仿真速度，輸出后，再加入數(shù)據(jù)采樣

16、率轉(zhuǎn)換模塊（Rate Transition），將離散采樣時(shí)間還原為系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts。PI調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定值。 電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0＝1500rpm，其定子磁鏈給定值的設(shè)定原則為同步轉(zhuǎn)速以下 圖7 速度控制器 Fig.7 speed controller 設(shè)定為額定磁鏈F0＝0.8Wb，同步轉(zhuǎn)速以上設(shè)為弱磁控制，其設(shè)置由查表函數(shù)（Lookup）來(lái)實(shí)現(xiàn)。查表函數(shù)（Lookup）的參數(shù)設(shè)置如下： 轉(zhuǎn)速：[0；300；600；900；1200；1500；1700；2000；2500]； 磁鏈：[F0；F0；F0；F0；F0；F0；0.90 F0；0.72 F0；0.51

17、 F0]。 3 直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真 根據(jù)上述直接轉(zhuǎn)矩控制各分支模塊的分析，建立了帶速度閉環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速控制系統(tǒng)如圖8所示。 直接轉(zhuǎn)矩控制分支模塊包括速度控制器（Speed Controller）、磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算（Torque & Flux calculator）、磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器（Flux & Torque hysteresis）、磁鏈扇區(qū)計(jì)算（Flux sector calculator）、開(kāi)關(guān)表模塊（Switching table）等。 系統(tǒng)仿真所用到的參數(shù)： 電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定功率PN＝100kW，額定電壓UN=380V，額定頻率fN＝50Hz，額定磁鏈F0＝0

18、.8Wb，Rs＝14.85mW，Rr＝9.295mW，Ls＝0.3027mH，Lm＝10.46mH，Lr＝0.3027mH，極對(duì)數(shù)P＝2，J＝0.01kg.m2。直流電源電壓為600V。 控制系統(tǒng)參數(shù)：速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp=30，積分系數(shù)ki=200，速度給定最大變化斜率為-900~+900rpm/s，速度測(cè)量值低通濾波截止頻率為100Hz。磁鏈滯環(huán)環(huán)寬Fbw ＝0.02Wb，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)環(huán)寬為T(mén)bw＝10N.m，轉(zhuǎn)矩限幅值為[-1200，+1200] N.m。 3.1 同步轉(zhuǎn)速以下的恒轉(zhuǎn)矩控制仿真 速度給定初始值n*=800rpm，在t＝2s時(shí)改變?yōu)?800rpm；負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始值設(shè)定為

19、TL＝0，t＝1.5s時(shí)加載到TL＝700 N.m。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在同步轉(zhuǎn)速以下的仿真結(jié)果如圖9所示。圖9所示波形依次為定子電流ia、轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te。從轉(zhuǎn)速波形可以看出，轉(zhuǎn)速給定n*＝800rpm，電動(dòng)機(jī)正向啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速線性增加，在t＝0.8s時(shí)，轉(zhuǎn)速上升到n*，電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段。在t＝2s，n*＝-800rpm，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速到0后開(kāi)始反向加速到-800rpm，在換向調(diào)速過(guò)程中，無(wú)抖動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象，調(diào)節(jié)非常平滑，很好地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)調(diào)速的四象限特性。 3.2 同步轉(zhuǎn)速以上的弱磁控制仿真 速度給定初始值n*=1200rpm，在t＝2s時(shí)改變?yōu)?500rpm；負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始值設(shè)定為

20、TL＝0，t＝1.5s時(shí)加載到TL＝700 N.m。 在同步轉(zhuǎn)速以上的仿真結(jié)果如圖10所示。從轉(zhuǎn)速波形可以看出，轉(zhuǎn)速給定n*＝1200rpm，電動(dòng)機(jī)正向啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速線性增加至1200rpm，電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段。在t＝2s，n*＝2500rpm，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始加速至t＝3.5s達(dá)到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n＝2500rpm，此時(shí)電動(dòng)機(jī)工作于弱磁狀態(tài)，在同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速過(guò)程中，也無(wú)抖動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象，調(diào)節(jié)非常平滑，很好地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制。弱磁調(diào)速定子磁鏈軌跡如圖11（b）所示，定子磁鏈額定值為0.8Wb，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到2500rpm時(shí)，定子磁鏈幅值隨轉(zhuǎn)速的上升而下降至0.48Wb，磁鏈軌跡為逐漸內(nèi)縮的同心

21、圓。 圖8 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型 Fig.8 the simulation model of DTC system 圖9 同步轉(zhuǎn)速以下的仿真結(jié)果 Fig.9 the simulation result of under synchronous speed 圖10 同步轉(zhuǎn)速以上的仿真結(jié)果 Fig.10 simulation result of over synchronous speed 4．結(jié)論 由以上仿真結(jié)果可以看出：（1）同步轉(zhuǎn)速以下的直接轉(zhuǎn)矩控制達(dá)到了定子磁鏈形成圓形磁鏈，幅值恒定，脈動(dòng)很小；可以將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在設(shè)定的范圍內(nèi)；調(diào)速性能良好，在換向調(diào)速過(guò)

22、程中，無(wú)抖動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象，很好地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)調(diào)速的四象限特性。（2）弱磁環(huán)節(jié)的直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的恒功率控制；弱磁控制過(guò)程很平穩(wěn)。 由此可見(jiàn)，此仿真模型達(dá)到了理論所期望的磁鏈、轉(zhuǎn)矩及調(diào)速性能，而且仿真速度快，對(duì)研究全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制具有較好的參考價(jià)值。 （a）同步轉(zhuǎn)速以下n*=1200rpm （b）同步轉(zhuǎn)速以上n*=2500rpm 圖11 定子磁鏈圓的軌跡 Fig.11 the track of stator flux round 參考文獻(xiàn) [1] 祝龍記．基于空間矢量PWM的新型直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J]．電氣傳動(dòng)，35（4），2005：11-13

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