師素娟 滿 達(dá) 馬少丹
(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450011)
基于MatlabSimulink設(shè)計(jì)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真
師素娟 滿 達(dá) 馬少丹
(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450011)
本文設(shè)計(jì)了一種基于MatlabSimulink軟件仿真的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),通過(guò)其數(shù)學(xué)仿真功能設(shè)計(jì)出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等模塊,組成三相異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了該方法能夠準(zhǔn)確的控制三相異步電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出。
異步電動(dòng)機(jī);數(shù)學(xué)仿真;直接轉(zhuǎn)矩
三直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)定子電壓和電流,在定子坐標(biāo)系下觀測(cè)電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩,并將觀測(cè)值與給定的磁鏈、轉(zhuǎn)矩相比較,綜合考慮磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號(hào)選擇電壓空間矢量,直接對(duì)電機(jī)定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。本文通過(guò)Matlab Simulink的建模仿真功能,建立了一種三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型。
1.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理
直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制中解耦的控制思想,采用定子磁鏈定向和瞬時(shí)空間矢量理論,通過(guò)檢測(cè)定子電壓和電流,在定子坐標(biāo)系下觀測(cè)電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩,并將觀測(cè)值與給定的磁鏈、轉(zhuǎn)矩相比較,差值經(jīng)滯環(huán)控制器調(diào)節(jié)得到相應(yīng)的控制信號(hào),綜合考慮磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號(hào)選擇電壓空間矢量,直接對(duì)電機(jī)定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,在實(shí)現(xiàn)磁鏈控制的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的直接控制,從而使得直接轉(zhuǎn)矩控制的交流感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)越的動(dòng)靜態(tài)性能。
1.2三相異步電動(dòng)機(jī)和逆變器
三相異步電動(dòng)機(jī)和逆變器使用的是Matlab Simulink軟件中自帶模型庫(kù)中的模型。如圖1所示:
圖1 三相異步電動(dòng)機(jī)和逆變器
逆變器在三相異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中是一個(gè)重要原件。本文采用的是三相兩點(diǎn)式電壓型逆變器,該逆變器有三個(gè)橋臂,六個(gè)開(kāi)關(guān)組成,由于同一個(gè)橋壁上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)接通和斷開(kāi),故共有八種開(kāi)關(guān)組合。該模型八個(gè)工作電壓在αβ正交定子坐標(biāo)系中可以輸出八個(gè)基本輸出矢量,其中有兩個(gè)零矢量,相當(dāng)于三相異步電動(dòng)機(jī)繞組短接。另外六個(gè)非零矢量組成了電壓空間矢量。幅值為2Udc/3(Udc為直流電壓),如圖2所示(0、1代表逆變器A、B、C的開(kāi)關(guān)狀態(tài))。
圖2 三相電壓型逆變器的電壓空間矢量
1.3磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)
磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)的目的就是根據(jù)估算出的磁鏈判斷磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡位置,并且能夠正確的反映變化的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)選擇相應(yīng)的電壓空間矢量。根據(jù)定子電壓和定子磁鏈之間的關(guān)系可以用公式(1)來(lái)表示:
也可以寫(xiě)成微分形式:
由于定子電阻R_s對(duì)定子電壓核磁憐的影響小可忽略不計(jì)則:
由公式(2)可以看出三相異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向是沿著定子電壓的方向運(yùn)動(dòng)的,這樣便在正交定子坐標(biāo)系中形成了六個(gè)磁鏈扇區(qū)。
磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)過(guò)程是通過(guò)滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)的。在允許的偏差范圍內(nèi)輸出磁鏈信號(hào),當(dāng)磁鏈信號(hào)的磁鏈值達(dá)到了調(diào)節(jié)器的下限,此時(shí)應(yīng)該增加磁鏈的電壓空間矢量,反之當(dāng)磁鏈值達(dá)到了調(diào)節(jié)器的上限則減小磁鏈的電壓空間矢量;像這樣反反復(fù)復(fù)的對(duì)磁鏈進(jìn)行調(diào)節(jié),可以維持近似圓形的磁鏈軌跡。
轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)的作用就是對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)直接控制。如公式(4)所示:
轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)也是通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)矩的給定值和實(shí)際值之間的偏差。當(dāng)偏差值大于允許范圍內(nèi)最大偏差值時(shí)輸出信號(hào)應(yīng)選擇能增大電磁轉(zhuǎn)矩的電壓空間矢量;當(dāng)偏差值在允許范圍之內(nèi)時(shí),轉(zhuǎn)矩保持不變;當(dāng)小于最小偏差值時(shí),應(yīng)減小電壓空間矢量,降低轉(zhuǎn)矩。
1.4電壓矢量開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇
根據(jù)對(duì)磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)控制原理的分析可知,直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是在于根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的要求合理的選擇電壓空間矢量,就是將兩個(gè)調(diào)節(jié)器和磁鏈所在扇區(qū)結(jié)合起來(lái)共同控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài),既要保證三相異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈在給定的范圍內(nèi)變化,又要保證三相異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩快速的跟隨給定變化,是直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。
電壓空間矢量開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的精髓。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈的閉環(huán)控制,需要判斷定子磁鏈的空間位置,根據(jù)定子磁鏈在靜止兩相α-β坐標(biāo)系下的空間角度θ得出定子磁鏈所在扇區(qū)(如圖2所示)以及電壓矢量空間開(kāi)關(guān)表最終得到電壓空間矢量開(kāi)關(guān)信號(hào)。仿真模型如圖3所示。
圖3 電壓矢量開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇仿真模型
1.5定子磁鏈u-i模型觀測(cè)器
定子磁鏈u-i模型就是通過(guò)定子電壓和定子電流來(lái)確定定子磁鏈,根據(jù)公式(1)來(lái)確定三相異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方法簡(jiǎn)單,只需要知道三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電阻參數(shù),并且式中的定子電壓us和定子電流is可以通過(guò)電壓電流傳感器測(cè)量出來(lái),方便觀測(cè)磁鏈。仿真模型如圖4、5所示。
圖4 定子磁鏈u-i觀測(cè)模型
圖5 定子磁鏈u-i觀測(cè)模型
針對(duì)上述設(shè)計(jì)的Matlab Simulink仿真模型進(jìn)行空載和負(fù)載兩種情況的實(shí)驗(yàn)。三相異步電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如下:額定功率15kw,額定電壓400v,頻率50Hz,最高轉(zhuǎn)速1460r/min。定子磁鏈給定幅值0.8。
圖6 定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡
如圖6所示,當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí),定子磁鏈的幅值從0開(kāi)始迅速增長(zhǎng),很快達(dá)到磁鏈的給定幅值0.8左右,然后通過(guò)直接轉(zhuǎn)矩控制理論對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子施加不同的電壓矢量,磁鏈幅值被限制在較小的容差范圍內(nèi),從而利用此模型建立了一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形的定子磁鏈。當(dāng)外部負(fù)載發(fā)生變化時(shí),對(duì)定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡影響仍然很小。
①電機(jī)空載運(yùn)行試驗(yàn)
轉(zhuǎn)速1200r/min,負(fù)載為0N*m。
如圖7、8所示,三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間為0.5s,啟動(dòng)轉(zhuǎn)速峰值為1420 r/min。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升到峰值并保持。經(jīng)過(guò)0.5s后,啟動(dòng)完成,電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢下降至1200 r/min并保持。波形顯示穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速波形達(dá)到穩(wěn)定值為1200.95r/min。響應(yīng)時(shí)間為0.1652s。
穩(wěn)態(tài)誤差:(1200.95-1200)/1200×100%=0.08%
超調(diào)量:(1420-1200.95)/1200.95×100%=18.2%
圖7 空載時(shí)定子電流
圖8 空載運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速對(duì)比圖
②電機(jī)負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)
轉(zhuǎn)速1200r/min,負(fù)載為100N*m
圖9 負(fù)載時(shí)定子電流圖
圖10 負(fù)載運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速對(duì)比圖
如圖9、10所示,同樣啟動(dòng)時(shí)間為0.5s,啟動(dòng)峰值為1420 r/min。啟動(dòng)完成后,在0.7s時(shí)讓電機(jī)負(fù)載運(yùn)行。從圖中可以看到在0.7s時(shí)定子電流發(fā)生了變化,轉(zhuǎn)矩也從0N*m上升到了100N*m。
圖11 負(fù)載運(yùn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩局部放大
圖11是圖10的局部放大,在0.7s時(shí)給電機(jī)加載,這時(shí)發(fā)生了一個(gè)細(xì)微的變化:負(fù)載轉(zhuǎn)矩上升,轉(zhuǎn)速降低,隨后又回到了恒轉(zhuǎn)速的狀態(tài)并一直處于負(fù)載運(yùn)行的狀態(tài)。
通過(guò)對(duì)空載、負(fù)載兩種情況的分析可以看出,在低速狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,穩(wěn)態(tài)時(shí),定子電流含有的諧波比重小。在運(yùn)行過(guò)程中具有響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
通過(guò)MatlabSimulink建立的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型在研究三相異步電動(dòng)機(jī)速度控制穩(wěn)定性方面操作起來(lái)十分方便。
[1]林輝,王輝.電力電子技術(shù)[M].武漢:武漢工業(yè)出版社,2002.
Simulation of Direct TorqueControl SystemDesigned by Matlabsimulink
Shi Sujuan Man Da Ma Shaodan
(North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou Henan 450045)
This paper designed a direct torque control system simulated by Matlabsimulink software,through its mathematical simulation capabilities designed the torque control,speed regulation and other modules of direct torque control system,to consist of a direct torque control system of three-phase asynchronous motor.Simulation results show that the method can accurately control the speed of three-phase asynchronous motor and the stable output of torque.
asynchronous motor;mathematical simulation;direct torque
TP273+.2
A
1003-5168(2015)12-0030-3
2015-12-15
師素娟(1960-),女,副教授,研究方向:機(jī)械CAD及仿真技術(shù)、工程車輛現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究;滿達(dá)(1991-),男,碩士生,研究方向:自動(dòng)控制、儀器儀表等方面的研究;馬少丹(1989-),女,碩士生,研究方向:機(jī)電一體化方面的研究。