易學良,聶楚輝,邱自華,何 焱

(湖南理工學院 計算機學院,湖南 岳陽 414006)

異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的建模和仿真

易學良,聶楚輝,邱自華,何 焱

(湖南理工學院 計算機學院,湖南 岳陽 414006)

對異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制進行了建模與仿真研究.首先推導了異步電動機數(shù)學模型,簡要闡述了異步電動機矢量控制的工作原理,重點闡述了其在MATLAB/Simulink中的建模過程.然后對仿真結(jié)果進行了比較分析,仿真結(jié)果表明異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制在改變負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差時,電機系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性.

異步電動機; 直接轉(zhuǎn)矩; 負載轉(zhuǎn)矩; 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差; 建模和仿真

Abstract: The direct torque control of asynchronous motor is modeled and simulated.First of all,the mathematical model of asynchronous motor is deduced,and the working principle of vector control of asynchronous motor is briefly expounded.The modeling process of MATLAB/Simulink is emphasized.Finally,the simulation results are compared and analyzed.The simulation results show that the asynchronous motor for direct torque control system has better dynamic characteristics when changing the load torque and torque hysteresis tolerance.

Key words: asynchronous motor,direct torque,load torque,torque lag,modeling and simulation

0 引言

異步電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能,轉(zhuǎn)子繞組在感應電流和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場相互作用過程中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,最終達到能量轉(zhuǎn)換效應.異步電動機轉(zhuǎn)子不需要與其它電源連接,由電力系統(tǒng)產(chǎn)生感應電流.可以根據(jù)其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡單分為鼠籠式電機和繞組電機兩大類.我們所熟知的感應電機,其轉(zhuǎn)子的繞組電流是感應產(chǎn)生的[1,2].直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是跟隨矢量控制系統(tǒng)的另一種高動態(tài)性能交流驅(qū)動控制系統(tǒng).特點是固定二相坐標系中定子磁通的幅值保持不變,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩反饋控制.核心問題是轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋模型,以及如何根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號選擇電壓空間矢量控制器的開關狀態(tài).定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制采用磁場方向,只要能夠觀察定子電阻,直接轉(zhuǎn)矩控制就可以大大降低矢量控制技術對控制性能和參數(shù)時變的影響.使用定子坐標系分析,不需要求解交流電機的數(shù)學模型來解決問題,保存了電機的轉(zhuǎn)換和計算復矢量旋轉(zhuǎn)變化,但是,缺點是輸出轉(zhuǎn)矩脈動,在低速運行時,限制了電機系統(tǒng)的調(diào)速范圍[3,4].本文詳細闡述了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制在MATLAB/Simulink中的建模和仿真過程,可以為其實際應用提供一些借鑒.

1 異步電動機的數(shù)學模型

想要實現(xiàn)電機的高動態(tài)性能,就要充分研究電機的工作原理和數(shù)學模型.由于電機的電壓和電流是在固定坐標系下測量的,所以在靜態(tài)坐標系中描述電機模型是很方便的.通過坐標轉(zhuǎn)換得到三相異步電動機在三相靜態(tài)坐標系中的電壓方程.定子電壓矢量通常在α-β坐標系表示[5]:

其中usa、usb、usc分別為靜態(tài)坐標系下的電壓,且

其中usα、usβ分別為α-β坐標系下的電壓.

異步電動機的動態(tài)特性可以通過以下方程來描述:

電機矢量形式的數(shù)學模型可以描述如下:

其中Rs,Rr表示異步電動機的定子和轉(zhuǎn)子的電阻;Ls、Lr表示定子和轉(zhuǎn)子的自感,Lm表示兩者的互感[9];ωr表示電動機的電角度.

由上面的公式進而可得

電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以用定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通的形式表示:

上式中的“×”表示矢量積.此外,電磁轉(zhuǎn)矩也可以由定子磁通和定子電流表示.坐標系中的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

2 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理

異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制工作原理如圖1所示[6].其工作過程為: 首先通過轉(zhuǎn)速測量傳感器得到異步電動機實際轉(zhuǎn)速n,與參考轉(zhuǎn)速n*進行比較后,進入速度比較器得到轉(zhuǎn)矩給定值.把霍爾傳感器得到的異步電動機定子電流ia、ib和ic以及電壓值ua、ub和uc,同時輸入到異步電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈測算器可以得到定子磁鏈的模|ψs|以及轉(zhuǎn)矩實際值Te,實際轉(zhuǎn)矩Te與參考轉(zhuǎn)矩經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器運算后得到轉(zhuǎn)矩開關信號TT.磁鏈參考值與磁鏈計算值|ψS|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器運算后得到磁鏈開關信號ψT.與此同時,定子磁鏈幅值分量ψsa和ψsb通過區(qū)間判斷磁鏈位置信號ST.最后將轉(zhuǎn)矩開關信號TT、磁鏈開關信號ψT和磁鏈位置信號ST三個信號輸入到區(qū)間開關選擇表進行比較分析,從而可以得到精確的電壓開關信號Sa、Sb和Sc來驅(qū)動三相異步電動機的工作.

圖1 三相異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 建模及仿真結(jié)果分析

3.1 仿真模型的建立

根據(jù)兩相坐標系下的異步電動機的數(shù)學模型可以得到異步電動機模塊,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模塊.uα、uβ兩個分量代表模塊的定子電壓輸入,兩個分量代表模型的定子電流輸出、電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速,其仿真模塊框圖如圖2所示[7,8].

圖2 異步電動機仿真模塊框圖

與矢量控制一樣,直接轉(zhuǎn)矩控制方式也有兩個子系統(tǒng),速度控制和磁鏈控制.速度控制器產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩指令,得到電磁轉(zhuǎn)矩,與實際的轉(zhuǎn)矩信號進行比較,產(chǎn)生三相輸出的轉(zhuǎn)矩滯后比較器狀態(tài).磁通控制器產(chǎn)生磁通指令,通過比較后,由定子磁通模擬模型獲得的實際磁鏈信號,得到磁通磁滯比較器的兩個狀態(tài)輸出,進而得到定子磁鏈模型.通過磁通量仿真模型獲得的定子磁鏈方向信號輸入到扇區(qū)比較器,得到不同的扇區(qū)符號.磁通量、轉(zhuǎn)矩滯后比較器和扇區(qū)比較器同時輸出到開關狀態(tài)控制器,以確定變頻器的開關狀態(tài),實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制.在熟悉MATLAB/Simulink仿真軟件的基本模塊及其用法的基礎上,可以對前面提出的直接轉(zhuǎn)矩控制原理、定子磁鏈滯環(huán)控制器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器、開關表進行仿真建模.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型如圖3所示.

圖3 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及分析

為了更好地分析異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的性能,本文研究改變負載轉(zhuǎn)矩和改變轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差時電機系統(tǒng)兩種情況的工作狀態(tài).首先是改變負載轉(zhuǎn)矩,負載轉(zhuǎn)矩在0.2秒的時候由20突變到40.根據(jù)圖2和圖3建立的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型,得到的仿真結(jié)果如圖4所示.從圖4的仿真波形可以看出,在電機剛開始起動時段內(nèi),PI在調(diào)節(jié)器的作用下,電機起動時電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速仿真波形迅速增加,電機系統(tǒng)迅速達到穩(wěn)態(tài).在0.2s時增加負載轉(zhuǎn)矩時,轉(zhuǎn)矩瞬間突變,三相電流振幅變大,轉(zhuǎn)速波動,但很快再次達到平衡.在0.5s后,電機運行狀態(tài)達到新的穩(wěn)定狀態(tài),說明異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)動態(tài)特性比較好,缺點就是轉(zhuǎn)矩脈動有點大.

圖4 改變負載轉(zhuǎn)矩時,電機系統(tǒng)的仿真波形

圖5和圖6分別為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差從3變?yōu)?時的電機系統(tǒng)仿真波形.從圖5和圖6可以看出,降低轉(zhuǎn)矩滯后容差,三相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動較小,但是通過改變轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差,電機轉(zhuǎn)矩波動減小,這對電機系統(tǒng)來說是優(yōu)點,另外改變轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差,不影響系統(tǒng)的動態(tài)性能.

圖5 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差為3時,電機系統(tǒng)的仿真波形

圖6 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差為1時,電機系統(tǒng)的仿真波形

4 結(jié)論

本文依據(jù)異步電動機數(shù)學模型的研究以及直接轉(zhuǎn)矩控制的工作矢量的研究,在MATLAB/Simulink中建立異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型,通過改變負載轉(zhuǎn)矩脈動以及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差研究電機系統(tǒng)的定子三相電流、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速仿真波形,研究直接轉(zhuǎn)矩控制的電機性能.通過仿真結(jié)果可知,異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制在負載轉(zhuǎn)矩改變時,具有較好的動態(tài)特性,另外改變轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差時,不影響電機系統(tǒng)動態(tài)特性,而且當轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差變小的時候,轉(zhuǎn)矩脈動減小.

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Modeling and Simulation of Direct Torque Control for Asynchronous Motor

YI Xueliang,NIE Chuhui,QIU Zihua,HE Yan
(College of Computer Science,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

TM46

A

1672-5298(2017)03-0033-05

2017-06-21

湖南省教育廳一般項目(17C0715)

易學良(1978? ),男,湖南岳陽人,碩士,湖南理工學院計算機學院講師.主要研究方向: 計算機仿真、模式識別及數(shù)字圖像處理