异步电动机直接转矩控制-技术大学论文

摘要直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）技术，是20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的又一新型的高效变频调速技术。与矢量控制技术不同的地方在于，它是采用了一种空间矢量分析方法，而不需要磁链和控制电流来间接控制转矩，它是直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，以定子磁场定向方式，达到直接控制电磁转矩和定子磁链的目的。直接转矩控制技术避免了较为复杂的坐标变换，省去了较为复杂的矢量变换与电动机的数学模型较为简便的处理，具有比较新颖的控制思想、较为简单的控制结构和较为优良的静、动态性能，因而受到人们普遍的关注和得到较为迅速的发展。本文主要介绍了异步电动机直接转矩控制的基本原理，利用了MATLAB/SIMULINK软件，是为了建立异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型，从而对圆形磁链控制进行仿真。通过对磁链滞环参数的改变，从而实现对电动机的直接转矩控制，通过仿真得出仿真图，分析其实验结果，从而就可以验证直接转矩控制技术的可靠性和有效性。关键字：异步电动机直接转矩控制MATLABAbstractDirectTorqueControl(DirectTorqueControl,DTC)technologyisanewhigh-performancefrequencycontroltechnologydevelopedinthemid-1980sfollowingthevectorcontroltechnology.Bedifferentwiththevectorcontrol,DTCisnotusedtocontrolthetorqueandfluxbycontrollingthecurrentindirect,insteadofusingspacevectoranalysismethod,thetorqueiscalculateddirectlyinthestatorcoordinatesystemandthecontrolofthemotor,thestatormagneticfielddirectionalmanner,onthestatorfluxandtorquedirectcontrol.Thismethoddoesnotrequirecomplexcoordinatetransformation,eliminatingtheneedtosimplifythemathematicalmodeltohandlecomplexvectorconversionandmotorcontrolwithinnovativeideas,simplecontrolstructureandexcellentstaticanddynamicperformance,andthusauniversalconcernandpromptdevelopment.ThispaperintroducesthebasicprinciplesofinductionmotordirecttorquecontrolusingMATLAB/SIMULINKsoftwaresimulationmodellinductionmotordirecttorquecontrolsystemforcircularfluxcontrolsimulation.Bychangingtheparametersoffluxhysteresisdirecttorquecontrolofthemotorsimulationdiagramobtainedbysimulation,analysisandsimulationresultsvalidatethereliabilityandeffectivenessofdirecttorquecontroltechnology.Keywords:inductionmotordirecttorquecontrolMATLAB目录TOC\o"1-2"\h\u25281绪论 4164241.1交流电动机调速的发展和现状 4244991.2直接转矩控制 6148751.3研究内容 8161842异步电动机的数学模型 9298432.1异步电动机理想数学方程 991192.2坐标变换和变换矩阵 14136682.3异步电动机的空间矢量等效电路 15243592.4本章小结 16272933直接转矩控制技术 17317933.1直接转矩控制原理 182554异步电动机直接转矩控制的仿真 2314414.1MATLAB简介 23162664.2仿真模块介绍 25306154.3仿真原理图 2898654.4仿真结果及分析 29259144.5本章小结 3429926总结与展望 3526289致谢 361绪论1.1交流电动机调速的发展和现状电动机作为生活中主要的动力设备，被广泛应用于日常生活及工农业生产、航空航天各个领域。按照电动机使用电源的不同，可以分为直流电动机和交流电动机。20世纪80年代以前，因为直流电动机转速容易控制，只需要改变直流电机的励磁电流或者直流电机的输入电压，就可以在一定的范围内实现无极调速[1]，所以直流电动机在早期电气传动领域一直占据着主导地位，并且直流电动机在磁场一定的条件下，转矩和电流成正比，转矩更易于调节和控制。但是，由于直流电动机的机械接触换向器结构复杂，导致其造价比较昂贵，而且在其运行过程中极容易产生火花，而且直流电动机电刷的摩擦经常需要进行维护检修，所以导致直流调速的发展受到很大的限制。这时交流电动机应运而生，它的出现使得调速领域产生了极大的突破。交流电动机和直流电动机相比，它不仅省去了换向器和电刷经常维修带来的麻烦，而且还具有结构简单，运行稳定，价格低廉和容易维修的特点，所以它刚流通到市面就得到了广泛的应用和推广。但是交流电动机也有自身的弊端，它的调速比较困难，而且调速稳定性极差，效率也极低，所以人们又开始致力于交流调速系统的研究和开发。在20世纪60年代，随着电力电子控制理论技术的发展和高速微处理器的广泛应用，交流电机调速技术得到飞跃发展，在实际应用过程中得到大量普及。70年代后，由于计算机技术和大规模集成电路的发展，以及先进控制理论的提出，从而使得交流调速的范围变大，精度也变高，速度也变快，在工程领域中慢慢就代替了直流调速系统。在异步电动机调速系统中，变频调速技术是应用最广泛的。它不仅可以实现无极调速，而且可以根据负载特性的不同从而通过改变电压和频率的关系来使电机保持持续高效的运转。变频调速不仅具有降低启动电流，而且还可以增大启动转矩和改善电机的启动性能。交流调速控制理论的发展大致经历了电压-频率控制、矢量控制、直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）：电压-频率控制，亦即恒压频比控制，是指在基频以下调速时，维持输出电压频率和幅值的比值恒定，实现恒转矩调速运行；当在基频以上调速时，维持输出电压在额定值，使磁通与频率成反比下降，实现弱磁恒功率调速运行。虽然这种方式控制结构简单，但是动态响应性能较差，适用于对调速系统动态性能要求不高的场合。矢量控制就是通过坐标变换将异步电动机的定子电流的励磁分量和转矩分量解耦，然后分别设计两者的调节器，获得高性能的转矩特性和转速响应特性[3]。这种控制方式可以将交流电动机等效成直流电动机来控制，获得与直流调速系统同样的静、动态性能。尽管矢量控制可以使控制系统动态性能得到改善，但是调节过程需要用到电动机参数，而这些参数在电动机运行过程中会随着温度的升高和磁路的饱和发生很大的改变，如果参数不够准确，又反而会影响矢量控制动态过程中的解耦。为了解决这些问题，人们引入了参数的补偿算法，但这些算法使得系统变得复杂化，并且由于矢量变换的复杂性，矢量控制的实际效果很难达到理论上的分析效果，这些就是矢量控制在实践过程中的不足之处。直接转矩控制技术就是为了解决矢量控制存在的问题而发展起来的一种新型的高效交流变频调速技术[4]。它的思路是把异步电动机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法直接分析和计算电动机的转矩和磁链。这种方法结构简单，不需要对定子电流进行解耦，解决了矢量控制中由于矢量变换引起的计算量大、结构复杂、受电动机参数影响很大的缺点，拥有十分高效的动静态性能。1.2直接转矩控制1.2.1直接转矩控制直接转矩控制调速技术,英语称为DTC（DirectTorqueControl——DTC）或者DSC（Directself-control——DSC），也叫做直接自控制，是70年代继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的高效交流变频调速技术[5]。1985年，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出了异步电动机的直接转矩控制理论，1987年又将该理论推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制技术把转矩直接作为被控量控制，而不是通过控制电流、磁链等变量来间接控制转矩。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在定子坐标系中计算转矩和磁链，仅仅通过定子电阻就可以观测到，解决了矢量控制容易受电机参数影响的问题。因此，直接转矩控制技术一经推出，就以简单的系统结构，新颖的控制思想和优秀的动静态性能受到广泛的关注和迅速的发展。与矢量控制技术相比，直接转矩控制技术具有四个主要特点：直接转矩控制技术直接在定子坐标系中计算异步电动机的转矩和磁链，免去了矢量控制技术的复杂的算术运算和坐标变换，因此能够直接被观测到，简单直观。直接转矩控制技术磁场定向直接用的是定子磁链，所以可以通过定子电阻直接观测出来。而矢量控制技术磁场定向用的是转子磁链，观测需要转子电阻和电感，所以很容易受到电动机参数影响。直接转矩控制技术运用空间矢量分析异步电动机的数学模型和控制其变量，所以计算简单。这种技术不是为了获得完美的观测波形，也不追求获得理论上的完美轨迹，从转矩控制的角度看，它要观测的是直接控制转矩所获得的效果。直接转矩控制技术直接控制转矩。其控制方式是把转矩检测值与给定值进行滞环比较，所以它的控制效果不在于电动机的模型简化，而是由转矩的实际情况决定。这种控制方式也称为直接自控制，控制方法既简单又直接，其思想可以直接用于对转矩的控制和磁链的控制，不过还是以转矩为中心进行控制[6]。1.2.2直接转矩控制的发展直接转矩控制技术是最近几十年才发展起来的新型高效交流调速技术，虽然在不断得到完善和发展，但是在理论方面和实际应用方面还有很多值得探讨的问题。现在直接转矩控制技术的研究主要集中在以下几个方面：低速性能的改善虽然DTC系统不受电机参数影响，但是还是要考虑电机低速运行时定子电阻在不同频率下的变化情况。当电机高速运行时，忽略定子电阻仍然具有很高的精度，但在低速运行的情况下，频率降低会造成定子电压在定子电阻上的分量增大。此时如果忽略定子电阻，会造成磁链的测量值和理论值之间的偏差增大。所以低速情况下如何检测定子电阻的变化和补偿是DTC系统中需要考虑到的问题。近年来，随着DTC系统的研究，人们提出了一种在线辨识的方法，该方法把影响定子电阻的三大因素（电定子流、转速和运动时间）作为输入量，设计了一种模糊观测器，得到的定子电阻的初值和变化值相加一起就是定子电阻在DTC系统中的值。实验结果证明这种方法具有一定的可行性。无速度传感器的研究在交流调速系统中，无速度传感器一直是一个热门话题。因为在工程应用中，速度传感器会使系统成本增高，稳定性降低，不能适应一些恶劣的环境，维护困难，所以无速度传感器的研究就成了一个重要的研究方向。而DTC是一种无速度直接反馈的技术，只需要两个电流传感器，具有很高的可靠性。但是采用什么样的速度确认方法和模型，还需要进一步研究。目前常见的方法有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等，这些方法各有特点。（3）磁链和转矩调节器的改进DTC一般采用单滞环控制来控制磁链和转矩，通过控制滞环输出来获得电压矢量[7]。不同的电压矢量在单滞环控制作用下对转矩和定子磁链具有不一样的调节作用，所以只能按照当前转矩和磁链的实时值进行合理的选择，这样才能使转矩和磁链的调节过程达到一个比较理想的状态。因此，可以通过细分转矩和磁链的偏差区间，来获得准确的电压矢量和稳定的控制性能。现在有一个研究人员提出了一种方法：预期电压法。即根据转矩和磁链偏差计算最佳控制的预期电压，然后根据电压逆变器的任意两个电压矢量合成，计算出工作时间后用零电压补全采样周期。（4）死区补偿DTC系统具有高速的响应性能，功率器件的开关次数普遍少于其他调速系统，所以开关损耗很小。然而交流侧的检测电压，通常是通过间接方式得到的，因此要考虑到逆变器的死区效应。逆变器上下桥臂如果同时导通会造成短路问题，为了避免这个问题就要加入必须的互锁延时，所以就造成了死区效应，当它积累到一定程度的时候，逆变器就会产生输出电压失真，继续造成电流失真，使得系统运行不稳定，在低频低压的情况下还会引发转矩脉动。在工业应用中通常采用补偿法来解决死区效应，然后这会使得系统的可靠性能降低。所以人们提出来一种方案，即用软件计算出所有的失真电压，然后判断电流方向生成需要补偿电压的指令表，再反馈到输入端，这种方案同时还有避免零电压箝位的作用。上面这些问题都是直接转矩控制正在研究解决中的问题，如果成功的解决这些问题，那么DTC技术一定会得到质的飞跃发展。1.3研究内容1.3.1课题研究的意义DTC技术是通过直接控制转矩来控制电动机稳定运行，它的磁链轨迹可以近似看做一个圆形。DTC系统结构简单，运行良好，能够广泛应用与各个领域，无疑拥有很高的实用价值。当今一个非常需要多加研究的课题，就是将现代控制理论加入到DTC技术的研究过程中，这也是当今交流调速技术的发展趋势。直接转矩控制发展了近二十年，取得了很大的进步和发展，但是在实际应该过程中不可否认也存在着很多疑问亟待解决。随着现代工业的飞速发展，对交流调速技术也提出了更高的要求，研发高效的交流调速装备，对我国的经济发展具有十分重大的时代意义。1.3.2研究内容本论文通过建立异步电机的数学模型，简单分析了直接转矩控制的原理。在这个基础上，还运用Matlab/Simulink软件完成了各个DTC系统的控制方式的仿真实验。通过改变DTC系统中的各个调节器参数，对仿真结果进行了必要的分析。证明了直接转矩控制的特点并对仿真测试中发现的问题进行了分析研究，验证了直接转矩控制系统的可行性。仿真结果与理论分析基本是一致的。论文在第一章简单介绍了交流调速技术的发展历程和直接转矩控制技术的产生和发展趋势，第二章建立了异步电动机的简单的数学模型，第三章介绍了直接转矩控制的基本原理，然后第四章利用MATLAB工具对近似的圆形的磁链轨迹进行了仿真研究，最后对本论文的通篇做了简单的总结和展望。2异步电动机的数学模型2.1异步电动机理想数学方程异步电动机的数学模型非常复杂，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变的系统。为了更好地分析异步电动机的动态数学模型，建立理想的电机模型，需要对电动机参数进行一些假设[8]：（1）磁场正弦分布，忽略空间谐波；（2）不考虑磁路饱和的影响；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率和温度变化对绕组的影响。2.1.1磁链方程(2-1)也即是：(2-2)（2-3)L是高阶矩阵，其中元素为各绕组的自感和互感。I是电机定子电流的矢量。实际上，电机的绕组磁通按照一般情况可分为两类：一类是只与转子和定子中某一绕组交链但不穿过气隙磁场的漏磁通；另一类是会穿过气隙的公共主磁通。与定子漏磁通对应的电感是定子漏感，与转子漏磁通对应的电感是转子漏感。如果用表示与主磁通对应的定子电感，用表示主磁通对应的转子磁感，那么转子和定子的自感分别是： （2—4）定子的三相周围的互感与气息之间的公共磁通一一对应，而三相的绕线在空间相位差为120度，故有：（2—5)相关互感之间除了因为气息主磁通的关系引起的之外，还有槽间的漏磁、端部漏磁以及由谐波间的漏磁产生的互感，考虑互感之后，式（2—5）的等式其实是一个近似值。同理，可以得到ar、br、cr，即转子的三相绕组间的互感：（2—6）最后气隙之间产生的公共主磁通也刚好是与定子和转子之间产生的互感成对应的关系。在图2—1中定子A相轴线和转子ar轴线之间有一个夹角，设为，则有:（2-7）上式中为等于0的时候转子与定子绕组A相上的互感。符号定义——转子绕组的等效杂匝数——定子每相绕组的等效匝数——气隙磁路的磁导再由电感的定义可得:（2-8）将转子磁链、转子电流变换成定子侧，折算的原则是转子的匝数从变为，折算前后磁势不变，折算后的转子电流和磁链是：继而可得以下方程：式中是变算到定子侧后得到的转子漏感。2.1.2电压方程绕组的电压方程：（2-9）式中：、、、、、————定子、转子相电压；、、、、、————定子、转子相电流；、、、、、————定子、转子绕组的全磁链；————微分算子。继而可得：（2-10）定子自感阵：（2-11)转子自感矩阵：（2-12）转子对定子的互感矩阵：（2-13）定子对转子的互感矩阵：2.1.3转矩方程由载流导体在磁场中受力的基本公式可得电机的转矩公式：上式中：—负载阻力惯量—与速度成正比的摩擦及风阻阻力系数—机组的转动惯量—扭转弹性力矩系数—机械角度—电机极对数在异步电动机的系统中，上式K=0，转子旋转电气角速度，故有（2-14）假设去掉摩擦阻力矩也并到负载力矩中去，那么转矩方程式变为：（2-15）2.2坐标变换和变换矩阵通过上面的分析可以发现，三相异步电动机的模型是很复杂的，求解也很困难。为了方便计算和分析异步电动机的动态性能，常采用各种线性变换来改造。2.2.1三相到二相的静止变换静止3/2变换是以空间位置固定的两相静止坐标系中的绕组来等效的。按照三相系统和两相系统总磁动势相等且功率不变的原则可得到静止3/2的矩阵变换如下：2.2.2三相到两相的变换令静止的二相系统与旋转的二相系统绕组数相同，磁势相等。得到二相/二相的旋转变换如下：经过上面的变换就可以将电机的数学模型从3s坐标系转换到2s坐标系，简化电机的数学模型，同时也简化了控制系统的分析过程。2.3异步电动机的空间矢量等效电路为了使控制系统的分析变得简便，人们引入了异步电机动机的空间矢量等效等效电路。该等效电路不需要利用三相的坐标系，而是在正交的二相定子坐标系中直接描述需要分析的异步电动机，下图为异步动机电机空间矢量等电效电路。图中各量定义如下：—转子磁链空间矢量符号；—定子电压空间矢量符号；—定子磁链空间矢量符号；—转子电流空间矢量符号；—定子电流空间矢量符号；—电角速度（机械角速度和极对数的积）。并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量。根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上可由以下方程表示：（2-16）（2-17）由以上方程推出定子磁链与转子磁链方程式：（2-18）（2-19）（2-20）2.4本章小结2.4.1本章小结本章建立了简单的异步电动机数学模型，介绍了异步电动机的磁链方程、电压方程和转矩方程。同时还介绍了异步电动机在二相静止与旋转坐标系下的数学模型，由此得到异步电动机的转子磁链和其夹角、转矩与定子之间的关系。3直接转矩控制技术直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）变频调速，是20世纪80年代在矢量控制技术之后发展起来的一种新型高效变频调速技术。由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授最先提出六边形直接转矩的控制方案，很快日本的I.Takahashi教授也提出了一种圆形直接转矩的控制方案[15]。1987年，直接转矩控制技术的控制理论经过多次应用后被扩大到了弱磁调速范围，逐步开始取代矢量控制。3.1直接转矩控制原理直接转矩控制（DTC）技术运用了空间矢量的数学分析方法，它是直接利用在定子坐标系下计算从而控制电动机转矩。DTC技术运用定子磁场定向的方法，通过离散的两点式调节（Band-Band）控制产生PWM波信号，这样就能直接而不是间接对逆变器开关的状态达到最佳控制的效果，使转矩获得高效的动态性能[16]。这种控制方式没有大量的矢量变换过程，从而简化处理了电动机的数学模型，同时也没有通常的PWM波信号发生器。DTC的控制思想新颖，结构简单，手段直接，而且信号处理的物理概念十分明确，不过也存在明显的缺点，那就是转矩和磁链脉动。3.1.1定子的直接控制由异步电机方程并忽略压降可得下式：（3-1）离散后可得：（3-2）其中是采样周期。在这里采样的周期固定，磁链波动也保持不变，他们之间成正比关系。缩短采样周期，磁链波动的范围就减小。如果用矢量三角形模型描述，如图：图3-1.空间矢量三角形一般情况下，采样周期为10到100微秒，所以可以得到以下关系式：（3-3）（3-4）（3-5）结合上图3-1可知：（3-6）由此可知：，，，定子磁链幅值减小。，，幅值增加；，，幅值基本不变；故可得出如下结论：若所给电压矢量同磁链空间矢量的夹角的绝对值＞，那么该矢量的作用结果是使得磁链的幅值减小；（2）若所给电压矢量同磁链空间矢量的夹角的绝对值＜，那么该矢量的作用结果是使磁链幅值增加；（3）若所给电压矢量同磁链空间矢量的夹角的绝对值＝，那么该矢量的作用结果使磁链幅值不变。3.1.2转矩的直接控制由以上分析知，坐标系下异步电动机的转矩方程式是：两边进行微分，再乘以可得到下式：（3-7）继而有：（3-8）（3-9）由上式可推出：（3-10）在上式中，是转子时间常数，.再由上面两个式子得到：（3-11）整理得：又因为（3-12）其中在上式中，假设、、及在一个采样周期的变化相对于外加激励的变化忽略不计，即认为基本保持恒定不变。换句话说，能够影响瞬间转矩变化的主要因素是。当与垂直时，系统有最快的转矩响应，不过又因为与之间的关系复杂，而定子磁链与的关系比较简单，因此在直接转矩控制系统中是对进行控制的。对进行分析，由于，，而远大于、，故可以近似认为，，继而可以有：（3-13）如果很小时，当限制，定子磁链和转子无论在相位还是在幅值上都很接近，故又可以近似的认为，将这个式子代入得：（3-14）综上所述：当施加超前于定子磁链的电压矢量，使时，转矩将会增大。当施加落后于定子磁链的电压矢量或零矢量，使时，转矩将会减小。3.1.3定子磁链模型直接转矩控制技术的关键在于定子磁链观测器，定子观测器的性能的好坏直接决定了电动机直接转矩控制性能的优劣。常见的异步电动机定子磁链的观测模型有以下几种：U-I模型U-I模型采用定子电压和电流来计算磁链，它的数学模型为：（3-15）采用定子电压和电流来计算磁链，方法简单并且所涉及的电机参数是易于确定的定子电阻。但是纯积分环节容易受到输入信号中直流偏移量的影响而饱和，所以在实际应用中，一般会采用截止频率较低的高通滤波器来代替纯积分环节实现积分并抑制直流偏移量的影响。（2）I—N模型I—N模型的数学表达：（3-16）（3-17）与U—I模型相比，I—N模型中不出现定子电阻，也即是说不受电阻变化的影响，而且I—N模型中没有纯积分环节，这一特点给实际应用带来了方便。与此相反的是I—N模型受到转子电阻、主电感变化的影响。（3）U—N模型U—N模型用转速和定子电压来获得磁链，包含U-I模块和I-N模型的特点，在整个调速内部都具有很好的效果。其数学模型为：转子磁链方程：（3-18）定子磁链方程：（3-19）磁链关系方程：（3-20）综上所述：U—N模型集中了其它两种的有点，适合于整个速度调速范围。不足之处是，U—N模型较前两种复杂得多，而且存在纯积分环节对直流偏移量十分敏感。而U—I算法比较容易实现。4异步电动机直接转矩控制的仿真4.1MATLAB简介MATLAB（MatrixLaboratory，即矩阵实验室）是美国MathWorks公司1984年出品的高效科学计算的商业数学软件，可以用于数据可视化、算法开发、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB自推出后获得各界好评，后又不断推出新功能，其版本也是不断更新，截止到目前为止最新版本是8.3版。本论文使用的MATLAB版本为MATLAB7.6版。4.1.1MATLAB特点及优势MATLAB具有以下几大特点：（1）此高级语言可用于技术计算（2）它的开发环境能够对代码、文件以及数据进行管理（3）交互式工具很方便按迭代的方式去探查、设计以及求解问题（4）数学函数与常用的数学很接近，能够用于多种数学计算，如代数、统计、数学分析等（5）自带的二维和三维图形函数很方便用于数据的可视化（6）各种工具方便根据用户需要构建图形和界面（7）多函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成（8）大写输入是不支持的，内核只支持小写MATLAB的优势：（1）简单易用的编程语言（2）界面友好的工作平台以及编程环境（3）应用广泛的模块集合工具箱（4）出色的科学计算机数据处理功能（5）强大的图形处理能力（6）实用程序的接口以及实用的发布平台（7）应用软件的开发（包括用户界面）4.1.2动态仿真工具SimulinkSimulink是MATLAB中的一个应用工具箱，通常用它来对动态系统进行建模、仿真和分析。Simulink支持多种仿真，如连续、离散还有混合系统的仿真，同时也支持具有多种不同仿真算法的系统仿真。Simulink中采用的事可视化组态技术建模，因此有直观和方便等优点。Simulink中带有包含一系列功能广泛的子模型库，同时用户也可以自己的需要定制或创建自定义的功能模块。在Simulink中创建的模型，使用者可以自上而下或自下而上的建立具有阶梯结构的模型。这以来使用者就可以深入了解模型的组织结构以及各部分是的相互作用。搭建完合适的模型后，用户可以通过操作Simulink菜单，也可以使用MATLAB的命令来仿真，MATLAB有较强的可视化输出的功能模块，用户可以很方便的进行观察、分析[20]。Simulink中具有很多专用的模块库，这些库是由一些基本的常用模块组成的。本论文中运用最多的是其中一个库，电力系统模块库（PowerSystemBlockset）。4.2仿真模块介绍异步电动机是高阶离散模型，用数学建模分析起来非常困难。所以很多研究者会选择除去数学建模、实验之外的研究方法——仿真，而在仿真中搭建合适的模型是仿真的关键。下面简要介绍仿真模型的主要模块。1、LookupTable模块的作用就是控制输入信号和输出信号的输出。这是一个插值表，里面的break和data相当于x和y。图4-1SwitchTable模块2、InverterSource模块是逆变器电压控制模块。图4-2InverterSource模块图4-3Fluxcal模块3、三相变两相子模块主要实现异步电动机中三相到两相的静止转换。使得调速系统易于控制和易于计算。图4-4三相变两相4、Calculation子模块是计算模块，Tecal模块主要用于计算角度，也就是d轴的位置。图4-5Sectorcal模块图4-6Tecal模块5、延时模块，延迟环节的作用就是把输入信号延迟一段时间后再输出。图4-7延时模块6、速度调节器是采用比例积分控制器完成。比较模块就是比较两个信号，然后输出所需要的信号。图4-8速度PI调节模块图4-9比较模块4.3仿真原理图图4-10原理图异步电动机参数设定：额定电压，额定功率，额定频率，转子电阻，转子电感，定子电阻，定子电感，定、转子互感，极对数，转动惯量。4.4仿真结果及分析4.4.1改变磁链滞环容差磁链滞环容差参数设置为0.05Wb时时候的仿真波形：图4-11磁链轨迹波形图4-12三相电流波形图4-13转矩波形图4-14转速波形仿真结果分析：由仿真波形可知，磁链轨迹曲线开始为正六边形，最后渐渐变为圆形，而且波动很大。三相电流、转矩和转速在电机启动后迅速达到稳定状态，但是依然可以看出波动较大。调整磁链滞环容差的参数为0Wb时，波形图如下：图4-15磁链轨迹曲线图4-16三相电流波形图4-17转矩波形图4-18转速波形仿真结果分析：由仿真波形可知，当磁链滞环容差为0Wb时，三相电流、转矩和转速在电机启动后迅速达到稳定状态且波动较小，稳定性能好。4.4.2改变负载转矩设置参数：负载转矩为60，磁链滞环容差0Wb，转矩滞环容差为3，波形图如下：图4-19磁链轨迹图4-31三相电流波形图4-32转矩波形图4-33转速波形仿真结果分析：增大负载转矩，会使电机稳定状态时的转矩变大，增加了电机启动时间。当电机转速达到稳定时，三相电流、转矩达到稳态，并且由于负载转矩的增大，使得三相电流的稳态幅值变大。4.5本章小结本章简单介绍了MATLAB的特点和优势，并且利用MATLAB/SIMULINK工具建立了异步电动机直接转矩的控制模型，然后分别介绍了各模块的构造组成，最后对该系统进行了仿真研究和结果分析。仿真结果证明：直接转矩控制是以磁链和转矩直接作为被控制量，来控制电动机的稳定运行。其磁链轨迹曲线最开始是正六边形，后来演变成圆形。该结论验证了德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授提出的六边形直接转矩的控制方案。直接转矩控制将电机的启动过程放大，所以使得启动时的三相电流和转矩较大，并且使转速迅速提高并很快达到平衡状态。当转速达到稳定状态后，三相电流和转矩的幅值也很快降低并随着转速的稳定运行达到平衡状态。总结与展望本论文通过简单建立异步电动机的数学模型，分析了异步电动机的特点。然后介绍了直接转矩控制的基本原理，重点阐述近似圆形磁链控制的思想。利用MATLAB/SIMULINK工具建立了异步电动机直接转矩控制的仿真模型，并对仿真结果进行了一定的分析。直接转矩控制系统是通过直接控制逆变器的开关状态进而控制电动机的电压状态，从而控制电动机的磁链和转矩，其磁链轨迹近似为圆形。这种控制系统的结构简单，性能良好，应用范围较大，具有很大的实用价值。当今关于这种技术的一个热门研究方向是，研究如何将现代控制理论直接或间接应用到直接转矩控制技术的理论和实践当中。随着现代科技的进步，直接转矩控制技术也在不断发展和吸收新的理论知识。随着其各个分支的深入研究及其最新控制理论的不断发展入，还有与神经网络、模糊控制等高新技术的融合，都使得直接转矩控制技术在近些年来得到了飞速的发展，理论日趋成熟，应用也更加广泛。我们有理由相信，在不久的将来，直接转矩控制技术将会迎来更为广阔的发展，为我们的生产和生活带来更大的便利。致谢在我做毕业设计这段时间里，非常感谢陈老师给了我很多指导和建议，让我对异步电动机调速系统有了很多了解，并学到了很多对我有用的东西。尽管老师工作很忙，但她也会抽出自己空余的时间辅导我，帮助我解决毕业设计中存在的很多问题，尽量追求细节的完美。同时我还要感谢大学四年里，陪我一起走过四年的同学和老师，感谢他们在我的大学生涯中为我的青春留下喝彩的一笔。特别要感谢我的室友，不论在我快乐还是伤心的时候，他们永远都是我最好的聆听者。在我个人的学习生涯中，非常幸运在各个阶段都遇到很多朋友和老师给予我诸多指导与教诲，令我获益良多。这一路走来，老师们孜孜以求、一丝不苟的敬业精神给我留下了深刻的印象。论文的完成，离不开众多老师的热心帮助和耐心教诲。在此向老师们致以最诚挚的感谢！参考文献[1]陈强明，发动机热试台启动及加载装置的设计，长安大学硕士论文，2008.[2]杨根胜，基于DSP的异步电动机直接转矩控制，华中科技大学硕士论文,20