《异步电动机直接转矩控制研究》12000字

第页目录6605第1章绪论 1315891.1直接转矩控制的提出 1185941.2直接转矩控制的特点 1236261.3直接转矩控制的不足与改进 2314611.4异步电动机直接转矩控制的研究及意义 228493第2章异步电动机直接转矩控制原理 4190992.1异步电动机的数学模型 4213922.2电压空间矢量 6232422.2.1逆变器的开关状态 615732.2.2电压空间矢量的定义 7260092.2.3电压空间矢量对定子磁链的影响 8143272.2.4电压空间矢量对电磁转矩的影响 1020889第3章直接转矩控制的基本结构 10270553.1直接转矩控制的基本结构 11278823.2定子磁链的模型 12208533.3磁链自控制环节 12100033.4转矩控制 13293543.5ASR速度调节器 14266263.6电压空间矢量选择 141870第4章直接转矩控制的仿真 16215944.1仿真环境介绍 16126974.2直接转矩控制系统的仿真 17156574.3异步电动机的仿真 1780054.4定子电压电流的坐标变换 18241874.5转矩和磁链计算模块 19216074.6磁链自控制模块 20274964.7转矩控制模块 21168364.8电压矢量开关状态选择模块 227043第5章仿真结果 22110065.1空载，给定速度的仿真结果 23196735.2给定负载，速度不变的仿真结果 25171745.3空载，速度较低时的仿真结果 269956结论 2820001参考文献 313286附录1标题 3229979附录2标题 33第1章绪论1.1直接转矩控制的提出自交流调速技术发明以来，依托电力电子技术的进步与研究创新，各式各样的交流电机调速策略被提出并不断发展，如今，效率卓越的交流调速系统已经普遍利用在国民经济各种行业的传动方面，被认为是最有前途的调速方式。尤为突出的是矢量控制方案以及直接转矩控制方案。使得交流调速的净、动性能几乎可以媲美于直流的传动。矢量控制方案，利用转子磁场确定向量，采用矢量变换的方法，仿照直流电机的控制，完成了对交流电动机的关键参数转速和磁链的控制的完全解耦REF_Ref23142\r\h[3]。这个理论具有重要的时代影响。矢量控制观测的是电动机的定子电压和电流，然后通过计算得出磁场电流和转矩电流的值，然后和已给定的设定要求值去比较，进行进一步的控制。然而，矢量控制也有一定的局限，比如交流电机的转子磁链不容易准确获得，以及电动机地参数会很大程度影响矢量控制的系统特性，还有为了仿照直流电机的控制手段，矢量旋转变换过程十分复杂，矢量控制方案的理论上结果很好，实际控制效果并不能达到。为了克服矢量控制的不足，科学家们提出了新的方法，就是直接转矩控制。直接转矩控制采用了转矩和磁链模型，还有电压空间矢量的pwm逆变器，实现了转速和定子磁链的非线性“砰-砰”控制REF_Ref23142\r\h[3]。比较成功的解决了矢量控制结构比较复杂，特性容易受到电机参数的干扰等等问题。提出之后，受到很多研究人员以及各种企业的探索。因此发展的很快。1.2直接转矩控制的特点直接转矩控制有以下优势：直接转矩控制是在定子坐标系下的建立了交流电机的数学模型，也是在直接在其坐标系下表达磁链和转矩。不用像矢量控制那样，设法使交流电动机按照直流电的那样进行比较和转换。这样做就减少了矢量控制里矢量旋转变换等一系列繁复的变算和转换。因此，直接转矩控制的信号处理工作可以变得非常简单，控制信号的观测也能更明确的表示出交流电机内部的物理过程。直接转矩控制计算的是定子磁链，区别于矢量控制方案的转子磁链。由于计算定子磁链时用的电压公式中没有转子参数，直接转矩控制的鲁棒性比矢量控制好一些。同时，由于定子磁链的特性导致系统的控制规律并不突出，没有矢量控制那种很容易定向解耦的特点，因此采用的是一个非线性的“砰-砰”控制器。这样在逆变器中直接用两个控制信号去产生对应的空间电压矢量进行控制，可以简化控制器的结构。直接转矩的直接控制的思想很明确。利用交流电动机模型直接获得转矩参数，并且直接去控制转矩，这和矢量控制中利用其它物理量去间接控制转矩的方法有很大的区别。这种控制方式很直接，也很有效。是一种十分创新地思想。所以，直接转矩控制克服了以前控制方案很多方面的不足。利用交流电动机在定子坐标系下数学方程组的特性，减少了调速过程中的有关于解耦控制的坐标变换计算任务；直接转矩控制使用了定子磁链而不是转子磁链，简化了控制系统的结构而且使得控制过程于电动机转子参数没有影响，提高了整个系统的鲁棒性。直接转矩控制作为一种交流调速手段，有着十分清晰简洁的控制结构和相当明确的控制思想以及很不错的控制效果，在提出之后就受到了相当程度的关注，如今直接转矩控制也发展出了很多具体的改良的控制手段了。1.3直接转矩控制的不足与改进直接转矩控制系统也有着不可避免的不足，由于没有像矢量控制那样达到完全解耦，只能使用两个非线性的砰-砰控制器去进行控制，这样就会使得电动机实际转矩发生脉动，而且在低速的时候，这种脉动会变得更明显，并没有很好的控制性，直接转矩控制的适用速度区间就变得有局限性。由于直接转矩系统用到的电机参数主要是定子电阻，比矢量控制系统要少一些但是在某些情况下定子电阻的参数也会发生变化导致直接影响直接转矩控制的运行性能。因此直接转矩控制的低速情况下的改进也一直是一个很热门的课题。传统的直接转矩控制系统使用了滞环比较器导致逆变器的电压脉冲不固定。使得直接转矩控制系统对逆变器器件的要求会比较高，频率有较大变化也会产生大量的电磁干扰。这个可以通过连续型直接转矩控制来得到改善。所谓连续型直接转矩，是指控制用的空间电压矢量个数并不是固定的六个而是使得数量尽可能多，这样逆变器的开关频率会有很好的改善，一些可以考虑的控制方法有：（1）转矩与磁链的双闭环控制。双闭环控制使用了两个pi线性控制器来顶替滞环控制器的控制。由定子电压电流得到的电机转矩和定子磁链的数据与控制要求的参考值进行比较后的误差经过PI调节器的作用后可以获得参考的电压矢量，再经过一次变换就可以驱动SVPWM。带有PI调节器的控制系统可以准确的弥补转矩和磁链的误差，也能提高调速系统应对电机参数变化的鲁棒性。（2）转矩和磁链的无差拍控制。无差拍控制技术使用的是交流电机的离散化模型，用一种图形化的分析方式，讲定子和转子磁链化为状态变量画在了定子磁场定性坐标系中实现了多个电压矢量的使用方式REF_Ref29581\r\h[1]。这种方法是将无差拍理论和直接转矩控制组建到一起的。具有十分精确的控制效果，而且系统动态响应会快很多而且无超调，但是这种方式比较依赖控制系统建立的精确的系统模型，如果模拟的对象和其实际情况有参数出入，严密的控制会使电压振荡严重调速系统不稳定。直接转矩控制是在电力电子技术，自控技术飞速发展下的成果，而如今各个学科依然有迅速的发展，可以想见的是会有更好的更适合的电力电子器件的产生，也会有更迅速的微处理器和控制方案，可以弥补直接转矩控制的一些问题。甚至可以产生新的控制方法。直接转矩控制的发展在国外已经有了很实际的应用，德国的研究成果已经可以应用到兆瓦级的电力机车牵引之类的大功率调速的电机应用场合。日本学者也有很全面的研究，而在国内一些高校也不断的进行着直接转矩控制的深入研究。1.4异步电动机直接转矩控制的研究及意义直接转矩控制是在电力电子技术，自控技术飞速发展下的成果，本篇主要研究的是异步电动机的直接转矩系统策略。异步电动机是最常见使用最普遍的交流电机，起优点主要在于内部结构不复杂，运行时性能稳定，机械效率比较高。然而由于内部结构的特定性，使其在控制调速方面并不能像直流调速那般简单易行，随着科学技术的发展，交流调速手段越来越多越来越精，使得异步电动机的控制问题得到很大改善，一来异步电动机由于自身优势在社会生产生活中越来越普及，由此交流调速系统不断发展不断创新出更科学的手段。研究异步电动机的直接转矩控制就是一个很好的课题，直接转矩控制在高速时的转矩响应非常高效，而且由于使用电机参数较少其鲁棒性也很好，在一些大功率的直接转矩控制做为一个兴起不久的交流调速方法。这种新兴的手段依靠着高效率的电力电子器件和微处理器可以是交流电机的速度控制和直流的一样迅速高效，这种方法可以节约能源，可以改善电机性能，而且体现了一种新世纪的新兴科学的魅力。直接转矩控制的深入探索发展和应用，可以不断的提升交流电机的潜力和地位。本文研究的方法主要基于计算机软件仿真，这种研究方式是目前最普遍的，只要在计算机中设计参数搭建模型进行仿真就能得到一个值得参考的系统效果，这样做就避免了实物研究的时候出现严重失误导致财产损失的后果。第2章异步电动机直接转矩控制原理直接转矩控制最初便是为异步电动机设置的。为了改善矢量调速的不足，科学家采用了直接转矩的理论。也就是直接去观测转矩然后去控制转矩。这种方法科学的避开了矢量控制中的复杂的坐标变换，而且利用的是定子坐标系以及定子磁链去估算转矩，也避免了交流电机内部参数变化的干扰。直接转矩控制的利用了三相逆变器产生电压空间矢量去直接控制电动机的转矩。采取的反馈量定子电压电流。通过三相异步电机在定子坐标系中的数学模型，分析出需要的物理量值进行参考值比较控制。2.1异步电动机的数学模型异步电动机的输入输出变量有很多，不仅有电压和电流的输入，频率也可以作为一个输入量，而一部电动机输出的转速转矩磁通都是独立的变量REF_Ref32318\r\h[9]。各变量的相互关系还不是线性的，有着很多的交叉相乘的关系。因此建立的数学模型有着多个变量，而且有着高阶，非线性，强耦合的性质。在建立异步电动机的动态情况数学模型时，需要建立以下假设：（1）忽略空间谐波，电机的三相绕组在空间上对称分布（互相差120电角度），各相产生的磁动势按照正弦规律分布在电机气隙周围；（2）忽略磁路饱和。电机的定转子绕组的自感和互感是不会改动的恒值；（3）忽略电机铁芯损耗；忽略频率和环境温度的作用对电机电阻参数的影响REF_Ref157\r\h[8]；在本文中，利用了异步电动机的时空向量等效图及其数学模型方程组。等效电路如下：图2-SEQ图\*ARABIC1异步电动机等效电路由此，可以得到异步电动机在α-β坐标系的数学模型。1）电压方程2）磁链方程转矩方程运动方程上述各式中：、——定子电阻和转子电阻；、——定子自感和转子自感；、——定子电压的α、β分量；、——转子电压的α、β分量；、——定子电流的α、β分量；、——转子电流的α、β分量；、——定子磁链的α、β分量；、——定子电流的α、β分量；——定转子互感；——电机转速；——微分算子；——电机转矩；——电机极对数；——电机漏感系数；——机组转动惯量；——电栋机负载转矩；——定转子磁链夹角；2.2电压空间矢量2.2.1逆变器的开关状态一个电压型逆变器（见图X）由六个开关元器件（和、和、和）两两分组组成。每组的两个开关器件同在一个桥臂上因此不能同时导通，所以当一个接通的时候另一个必须关断避免短路，所以根据每组开关通断情况，电压型逆变器共有8种开关状态（如下）。图SEQ图\*ARABIC2电压型逆变器示意图ABCABC在这八种开关状态中，状态0和状态8由于三组开关器件开关情况一致，使得负载上面的电压为零因此称之为零状态，状态1到状态6的负载是有电压的所以称之为工作状态。表格SEQ表格\*ARABIC1逆变器开关状态表状态01234567010101010011001100001111

2.2.2电压空间矢量的定义异步电动机的电压电流磁链等等参数都是三维的，每个物理量三个参数都是在空间上相差120°，如果利用Park变换，可以把三维的标量变成一个二维的矢量，这样就是空间矢量的变换REF_Ref2381\r\h[2]。以定子电压空间矢量为例，将三相定子坐标系的α轴和park矢量复平面实轴α重合，就可以用park矢量变换得到相应的电压空间矢量。用公式表达就是通过计算，可以得到八个电压状态，然后得到空间矢量分布图；；；图2-SEQ图\*ARABIC3六边形电压矢量示意

2.2.3电压空间矢量对定子磁链的影响对于异步电动机，定子磁链矢量和定子端电压数学上有着一种积分的计算：如果不顾及定子电阻的压降，他们的关联就能简化成不难看出，此时定子磁链矢量是完全受电压控制的，如果给定一个方向的电压空间矢量时，定子磁链矢量也会跟随电压空间矢量的变向。如图中所示，图2-SEQ图\*ARABIC4定子磁链变化示意如图中，是电机定子磁链的在上一时刻的位置。此时给电机加上方向如图中所示方向的电压空间矢量，定子磁链就会发生偏转和数量变化，在下一秒定子磁链就会到达图中的位置上面。这就是电压空间矢量的作用。在实际应用时，有六边形磁链控制和近似圆形磁链控制两种方法。六边形磁链控制思想十分明确，通过依次给到呈六边形顺序的定子电压空间矢量，电子定子磁链也会跟随着六边形的轮廓旋转起来。在控制过程中，空间电压矢量被按照顺时针方向依次给定，磁链会跟随电压矢量的运动，图中定子磁链在区段正在向方向旋转，此时给的电压矢量就是，定子磁链就会在电压矢量的作用下发生偏转，然后定子磁链到达区域的时候，此时给定电压矢量是，这样定子磁链就会继续产生偏转。通过连续不断的控制，定子磁链就会在有顺序的定子电压矢量作用下走出来一个六边形。这就是六边形磁链的获得。如图图SEQ图\*ARABIC5六边形磁链控制近似圆形的磁链控制也是利用了定子磁链会跟随电压矢量转向的性质去控制磁链旋转，不同的是，在每个区间，需要两种电压空间矢量来进行控制。实现的方式是需要先划定一个磁链的环形区域。通过施加不同的电压空间矢量是定子磁链的数量值变大或者变小如图当定子磁链在S1区域的时候，如果其幅值比较低，就利用u2电压矢量来是定子磁链的幅值变大一些，同时也向S2方向偏转了一些，如果其幅值比较高，就利用u3电压矢量来把定子磁链的幅值变小了一些。这样定子磁链的幅值就会在这个环形里面不停的走，形成一个近似圆形的磁链轨迹运动。S1S1S6S5S1S1S6S5S4S3S2图2-SEQ图\*ARABIC6近似圆形磁链控制

2.2.4电压空间矢量对电磁转矩的影响在直接转矩控制中，想要控制电机电磁转矩，就需要利用电磁转矩与定转子磁链以及他们所加的角的办法来控制。实际上，通过电压空间矢量来控制电机电磁转矩，就是通过电压空间矢量去改变定转子磁链之间的夹角。电机电磁转矩的与电机的定转子磁链幅值也有正比的关系但是如果想要使电机的铁芯的充分利用，最好能够保持电机定转子磁链幅值恒定所以只能改变定两个磁链的夹角。上文提到在直接转矩控制中给定电压空间矢量可以改变定子磁链的角度。所以想要改变定子转子磁链相加的角，只要使定子磁链的转动比转子磁链的转动快一些或者慢一些，定转子磁链的相对位置就会发生变化从而改变他们的夹角，进而可以改变电动机的电磁转矩。如图中就表示了电压矢量如何将夹角变大的过程。在上一时间，可以看出定子磁链和转子磁链以及他们相加的角。通过电压空间矢量的作用，使得定子磁链向左转动一定的夹角，此时转子也有一点点的旋转角度。由于定子磁链的转动角度比转子转动角度多，所以两个磁链之间的夹角变为。可以看出来磁链之间的夹角变大了。随着夹角变大，电机电磁转矩也会变大。要是想要电机转矩变小一些，就要给电机加上零电压矢量，这是定子磁链就会保持空间位置不变，转子磁链会继续转动，这样他们的夹角就会变小，从而电机的电磁转矩变小。这种利用空间电压矢量改变定子磁链旋转的速度，然后改变定转子磁链之间的夹角的办法来改变电机转矩的办法，可以获得高动态性能的转矩特性。图2-SEQ图\*ARABIC7直接转矩控制

第3章直接转矩控制的基本结构3.1直接转矩控制的基本结构直接转矩控制是在电动机的静止定子坐标系中，利用电机定子电流和定子电压，通过磁链和转矩模型，获得电机磁链和电磁转矩，以及定子磁链所在扇区，经过控制模块进行电压空间矢量控制电动机的方法。逆变器逆变器开关状态选择ASRIM滞环比较器滞环比较器磁链模型磁链模型图3-1直接转矩控制系统图中采用了两个滞环比较器来分别控制转子磁链和转矩。这种非线性的控制可以减少计算量提高动态性能。运行中，需要从电动机处获得定子电压和定子电流，然后讲数据通过磁链模型和转矩模型就可以计算出来电机此时的转矩和磁链以及磁链矢量所在的扇形区间。得到这些数据之后，使用转矩调节器和磁链调节器来获得参考的转矩调节信号和磁链调节信号以及磁链区间信号，通过开关状态选择表就可以控制逆变器输出需要的电压空间矢量。这种“砰砰”控制结构是一种非线性的控制。可以获得很好的动态性能。

3.2定子磁链的模型本次仿真的定子磁链模型主要利用了公式。这个方法利用的参数主要是定子电阻，定子电压，电流时是可以很方便的测出来的，所以这种方法计算简单，参数不复杂而且比较可靠。图3-2定子磁链模型利用定子电阻来进行磁链模型的搭建这个方法虽然十分方便，但是也有局限性。她利用的是这个差值的积分。容易理解的是这个差值在比较大的时候，得到的磁链就会比较准确。在电动机转速达到10%以上的时候，这个模型就可以使用，在电动机转速达到30%的时候，这个模型提供的定子磁链结果准确度很可靠，误差只有电机定子阻值因为环境气温而产生的参数微变。但是在低速的时候，由于这个差值会变得几乎没有，这个模型就不能准确的去通过积分来获得磁链。本篇论文采用这个模型的原因是因为这个模型比较简单，利用操作控制，而且主要研究高速的话也不会有严重误差。3.3磁链自控制环节根据电动机的数学模型得到定子坐标系的定子磁链之后，需要利用磁链调节器来获得磁链方面的控制信号给开关选择表参数。同时，得到定子磁链在定子坐标系的矢量后，还需要通过一定的计算获得的磁通矢量所在的扇形区域号，这个参数也是开关选择表所必须的。计算磁链区间，以及将磁链的值和给定值比较的环节，叫做磁链自控制环节。如图，通过把给定的和通过计算得来的进行比较之后就可以得到一个差值，经过滞环控制器。可以获得一个可用的控制信号，这个信号可以控制定子磁通矢量的幅值。当计算磁链的值大于给定值的时候，经过开关控制器之后可以向电动机输入一个相应的电压空间矢量来控制电动机使定子磁链变小一些。另一方面，磁链矢量通过一个角度计算的模块，可以得到当时定子磁链的角度，进一步可以确定所在定子坐标系的哪一个区间。这个区间信号也是直接转矩方案中，一个必要的参数。图3-4磁链自控制3.4转矩控制转矩调节是直接转矩控制的中心贯彻思维。这个模块主要目标是获得一个可用的转矩调节信号。图3-5转矩控制电动机的转矩信号有两种，分为正转的和反转，在正反转的基础上，来确定电机电磁转矩是否变大或变小。经过滞环比较器，最后给出一个转矩调节的信号。转矩调节的参考信号是根据一个速度调节器模块获得而来的。转矩信号直接参与控制，而后通过空间电压矢量直接控制转矩，是直接转矩控制的核心思想。转矩控制数据主要有三个，分别是-1,0,1。控制数据-1表示转矩需要变大，0表示转矩的值是正确的，1表示转矩需要变小。为之后的空间矢量选择提供信息。

3.5ASR速度调节器这个环节主要是用来产生参考转矩数据。这里利用的PID控制来进行速度的闭环控制，通过将电动机处速度传感器的速度值与给定值比较，给出控制信号来达到控制速度的目的。图3-6速度调节器直接转矩控制中ASR只是用来产生转矩调整数据的。通过转矩调整信号，直接转矩系统可以利用她与系统内部依据电动机模型计算得来的转矩信号进行控制计算进而控制电动机的转矩，这样也能达成一个闭环控制。3.6电压空间矢量选择这个表格是直接转矩系统中选取合适的电压的依据。根据前面几项的输出，可以得到直接转矩控制所需要的控制指标，分别是，定子磁链的调整数据（1,-1）转矩调整数据（1，0，-1）和定子磁链的区域号（1,2,3,4,5,6），经过查表，可以根据以上各值得到应该选择的电压矢量。当定子磁链在区间1的时候，依照磁链调整数据和转矩调整数据的不同值有以下情况：=-1，=-1=-1时，说明此时的定子磁链，幅值比较高已超过上限；需要减小。=-1是说明电磁转矩也已经达到最高值，此时应该是磁链反转降低转矩。综合看来需要使用电压矢量=-1，=0=-1时，说明此时的定子磁链的值比较高已超过上限；需要降下来。=0是说明电磁转矩还没有达到上限值或者下限值，此时应该是磁链保持不变。综合看来需要使用零矢量或者。利用开关变化数量较少的原则来决定具体使用哪一个。=-1，=1=-1时，说明此时的定子磁链的值比较高已超过上限，需要降下来。=-1是说明电磁转矩也已经达到下限值，此时应该是磁链正转升高电磁转矩。综合看来需要使用电压矢量=1，=-1=1时，说明此时的定子磁链的值比较小已低于要求，需要提升。=-1是说明电磁转矩也已经达到幅值，此时应该是磁链反转降低电磁转矩。综合看来需要使用电压矢量=1，=0与第二种情况一样使用零矢量。=1，=1=1时，说明此时的定子磁链的值比较高已低于要求，需要提升。=-1是说明电磁转矩也已经达到幅值，此时应该是磁链反转降低电磁转矩。综合看来需要使用电压矢量123456-1-1011-101表格3-1电压开关信号表

第4章直接转矩控制的仿真4.1仿真环境介绍做科学研究就需要实验和观察。直接转矩控制系统也是如此，然而由于实际上实物实验所用的材料都十分昂贵，不管是大功率的异步电动机还是具有优秀性能的逆变器元件都是实物试验中承担不起的器材。而且实物实验会很有可能发生烧毁器件的危险，不仅浪费器材甚至危害人身安全。这些原因使我们更愿意去寻找一些代替的方法。比如计算机仿真技术。将实验的原理进行数学模型化，研究其中的联系之后转化成一组公式之后，利用计算机可以方便的进行大规模的计算，计算结果可靠快捷，是一种与实物实验不同但很有效的研究方法。本文使用的仿真平台是matlab程序下的simulink。这是使用最普遍的计算机仿真平台，经过多年的发展完善，拥有十分全面的仿真功能，内部资源十分丰富，许多实际元器件都可以找到，而且其操作界面十分友好，有许多方便的巧妙设置，不仅简化了模型搭建过程，还可以实时的动态的监控各种参数，并给出仿真结果。Simulink中有一个电气工程的元件库，称为simscape，本文利用的许多元器件皆是来于此，比如仿真用到的逆变器异步电动机等等器件。Simulink丰富的元器件库有效的降低了成本，简单的操作提高了效率，很大的提升了研究的效果。在simulink的仿真过程中，有一件十分重要的事情就是选择合适的软件算法。系统仿真模型搭建的一样，选择不同的算法也可以产生不同的效果，对整个系统的仿真过程和仿真结果都有影响。字常用的仿真算法有很多，本文选用的一种变步长的隆哥库塔法。是一种基于泰勒级数的算法。

4.2直接转矩控制系统的仿真下图就是在计算机软件中仿真模型的总图。整个模型大致分为逆变器模块；异步电动机模块；坐标变换模块；磁链与转矩计算模块；速度调节器模块；磁链开关选择模块；以及示波器。利用simulink中封装数个子模块，使实验界面更简洁，参数调整更方便。图4-SEQ图\*ARABIC\s11仿真系统总图4.3异步电动机的仿真实验中，选择电动机是要做的第一件事情。在有些文献中，直接转矩控制系统的仿真的时候，会利用simulink的基本元件去搭建一个异步电动机模型REF_Ref12769\r\h[6]，其中会有很多的公式和参数，搭建起来十分费力，优点是利用好这个自己搭建的模型，许多控制量可以直接拿出来用，仿真结果中需要的结果量也可以方便的获得。不过本文使用了simulink里面一个现有的，已经集成好了的感应电机模块。本文中使用的异步电动机15kw，400v，1400转。试验中模拟的异步电动机是由逆变器输出的三相电压驱动的，其外部还有连接一个负载，用来模拟空载启动或者负载变化的情况。该模型的输出是一个总线的形式，经过总线选择之后能获得模拟异步电动机的输出，比如转速，转矩，以及定转子电流和电压。其内部参数如图，图4-2异步电动机参数4.4定子电压电流的坐标变换上述感应电动机模块可以提供许多输出的参数，比如电机转速，电机转矩，等等。有些参数我们可以直接使用，有些不能。在直接转矩控制中，由于计算定子磁链的异步电动机的数学模型是搭建在定子坐标系下的，所以这里的定子电压和定子电流的值并不能直接使用，需要经过一个简单的坐标变换。根据磁动势相等的原则，由三相对称绕组通以三相对称电流产生的空间旋转磁场也可以用两相绕组来等效，所以异步电动机的三相定子绕组的电流电压值可以等效成一个两相坐标系上的电流电压值。这就是坐标变换的原理REF_Ref13507\r\h[4]。他们之间满足的公式如下，基于这个公式，在simulink中可以利用fcn工具制作出定子电压电流3/2变换作用的块。图中定子电流使用的是三相电流，所以通过函数之后就变成了两相静止坐标系的电流分量，电压则是由于使用了线电压，所以先经过了一次变换到相电压的过程。图4-3坐标变换模块4.5转矩和磁链计算模块得到α-β坐标系下的电压和电流量之后，就可以通过仿真系统中的磁通矢量和转矩模型来得到控制量，定子磁通矢量和电机电磁转矩。其主原理前文已有叙述，下面是内部的示意。图4-4定子磁链计算模型定子磁链的仿真模型。其输入为两相坐标电压电流，输出电机顶子磁链。顶子磁链的计算模型为比较简单的“u-i”模型，这样做的主要目的是为了方便。在得到电机定子磁链之后，可以通过简单的计算模块获得电机的转矩。

4.6磁链自控制模块磁链的自控制模块的主要作用是获得磁链调整控制信号和定子磁链得所在扇形区间号。模型如下图4-5磁链自控制模型中主要输入有三个，分别是磁通矢量的参考值和两个计算值。通过一个复数运算环节，将定子磁链的两个分量值进行计算可以获得磁链幅值和磁链矢量的角度。磁链幅值和给定磁通矢量参考值的差值是磁链调整数据的来源。图中的relay是一个滞环控制模块，通过他可以向空间电压矢量选择模块中输入一个磁链调整数据（1,0）另一方面得到的磁链矢量角度是用来确定扇形区间号的。为了获得一个可用的信号，区间选择器内部结构如下图4-6磁链区间信号选择

4.7转矩控制模块上文中有提到已经得出了电机的转矩值。电机转矩调节模块就是将计算值和参考值的差值通过一个滞环控制模块，获得转矩控制信号（-1,0,1）。模型如下，图4-7转矩控制电级转矩的给定是和转速一致的，由ASR给出。ASR模块需要输入的是异步电动机输出的转速纸和给定转速值的差值。ASR内部的计算是一个PI调节器，其kp值设为50，ki值设为10。图4-8速度调节器内部

4.8电压矢量开关状态选择模块电压空间矢量的选择其实就是对逆变器开关顺序的控制，在直接转矩控制中利用的空间电压矢量总共有八个，一共对应八组逆变器开关状态，这里对于三个输入一个输出的控制，选择一个折中的办法，先将转矩控制信号和磁链控制信号进行一次分组，再将组号和定子磁链的的区间号作为输入量，通过查表选择获得需要的电压空间矢量对应的开关状态。其中,lookuptable模块的真值表如下。可以看出，这与上文叙述的是一致的。选择好电压空间矢量信号之后，就能够将正确的开关顺序送到逆变器中，逆变器依照开关指令对应输出电压波形驱动电动机，即可达到控制目的。图4-9逆变器开关状态选择

第5章仿真结果5.1空载，给定速度的仿真结果本实验使用的异步电动机前文有述，其额定转速为1460rpm。在仿真模型中给定磁链0.8Wb，磁链容差0.00001Wb，转矩容差0.5N*m，异步电动机使用串行启动，空载。初始给定转速为1420rpm，在0.4s时给定转速降至1200rpm，在0.7s时给定转速回至1420rpm。得到仿真波形如下。图5-SEQ图\*ARABIC\s11磁链波形本图为电机定子磁链的波形。在磁链容差为0.001Wb的标准下，得到磁链近似为圆形，符合控制要求。可以看出磁链是逆时针旋转的，在仿真过程中也能看出来磁链的走势确实是曲折的，但是近似为圆形。图5-SEQ图\*ARABIC\s12电动机转速波形本图为电动机转速波形，在0.4s和0.7s时转速都发生了变化，与给定转速要求，可以看出，其转速响应很快，整个响应时间不超过30ms。如果进一步调节PI调节器，可以获得更好的响应速度和精度。图5-SEQ图\*ARABIC\s13电动机转矩波形如图为电磁转矩模型。可以看出启动时的电磁转矩非常大，在速度改变时，转矩响如图为电磁转矩模型。可以看出启动时的电磁转矩非常大，在速度改变时，转矩响应也特别快。这是直接转矩的特点。

图5-4定子电流波形如图为电动机定子电流的波形。定子电流波形基本上近似正弦波。表明仿真过程定子电流稳定，谐波分量也比较小。在空载下的异步电动机直接转矩控制的调速仿真结果，说明直接转矩控制能够获得高效率的速度和转矩动态响应，定子磁链基本为圆形说明，在速度较高时其定子磁链模型也是比较准确的。5.2给定负载，速度不变的仿真结果保持前述异步电动机参数不变，转矩容差磁链容差均不变。改变电动机的给定负载，其初始值为25N*m，在0.4s时变为45N*m，在0.7s时降回25N*m。如图为电动机转矩波形。看到其转矩响应特别迅速，完全符合控制要求。图5-5电机转矩波形图5-6电机定子电流波形如图为电动机定子电流的波形。与上一次试验一致。定子电流波形比较接近正弦波，幅值变化是波动较小，电流谐波不明显。图5-7电机转速波形