运动控制课程设计--江南大学.docx

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《运动控制系统》课程设计

学 院：

物联网工程学院

班 级：

姓 名：

学 号：

同组成员：

日 期：

2014.1.5-2014.1.11

成 绩:

..

一、感应电机直接转矩控制系统的仿真

设计要求：

1.分析直接转矩控制的基本工作原理；

2.在Matlab/Simulink环境下建立感应电机直接转矩控制系统的仿真模型；

3.在不同给定、负载下进行仿真分析；

4.按规范撰写课程设计报告。

2、分工安排

1.张磊：

学习直接转矩控制系统的原理并建立系统仿真模型。

2.潘尚文：

负责利用Matlab软件在Simulink环境下对系统模型进行仿真。

3.於和琦：

分析不同给定、负载下系统的仿真结果并设计报告正文。

3、设计心得体会

经过一个多星期的努力，我们组终于完成了这次运动控制系统的课程设计。

通过这么多天的工作，我得到了很多收获，也发现了自己的不足之处。

刚拿到这个课题的时候，完全不知道如何入手，后来我们重新学习了相关理论知识才慢慢有了思路。

做课设的过程是个自我探索、自我学习的过程，在此期间，我们不仅学到了专业的知识，也提升了自己的学习能力。

这次课设收获很大，不仅深入了解了感应电机直接转矩控制，也再一次熟悉了Matlab这个常用软件。

调配参数费了很多时间，总是得不到理想的仿真结果，其中需要自己学习很多东西，并在很短的时间内融会贯通，考验了自己的学习能力。

我明白了坚持不懈的真正含义，是次难忘的课设。

通过以上仿真过程可以看出,采用

MATLAB环境下的SIMULINK仿真工具,可以快速地完成一个电动机控制系统的建模、仿真，且无须编程,仿真直观、方便、灵活。

异步电动机矢量控制

MATLAB仿真实验对于开发和研究交流传动系统有着十分重要的意义，并为系统从设计到实现提供了一条捷径。

4、报告正文（如下）

感应电机直接转矩控制系统的仿真

张磊

（江南大学物联网工程学院,江苏无锡214122）

摘要：

直接转矩控制是通过转矩与磁链控制来控制电机的一种方法。

本文在对直接转矩控制的基本原理和感应电动机的数学模型进行充分分析的基础上，利用Matlab／Simulink建立了感应电机直接转矩控制系统的软件模型，并通过仿真，分析了不同给定、负载对控制系统的影响，仿真结果表明，直接转矩控制系统具有结构简单、转矩响应快、鲁棒性强等优点。

关键词:

直接转矩控制;Matlab／Simulink;感应电动机;仿真

EmulationResearchofDirectControlofInductionMotor

ZhangLei

（SchoolofInternetofThingsEngineering,JiangnanUniversity,WuxiJiangsu214122,China）

Abstract:

Directtorquecontrolisamethodofthetorqueandfluxcontroltocontrolthemotor.Thisarticleinthefoundationoffullanalysisonbasicprincipleandmathematicalmodelofinductionmotordirecttorquecontrol,establishesthesoftwaremodelofdirecttorquecontrolsystemofinductionmotorusingMatlab/Simulink,andthesimulation,analysisofthedifferentgiven,theloadeffectonthecontrolsystem,thesimulationresultsshowthat,thedirecttorquecontrolsystemhastheadvantageofhastheadvantagesofsimplestructure,fasttorqueresponseandstrongrobustness.

Keywords:

Directtorquecontrol;Matlab／Simulink;Inductionmotor;Simulation;

轨迹控制的同时实现对转矩的直接转矩。

直接转矩控制技术，德语称为DSR，英语称之为DSC或DTC，是一种具有高性能的新型交流调速技术。

直接转矩控制技术采用定子磁场定向，减少了感应电机参数变化对控制性能的影响；强调转矩的直接控制效果，把转矩直接作为被控量进行控制；根据定子磁链和转矩偏差直接得到逆变器开关状态，实现对电机输出转矩的控制因此，直接转矩控制技术与矢量控制比较具有控制结构简单控制手段直接，信号处理的物理概念明确，具有较高的动态性能等特点。

1直接转矩控制系统的原理

直接转矩控制系统简称DTC（Direct TorqueControl）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。

在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。

直接转矩控制作为一种具有快速的动态响应的交流调速策略，其特点是将电磁转矩作为直接被控变量，而不像矢量控制是通过磁场定向和控制定子电流矢量的励磁分量来间接控制电磁转矩，利用离散的逆变器开关电压矢量对定子磁链矢量



如图1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给

T

T* *

定信号 ，在 后面设置转矩控制内环，它可

以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁

链系统实现解耦。

因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统

（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。

图1直接转矩控制系统图

y

从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链 s的幅值保持恒定，然后选

择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。

在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。

2感应电动机的数学模型

要对感应电机的控制方法进行研究，建立其适当的数学模型和状态方程是研究其控制方法的理论基础。

感应电机本身存在着高阶、非线性、强耦合以及多变量的特点，为了建立适当的感应电机电机数学模型，我们对其进行如下假设：

（1）电机的三相定子和转子绕组在空间内对称分布，即空间位置互差 120°电角度，相电流产生的磁动势在空间内呈正弦分布。

（2）电机定转子表面光滑，忽略磁路饱和齿槽效应。

（3）忽略磁路饱和和铁心损耗。

（4）忽略电机运行过程中频率和温度变化对电机参数产生的影响。

由于直接转矩控制理论基于定子两相静止坐标系下，因此检测电机电压和电流都应在静止坐标系下，因此将在三相静止坐标系下的感应电机状态方程变换到两相静止坐标系下更适于进行研究，两相静止坐标系通常简称为α-β坐标系，如

图2.1中（a）图为三相静止坐标系下的定子电流，

（b）图为两相静止坐标系下的定子电流，三相/两相坐标

变换公式如式（2.1）。

图2.1双闭环直流调速系统的

在两相静止坐标系下，感应电机数学模型主要包括四个状态方程：

异步电机数学电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程，具体方程描述如下：



电压方程：

磁链方程：

转矩方程：

可改写为式（2.5）的形式：

运动方程：

其中， 为两相静止坐标系下定子电压分量，为两相定子电流分量， 为两相转子电

流分量 分别为定、转子电阻，分别为定

子自感、转子自感，LM为定转子互感。

为两相定子磁链分量， 分别为两相转子磁链分量。

分别为电磁转矩和负载转矩，J为电机的转动惯量np为极对数，ω为电机角速度。

3直接转矩控制系统仿真模型

3.1系统基本结构

图3.1为近似圆形磁链直接转矩控制系统结构图。

如图3.1所示，在直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速进行定子磁链观测计算和转矩计算，使二者分别与给定定子磁链和给定转矩相减，其差值又分别通过各自的滞环比较器相比较而输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入矢量选择单元，即矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区位置就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。

磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。

图3.1近似圆形磁链控制DTC系统框图

3.2系统仿真实现

仿真时直接选用Simulink电气模型库中的绕线式异步电机模型，它的m_SI接口通过测量模块MeasurementDemux可以直接观测到电机定子和转子侧的电压、电流及转速等变量，Tm接口可接入负

载转矩。

近似圆形磁链控制系统仿真总图如图2所示。

图中cilianhuanjie为自己定义的子系统（Subsystem），根据电机定子侧的三相电流和电压经3/2变换计算两相静止坐标系下定子磁链的值

以及转矩Te。

电机的定子三相电is_abc以及转速Wm可直接通过MeasurementDemux测量模块得到。

近似圆形磁链控制是通过适当的选择开关切换频率和施加于电机端的输入电压，使定子磁链的运动轨迹纳入一定的范围内来实现的。

在定子磁链旋转过程中，有效电压矢量的施加由磁链偏差的大小和磁链的具体方向来确定。

整个仿真系统主要由定子磁链（cilianhuanjie）模块、转矩滞环调节模块、磁链滞环调节模块、逆变器等组成。

图3.2近似圆形磁链控制系统仿真总图

3.2.1定子磁链模块

定子磁链的计算采用模型简单，计算量少，参数容易确定的模型。

该模型可由式（5）～（7）表示。

图3.3所示为定子磁链模块。

3.2.2磁链与转矩滞环调节模块

磁链允许容差通过定义施密特触发器的上下触发点来设置，输出sf（0或1）即磁链滞环调节器

的输出状态量。

图4所示为定子磁链滞环调节模块。

如图5所示为转矩滞环调节子系统，其中Wr、Wr*分别为观测所得转速和给定转速参考值，将其PI调

节后得到给定转矩和实际转矩。

转矩滞环调节的输

出状态量ST有两种状态值，分别为1和0，将PI调节得到的给定转矩和实际转矩的差值与容差逻辑比较，即可得到ST的值，在查电压矢量最优开关表时将用到这一变量。

它主要用来决定在表中选取有效空间电压矢量还是零矢量。

图3.3定子磁链模块

图3.4定子磁链滞环调节模块

图3.5转矩滞环调节模块

4仿真结果分析

仿真实验中采用鼠笼式感应电机，设定参数如

下：

额定电压Us=380V，额定频率f=50Hz，额定功率Pn=1.5kw，定子电感Ls=0.5284H，转子电感Lr=0.5188H，定转子互感Lm=0.4863H，定子电阻Rs=4.8Ω，转子电阻Rr=4.16Ω，转子转动惯量J=0.00398kg.m，极对数Np=2。

图4.1所示