精品基于SimulinkPSB的异步电机直接转矩控制毕业论文设计.docx

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精品基于SimulinkPSB的异步电机直接转矩控制毕业论文设计

毕业论文

题目：

基于Simulink/PSB的异步电机直接转矩控制变频调速系统仿真研究

毕业论文（设计）诚信声明

本人声明：

所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

论文（设计）作者签名：

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毕业论文（设计）版权使用授权书

本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。

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论文（设计）作者签名：

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指导教师签名：

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年月日

摘要

本论文讨论了异步电机数学模型的建立，阐述了直接转矩控制的基本原理，并在此基础之上建立了异步电机直接转矩控制变频调速系统的模型，并进行了仿真调试。

异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速。

异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。

直接转矩控制的基本控制方法是通过选择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，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。

直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过PWM逆变器来实现对异步电动机的控制。

本文针对PWM逆变器供电驱动的异步电机直接转矩控制变频调速系统的特点，在Matlab环境下，利用Simulink/PowerSystemBlockset，采用结构化和模块化的方法，对异步电机变频调速系统进行了建模和仿真，并详细介绍了各子模块的构造方法及功能。

构建的仿真模型与实际变频调速系统比较接近，为高性能的异步电机变频调速控制系统的设计与调试提供了一种较好的检验手段，且实现简单，便于修改，仿真结果验证了建模方法的有效性。

关键词：

异步电机；变频调速；直接转矩控制；建模；仿真

Abstract

Thispaperdiscussesthemathematicalmodelofinductionmotor,expoundsthedirecttorquecontrolofbasicprinciple,onthisbasisestablishestheasynchronousmotordirecttorquecontrolvariablefrequencyspeedregulationsystem,anddoesthemodelandsimulationtest.

Asynchronousmotorhasnonlinearandstrongcoupling,multivariatenature,andtogethighdynamicperformanceofspeed,wemuststartfromthedynamicmodelofit,analysisasynchronousmotortorqueandmagneticfluxcontrollaw,andstudythehighperformanceofasynchronousmotorspeedcontrol.Thedynamicmodelconsistsofthefluxequations,thevoltageequation,torqueequationandthemovementequation，ofwhich,themagneticchainequationandtorqueequationarealgebraicequations,andthevoltageequationandmotionequationaredifferentialequation.

Directtorquecontrolofbasiccontrolwayistocontrolofthestatorfluxlinkagerotationalspeedandcontrolthestatorfluxwalkoffbyselectingthevoltagespacevector,withchangeofthestatorfluxlinkageofthesizeoftheaveragerotationspeed,soastochangethesizeofthetorqueangleandachievethepurposeofcontrolmotortorque.Directtorquecontroladoptstwohysteresiscomparedcontroller,respectivelycomparingthestatorfluxandthegivenactualmagneticchain,thegiventorqueandactualtorquevalue,andthengetthedifferencevalue.Accordingtothetwodifferencevalueandthestatorflux’ssectors,inquirestheinvertervoltagevectorswitchtabletogetthepropervoltageswitchvectorneededtoaddinasynchronousmotor,finallyrealizethecontrolofinductionmotorthroughPWMinverter.

ThispaperusesSimulink/PowerSystemBlockset,usestructuredandmodularmethodofasynchronousmotor,variablefrequencyspeedregulationSystem,modelsandsimulation,accordingtoPWMinverterpowersupplyofinductionmotordrivedirecttorquecontrolvariablefrequencyspeedregulationSystem,underthecharacteristicsoftheMatlabenvironment,andintroducesthemethodtoconstructthesonmodulesandfunctions.Theconstructionofthesimulationmodelandthepracticalvariablefrequencyspeedregulationsystemforhighperformance,areclosetotheasynchronousmotorspeedcontrolsystemdesignandcommissioningprovidesagoodinspectionmeansandachieve.Itissimpleandconvenient,easytomodifythemodel,andthesimulationresultsverifytheeffectivenessofthemethod.

Keywords:

asynchronousmotor；frequencycontrolofmotorspeed；directtorquecontrol；modeling；simulation

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2交流电机变频调速技术的发展1

1.3直接转矩控制的发展2

1.4课题学习的目的和意义2

第2章异步电机的数学模型3

2.1异步电机的物理模型3

2.2异步电机三相原始数学模型5

2.3异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型9

2.4异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型10

第3章异步电机直接转矩控制的原理12

3.1直接转矩控制原理12

3.2定子磁链和转矩的计算模型16

3.3电压空间矢量的选择16

3.3.1电压空间矢量的分类16

3.3.2电压空间矢量对定子磁链的影响18

3.3.3电压空间矢量对电磁转矩的影响21

第4章基于Simulink/PSB的系统仿真23

4.1关于Simulink23

4.2电力系统模块库（PSB）23

4.3异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模与仿真24

4.3.1仿真模型的建立24

4.3.2仿真模型模块分析25

4.3.3仿真结果分析34

结论42

参考文献43

外文翻译44

致谢88

第1章绪论

1.1课题背景

直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。

在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。

直接转矩控制采用转矩和磁链滞环控制器，使转矩和磁链被控制在给定值的一定范围以内，这种控制方法不可避免地带来电机输出转矩脉动过大等问题。

1.2交流电机变频调速技术的发展

近20年来随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流电机变频调速已得到了越来越广泛的应用，并已开始逐步替代直流调速，因其许多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。

同时，变频调速的控制技术也在不断进步和完善。

在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制（即V/F比为常数）。

此种控制技术有开环和闭环两种形式，采用开环时用于一般生产机械，但静态和动态性能都不太理想，采用闭环则可改善系统性能。

后来，一些研究人员提出了转差频率控制方法。

采用这种控制技术使得变频调速系统在一定的程度上改善了静态和动态性能，使之接近于直流双闭环调速系统，但还是不能满足高性能调速系统的要求。

改善调速系统动态性能的关键在于如何实现转矩控制。

70年代初德国的F.BLASCHKE提出的矢量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题。

这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的动态性能。

经过各国科技工作者努力，矢量变换控制的变频调速方法已广泛地应用于电气传动系统中。

80年代的中期，德国的DEPENBROCK又提出了直接转矩控制的理论，其思路是把交流电机与逆变器看作一个整体对待。

采用空间电压矢量分析方法进行计算，直接控制转矩，免去了矢量变换的复杂计算。

控制系统结构简单，便于实现全数字化，已有实际产品用于实际中。

近10多年来，各国学者和研究部门致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本，目前已研究出无速度传感器矢量控制系统的实用产品。

近几年来，人工智能技术——如专家系统、模糊逻辑和人工神经网络等，正在显示出其实现变频调速的智能化自适应控制的巨大希望所在，有研究结果表明，智能控制技术的有效利用，可使变频调速系统做到高效、自适应、自诊断、自保护、动态性能优良。

　　科学技术在不断进步，交流电机变频调速系统的控制技术也将不断发展。

1.3直接转矩控制的发展

自从20世纪70年代向量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。

直接转矩控制（DirectTorqueControl——DTC）是在矢量控制基础之上发展起来的，是继矢量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。

其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压向量分析方法直接在旋转坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出PWM逆变器的开关状态切换的依据，从而直接控制电动机转矩。

与矢量控制相比，直接转矩控制的主要优点是：

在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了向量控制中的解耦思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数（转子电阻）。

由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小。

此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压向量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接、计算过程简化的优点。

因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注。

1.4课题学习的目的和意义

本章就课题所涉及的背景知识作了简要介绍，在专业课知识学习的基础上，建立了异步电机直接转矩控制变频调速系统的模型，并通过调节系统的相关参数，观测异步电机定子磁链的轨迹，三相和两相坐标系下的电流波形，以及电机启动和加载后的转矩和转速波形，得到了良好的仿真结果。

该系统能够较好地控制电机的转速，达到了预期的控制效果，加深了对理论知识的理解，也增强了自身的知识应用能力。

通过此次对异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模和仿真，我深入学习了matlab电力系统模块库（PSB）的强大功能和使用方法，并掌握了simulink建模和仿真的方法，以及对波形的采集、记录和分析。

第2章异步电机的数学模型

2.1异步电机的物理模型

认真研究异步电动机的动态数学模型，是实现高性能的异步电动机直接转矩控制系统的保证。

异步电动机的动态数学模型和直流电动机的动态数学模型相比有着本质上的区别，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。

在研究异步电动机的动态数学模型时，常作如下的假设：

（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间上互差电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；

（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；

（3）忽略铁心损耗；

（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；

无论异步电动机的转子是绕线型还是鼠笼型，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定、转子绕组匝数相等。

这样，电机绕组就等效成图2-1所示的三相异步电动机的物理模型。

图中，定子三相绕组轴线A,B,C在空间是固定的；转子三相绕组轴线a，b，c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。

规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。

图2-1三相异步电动机的物理模型

直流电动机的数学模型比较简单，其主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电动机的动态数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。

为了能将异步电动机的动态数学模型等效变换成类似直流电动机的形式，需要引入坐标变换。

坐标变换包括三相-两相变换和两相-两相旋转变换。

不同电动机模型彼此等效的原则是：

在不同坐标系下所产生的磁动势完全相同。

（a）三相交流绕组（b）两相交流绕组（c）旋转的直流绕组

图2-2等效的电动机绕组物理模型

图2-2等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型以产生相同的旋转磁动势为原则，图2-2中的三种物理模型彼此等效。

变换关系如下，

1.两相旋转—两相静止坐标系的变换矩阵

（2-1）

式中

2.两相静止—两相旋转坐标系的变换矩阵

（2-2）

则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是：

（2-3）

3.三相—两相坐标系的变换矩阵

（2-4）

令C3/2表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则

（2-5）

通过坐标变换，可以得到异步电动机在两相任意速旋转坐标系、两相静止坐标下的数学模型。

2.2异步电机三相原始数学模型

（1）电压方程

三相定子绕组的电压平衡方程为：

与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为：

式中:

,,,,—定子和转子相电压的瞬时值；

,,,,—定子和转子相电流的瞬时值;

,,,,—各相绕组的全磁链；

—定子和转子绕组电阻。

上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“’”均省略，以下同此。

将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p代替微分符号d/dt，得到：

（2-6）

或写成：

（2-7）

（2）磁链方程

每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为

（2-8）

或写成：

（2-9）

式中，L是6×6电感矩阵，其中对角线元素，,，，，是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。

实际上，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：

一类是穿过气隙的相间互感磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。

由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为

=

其中：

定子互感——与定子一相绕组交链的最大互感磁通；

转子互感——与转子一相绕组交链的最大互感磁通。

对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子各相自感为：

（2-10）

转子各相自感为

（2-11）

其中:

定子漏感——定子各相漏磁通所对应的电感，由于绕组的对称性，各相漏感值均相等；

转子漏感——转子各相漏磁通所对应的电感；

两相绕组之间只有互感。

互感又分为两类：

（1）定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置都是固定的，故互感为常值；

（2）定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移的函数。

三相绕组轴线彼此在空间的相位差是±120°，在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，互感值应为：

于是：

（2-12）

定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变化，可分别表示为

（2-13）

当定、转子两相绕组轴线一致时，两者之间的互感值最大，就是每相最大互感。

将式（2-10）—（2-13）都代入式（2-8），即得完整的磁链方程，将它写成分块矩阵的形式:

（2-14）

式中：

;;

;;

;;

.

（3）转矩方程

根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为

（2-15）

而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率（电流约束为常值），且机械角位移m=/np，于是

（2-16）

将式（2-15）代入式（2-16），并考虑到电感的分块矩阵关系式得:

（2-17）

又由于：

代入式（2-17）得

（2-18）

以式电感的分块矩阵关系式代入式（2-18）并展开后，舍去负号，意即电磁转矩的正方向为使减小的方向，则得到了转矩方程的三相坐标系形式：

（2-19）

（4）电力拖动系统运动方程

在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是

（2-20）

——负载阻转矩；

——机组的转动惯量；

——与转速成正比的阻转矩阻尼系数；

——扭转弹性转矩系数。

对于恒转矩负载，，则

（2-21）

2.3异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型

设两相坐标系d轴与三相坐标A轴的夹角为，而为两相任意速旋转坐标系（dq坐标系）相对于定子的角转速，数学模型由以下方程表述：

（1）磁链方程

（2-22）

式中：

，，，——dq坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量；

,,——dq坐标系下定子电流与转子电流的两个分量；

——定子与转子同轴等效绕组间的互感；

——定子等效两相绕组的自感；

——转子等效两相绕组的自感；

（2）电压方程

（2-23）

式中：

，，，---dq坐标系下定子电压与转子电压的两个分量；

---定子电阻与转子电阻；

---dq坐标系分别相对于定子、转子的角转速；

,,,,,---同上。

（3）转矩方程

（2-24）

式中：

——电动机转矩；

——电动机极对数；

,,,---同上。

（4）运动方程

（2-25）

——负载转矩；——电动机转速；J——电动机转动惯量；

——同上

以上构成异步电动机在两相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型。

它比异步电动机在三相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型简单，阶次有所降低，但是其非线性、多变量、强耦合的性质没有改变。

2.4异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型

异步电动机在两相静止坐标系（坐标系）下的数学模型是在任意速旋转坐标系下数学模型当转速等于零时的特例。

当=0时,=,即转速的负值。

数学模型由以下方程表述

（1）磁链方程

（2-26）

式中

，，，——dq子磁链的两个分量；

,,——dq系下定子电流与转子电流的两个分量；

——定子与转子同轴等效绕组间的互感；

——定子等效两相绕组的自感；

——转子等效两相绕组的自感；

（2）电压方程

（2-27）

式中

，，，——dq坐标定子电压与转子电压的两个分量；

——电阻；

——dq坐标系分别相对于定子,转子的角速度；

,,,,,——同上。

（3）转矩方程

（2-28）

式中

——电动机转矩；——电动机极对数；

,,,——同上

（4）运动方程

（2-29）

式中

——负载转矩；——电动机转速；

——电动机转动惯量；,——同上

以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。

第3章异步电机直接转矩控制的原理

3.1直接转矩控制原理

直接转矩控制是为电压源型PWM逆变器传动系统提出的一种先进的转矩控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系统性能相媲美。

该控制方案的原理是通过查表的方法以选择合适的电压空间矢量，从而实现异步电动机传动系统转矩和磁链的直接控制。

其控制原理如下：

首先，在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子磁链的函数：

式中

——定子磁链、转子磁链；

,——定子电感、转子电感、定子转子之间的互感；

——电动机极对数；

——电磁转矩；

——转矩角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角；