运动控制课程设计报告.docx

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运动控制课程设计报告

《运动控制系统》课程设计

学 院：

物联网工程学院

班 级：

自动化

姓 名：

学 号：

日 期：

 2015.6.15-2015.6.21

成 绩：

1

1 直接转矩控制的基本原理及特点--------------------------

3

1.1 直接转矩控制系统原理--------------------------

3

1.2 直接转矩控制系统的特点-------------------------4

2 直接转矩控制的计算模型--------------------------------

4

2.1 定子磁链计算模型 -------------------------------4

2.2 转矩计算模型 -----------------------------------

5

3 直接转矩控制系统的 SIMULINK 仿真模型-------------------

5

3.1 磁链和转矩调节器仿真模块------------------------

5

3.2 转速调节器仿真模块------------------------------

6

3.3 电压矢量选择仿真模块----------------------------

6

3.43/2 变换仿真模块-------------------------------

7

3.5 电机模型仿真模块--------------------------------

2

7

3.6 转矩计算模型仿真模块----------------------------

8

3.7 K/P 变换仿真模型模块----------------------------

8

3.8 磁链选择模块------------------------------------

9

4 比较直接转矩控制系统的仿真波形------------------------

9

5 总结与展望-------------------------------------------

12

1 直接转矩控制的基本原理及特点

直接转矩控制系统简称 DTC（Direct Torque Control）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。

1.1 直接转矩控制系统原理

如图 1-1 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定信号

T*，在 T*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

3

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。

从图中可以看出，直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差

ΔΨs 的正负符号和电磁转矩偏差 ΔTe 的正负符号，再根据当前定子磁链矢量

Ψs 所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电

磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。

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。

1.2 直接转矩控制系统的特点

直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点：

①转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控

制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。

②选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，

提高了控制系统的鲁棒性。

③由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快

速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因

4

此实际的转矩响应也是有限的。

2 直接转矩控制的计算模型

2.1 定子磁链计算模型

直接转矩控制系统需采用两相静止坐标（αβ 坐标）计算定子磁链，通过 32

变换从而避开旋转坐标变换。

αβ 坐标系上定子电压方程：

dψsα

dt

dψsβ

dt

= -Rsisα + usα

= -Rsisβ + usβ

移向并积分后得

ψsα = ⎰ （usα - Rsisα ）dt

ψsβ = ⎰ （usβ - Rsisβ ）dt

上式即为定子磁链计算模型，其结构如图 2-1 所示。

usα

1

s

ψ 2sα +ψ 2sβ

ψs

isα

Rs

usβ

1

s

arctg

ψsβ

ψsα

ϕ

isβ

Rs

图 2-1 定子磁链计算模型

2.2 转矩计算模型

在静止两相坐标系中电磁转矩表达式为

T = np（isβψsα - isαψsβ ）

上式即为转矩计算模型，其结构框图如图 2-2 所示

isβ

ψ sα

+

Te

isα

-

np

ψ sβ

5

图 2-2 转矩计算模型

3 直接转矩控制系统的 SIMULINK 仿真模型

本次课程设计采用基于 Simulink/Power System Blocks 的异步电机空间矢量脉

宽调制直接转矩控制系统的建模方法。

采用结构化和模块化的设计方法，建立

了异步电机直接转矩控制变频调速系统的仿真模型。

图 3-1 直接转矩控制系统仿真模型

3.1 磁链和转矩调节器仿真模块

定子磁链调机器和转矩调节器，两者均采用带有滞环的双位式控制器，它们

的输出分别为定子磁链幅值偏差 ∆ψs 和电磁转矩偏差 ∆Te 。

其中转矩控制是三

位滞环控制方式，在转矩滞环宽度设为 dTe 时，当转矩偏差大于 + dTe / 2 和小

于 - dTe / 2 时，滞环模块分别输出“1”和“3”，当滞环模块输出为“2”时，

经或非门 NOR 输出状态“2”。

磁链控制是二位滞环控制，分别输出“1”和

“2”。

图 3-2 转矩调节器模块

6

图 3-2 转矩调节器模块

3.2 转速调节器仿真模块

转速调节器采用带有积分和输出限幅的 PI 调节器。

图 3-3 转速调节器模块

3.3 电压矢量选择仿真模块

电压矢量选择采用 SIMULINK 中的 s 函数编写。

图 3-3 电压矢量选择模块

3.43/2 变换仿真模块

7

图 3-4 3/2 变换仿真模块

3.5 电机模型仿真模块

在此处建立以定子磁链、转速和电流为状态变量的状态结构为核心，基于

αβ 坐标系的数学模型，构建异步电机仿真模型。

图 3-5 异步电机仿真模型

3.6 转矩计算模型仿真模块

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由电动机模型直接得到的转子两相磁链ψrα 和ψrβ ，经过换算得到定子两相磁

链ψsα 和ψrβ 为

ψsα = σLsisα +

ψsβ = σLsisβ +

Lm

Lr

Lm

Lr

ψrα

ψrβ

图 3-6 转矩计算仿真模型

3.7K/P 变换仿真模型模块

经过直角坐标到极坐标变换（K/P 变换）得到定子磁链的幅值和角度为

ψs =ψsα + jψsβ = ψ

2

sα

+ψ

2

sβ

e

jarctg

ψsβ

ψsα

=ψse jϕ

图 3-7 K/P 变换仿真模型

3.8磁链选择模块

直接转矩控制将磁链空间划分为 6 个区间，如图 3-8 所示，磁链选择器模块

的作用是判断磁链角ϕ 运行在哪一个分区。

磁链选择器结构如图 3-9 所示。

9

图 3-8 电压空间矢量

图 3-9 扇区选择模块仿真模型

4 比较直接转矩控制系统的仿真波形

由于电压矢量选择的 S 函数一直报错，改了很久也查看了很多文献都没有深

入涉及到电压矢量选择模块的具体实例。

所以最后很遗憾的未能仿真出波形。

虽然未仿真出波形，但是通过书上及网上找到的的仿真波形进行了总结与对比。

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图 4-1　在初始给定转速为 1000rpm ,负载为 20N·m ,在 1s 时,负载阶跃为 30N·m ,在 2s

时

给定转速阶跃为 200 rpm ,总仿真时间为 3s 的仿真结果

11

图 4-2 在初始给定转速 50rpm , 负载为 20N·m ,当 2s 时,负载阶跃减小至 5N·m ,仿真总

时

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间为 4s 的仿真结果

当初始给定转速为 1000rpm ,负载为 20N·m ,在 1s 时,负载阶跃为 30N·m ,

在 2s 时给定转速阶跃为 200 rpm ,总仿真时间为 3s 的仿真结果如图 4-1 所示。

从图 4-1 中的图象可以看出,定子磁链为圆形,且保持比较好,不随给定变化而改变,系

统的仿真真实体现了电机的运行情况,系统能很快的进入稳定状态,并能快速的跟

随给定的变化,稳态误差也较小。

在初始给定转速 50rpm , 负载为 20N·m ,当 2s 时,负载阶跃减小至 5N·m ,

仿真总时间为 4s 的仿真结果如图 4-2 所示。

从图 4-2 中的图象可以看出,磁链

的图形有些失真,这是由于在接近零速时,定子压降对磁链的影响加大,转速的响

应也很慢。

同时从波形可以看出，由于直接转矩使用了双位式控制器，所以定子磁链

ψs 和电磁转矩 Te 在一定的偏差内略有波动，证明了定子磁链ψs 和电磁转矩 Te 的

脉动性。

5 总结与展望

通过此次运动控制课程设计，又熟悉了一点基于 SIMULINK 的系统仿真应用。

同时深化理解了直接转矩控制系统的控制方法，将书本知识形象化、模块化。

此次课程设计最终结果未能成功仿真出波形，这无疑是失败的。

但是通过查找

阅读各类文献增加了见识，从多个方面认识了直接转矩控制系统。

同时也让自

己明白有诸多不足，知识并不像想象中那么简单。

必须通过不断的学习，无数

次的尝试来获得最后的成功。

通过 SIMULINK 构建各个模型，也让自己理解了直接转矩控制系统中那些晦

涩难懂的公式。

总的来说，收获还是颇丰的，但同时也认识到了自己诸多的不

足。

将会在以后的学习中继续改进。

最后谢谢老师一个学期以来的悉心教导，让我初步认识到运动控制系统的概

念，而今后我也会继续深入学习下去。

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