感应电机直接转矩控制系统的设计与仿真（运动控制matlab/simulink）
时间：2023-03-07 15:30:00
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发送关键词：直接转矩
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1 引言
直接转矩控制（DTC）自1980年以来，技术是矢量控制技术的升级，是一种新型的变频调速技术M.Depenbrock和I.Takahashi从90年代开始提出这一理论Zhong.L, Rahman M F, Hu Y W提出了直接转矩控制的理论，并将其应用于异步电机的控制，电机的控制主要通过磁链闭环和扭矩闭环实现，从而达到与直流电机相似的控制特性。
20世纪，M.Depenbrock教授提出并不断研究直接扭矩控制异步电机的理论和方法，同时实现了磁链和扭矩控制。随着其理论思想的不断传播，其控制技术和方法得到了快速发展。
之后，日本的Takahashi在扭矩控制理论的基础上，学者提出了磁链轨迹控制理论，使磁链矢量运动轨迹接近圆形运动，同时不断提高异步电机控制的精度和稳定性。
2 系统结构设计及原理分析
在利用电压逆变器开关特性的基础上，在改变电压状态的情况下，定子磁链的运行轨迹接近六边形或圆形，在零电压矢量的连续插入下，转差频率不断变化，进一步控制电机转矩和磁链的不断变化。异步电机可以及时响应磁链和扭矩的变化。异步电机控制系统的核心功能是通过磁通角的变化控制磁链和扭矩量，使电机的输出扭矩严格按照输入扭矩的给定值进行变化。
图2-1中显示了直接转矩控制系统的原理结构图ASR、AFR和ATR分别是速度调节器、定子磁链调节器和转矩调节器。速度调节器ASR采用PI定子磁链调节器AFR转矩调节器采用带滞环的双位控制器ATR采用带滞环的双位控制器。图中，定子磁链给定ψ_s*额定转速以下与实际转速有关，ψ_s*保持恒定，超过额定转速，ψ_s^*随着实际转速的增加而减小。
2.1定子磁链调节
常规的PID因为它，控制器PID参数的自整定非常复杂繁琐，严重影响控制系统的运动稳定性。因此，异步电机的控制框图如图2-2所示。定子磁链的振幅偏差可以表达△ψ_s=|ψ_s^* |-|ψ_s |，通过滞环比较器调整定子磁链幅值的偏差值，其控制规则如下：
1）当△ψ_s>c时，Sign(△ψ_s )=1.选择合适的矢量来增加定子磁链。
2）当△ψ_s
2.2电磁转矩调节
为了直接控制扭矩，需要调整扭矩。控制框图如图2-3所示。为了控制扭矩，扭矩调节器必须能够实现两个功能：
1)转矩调节器直接调整转矩。
2)调整转矩，调整定子磁链的旋转方向。
电磁转矩偏差可以表达△T_e=|T_e^* |-|T_e |，如下所示：
1）当△T_e>c_2时，Sign(△T_e )=1.定子磁场正向旋转，实际电磁转矩T_e加大。
2）当-c_1<△T_e
2.3电压空间矢量选择
定子磁链矢量位于第一位Ⅰ根据风扇区域的不同位置Sign(△ψ_s )和Sign(△T_e )值检查方法，如表2-1所示，选择电压空间矢量。如果磁链控制与扭矩控制发生冲突，扭矩控制优先，零矢量可根据开关损耗最小的原则进行选择。其他风扇区域磁链的电压空间矢量。
3 系统模拟模型
3.1仿真模型搭建及参数设计
异步电机的主要参数如下：额定功率的大小是p_N=4000W，额定电压的大小是U_N=400V，额定频率的大小是f_N=50Hz，额定转速n_N=1430rpm。
基于Matlab/Simulink感应电机直接转矩控制系统的模拟模型如图3-1所示，主要包括以下模块：
①转速调节器ASR
②定子磁链调节器AFR
③转矩调节器ATR
④3/2变换环节
⑤定子磁链计算环节
⑥转矩计算环节
⑦电压矢量选择环节
⑧三相全桥逆变环节
3.2转速调节器ASR
与当前转速反馈值相比，通过转速设定值得到偏差PI调节器调整输出T_e^*。
3.3定子磁链调节器AFR
与定子磁链设定值相比较，计算出定子磁链偏差值△ψ_s。此外，还需要计算当前定子磁链的位置，这里使用一个S-Function计算当前定子磁链的位置。
（psi_to_fai详见微信微信官方账号源文件。
3.4转矩调节器ATR
通过从转矩T_e在计算环节中计算当前转矩值T_e，与扭矩设定值T_e^*相比之下，通过滞环控制器获得扭矩的偏差值△T_e。
3.5 3/2变换环节
将当前主电路的三相静态电压和电流分别转化为两相静态电压和电流。
3.6定子磁链计算环节
定子磁链在静态两相坐标系上的两个分数需要根据电压模型计算。
3.7转矩计算环节
根据教科书静态两相坐标系中电磁转矩的表达式获得相应的电磁转矩T_e。
3.8电压矢量选择环节
计算出的定子磁链偏差△ψ_s，转矩偏差△T_e，设计当前定子磁链的位置作为输入S-Function(详见微信微信官方账号源文件)计算6个电压空间矢量的选择，然后输入IGBT逆变桥的控制端。
3.九三相全桥逆变环节
三相全桥逆变电路选择逆变环节。
4 系统模拟结果及分析
4.1给定转速为1000rpm，负载为5
4.2给定转速为600rpm，负载为5
4.3给定转速为1400rpm，负载为5(采样周期为0).2）
4.4给定转速为1000rpm，负载为0
4.5给定转速为1000rpm，负载为20
4.6磁链图形
5 结论
通过检测输出相电压和相电流，在静态和旋转坐标系下改变和计算定子扭矩和磁链的大小，并通过Matlab/Simulink模拟模型的建立主要反映了直接扭矩的控制思想和理论，通过计算和总结定子磁链和扭矩的数据，然后通过控制磁链和扭矩。模拟结果表明，控制系统具有良好的动态和静态稳定性。
在经PI在调整的作用下，实现了启动阶段效果图的放大，导致扭矩不同程度的放大，使速度不断增加，迅速达到平衡状态。因此，当速度达到平衡阶段时，扭矩也达到了平衡阶段。
改变负载转矩的大小，电机平衡状态转矩变大，进而造成异步电机启动时间变长。
6 综合设计经验
异步电机因其动作速度快、效率高而得到广泛应用，但对其控制方法也有很高的要求。随着直接扭矩控制方法的出现，变频调速在异步电机中的应用领域越来越广泛和深入。
通过运动控制系统感应电机直接扭矩控制系统的课程设计，我不仅加深了对交流异步电机控制理论的理解，更好地将理论应用到实践中，而且学会了如何培养创新精神，不断克服自己。
本课程的设计使我对直接扭矩控制有了深入的了解。通常，我们在生产过程中很少接触到实际的大功率电机，所以我们不熟悉它的控制。通过查阅信息，我收集了大量关于交流异步电机控制的知识。
