基于MATLAB的异步电机直接转矩控制系统设计.doc
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1、(完整word)基于MATLAB的异步电机直接转矩控制系统设计湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书题 目: 基于MATLAB的异步电机直接转矩 控制系统设计 专业班级: 电气工程及其自动化0783班 学生姓名: 黎硕玮 学 号:200713010332完成日期: 2011年6月 指导教师: 李春菊 副教授 评阅教师: 2011年 6 月诚 信 声 明本人声明:1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;3、我
2、承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。作者签名: 日期: 年 月 日II毕业设计(论文)任务书题目: 基于MATLAB的异步电机直接转矩控制系统设计 姓名 黎硕玮 学院 应用技术学院 专业_电气工程及其自动化 班级 0783 学号 200713010332 指导老师 李 春 菊 职称 副 教 授 教研室主任 谢 卫 才 一、 基本任务及要求: 主要设计内容如下: 1、理解异步电机直接转矩控制的理论基础,熟悉其数学模型 2、熟悉MATLAB软件仿真建模的方法 3、建立异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB框图以及各个子模块 4、在上述工作的基础上得到最后的仿真波形, 总结转
3、速和负载突变时电机磁链、转速和转 矩的变化情况。 5、提交毕业设计论文和仿真波形 二、 进度安排及完成时间1、第12周:查阅资料;写开题报告;确定总体方案。 2、第34周:毕业实习、撰写实习报告. 3、第57周:理解直接转矩控制基本原理,建立直接转矩控制数学模型。 4、第810周:建立直接转矩控制系统的仿真模型 5、第1112周:仿真实验验证. 6、第1314周:撰写毕业设计论文。 7、第15周:指导老师评阅、电子文档上传FTP。 8、第16周:毕业设计答辩。 目录摘要IAbstractII第1章 概述11。1异步电动机控制系统的概况11.2异步电机直接转矩控制系统发展21.3 本课题主要研究
4、内容4第2章 直接转矩控制的理论基础52.1直接转矩控制的特点52。2空间矢量PWM逆变器62。3电压空间矢量82.4异步电机数学模型102.5定子磁链矢量与电压空间矢量的关系122.6空间电压矢量对定子磁链的作用142.7空间电压矢量对电机转矩的作用152。8空间电压矢量的正确选择162。9直接转矩控制的基本结构及原理19第3章 异步电动机的磁链模型223。1 ui磁链模型223。2 in磁链模型223.3 u-n磁链模型23第4章 异步电机直接转矩控制系统仿真设计254.1 仿真工具的介绍254.2系统基本结构254.3 控制系统仿真模型的建立274。3.1异步电机仿真模型294.3。2定
5、子磁链2/3变换模块304.3.3 Subsystem1模块314.3.4 Subsystem2模块314.3。5 Subsystem3模块324.3.6 电压型逆变器模块324.4 系统仿真结果334。5仿真结论36结束语37参考文献38致谢39基于MATLAB的异步电机直接转矩控制系统设计摘要:首先,本文详细地研究了异步电动机的数学模型,并且研究了直接转矩控制系统。分析直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制.直接转矩控制是用空间分析法,直接在定子坐标系下计算与控制交流电机转矩。采用定子磁场定向,借助于离散的二点式调节产生PWM信
6、号,直接对逆变器的开关进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。直接对电机的磁链和转矩进行控制,并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向.避开了电机中不易确定的参数、此外,直接转矩控制通过直接输出转矩和定子磁链的偏差来确定电压矢量,与以前的调速理论相比,它具有控制直接、计算过程十分简化的优点.而后运用Matlab/Simulink仿真工具对异步电机DTC系统进行建模仿真,仿真实验结果验证了理论的正确性。关键词:异步电机;直接转矩控制;Matlab/Simulink仿真Direct Torque Control System Design Asynchronous Motor Based on Matl
7、abAbstract:First, the mathematical model of asynchronous motor is researched thoroughly and studies the DTC system in this paper. Analysis of different between DTC and VCD. It is not by controlling the current flux equivalent to indirect control torque, But as the torque directly accused of quantity
8、 to control。 DTC is used space method, the stator coordinates directly in calculation and control AC motor torque。 Adopt Bang-Bang control of discrete PWM signal directly to produce, inverter switch for optimal control, in order to obtain high torque of dynamic performance。 Directly on the motor of
9、the flux and the torque control, and the stator flux linkage directional instead of rotor flux chain orientation. Avoid in motor are difficult to determine parameters, in addition, DTC through direct torque and the deviation of the stator flux linkage to determine the voltage vector, compared with p
10、revious governing theory, it has control direct, calculation process is very simplified advantages. Then, this paper models and simulates the DTC system in the Matlab/Simulink environment and the result is according to the anticipation。Key words: asynchronous motors; direct torque control; Matlab/Si
11、mulinkII第1章 概述1。1异步电动机控制系统的概况电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节.直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立,不存在耦合关系,能够获得很好的调速范围和调速精度,静、动态特性均比较好而获得广泛应用。交流(异步)电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合,而且是多变量非线性系统,调速难度大,长期以来在调速系统的应用受到限制。直到近三十年来,一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。现代电机控制的发展,一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本,另一方面又不断地有技术指标及其特殊应用的系统要求。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,以及控制理论的完善,仿真工具的
12、日趋成熟,给电机控制带来了很多发展的契机。在控制理论方面电机控制系统有了很大的发展。1971年,德国学者F。Baschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论,标志着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制,就是交流电机模拟成为直流电机来控制,通过坐标变换来实现电机定子电流励磁分量和转矩分量的解耦,然后分别独立调节,从而获得高性能的转矩和转速响应特性.理论上矢量控制技术可获得与直流电机一样良 好的动态调速特性,但是因为这种方法采用了旋转坐标变换,所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。围绕矢量变换控制的缺陷,如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题,国内外进行了大量研究。矢
13、量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用哪种方式,转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键,直接关系到矢量控制系统性能的好坏.一般地,转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电机磁链,这种方式会使简单的交流电机结构复杂化,降低了系统的可靠性,磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此,间接法是实际应用中实现磁链检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量采用状态重构的方法来观测电机的磁链.这种方法便于实现,也能在一定程度上确保检测精度,但由于在状态重构过程中使用了电机的参数,如果环境变化引起电
14、机参数变化,就会影响到磁链的准确观测。为补偿参数变化的影响,人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法,但补偿算法的引入也会使系统算法复杂化。1985年德国鲁尔大学的狄普布洛克(M。Depenbrock)教授和1986年日本的(I。Takahashi)教授首先提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论,他被称为直接转矩控制(Direct Torque Control-DTC),国外的原文有的也称它为Direct self-control-DSC,是近三十年继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流电机调速技术。直接转矩控制不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩,而是把转矩直接作
15、为被控量控制,它的思想以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制,其实质是用空间矢量的分析方法,以定子磁场定向方式,对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法结构简单,在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的大量计算、结构复杂、系统性能受电机参数影响较大的缺点,系统的动静态性能指标都十分优越,是一种很有发展前途的交流调速方案。而且该技术采用Bang-Bang控制从而得到快速的转矩响应,并且由于控制性能不受转子参数影响,所以可提高系统鲁棒性,省去了旋转变换和电流控制,则可简化控制器的结构。这种方法不需要复杂的坐标变换,而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转
16、矩的大小,并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。因此,直接转矩控制理论的问世便受到广泛的关注。国内外围绕直接转矩控制的研究也十分的活跃。矢量控制与直接转矩控制的区别在几个方面的分析比较:1.控制原理:矢量控制是在转子磁通坐标系中,通过分别控制q轴和d轴定子电流分量,实现转速和磁铁的解耦控制。其实质是通过坐标变换重建的电动数学模型等效为直流电动机,从而像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。而直接转矩控制是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流,采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链的直接控制。2。控制性能:矢量控制的调速范围较宽(1:20200),调速精度较高,
17、低速特性连续,响应速度较快,但受参数变化影响较大,且计算复杂,控制相对繁琐。直接转矩控制的调速范围较窄(1:15100),调速精度也较高,响应速度快,低速特性有脉动现象,但其不仅计算简便,而且控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,动静态性能均佳,有广阔的应用前景。1.2异步电机直接转矩控制系统发展随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展,变频调速已经在交流调速中占据了主导地位,成为工业自动化的关键传动技术,更是节能的重要手段。交流电气传动已正在逐步替代传统的直流电气传动系统。交流电机控制技术具有代表性的有调压频控制、转差频率控制、磁场定向控制(矢量控制),以及近些年出
18、现的直接转矩控制等。电机控制理论特别是矢量控制和直接转矩控制理论的发展和完善,使得交流变频传动的效果和直流调速相媲美,特别是直流转矩控制系统在转矩反应快速性方面更胜一筹,再加上交流电机所固有的优点,使得交流调速在整个调速领域占据了80以上。变频调速技术在目前正在应用的交流调速技术中是应用最广,也是最有希望取代直流调速的交流调速方式。交流变频调速的优越性早在20年代就被人们所认识,但受到器件的限制,投资大、效率低、体积大而未能推广。50年代中期,晶闸管的研制成功,使交流电机调速技术有了飞速发展。早期交流调压调速系统的主回路基本上都是采用SCR开关器件,输出的电压或电流波形中含有较多的谐波,造成电
19、机转矩脉动大,功率因数较差。虽然实现了交流电机在一定范围内的调速,但还不能与直流调速系统像媲美,只能用于一些调速要求不高的场合,如风机、泵类等负载的拖动。随后发展的转差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题,同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点,结构也不算太复杂,已能满足许多工业应用的要求,具有较广泛的应用价值。然而,当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时,上述系统还是比直流调速系统略差一些.原因在于,其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制,完全不考虑过渡过程,因而在系统设计时,不得不做出较强的假设,忽略较多的因素,才能得出一个
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