异步电动机直接转矩控制毕业论文技术.doc
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1、 摘要直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)技术,是20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的又一新型的高效变频调速技术。与矢量控制技术不同的地方在于,它是采用了一种空间矢量分析方法,而不需要磁链和控制电流来间接控制转矩,它是直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩,以定子磁场定向方式,达到直接控制电磁转矩和定子磁链的目的。直接转矩控制技术避免了较为复杂的坐标变换,省去了较为复杂的矢量变换与电动机的数学模型较为简便的处理,具有比较新颖的控制思想、较为简单的控制结构和较为优良的静、动态性能,因而受到人们普遍的关注和得到较为迅速的发展。本文主要介绍了异步电动机直接
2、转矩控制的基本原理,利用了MATLAB/SIMULINK软件,是为了建立异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型,从而对圆形磁链控制进行仿真。通过对磁链滞环参数的改变,从而实现对电动机的直接转矩控制,通过仿真得出仿真图,分析其实验结果,从而就可以验证直接转矩控制技术的可靠性和有效性。关键字:异步电动机 直接转矩控制 MATLABAbstractDirect Torque Control (Direct Torque Control, DTC) technology is a new high-performance frequency control technology developed in
3、 the mid-1980s following the vector control technology.Be different with the vector control, DTC is not used to control the torque and flux by controlling the current indirect, instead of using space vector analysis method, the torque is calculated directly in the stator coordinate system and the co
4、ntrol of the motor, the stator magnetic field directional manner, on the stator flux and torque direct control.This method does not require complex coordinate transformation, eliminating the need to simplify the mathematical model to handle complex vector conversion and motor control with innovative
5、 ideas, simple control structure and excellent static and dynamic performance, and thus a universal concern and prompt development.This paper introduces the basic principles of induction motor direct torque control using MATLAB / SIMULINK software simulation model l induction motor direct torque con
6、trol system for circular flux control simulation.By changing the parameters of flux hysteresis direct torque control of the motor simulation diagram obtained by simulation, analysis and simulation results validate the reliability and effectiveness of direct torque control technology.Keywords: induct
7、ion motor direct torque control MATLAB目录1 绪论41.1交流电动机调速的发展和现状41.2直接转矩控制61.3 研究内容82 异步电动机的数学模型92.1 异步电动机理想数学方程92.2坐标变换和变换矩阵142.3异步电动机的空间矢量等效电路152.4本章小结163 直接转矩控制技术173.1直接转矩控制原理184 异步电动机直接转矩控制的仿真234.1 MATLAB简介234.2仿真模块介绍254.3仿真原理图284.4仿真结果及分析294.5本章小结34总结与展望35致谢361 绪论1.1交流电动机调速的发展和现状电动机作为生活中主要的动力设备,被广
8、泛应用于日常生活及工农业生产、航空航天各个领域。按照电动机使用电源的不同,可以分为直流电动机和交流电动机。20世纪80年代以前,因为直流电动机转速容易控制,只需要改变直流电机的励磁电流或者直流电机的输入电压,就可以在一定的范围内实现无极调速1 ,所以直流电动机在早期电气传动领域一直占据着主导地位,并且直流电动机在磁场一定的条件下,转矩和电流成正比,转矩更易于调节和控制。但是,由于直流电动机的机械接触换向器结构复杂,导致其造价比较昂贵,而且在其运行过程中极容易产生火花,而且直流电动机电刷的摩擦经常需要进行维护检修,所以导致直流调速的发展受到很大的限制。这时交流电动机应运而生,它的出现使得调速领域
9、产生了极大的突破。交流电动机和直流电动机相比,它不仅省去了换向器和电刷经常维修带来的麻烦,而且还具有结构简单,运行稳定,价格低廉和容易维修的特点,所以它刚流通到市面就得到了广泛的应用和推广。但是交流电动机也有自身的弊端,它的调速比较困难,而且调速稳定性极差,效率也极低,所以人们又开始致力于交流调速系统的研究和开发。在20世纪60年代,随着电力电子控制理论技术的发展和高速微处理器的广泛应用,交流电机调速技术得到飞跃发展,在实际应用过程中得到大量普及。70年代后,由于计算机技术和大规模集成电路的发展,以及先进控制理论的提出,从而使得交流调速的范围变大,精度也变高,速度也变快,在工程领域中慢慢就代替
10、了直流调速系统。在异步电动机调速系统中,变频调速技术是应用最广泛的。它不仅可以实现无极调速,而且可以根据负载特性的不同从而通过改变电压和频率的关系来使电机保持持续高效的运转。变频调速不仅具有降低启动电流,而且还可以增大启动转矩和改善电机的启动性能。交流调速控制理论的发展大致经历了电压-频率控制、矢量控制、直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC):电压-频率控制,亦即恒压频比控制,是指在基频以下调速时,维持输出电压频率和幅值的比值恒定,实现恒转矩调速运行;当在基频以上调速时,维持输出电压在额定值,使磁通与频率成反比下降,实现弱磁恒功率调速运行。虽然这种方式控制结构简单,
11、但是动态响应性能较差,适用于对调速系统动态性能要求不高的场合。矢量控制就是通过坐标变换将异步电动机的定子电流的励磁分量和转矩分量解耦,然后分别设计两者的调节器,获得高性能的转矩特性和转速响应特性3。这种控制方式可以将交流电动机等效成直流电动机来控制,获得与直流调速系统同样的静、动态性能。尽管矢量控制可以使控制系统动态性能得到改善,但是调节过程需要用到电动机参数,而这些参数在电动机运行过程中会随着温度的升高和磁路的饱和发生很大的改变,如果参数不够准确,又反而会影响矢量控制动态过程中的解耦。为了解决这些问题,人们引入了参数的补偿算法,但这些算法使得系统变得复杂化,并且由于矢量变换的复杂性,矢量控制
12、的实际效果很难达到理论上的分析效果,这些就是矢量控制在实践过程中的不足之处。直接转矩控制技术就是为了解决矢量控制存在的问题而发展起来的一种新型的高效交流变频调速技术4。它的思路是把异步电动机与逆变器看作一个整体,采用空间电压矢量分析方法直接分析和计算电动机的转矩和磁链。这种方法结构简单,不需要对定子电流进行解耦,解决了矢量控制中由于矢量变换引起的计算量大、结构复杂、受电动机参数影响很大的缺点,拥有十分高效的动静态性能。1.2直接转矩控制1.2.1直接转矩控制直接转矩控制调速技术,英语称为DTC(Direct Torque ControlDTC)或者DSC(Direct self-control
13、DSC),也叫做直接自控制,是70年代继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的高效交流变频调速技术5。1985 年,德国鲁尔大学的 M.Depenbrock 教授首次提出了异步电动机的直接转矩控制理论,1987 年又将该理论推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比,直接转矩控制技术把转矩直接作为被控量控制,而不是通过控制电流、磁链等变量来间接控制转矩。这种方法不需要复杂的坐标变换,而是直接在定子坐标系中计算转矩和磁链,仅仅通过定子电阻就可以观测到,解决了矢量控制容易受电机参数影响的问题。因此,直接转矩控制技术一经推出,就以简单的系统结构,新颖的控制思想和优秀的动静态性能受到广泛的关注和迅速的发展。
14、与矢量控制技术相比,直接转矩控制技术具有四个主要特点:(1) 直接转矩控制技术直接在定子坐标系中计算异步电动机的转矩和磁链,免去了矢量控制技术的复杂的算术运算和坐标变换,因此能够直接被观测到,简单直观。(2) 直接转矩控制技术磁场定向直接用的是定子磁链,所以可以通过定子电阻直接观测出来。而矢量控制技术磁场定向用的是转子磁链,观测需要转子电阻和电感,所以很容易受到电动机参数影响。(3) 直接转矩控制技术运用空间矢量分析异步电动机的数学模型和控制 其变量,所以计算简单。这种技术不是为了获得完美的观测波形,也不追求获得理论上的完美轨迹,从转矩控制的角度看,它要观测的是直接控制转矩所获得的效果。(4)
15、 直接转矩控制技术直接控制转矩。其控制方式是把转矩检测值与给定值进行滞环比较,所以它的控制效果不在于电动机的模型简化,而是由转矩的实际情况决定。这种控制方式也称为直接自控制,控制方法既简单又直接,其思想可以直接用于对转矩的控制和磁链的控制,不过还是以转矩为中心进行控制6。1.2.2直接转矩控制的发展直接转矩控制技术是最近几十年才发展起来的新型高效交流调速技术,虽然在不断得到完善和发展,但是在理论方面和实际应用方面还有很多值得探讨的问题。现在直接转矩控制技术的研究主要集中在以下几个方面:(1) 低速性能的改善虽然DTC系统不受电机参数影响,但是还是要考虑电机低速运行时定子电阻在不同频率下的变化情
16、况。当电机高速运行时,忽略定子电阻仍然具有很高的精度,但在低速运行的情况下,频率降低会造成定子电压在定子电阻上的分量增大。此时如果忽略定子电阻,会造成磁链的测量值和理论值之间的偏差增大。所以低速情况下如何检测定子电阻的变化和补偿是DTC系统中需要考虑到的问题。近年来,随着DTC系统的研究,人们提出了一种在线辨识的方法,该方法把影响定子电阻的三大因素(电定子流、转速和运动时间)作为输入量,设计了一种模糊观测器,得到的定子电阻的初值和变化值相加一起就是定子电阻在DTC系统中的值。实验结果证明这种方法具有一定的可行性。(2) 无速度传感器的研究在交流调速系统中,无速度传感器一直是一个热门话题。因为在
17、工程应用中,速度传感器会使系统成本增高,稳定性降低,不能适应一些恶劣的环境,维护困难,所以无速度传感器的研究就成了一个重要的研究方向。而DTC是一种无速度直接反馈的技术,只需要两个电流传感器,具有很高的可靠性。但是采用什么样的速度确认方法和模型,还需要进一步研究。目前常见的方法有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等,这些方法各有特点。(3)磁链和转矩调节器的改进DTC一般采用单滞环控制来控制磁链和转矩,通过控制滞环输出来获得电压矢量7。不同的电压矢量在单滞环控制作用下对转矩和定子磁链具有不一样的调节作用,所以只能按照当前转矩和磁
18、链的实时值进行合理的选择,这样才能使转矩和磁链的调节过程达到一个比较理想的状态。因此,可以通过细分转矩和磁链的偏差区间,来获得准确的电压矢量和稳定的控制性能。现在有一个研究人员提出了一种方法:预期电压法。即根据转矩和磁链偏差计算最佳控制的预期电压,然后根据电压逆变器的任意两个电压矢量合成,计算出工作时间后用零电压补全采样周期。(4)死区补偿DTC系统具有高速的响应性能,功率器件的开关次数普遍少于其他调速系统,所以开关损耗很小。然而交流侧的检测电压,通常是通过间接方式得到的,因此要考虑到逆变器的死区效应。逆变器上下桥臂如果同时导通会造成短路问题,为了避免这个问题就要加入必须的互锁延时,所以就造成
19、了死区效应,当它积累到一定程度的时候,逆变器就会产生输出电压失真,继续造成电流失真,使得系统运行不稳定,在低频低压的情况下还会引发转矩脉动。在工业应用中通常采用补偿法来解决死区效应,然后这会使得系统的可靠性能降低。所以人们提出来一种方案,即用软件计算出所有的失真电压,然后判断电流方向生成需要补偿电压的指令表,再反馈到输入端,这种方案同时还有避免零电压箝位的作用。上面这些问题都是直接转矩控制正在研究解决中的问题,如果成功的解决这些问题,那么DTC技术一定会得到质的飞跃发展。1.3 研究内容1.3.1 课题研究的意义DTC技术是通过直接控制转矩来控制电动机稳定运行,它的磁链轨迹可以近似看做一个圆形
20、。DTC系统结构简单,运行良好,能够广泛应用与各个领域,无疑拥有很高的实用价值。当今一个非常需要多加研究的课题,就是将现代控制理论加入到DTC技术的研究过程中,这也是当今交流调速技术的发展趋势。直接转矩控制发展了近二十年,取得了很大的进步和发展,但是在实际应该过程中不可否认也存在着很多疑问亟待解决。随着现代工业的飞速发展,对交流调速技术也提出了更高的要求,研发高效的交流调速装备,对我国的经济发展具有十分重大的时代意义。1.3.2 研究内容本论文通过建立异步电机的数学模型,简单分析了直接转矩控制的原理。在这个基础上,还运用Matlab/Simulink软件完成了各个DTC系统的控制方式的仿真实验
21、。通过改变DTC系统中的各个调节器参数,对仿真结果进行了必要的分析。证明了直接转矩控制的特点并对仿真测试中发现的问题进行了分析研究,验证了直接转矩控制系统的可行性。仿真结果与理论分析基本是一致的。论文在第一章简单介绍了交流调速技术的发展历程和直接转矩控制技术的产生和发展趋势,第二章建立了异步电动机的简单的数学模型,第三章介绍了直接转矩控制的基本原理,然后第四章利用MATLAB工具对近似的圆形的磁链轨迹进行了仿真研究,最后对本论文的通篇做了简单的总结和展望。2 异步电动机的数学模型2.1 异步电动机理想数学方程异步电动机的数学模型非常复杂,它是一个高阶、非线性、强耦合的多变的系统。为了更好地分析
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