電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)【畢業(yè)設(shè)計(jì)+文獻(xiàn)綜述+開(kāi)題報(bào)告】電動(dòng)汽車(chē)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) （20_ _屆）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)摘 要由于世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的加重，清潔環(huán)保的電動(dòng)汽車(chē) EV 逐漸成為人們主要研究開(kāi)發(fā)的對(duì)象。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是二十世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種對(duì)電機(jī)控制的新技術(shù)。它是繼矢量變換控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)的控制技術(shù)，以其新穎的控制思想和簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)及優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速的發(fā)展。本論文主要研究和分析直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理，并利用圖形仿真工具M(jìn)ATLAB/simulink完成了對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的近似六邊形磁鏈控制方法的仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真中分析了轉(zhuǎn)矩對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 直接轉(zhuǎn)矩控制 DSC MATLAB Analysis and Design of DTC Systems in EVAbstractAs the world energy crisis and increasing environmental pollution, clean environmentally friendly EV increasingly become the object of major research and development. DTC is a new developed technology for motor control in the mid-80s of twentieth century. It is a new type of high-performance control of AC variable speed drive technology developed after the vector control technology, its innovative ideas and simple control system and excellent static and dynamic performance has been rapid development. In this thesis, analysis of the basic principles of direct torque control, and using graphical simulation tool MATLAB / simulink completed a direct torque control system of the approximately hexagonal flux control of simulation experiments. In the simulation of the different load torque control performance of the system on a concrete analysis of the simulation results verify the approximate hexagonal flux direct torque control DSC the feasibility and effectiveness.Keywords: EV DTC DSC MATLAB目錄摘 要IIIAbstractIV1 緒論11.1背景11.2.1 電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)11.2.2電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展?fàn)顩r2-511.3電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各種電機(jī)性能比較21.4直接轉(zhuǎn)矩控制的常用方法31.4.1電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)42 直接轉(zhuǎn)矩基本理論62.1交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)建模62.2 異步電機(jī)空間矢量等效電路82.3 坐標(biāo)變換92.3.1坐標(biāo)變換的基本思路92.3.2三相-二相變換（3/2變換）92.3.3 靜止兩相-旋轉(zhuǎn)兩相正交變換（2s/2r變換）122.4 逆變器的數(shù)學(xué)模型及空間電壓矢量132.5電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)（磁鏈跟蹤控制技術(shù)）162.5.1 Park矢量變換162.5.2 電壓空間矢量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響193 直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真213.1 MATLABSIMULINK仿真軟件介紹223.2 異步電機(jī)的matlab仿真243.3 定子磁鏈觀測(cè)模型對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）性能的影晌263.3.1 u-i模型263.3.2 i-n模型273.3.3 u-n 模型273.4.1轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型283.4.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR293.5 磁鏈自控單元294 直接轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)果304.1 各個(gè)模塊的仿真及結(jié)果304.2 仿真結(jié)論355 參考文獻(xiàn)366致謝38附 錄391 緒論電動(dòng)汽車(chē)具有低噪聲、零排放、高效率、節(jié)能及能源多樣化和綜合利用等顯著優(yōu)點(diǎn), 成為各國(guó)開(kāi)發(fā)的主流。電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展有賴(lài)于技術(shù)的進(jìn)步, 尤其是需要進(jìn)一步提高其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)新的行業(yè)，雖然已發(fā)展了幾十年，但在我國(guó)基本上還是一個(gè)新生事物，按其發(fā)展可分為以下三種類(lèi)型，即純電動(dòng)汽車(chē)（PEV） 、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）以及燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）和派生出的一種外接充電式混合動(dòng)力汽車(chē)（Plugin）。豐田、通用、日產(chǎn)、雷諾等世界大汽車(chē)公司以及我國(guó)的眾多汽車(chē)公司都紛紛規(guī)劃電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展方向，推出各種電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)客車(chē)的相關(guān)技術(shù)在國(guó)際上還是處于比較領(lǐng)先的位置，但電動(dòng)轎車(chē)與國(guó)外相比較還基本上處于同一水平上，所以加大對(duì)電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)技術(shù)的研究和資金投入、還有相關(guān)政策上的資助是在我國(guó)大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵所在。1.2.1 電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)相比較其最大的優(yōu)勢(shì)在于其運(yùn)行成本，普通轎車(chē)每一百公里它的消耗為7升，按現(xiàn)在93號(hào)汽油的油價(jià)6.23元計(jì)算，約為43.61元/100Km.，而電動(dòng)汽車(chē)按每度電0.6元，經(jīng)測(cè)算約為13.25元/100Km。舉個(gè)例子如比亞迪純電動(dòng)汽車(chē)，快速充電站充電小時(shí)可充電57度，可行駛達(dá)300公里，每一百公里只要11.4元，奇瑞生產(chǎn)的一款純電動(dòng)汽車(chē)，一次充電可續(xù)行里程120150公里，每百公里僅耗電811度，每百公里僅僅只要6元 1 。電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行成本只是普通轎車(chē)的三分之一，所以在運(yùn)行費(fèi)用方面電動(dòng)汽車(chē)是相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力的。還有，電動(dòng)汽車(chē)的制造成本及技術(shù)要比傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)價(jià)格更低。第三，電動(dòng)汽車(chē)的售后服務(wù)工作建設(shè)比如建設(shè)充電站和對(duì)電池的更新?lián)Q代技術(shù)等等。最后國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的大力扶持和相關(guān)的優(yōu)惠政策，電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)及世界范圍內(nèi)的發(fā)展?jié)摿o(wú)窮。1.2.2電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展?fàn)顩r2-5豐田、通用、日產(chǎn)、雷諾等世界大汽車(chē)公司以及我國(guó)的眾多汽車(chē)公司都紛紛制訂電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展計(jì)劃，推出各種電動(dòng)汽車(chē)。目前，日本已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些比較成熟的電動(dòng)汽車(chē)。例如日本慶應(yīng)義塾大學(xué)2004年與38家企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)出了時(shí)速可達(dá)370公里的電動(dòng)汽車(chē)“E liica”。三菱汽車(chē)公司2009年6月宣布開(kāi)發(fā)出輕型電動(dòng)汽車(chē)“i-M iEV”。它采用高性能鋰電池，一次充電可以行駛160公里，充電需7小時(shí)，如使用快速充電器，約30分鐘就可充電80%。但由于電動(dòng)汽車(chē)中的電池及快速充電等相關(guān)技術(shù)這些汽車(chē)的價(jià)格要比普通燃油汽車(chē)高出很多。技術(shù)及成本問(wèn)題是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展普及所面臨的最大障礙。一次充電的最大行駛距離提高至300公里，將大大促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的推廣和普及。日本有關(guān)人士認(rèn)為，由于電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格高昂，且相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施不完備，所以目前仍不能完全普及，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展尚需時(shí)日。德國(guó)政府于2009年8月頒布了“國(guó)家電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展計(jì)劃”，目標(biāo)是至2020年使德國(guó)擁有1 100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)。歐盟輪值主席國(guó)西班牙首相薩帕特羅2010年表示，作為未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)組成部分，歐盟將出臺(tái)計(jì)劃大力推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)和使用。法國(guó)總統(tǒng)薩科齊在2008年的巴黎國(guó)際車(chē)展上宣布，政府會(huì)投入4億歐元，用于研發(fā)新能源汽車(chē)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)雖稍晚，但在這方面正迎頭趕上西方同行。比亞迪、吉利、東風(fēng)、長(zhǎng)安等汽車(chē)廠家開(kāi)始順勢(shì)而上，大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。比亞迪是我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的排頭兵，已推出了新能源車(chē)F3DM雙?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)e6，并積極籌劃把這兩款車(chē)投放到歐洲市場(chǎng)。e6純電動(dòng)汽車(chē)，一次充電能跑330公里，沒(méi)有任何污染排放，車(chē)體大，適合作公務(wù)用車(chē)和出租車(chē)，而且這款車(chē)動(dòng)力強(qiáng)勁，造型和四輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)都非常符合潮流。2009 年以來(lái)，受?chē)?guó)家政策導(dǎo)向影響，我國(guó)許多省市紛紛鼓勵(lì)本地企業(yè)增加投資、擴(kuò)大電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)能，僅上海、重慶、吉林、北京四省市2012 年的規(guī)劃產(chǎn)能就達(dá)近50 萬(wàn)輛。雖然國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)取得了一定成績(jī)但是中國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展存在多方面的問(wèn)題：整車(chē)產(chǎn)品在續(xù)駛里程、可靠性和工程化上仍落后于國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品：電池的安全性、可靠性、使用壽命等還不能滿足整車(chē)要求；電機(jī)、電池所需部分部件、材料需進(jìn)口，同時(shí)控制器基礎(chǔ)硬件、高速CAN網(wǎng)關(guān)和信號(hào)處理放大部件等也依賴(lài)進(jìn)口；電動(dòng)附件還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品可用，成本高并依賴(lài)進(jìn)口。在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要用到的電機(jī)有直流電機(jī)和異步電機(jī)，也有新型的永磁無(wú)刷電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。早期電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)但是隨著對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，因交流電機(jī)很多優(yōu)越性，電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)主要朝異步電機(jī)發(fā)展?，F(xiàn)介紹各種電機(jī)性能6如表1-1所示。表1-1 各種電機(jī)性能直流電機(jī)異步電機(jī)永磁無(wú)刷電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)點(diǎn)控制簡(jiǎn)單，只要電壓控制，動(dòng)態(tài)調(diào)速性良好，不需要檢測(cè)磁極位置，小功率電機(jī)制造價(jià)格低，技術(shù)成熟。結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，質(zhì)量小，體積小，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)矩脈沖小，噪聲低，轉(zhuǎn)速極限高，不需要位置傳感器，調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，維護(hù)簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟。體積小，重量小，響應(yīng)快，功率和能量密度高，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，效率高，維護(hù)簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，適合高速運(yùn)行，價(jià)格低，免維護(hù)。缺點(diǎn)有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合高速，大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，效率低，環(huán)境適應(yīng)性差，維護(hù)難，容量增大造價(jià)大幅增加且制造困難?？刂茝?fù)雜，容量小時(shí)效率降低，制動(dòng)困難。高速運(yùn)行時(shí)比交流電機(jī)復(fù)雜，需檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，永磁體有退磁問(wèn)題，造價(jià)偏高。噪音大，輸出轉(zhuǎn)矩脈沖大。電動(dòng)汽車(chē)與其它電力拖動(dòng)系統(tǒng)不同，它需要經(jīng)常變換運(yùn)行方式，尤其在城市行駛狀態(tài)下，這就要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)迅速、調(diào)速范圍寬、性能穩(wěn)定。從表1-1可以看出，在采用合適的控制策略條件下，永磁無(wú)刷電機(jī)，交流異步電機(jī)都能滿足這種要求，而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，直流電機(jī)，相對(duì)來(lái)說(shuō)有些不足，另外開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電機(jī)噪音過(guò)大，在電動(dòng)汽車(chē)中沒(méi)有獲得廣泛的應(yīng)用。永磁無(wú)刷電機(jī)具有相對(duì)比較高的功率密度，它的控制方式和感應(yīng)電機(jī)基本相同，這種電機(jī)具有較高的能量密度和工作效率，其體積小、慣性低、體積小響應(yīng)快，很適合于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但其缺點(diǎn)也很顯然，即驅(qū)動(dòng)電路過(guò)于復(fù)雜，成本過(guò)高，還處于實(shí)驗(yàn)階段。目前在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中應(yīng)用較多的是異步電機(jī)，它主要的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍較寬。鼠籠異步電機(jī)質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)及維護(hù)簡(jiǎn)單，其運(yùn)用在電動(dòng)汽車(chē)上的傳動(dòng)效率高于82，在同樣電池容量的情況下，大大提高了電動(dòng)汽車(chē)的持續(xù)續(xù)航能力。通過(guò)對(duì)各種電機(jī)的性能進(jìn)行比較，本次論文設(shè)計(jì)將選定用異步電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)直接轉(zhuǎn)矩控制的對(duì)象。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制,利用磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子電壓的直接控制,避免了坐標(biāo)變換的繁瑣,簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。但是,這種控制方式在一個(gè)控制周期內(nèi),只有一個(gè)7-8電壓矢量作用在電機(jī)上,這就導(dǎo)致了控制過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,低速性能不理想、采樣頻率要求較高等缺點(diǎn),即使采用多級(jí)滯環(huán)或離散空間電壓矢量調(diào)制的方法,仍難以從根本上解決這些問(wèn)題,因此限制了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在電力機(jī)車(chē)低速段的控制性能。常見(jiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法有：（1）基于定子磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制9-12：將電磁轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值與反饋值的誤差通過(guò)PI 調(diào)節(jié)器,輸出一個(gè)為消除轉(zhuǎn)矩誤差所需要的轉(zhuǎn)差角頻率 定、轉(zhuǎn)子相對(duì)角速度 ,與轉(zhuǎn)速的反饋值通過(guò)疊加可以獲得定子在下個(gè)周期的平均角轉(zhuǎn)速,算出下周期定子磁鏈的角度。根據(jù)給定的磁鏈目標(biāo)值并結(jié)合反饋值,通過(guò)磁鏈方程可求出作用在逆變器上的電壓矢量。（2）基于開(kāi)關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制13-16：永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)施加的電壓可通過(guò)開(kāi)關(guān)表、PI 調(diào)節(jié)器和滑模變結(jié)構(gòu)控制器得到。目前研究和應(yīng)用較多的是基于開(kāi)關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。（3）基于電流勵(lì)磁直接轉(zhuǎn)矩控制方案17-19：此方法能減小銅耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 但是它是基于d - q坐標(biāo)變換,對(duì)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。采用六個(gè)布爾數(shù)值的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的控制, 即每個(gè)布爾數(shù)值控制對(duì)應(yīng)的功率管。電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)是由電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)目，可以把電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式歸結(jié)為單電機(jī)和多電機(jī)方式20。1 單電機(jī)有傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1-2所示。 圖1-2 單電機(jī)有傳動(dòng)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)特征為：電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)仍采用燃油汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)有電機(jī)前置前橋驅(qū)動(dòng)和電機(jī)前置后橋驅(qū)動(dòng)等各種驅(qū)動(dòng)模式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，不能充分發(fā)揮電機(jī)最用2 單電機(jī)無(wú)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1-3所示。圖1-3 單電機(jī)無(wú)傳動(dòng)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)特征為：在電機(jī)的前蓋處裝置變速器，差速器等驅(qū)動(dòng)總成，形成電機(jī)-驅(qū)動(dòng)橋組合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有電機(jī)前置前橋驅(qū)動(dòng)和電機(jī)后置后橋驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)模式結(jié)構(gòu)緊湊，效率高3 單電機(jī)無(wú)差速器系統(tǒng)如圖1-4所示。圖 1-4 單電機(jī)無(wú)差速器系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)特征為：（1）電機(jī)為相反電機(jī)，在電機(jī)的前蓋處裝置變速器，但無(wú)差速器，電機(jī)有一空心軸，驅(qū)動(dòng)橋的一個(gè)半軸從空心軸通過(guò)（2）有電機(jī)前置前橋驅(qū)動(dòng)和電機(jī)后置后橋驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)模式。（3）結(jié)構(gòu)更緊湊，效率更好4 多電機(jī)方式如圖1-5所示。圖 1-5 多電機(jī)方式其結(jié)構(gòu)特征為：（1）電機(jī)裝在車(chē)輪輪轂中，有4乘2及4乘4兩種布置，車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制各個(gè)輪子的同步轉(zhuǎn)動(dòng)或者差速轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）4乘2布置有雙前輪驅(qū)動(dòng)和雙后輪驅(qū)動(dòng)：4乘4布置可實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。（3）可騰出大量空間，方便布置注：1-電機(jī);2-離合器；3-變速器；4-傳動(dòng)軸；5-驅(qū)動(dòng)橋；6-電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；7-電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；8-輪轂電機(jī)分散式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；9-轉(zhuǎn)向器。2 直接轉(zhuǎn)矩基本理論數(shù)學(xué)模型是為了能夠描述實(shí)際系統(tǒng)中各個(gè)物理量之間的關(guān)系及其性能，是對(duì)被描述系統(tǒng)的近似模擬運(yùn)算，為了認(rèn)識(shí)和分析電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及各變量之間的關(guān)系，必須建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)通常是在靜止兩相坐標(biāo)系中觀測(cè)磁鏈和轉(zhuǎn)矩值來(lái)控制轉(zhuǎn)矩大小。在假設(shè)定子中不計(jì)飽和及鐵損，三相繞組是對(duì)稱(chēng)的，氣隙磁勢(shì)及磁通在空間中作正弦分布的條件下數(shù)學(xué)模型描述如下21-24：電壓方程： （2-1） （2-2）磁鏈方程： （2-3） （2-4）消去公式（2-1）與（2-4）中的is和ir，可以得到以定轉(zhuǎn)子磁鏈和為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程： （2-5）轉(zhuǎn)矩方程： （2-6）在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈為額定值，以便充分利用電機(jī)，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。由式 2-6 可知，當(dāng)維持定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值都恒定不變時(shí)，只要改變它們兩者之間的夾角就可以改變轉(zhuǎn)矩大小，實(shí)際上這就是直接轉(zhuǎn)矩控制之所以簡(jiǎn)單的根本原因。運(yùn)動(dòng)方程： （2-7）式中，為電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。此外，電磁轉(zhuǎn)矩也可以用定子磁鏈和定子電流的形式來(lái)表示： （2-8）各個(gè)電機(jī)參數(shù)的具體意義：電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈； -電機(jī)的定子磁鏈；電機(jī)的定子電阻； -電機(jī)的定子電壓： -電機(jī)的定子電感： -電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻； -電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子的互感 -電機(jī)的轉(zhuǎn)子電感； -電機(jī)的電角速度； -電機(jī)的極對(duì)數(shù)： -電磁轉(zhuǎn)矩； -磁通角； 電機(jī)漏感系數(shù)。2.2 異步電機(jī)空間矢量等效電路控制系統(tǒng)利用異步電機(jī)空間矢量的等效電路進(jìn)行分析，如圖2-1所示。 圖2-1 異步電機(jī)空間矢量等效電路異步電機(jī)在定子坐標(biāo)系中由下列方程表示： （2-9） （2-10） （2-11） 2-12 2-13 式中：、-定子和轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；、-定子電壓和電流空間矢量；-定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的磁通角。L-定子電感；-轉(zhuǎn)子漏感；-定子電阻；2.3 坐標(biāo)變換 異步電機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實(shí)際應(yīng)用中必須用到的簡(jiǎn)單的基本方法就是坐標(biāo)變化。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以那么復(fù)雜，主要是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程，它們體現(xiàn)出異步電機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換之間的復(fù)雜關(guān)系。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，首先需要從電磁耦合關(guān)系入手。在三相對(duì)稱(chēng)的交流電機(jī)靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流iA,iB,iC時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F,它在空間中呈正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速順著A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)，如圖2-2所示。 圖2-2 三相坐標(biāo)系和二相坐標(biāo)系物理模型然而，并不只是三相才能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，除了單相外，二相，三相，四相任意多相對(duì)稱(chēng)繞組，通以平衡的多相電流時(shí)都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然以?xún)上酁樽詈?jiǎn)單。當(dāng)沒(méi)有零線時(shí)，三相變量中只有兩相為獨(dú)立變量，這就可以消去多余的一相。因此三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對(duì)稱(chēng)繞組來(lái)等效代替，等效的原則是產(chǎn)生相等的磁動(dòng)勢(shì)。圖a中兩相繞組，通以?xún)上嗥胶饨涣麟娫?，也能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)。當(dāng)三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小轉(zhuǎn)速相等時(shí)，即可認(rèn)為兩相繞組和三相繞組為等效繞組，這就是3/2變換的思想。2.3.2三相-二相變換（3/2變換）從三相繞組A、B、C到兩相繞組、之間的變換，稱(chēng)之為三相繞組坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系之間的變換，簡(jiǎn)稱(chēng)為3/2變換。圖2-3中繪制出了ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量，在圖中將兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，并將A軸和軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢(shì)均為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量都位于相關(guān)的坐標(biāo)軸上。圖 2-3 三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量按照三相合成磁動(dòng)勢(shì)與兩相合成磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，故兩繞組磁動(dòng)勢(shì)在、軸上的投影大小都應(yīng)該相等，因此 2-14 2-15 寫(xiě)成矩陣形式，得 2-16 按照變換前后總功率不變，可以證明，匝數(shù)比為： 2-17 帶入式（2-16），得- 2-18 令表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相正交坐標(biāo)系的變換矩陣，則 2-19 利用的約束條件，將式（2-19）擴(kuò)展為 2-20 式（2-30）第三行的元素取做，使相應(yīng)的變換矩陣 2-21 為正交矩陣，其優(yōu)點(diǎn)在于逆矩陣的轉(zhuǎn)置。由式 2-30 求得的變換 2-22 再除去第三列，即得兩相正交坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱(chēng)2/3變換）的變換矩陣 2-23 考慮到，帶入式 2-19 并整理后得 2-24 在上述條件下同理可以推導(dǎo)出磁鏈變換矩陣和電壓變換矩陣。2.3.3 靜止兩相-旋轉(zhuǎn)兩相正交變換（2s/2r變換）從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)dq的變換，稱(chēng)做靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱(chēng)2S/2R變換，其中R表示旋轉(zhuǎn)，S表示靜止，變換的原則同樣是產(chǎn)生相等的磁動(dòng)勢(shì)。圖2-4中繪出了在和dq坐標(biāo)系下的磁動(dòng)勢(shì)矢量，繞組的每相有效匝數(shù)均為N2,磁動(dòng)勢(shì)矢量表示在相關(guān)的坐標(biāo)軸系上。兩相交流電流，和兩個(gè)直流，產(chǎn)生相同的以角速度旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F。圖2-4靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量由圖6-6可見(jiàn)，和，之間存在下列關(guān)系： 2-25 寫(xiě)成矩陣形式，得 2-26 因此，靜止兩相坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換矩陣為 2-27 則旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣是 2-28 即 2-29 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換矩陣與電流旋轉(zhuǎn)變換矩陣相同。2.4 逆變器的數(shù)學(xué)模型及空間電壓矢量 在交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器是其中的一個(gè)重要的部件，對(duì)電機(jī)的控制主要是變成通過(guò)對(duì)逆變器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，逆變器有電流型和電壓型兩種，在直接轉(zhuǎn)矩控制和三相PWM整流器中，采用的都是是電壓型逆變器，如圖2-5所示為三相二點(diǎn)式電壓型逆變器為異步電機(jī)提供電能的示意圖，O點(diǎn)為電源的中性點(diǎn)，N為異步電機(jī)的中性點(diǎn)，圖中用開(kāi)關(guān)來(lái)簡(jiǎn)化表示功率器件的開(kāi)關(guān)管。圖 2-5電壓型逆變器示意圖一個(gè)三相二點(diǎn)式電壓型逆變器由三個(gè)橋臂和六個(gè)開(kāi)關(guān)組成。由于在同一個(gè)橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)接通或者關(guān)斷，故它們之間互為反向狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)接通時(shí)另一個(gè)則斷開(kāi)，因此三個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)共有種可能的開(kāi)關(guān)組合。我們習(xí)慣上把上橋臂導(dǎo)通時(shí)用“1”來(lái)表示，而下橋臂導(dǎo)通時(shí)用“0”表示，所以每個(gè)橋臂有“1”、“0”兩種狀態(tài)，這8種工作狀態(tài)可見(jiàn)表2-1。 表2-1 電壓逆變器的8種基本開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)01234567Sa01100011Sb00111001Sc00001111根據(jù)圖2-5的電壓逆變器示意圖，可見(jiàn)式 2-30 ： 2-30 由于假設(shè)電機(jī)三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間均勻?qū)ΨQ(chēng)分布，那么就可以得，所以根據(jù)式 2-30 可得： 2-31 把式14代入式13中，得到式 2-32 ： 2-32 有根據(jù)圖2-5 的電壓逆變器示意圖得： 2-33 綜合式 2-32 和 2-33 得到逆變器輸出的相電壓和開(kāi)關(guān)矢量之間的關(guān)系。 2-34 式中 圖 2-5 中，電機(jī)的三相繞組接成星形，在恒幅值變換的原則下，其輸出電壓矢量的Park矢量表示式為： 2-35 從式 2-34 和（2-35）可以看出，此時(shí)電壓矢量與電機(jī)的中點(diǎn)電壓無(wú)關(guān)，而只是與三個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)矢量和直流母線電壓有關(guān)，在直流母線電壓不變的情況下，電壓空間矢量是開(kāi)關(guān)矢量的函數(shù)。將的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的代入式18中，可以得到電壓型逆變器的8個(gè)基本輸出矢量U0U7，其定義見(jiàn)表4-2，其中u0和u7是零矢量，表示A、B、C三相橋臂的上橋臂和下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將電機(jī)定子三相繞組短接。其余的u1u6稱(chēng)為非零矢量，這6個(gè)非零矢量均勻的分布在坐標(biāo)平面上。各個(gè)矢量相差，幅值為，這些電壓矢量的空間分布圖，如圖2-6所示。例如：對(duì)于開(kāi)關(guān)矢量 ，代入式17中得到： （2-36）將代入式18中得： （2-37）對(duì)照?qǐng)D2-6可知，位于軸的負(fù)方向上，即和軸的夾角為。依次計(jì)算各開(kāi)關(guān)矢量的電壓空間矢量，就可以得到圖2-2的電壓矢量的空間分布圖。表2-2種基本輸入矢量表SaSbScU0000U1100U2110U3010U4011U5001U6101U7111圖 2-6三相電壓型逆變器的電壓空間矢量總之，電壓型逆變器的六個(gè)工作電壓給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量，它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間的相差電壓空間矢量的幅值不變，都等于，其中為直流母線電壓，因此六個(gè)電壓空間適量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)，六個(gè)電壓矢量的順序?yàn)?，它們依次順序按照逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。零電壓矢量位于六邊形的中心。2.5電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)（磁鏈跟蹤控制技術(shù)）經(jīng)典的SPWM控制主要控制目標(biāo)是使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近于正弦波，并沒(méi)有考慮到輸出電流的波形變化。而電流跟蹤控制技術(shù)則直接控制輸出電流波形，使它的值控制在正弦波附近，這就比正弦電壓控制先進(jìn)很多。但是作為交流電動(dòng)機(jī)輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間中形成近似圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而來(lái)產(chǎn)生一個(gè)恒定的電磁轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)在把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)合為一體，以近似六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作情況稱(chēng)為“磁鏈跟蹤控制”，要實(shí)現(xiàn)磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此又之稱(chēng)“電壓空間矢量PWM”控制。2.5.1 Park矢量變換在對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析和控制時(shí)，運(yùn)用Park矢量變換對(duì)三相電壓進(jìn)行處理，將三維標(biāo)量變成二維矢量。三相異步電機(jī)中對(duì)稱(chēng)的三相物理量如圖2-7所示。當(dāng)時(shí)，與A軸同向，時(shí)，與A軸反向，B、C兩相也同樣如此。選三相定子坐標(biāo)系的A軸與Park矢量復(fù)平面的實(shí)軸重合， 則Park矢量Us為： 2-38 矢量成為Park矢量，它在某一時(shí)刻值代表三相電磁量合成作用在坐標(biāo)系的空間位置，所以成為空間矢量。圖2-7 電壓空間矢量在三相異步電機(jī)中空間磁動(dòng)勢(shì)矢量，磁通矢量，磁鏈?zhǔn)噶颗c電流相，電壓相關(guān)，所以定義電流空間矢量和電壓空間矢量，它們分別表示三相電流和三相電壓的合成作用在坐標(biāo)系中所處的位置。對(duì)于一個(gè)空間矢量可以由兩個(gè)正交的坐標(biāo)表示，所以三相電機(jī)又可以轉(zhuǎn)換成兩相電機(jī)模型，從而可以更方便的分析問(wèn)題。圖2-5中，開(kāi)關(guān)的8種組合對(duì)應(yīng)理想電壓型逆變器的8個(gè)電壓狀態(tài)，其中的組合（111），（000）為零電壓狀態(tài)。如果用空間電壓矢量來(lái)表示，則就形成了8個(gè)離散的電壓空間矢量。圖2-6所示為8個(gè)空間電壓矢量的分布圖，其中（000），（111）狀態(tài)對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)系的原點(diǎn)。其它空間矢量的幅值都等于4E/3。電壓空間矢量的順序從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，那么所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)100-110-010-011-001-101。零電壓矢量（000），（111）則位于正六邊形的中心點(diǎn)。電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的造成的影響由定子電壓方程： 2-39 推導(dǎo)出定子磁鏈的表達(dá)式： 2-40 上式就是通常我們所說(shuō)的定子磁鏈U-I模型。為便于磁鏈的計(jì)算，可以將定子磁鏈方程在靜止的-坐標(biāo)系上分解，則有下列兩個(gè)分量方程： 2-41a 2-41b 這樣定子磁鏈?zhǔn)噶康挠?jì)算就變成了標(biāo)量計(jì)算。如果再忽略定子電阻壓降的影響，則方程 2-40 可簡(jiǎn)化為： 2-42 當(dāng)電機(jī)處于三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值的將大小不變，其空間矢量在坐標(biāo)系中恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶康捻敹诉\(yùn)動(dòng)軌將近似跡呈為圓形。定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量為： 2-43 式中 -定子磁鏈?zhǔn)噶糠?-定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g角度將69對(duì)t求導(dǎo)得 2-44 式 2-44 表明，磁鏈幅值的大小等于電壓與頻率的比值，的方向和磁鏈?zhǔn)噶繛檎魂P(guān)系，即磁鏈圓的切線方向，如圖2-8所示。當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也會(huì)連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2個(gè)弧度，若將電壓矢量的參考電壓矢量的參考點(diǎn)放在一起，則電壓矢量的軌跡也將會(huì)是一個(gè)圓如圖2-9所示，所以電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)換成電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題了。圖2-8 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡圖2-9電壓矢量圓軌跡2.5.2 電壓空間矢量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響從上面的的分析可知，轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速的影響起決定性的作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞也將直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)的性能好壞。 2-45 由2-45式表明，電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的幅值以及它們之間的夾角共同決定的。（1）當(dāng)所施加的電壓矢量超前于當(dāng)前定子磁通時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加。（2）當(dāng)所施加的電壓矢量落后于當(dāng)前定子磁通時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。在實(shí)際直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，為了能完全利用電機(jī)的鐵芯，都會(huì)采取保持定子磁鏈幅值為額定值，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定，改變轉(zhuǎn)矩大小是通過(guò)改變磁通角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的控制方法中，用電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，使得定子磁鏈走走停停，從而控制定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，也就是控制了磁通角的大小，最終有效的控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小。圖 2-6三相電壓型逆變器的電壓空間矢量 圖2-10電壓空間矢量如圖2-10 所示，假設(shè)tl時(shí)刻的定子磁鏈為，轉(zhuǎn)子磁鏈為，磁通角為。若從t1時(shí)刻開(kāi)始給定子施加一個(gè)電壓矢量，則定子磁鏈的空間矢量從位置旋轉(zhuǎn)到位置。而轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度因?yàn)椴皇苓@期間內(nèi)定子頻率的平均值的影響。因此從tl時(shí)刻到t2時(shí)刻，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度要大于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度，磁通角由變大為，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也會(huì)跟著增大。如果從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻此時(shí)給出的矢量為零電壓空間矢量，那么定子磁鏈空間矢量的位置將保持靜止不旋轉(zhuǎn)，但是此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量卻還以的速度旋轉(zhuǎn)，從而磁通角將變小，跟著轉(zhuǎn)矩也將變小。所以合理的控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替使用，就能控制定子磁鏈空間矢量平均值的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制就是這樣通過(guò)瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。3 直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真圖 3-1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本思路圖其中AFC為定子磁鏈觀測(cè)模塊；C3/2為靜止三相坐標(biāo)系A(chǔ)BC向靜止兩相坐標(biāo)系變換矩陣，是靜止兩相坐標(biāo)系向三相靜止坐標(biāo)系變換矩陣；DSC為磁鏈自控制單元；VSI為電壓型逆變器；AZS為零矢量控制單元；ATC為轉(zhuǎn)矩估計(jì)器；ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)矩的大小通過(guò)控制區(qū)段電壓矢量和零電壓矢量的交替作用來(lái)控制。零矢量控制單元AZS提供零電壓矢量信號(hào)。它的給出時(shí)間由開(kāi)關(guān)S來(lái)控制。開(kāi)關(guān)S又由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的輸出信號(hào)TQ來(lái)控制。當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差時(shí)，ATR輸出信號(hào)TQ變?yōu)?態(tài)，控制開(kāi)關(guān)S接通“磁鏈自控制”單元DSC輸出的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)，將區(qū)段電壓矢量加到電動(dòng)機(jī)上，使定子磁鏈?zhǔn)噶啃D(zhuǎn)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)差角增大，轉(zhuǎn)矩增大。 當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差時(shí)，ATR輸出信號(hào)TQ變?yōu)?態(tài)，控制開(kāi)關(guān)S接通零矢量控制單元AZS提供的零電壓矢量信號(hào)，將零電壓矢量加到電動(dòng)機(jī)上，使定子磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g上停止不動(dòng)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)差角頻率減少，轉(zhuǎn)矩減少。這樣在定子磁鏈軌跡自控制為六邊形過(guò)程中，利用轉(zhuǎn)矩的直接自調(diào)節(jié)作用，使區(qū)段電壓矢量與零電壓矢量交替作用于電動(dòng)機(jī)，控制定子磁鏈?zhǔn)噶孔咦咄Ｍ?，從而使轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)平衡保持在給定值的的誤差范圍內(nèi)。這樣既控制了轉(zhuǎn)矩，又形成了PWM的調(diào)節(jié)過(guò)程25。3.1 MATLABSIMULINK仿真軟件介紹最為現(xiàn)在世界上第四代最流行的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，Matlab軟件語(yǔ)言系統(tǒng)是一種面向科學(xué)工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，由于它在科學(xué)計(jì)算、網(wǎng)路控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等功能于一體，是一種高級(jí)的數(shù)學(xué)分析與運(yùn)算軟件，可用作于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模及其仿真。目前，電機(jī)控制系統(tǒng)不斷有新的控制算法被采用變得越來(lái)越復(fù)雜，。作為仿真是對(duì)其進(jìn)行研究的一個(gè)重要的且方便而不可缺少的一種手段。Matlab的仿真研究功能被方便地應(yīng)用在各種科研過(guò)程中。作為MATLAB功能中的重要組成部分，Simulink具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。它是MATLAB的一個(gè)附加組件，為用戶(hù)提供了一個(gè)更加直面方便的建模與仿真的工作平臺(tái)。Silllulink的模塊庫(kù)為用戶(hù)提供了內(nèi)容豐富的的功能模塊。然而，對(duì)于電氣傳動(dòng)研究人員來(lái)說(shuō)，如何能快速準(zhǔn)確地對(duì)電路以及更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真這是一種不得不考慮的問(wèn)題，如果各環(huán)節(jié)用簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)來(lái)表示，那么有很多多重要環(huán)節(jié)將會(huì)被忽略而MATLAB中的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù) Vower System Blockset 解決了這個(gè)問(wèn)題。如圖3-4所示為電氣模塊。電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)以Simulink為運(yùn)算環(huán)境。涵蓋了電路、電力電子、電力傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。它由電源模塊庫(kù)、基本元件模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)、連接模塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)等6個(gè)子模塊庫(kù)組成。如圖3-3所示在這6個(gè)基本模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫(kù)中去。本次設(shè)計(jì)除了用到圖3-4圖3-2中的模塊外還會(huì)用圖到3-2中的最為重要的simulink模塊。圖3-2 MATLAB中的simulink模塊圖3-3 MATLAB中的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)圖3-4電氣模塊中的電機(jī)部分3.2 異步電機(jī)的matlab仿真如圖3-5為異步電機(jī)的仿真圖，在仿真中將觀察在不同轉(zhuǎn)矩的情況下轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩輸出情況。圖3-6是Tm 1-80階躍轉(zhuǎn)矩變換時(shí)的轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化曲線。圖3-7是Tm 為隨機(jī)信號(hào)表示隨機(jī)轉(zhuǎn)矩變換時(shí)的轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化曲線。圖 3-5 異步電機(jī)仿真模型圖3-6Tm 1-80階躍轉(zhuǎn)矩變換時(shí)的轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化曲線圖3-7Tm 隨機(jī)轉(zhuǎn)矩變換時(shí)的轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化曲線仿真結(jié)果：電機(jī)直接起動(dòng)時(shí),起動(dòng)電流很大,經(jīng)過(guò)振蕩后,趨于平穩(wěn);起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速上升很快,但有超調(diào);起動(dòng)轉(zhuǎn)矩有明顯的振蕩現(xiàn)象。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)隨機(jī)負(fù)載時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速變化較大。3.3 定子磁鏈觀測(cè)模型對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）性能的影晌直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的最大不同之處是直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從而控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩大小。本文主要是對(duì)定子磁鏈進(jìn)行閉環(huán)控制因此磁鏈觀測(cè)模型直接關(guān)系到磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性，而磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性又將會(huì)對(duì)DTC的控制性能的好壞產(chǎn)生影響。下面主要分析和研究三種不同定子磁鏈觀測(cè)模型對(duì)異步電機(jī)DTC控制性能的影響25。3.3.1 u-i模型由異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效電路可得定子磁鏈的一種簡(jiǎn)單的計(jì)算公式為：用該式確定異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈，在計(jì)算過(guò)程中唯一所需知道的參數(shù)是異步電機(jī)的定子電阻，若有足夠精度檢測(cè)出定子電壓與定子電流，實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)很簡(jiǎn)單。如圖3-8為MATLAB中的仿真模型。圖3-8 u-i模型結(jié)構(gòu)圖上圖模型在30額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，能夠比較準(zhǔn)確的確定定子磁鏈，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性能強(qiáng)。但是在低速時(shí)定子電阻隨溫度的變化不能忽略，因此對(duì)磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性會(huì)有較大的影響。3.3.2 i-n模型在轉(zhuǎn)速較低時(shí)可采用i-n模型，該模型的定子磁鏈由定子電流與轉(zhuǎn)速來(lái)確定。定子磁鏈方程式如下所示： （3-1） （3-2）式中：，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈在-坐標(biāo)系下的分量。從式中可以看到該模型計(jì)算定子磁鏈時(shí)將不受定子電阻變化的影響，但是卻會(huì)受定子電感，轉(zhuǎn)子電阻，轉(zhuǎn)子電感以及互感的影響。該模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)跟轉(zhuǎn)子參數(shù)又有關(guān)聯(lián)，并且要求精確地測(cè)量出角速度，而角速度的測(cè)量值的誤差對(duì)該模型的結(jié)果影響又很大。3.3.3 u-n 模型對(duì)上面兩種模型對(duì)比分析可知，中高速時(shí)采用u-i模型較準(zhǔn)確，而低速時(shí)采用i-n模型，這樣在全速范圍內(nèi)對(duì)電磁測(cè)量就會(huì)有一個(gè)模型的切換過(guò)程，由于瞬間切換模型結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性造成較大的影響為避免這種情況發(fā)生，可采用在全速范圍內(nèi)都實(shí)用的u-n模型磁鏈模型。該模型由定子電壓和轉(zhuǎn)速通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得定子磁鏈，而且使用了電流PI調(diào)節(jié)囂，精度將很大的提高。它結(jié)合了前兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，很好的解決了高低速的切換問(wèn)題。但u-n模型實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，目前應(yīng)用較少。本次仿真中將用到的定子磁鏈模型如圖3-9所示圖3-9定子磁鏈計(jì)算模型如圖3-10所示為MATLAB中轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型。圖3-10 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型3.4.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制一般采用的是轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，即Bnag-Bnag調(diào)節(jié)器，如圖3-11所示，F(xiàn)T是輸出，是轉(zhuǎn)矩誤差帶的寬度。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程如下:其中是電磁轉(zhuǎn)矩給定值，是電磁轉(zhuǎn)矩的估計(jì)值。圖3-11轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR根據(jù)這樣的控制方式，就可以使電磁轉(zhuǎn)矩在給定的范圍內(nèi)上下波動(dòng)，如圖3-12所示，為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況，最終達(dá)到轉(zhuǎn)矩直接控制的目的。圖3-12電壓空間矢量和電磁轉(zhuǎn)矩控制3.5 磁鏈自控單元將三相軸系上的磁鏈分量，送進(jìn)三個(gè)滯環(huán)比較器，如圖3-13所示。比較值設(shè)定為待控制的定子磁鏈量。三個(gè)滯環(huán)比較器分別輸出開(kāi)關(guān)變量，并將它們定義為磁鏈開(kāi)關(guān)變量： （3-3）式中，下表i分別表示a,b,c。將這三個(gè)滯環(huán)比較器稱(chēng)為磁鏈自控制單元，它的功能是根據(jù)輸入的abc三相周席上的磁鏈分量，輸出一組磁鏈開(kāi)關(guān)變量，并根據(jù)改組磁鏈開(kāi)關(guān)變量決定一個(gè)區(qū)段電壓矢量，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈的六邊形軌跡自控制。圖 3-13 磁鏈自控制單元4 直接轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)果4.1 各個(gè)模塊的仿真及結(jié)果如圖4-1所示為異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的近似六邊形磁鏈控制方法的MATLAB仿真圖。圖4-1六邊形形磁鏈控制系統(tǒng)的仿真現(xiàn)對(duì)仿真圖中的各個(gè)模塊及其波形作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹如下圖所示。由圖4-2可以看出電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)波形有一點(diǎn)波動(dòng)在0.3秒以后電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定并保持在1500轉(zhuǎn)每分鐘。結(jié)果穩(wěn)定滿足實(shí)驗(yàn)要求。由圖可以看出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大小在剛啟動(dòng)時(shí)幅值變化很大，在0.3秒以后趨于穩(wěn)定值，結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖 4-4 定子三相電流通過(guò)3/2變換后的波形由圖4-4可以看出定子三相電流通過(guò)靜止坐標(biāo)3/2變化后波形，在剛啟動(dòng)時(shí)電流幅值變化很大，在0.3秒以后幅值大小基本不變，輸出穩(wěn)定的正弦波形。圖4-5定子磁鏈軌跡由于本實(shí)驗(yàn)不是在閉環(huán)條件下測(cè)試的，故定子磁鏈軌跡并不滿足實(shí)驗(yàn)所要求的六邊形磁鏈軌跡，但是在開(kāi)環(huán)條件下，磁鏈由開(kāi)始的不穩(wěn)定到后來(lái)穩(wěn)定成圓形，這滿足了開(kāi)環(huán)條件下的磁鏈軌跡。圖4-6 定子電壓3/2變化圖在圖4-6中前面兩個(gè)波形是3/2變換后的在坐標(biāo)系上的兩個(gè)波形，后面3個(gè)分別表示定子三相電壓Ua，Ub，Uc。從圖中可以觀察出定子電壓變換前后波形都為正弦波形，結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖4-7ATR開(kāi)關(guān)信號(hào)ATR的原理圖如3-11所示，由圖中可以看出ATR能輸出開(kāi)關(guān)信“1”“0”正是這個(gè)信號(hào)給出了由開(kāi)關(guān)信號(hào)決定的各種電壓矢量與零電壓矢量的切換，結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖4-8 UCT中定子磁鏈2/3變換后的定子磁鏈波形UCT的功能主要是將在坐標(biāo)系的兩相定子磁鏈轉(zhuǎn)換到ABC三相坐標(biāo)系中，以便于磁鏈自控制。由圖4-8可以看出轉(zhuǎn)換后的波形穩(wěn)定呈正弦狀，結(jié)果滿意實(shí)驗(yàn)要求。圖4-9 DCS模塊輸出波形在DCS中由圖4-8UCT產(chǎn)生的磁鏈波形與定子磁鏈給定值通過(guò)比較產(chǎn)生一個(gè)磁鏈開(kāi)關(guān)變量，這個(gè)開(kāi)關(guān)變量將通過(guò)開(kāi)關(guān)選者這個(gè)功能模塊產(chǎn)生正確的電壓開(kāi)關(guān)矢量。在圖中可以看出磁鏈開(kāi)關(guān)變量能正確產(chǎn)生滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖4-10電壓逆變器這個(gè)模塊的功能是由G獲得開(kāi)關(guān)信號(hào)再由這個(gè)信號(hào)產(chǎn)生電壓空間矢量為異步電機(jī)提供電源信號(hào)。圖4-11為逆變器輸出的Ua，Ub，Uc三相電源信號(hào)。圖 4-11 Ua，Ub，Uc三相電源信號(hào)4.2 仿真結(jié)論本次仿真總體上是令人滿意的，在開(kāi)環(huán)的條件下能成功實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩近似六邊形磁鏈控制的各個(gè)模塊的功能，但是由于本人對(duì)MATLAB認(rèn)識(shí)能力有限對(duì)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制模型并不能完全的在軟件上搭建成功這導(dǎo)致了在實(shí)驗(yàn)閉環(huán)條件下無(wú)法按照理論去實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真我對(duì)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩近似六邊形磁鏈控制系統(tǒng)有了更深的了解，同時(shí)通過(guò)對(duì)異步電機(jī)仿真模塊的建立也掌握對(duì)MATLAB軟件的使用。5 參考文獻(xiàn)1 王書(shū)賢, 鄧楚南. 電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)技術(shù)研究 J . 微電機(jī),2006, 39 8 : 83-85.2 潮 輪,電動(dòng)汽車(chē)正成為世界潮流. 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