基于SVPWM的异步电机直接转矩控制仿真研究.doc

1 引言 1.1交流调速技术的发展和现状 在工农业生产、科技、国防及日常生活等各个领域，电动机作为主要的动力设备被广泛应用。直流电动机相比于交流电动机，结构复杂、体积大、成本和维护费用高，并且不适于环境恶劣的场合，但凭借控制简单、调速平滑和性能良好等特点在早期电气传动领域中一直占据主导地位[1]。从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究。特别是20世纪60年代以后，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能得到很大的提高，在实际应用领域也得到认可和快速的普及。交流调速的发展可以说是硬件和软体的发展过程[3]。随着电力电子技术、微处理器技术和自动化控制技术的不断完善和发展，使得交流调速系统的调速范围宽、速度精度高和动态响应快，其技术性能可与直流调速系统相媲美、相竞争，并在工程应用领域中逐渐取代直流调速系统[5] 。 　　交流电动机的高效调速方法是变频调速，它不但能实现无级调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终高效运行，并保证良好的动态特性，更能降低起动电流、增加起动转矩和改善电机的起动性能。 交流调速控制理论的发展经历了电压-频率控制、矢量控制、直接转矩控制，控制理论的发展使控制系统性能不断提高[2]。 电压-频率协调控制，即恒压频比控制，是指在基频以下调速时维持输出电压幅值和频率的比值恒定，实现恒转矩调速运行；在基频以上调速时，将输出电压维持在额定值，使磁通与频率成反比下降，实现弱磁恒功率调速运行。其控制系统结构简单，成本低，能满足一般的平滑调速，但动、静态性能有限，适用于风机、水泵等负载对调速系统动态性能要求不高的场合[8]。 矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等[。这样就可以将一台等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。 （2-1） (2) 2r/2s 变换 令静止两相坐标系中α、 β绕组与旋转两相坐标系中 d 、 q 绕组匝数相同，磁动势矢量 F 相等。如图 2.1 所示，两相旋转坐标系 dq 到两相静止坐标系αβ 的变换矩阵C2 r / 2 s 为： 图 2.1 2r/2s坐标变换 （2-2） 2.1.2 静止两相坐标系下的异步电动机动态数学模型 经过坐标变换，得到两相静止坐标系下的交流异步电动机动态数学模型为： (1)电压方程 （2-3） 式中，、分别为定子绕组三相电压的、轴分量；、分别定子绕组三相电流的、 轴分量；、分别转子绕组三相电压的、轴分量；、分别为转子绕组三相电流的、轴分量；为定子绕组电阻；为转子绕组电阻；为定子与转子绕组间的互感；、分别为定、转子绕组的自感；为转子速度； p 为微分算子。对于鼠笼型异步电动机，转子是短路的，所以转子侧电压分量和为零。 (2)磁链方程 （2-4） 式中，、分别为定子绕组三相磁链的、轴分量；、分别为转子绕组三相磁链的、轴分量。 (3)转矩方程 （2-5） 式中，为电机极对数。 (4)运动方程 (2-6) 式中，TL 为负载转矩； J 为转动惯量。 2.2 直接转矩控制系统结构 在分析直接转矩控制基本原理的基础上，给出了异步电动机的直接转矩控制系统基本结构图，如图 2.2 所示。  图 2.2 直接转矩控制系统的基本结构图 直接转矩控制系统是一个双闭环的调速系统，内环采用磁链和转矩闭环控制，通过对电机定子端的电压和电流的采样信号进行 3s/2s 坐标变换，计算出在α - β坐标系下的电压usα 、usβ 和电流isα 、isβ，通过磁链和转矩观测模块得到磁链反馈量|Ψs|、转矩反馈量Tg和磁链位置角qs，分别与给定磁链值|Ψ|*和转矩值Tg*比较，偏差值ΔΨs和ΔTe 经过磁链滞环比较器和转矩滞环比较器，得到磁链偏差信号ΨQ和转矩偏差信号TQ ，根据ΨQ和TQ 以及定子磁链所处的扇区 Sn共同确定电压空间矢量，实现对电压型逆变器开关器件的控制。 2.3磁链控制和转矩控制 2.3.1 磁链控制 磁链控制环包括磁链观