畢業(yè)設計------異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制及其數(shù)字仿真

1、<p><b>　　引 言</b></p><p>　　隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的進步，交流電動機調(diào)速技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，有了長足的進步。特別是20世紀70年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和80年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能可以與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美。而交流電動機尤其是鼠籠異步電動機由于其自身結(jié)構(gòu)和運行特性的優(yōu)點，使得交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)

2、勢強于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　在交流電動機控制技術(shù)中調(diào)壓調(diào)頻控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control簡稱DTC）具有代表性。其中應用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種高性能的控制調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一種最優(yōu)的電動機控制技術(shù)，它可以對所有交流電動機的核心變量進行直接控制。</p><p><b>　　緒論</b>

3、</p><p>　　1.1 異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展狀況</p><p>　　在異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中變頻調(diào)速技術(shù)是目前應用最廣泛的調(diào)速技術(shù)，也是最有希望取代直流調(diào)速的調(diào)速方式。就變頻調(diào)速而言，其形式也有很多。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式是采用v/f控制。這種方式控制結(jié)構(gòu)簡單，但由于它是基于電動機的穩(wěn)態(tài)方程實現(xiàn)的，系統(tǒng)的動態(tài)響應指標較差，還無法完全取代直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p

4、>　　1971年，德國學者EBlaschke提出了交流電動機的磁場定向矢量控制理論，標志著交流調(diào)速理論有了重大突破。所謂矢量控制，就是交流電動機模擬成直流電動機來控制，通過坐標變換來實現(xiàn)電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕，然后分別獨立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速響應特性。</p><p>　　矢量控制主要有兩種方式:磁場定向矢量控制和轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。無論采用哪種方式，轉(zhuǎn)子磁鏈的準確檢測是實現(xiàn)

5、矢量控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。一般地，轉(zhuǎn)子磁鏈檢測可以采用直接法或間接法來實現(xiàn)。</p><p>　　直接法就是通過在電動機內(nèi)部埋設感應線圈以檢測電動機的磁鏈，這種方式會使簡單的交流電動機結(jié)構(gòu)復雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁鏈的檢測精度也不能得到長期的保證。因此，間接法是實際應用中實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈檢測的常用方法。這種方法通過檢測電機的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構(gòu)的方法來觀測電

6、動機的磁鏈。這種方法便于實現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測的精度，但由于在異步電動機直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真研究在狀態(tài)重構(gòu)過程中使用了電動機的參數(shù)，如果環(huán)境變化引起電動機參數(shù)的變化，就會影響到定子磁鏈的準確觀測。為補償參數(shù)變化的影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識和補償算法，但補償算法的引入也會使系統(tǒng)算法復雜化。</p><p>　　1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論一一直

7、接轉(zhuǎn)矩控制。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大、控制結(jié)構(gòu)復雜、系統(tǒng)性能受電動機參數(shù)影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問世便受到廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍。</p><p>　　1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望</p><p>　　十幾年來，在國內(nèi)外直接轉(zhuǎn)

8、矩控制不斷得到發(fā)展和完善，許多文章從不同的角度提出了新的見解和方法，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)出了許多基于模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的DTC系統(tǒng)，控制性能得到了進一步的改善和提高。對于研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的人們來說了解直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀有助于他們更好的改進直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，以便于用自己的研究更好服務社會。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的，改善和優(yōu)化各個環(huán)

9、節(jié)的結(jié)構(gòu)，必然有利于控制系統(tǒng)性能的提高。下面簡要介紹一些對直接轉(zhuǎn)矩控制中各控制環(huán)節(jié)的改進研究情況。</p><p>　　(l)磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的細化改進</p><p>　　傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制一般對轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)各滯環(huán)的輸出結(jié)果來確定當前的電壓矢量。因為不同的電壓矢量在不同的瞬間對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用互不相同，所以，只有根據(jù)當前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時偏差合理地選擇電壓矢量

10、，才有可能使轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。有人提出了通過改進轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，細化了轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差區(qū)分，提高了系統(tǒng)的性能。磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上相同。</p><p>　　(2)新型開關(guān)狀態(tài)選擇器的研究</p><p>　　用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)時，需要人為設定觸發(fā)器的容差，其大小與系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。為減少人為因素對系統(tǒng)

11、性能的影響，有文章提出了將各種先進的智能控制理論應用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新方案，通過應用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等來選擇開關(guān)狀態(tài)，異步電動機直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真研究完全抵消了觸發(fā)器的容差影響，使性能改善更加明顯。</p><p>　　(3)電壓矢量選擇方式的改進</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制通過定子磁鏈定向?qū)D(zhuǎn)矩進行直接控制從而選擇電壓矢量，雖然在各控制周期的開始時

12、刻控制效果最佳，但是整個控制周期內(nèi)的效果卻未必最好。為了改善這種情況，減小轉(zhuǎn)矩的脈動，一些研究者提出了一種新的電壓矢量選擇方法—預期電壓法:首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差、磁鏈偏差和轉(zhuǎn)速計算出一個能達到最佳控制的預期電壓，然后用電壓型逆變器的6個工作電壓中與之相鄰的兩個電壓矢量來合成它，計算出各自的工作時間,然后用零電壓補足采樣周期’。 </p><p>　　(4)低速性能的改善</p><p>　　傳

13、統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時定子磁鏈的觀測受定子電阻影響較大，因此如何準確地檢測定子電阻的實時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。近來人們設計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻里提到了一種基于模糊控制的定子電阻在線觀測器。該觀測器把對定子電阻值影響比較大的三個因素—定子電流、轉(zhuǎn)速和運動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設計了模糊觀測器。定子電阻初值與變化值相加就是控制中的定子電阻。這種觀測方法能比較準確地觀測電

14、阻的變化，低速性能有了比較好的改善。最近又有人提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)定子電阻觀測器，實驗結(jié)果也證明是可行的，但具體的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)還有待研究完善。</p><p>　　(5)無速度傳感器理論</p><p>　　在速度檢測方面，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求有速度傳感器，存在成本高、安裝維護困難、系統(tǒng)易受干擾、可靠性降低、不適于惡劣環(huán)境等弊端。采用無速度傳感器技術(shù)是當今交流傳動發(fā)展的趨勢。A.Abbonda

15、ti等人首次報道了無速度傳感器矢量控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng);T.Ontani首次提出了理論意義上的轉(zhuǎn)速辯識方法;1987年， Tamaishinzo采用模型參考自適應(MARS)的方法實現(xiàn)了對電動機轉(zhuǎn)速的自適應辯識。后來， Kubotahisao.， MatsuseKouki又在電動機全階觀測器的基礎上分別采用李亞普諾夫理論和波波夫理論推導出了電動機轉(zhuǎn)速以及電動機定轉(zhuǎn)子電阻的磁鏈觀測器，我國也有這方面的論文發(fā)表。</p>

16、<p>　　上述方法均是針對矢量控制系統(tǒng)設計的，采用的狀態(tài)變量是定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈。目前，我國學者胡育文等也在其文章中提出了新型自適應速度觀測器的理論，直接將閉環(huán)觀測器觀測的定子磁鏈應用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，同時能夠辯識出電動機的轉(zhuǎn)速及電動機參數(shù)。 </p><p>　　總之，直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，科技的進步又進一步促進了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的迅猛的發(fā)展，

17、相信在不久的將來應用了高科技的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)會給社會帶來巨大的生產(chǎn)力。</p><p>　　1.3 問題的提出與解決問題的途徑</p><p>　　在感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中電路模型采用的是空間矢量等效電路模型，并且利用矢量變換將三個電壓標量三維變換為一個電壓矢量二維，這樣可得到七個電壓狀態(tài)。通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器來控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均

18、角速度的大小，從而控制轉(zhuǎn)矩。正確選擇電壓空間矢量，可以形成六邊形定子磁鏈。從轉(zhuǎn)矩控制的角度來看，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，即電流和磁鏈的乘積，但從電動機合理運行的角度出發(fā)，仍希望磁鏈幅值不變。</p><p>　　為了得到高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性，還應使定子磁鏈的平均值盡可能為恒定值，這就需要對最初提出的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行改進，最為理想的情況當然是采用三相正弦波給感應電動機供電，定子磁鏈軌跡為圓形，諧波、噪音及轉(zhuǎn)矩脈動最小

19、，這需要增加開關(guān)數(shù)量及其切換頻率。這對直接轉(zhuǎn)矩控制提出了更高的要求，也說明研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是非常必要的。</p><p>　　為了減小直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩脈動，提高感應電動機的調(diào)速性能，采用了定子磁鏈軌跡近似為圓形的控制方法，也就是將定子磁鏈的幅值限定在一個比較小的范圍內(nèi)，而不是使定子磁鏈按照六邊形軌跡運動，定子磁鏈的幅值一旦超出這個范圍，相應改變定子電壓向量，控制其回到限定的范圍內(nèi)。</p

20、><p>　　為實現(xiàn)這一控制，并且考慮到逆變器件所能承受的開關(guān)頻率，將定子磁鏈的軌跡分為六個區(qū)，對定子磁鏈實行分區(qū)控制，不同區(qū)域采用不同定子電壓切換向量，使得定子磁鏈的軌跡近似為一圓形。對于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)采用三值調(diào)節(jié)器，可以控制定子磁鏈正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或靜不動，從而控制轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p

21、>　　本章介紹了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應用，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點，并介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理</p><p>　　自從70年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來，交流傳動技術(shù)就從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術(shù)模仿直流電動機的控制方法，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電動機的轉(zhuǎn)速和磁鏈

22、控制的完全控制。它的提出具有跨時代的意義。然而在實際應用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準確觀測、系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大以及在模擬直流電動機過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變化的復雜性，使得實際的控制效果難以達到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制針對電動機的核心變量作直接控制。本章從異步電動機的數(shù)學模型入手，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理，對系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)進行了介紹和分析。</p><p>　　2.1 異步電動機的數(shù)學模型</

23、p><p>　　交流異步電機的數(shù)學模型相當復雜，它是一個高階，非線性，強禍合的多變量系統(tǒng)，坐標變換的目的就是要簡化數(shù)學模型。在討論交流異步電機的數(shù)學模型前假設電機有如下特性:</p><p>　　(l)電動機三相定、轉(zhuǎn)子繞組完全對稱。</p><p>　　(2)電動機定、轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒槽效應。</p><p>　　(3)電動機氣隙磁動勢在空間

24、正弦分布。</p><p>　　(4)鐵心渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計。</p><p>　　在滿足上述理想電動機假設條件下，經(jīng)推導可得異步電動機在靜止坐標系下的數(shù)學模型。對于分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，采用空間矢量的數(shù)學分析方法，以定子磁鏈定向，建立在靜止正交定子坐標系上，圖2-1是異步電動機的等效電路。</p><p>　　圖2-1 電動機空間矢量等效電路圖<

25、;/p><p>　　圖2-1中各變量的意義如下：</p><p>　　—電角速度（機械角速度與極對數(shù)的積）</p><p><b>　　—定子電壓空間矢量</b></p><p>　　、—定子、轉(zhuǎn)子電流空間矢量</p><p>　　、—定子、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量</p><p>　

26、　、—單相定子電阻、電感</p><p>　　—折算到定子側(cè)的單相轉(zhuǎn)子電阻</p><p>　　—單相轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感之和</p><p>　　由圖2-1可以得出定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</

27、b></p><p>　　而定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈：</p><p><b>　?。?-3） </b></p><p>　　（2-4） </p><p>　　轉(zhuǎn)矩方程：消去電壓方程和磁鏈方程中的和，可以得到以定子磁鏈、為狀態(tài)變量的異步電動機的狀態(tài)方程。</p><p><

28、;b>　　（2-5）</b></p><p>　　其中電機漏感系數(shù) （2-6）</p><p>　　電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的形式:</p><p>　?。?-7） </p><p>　　此外電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示成定子磁鏈和

29、定子電流形式：</p><p>　?。?-8） </p><p>　　運動方程： （2-9）</p><p>　　式2-7中，為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。</p><p>　　在實際運行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電機，而轉(zhuǎn)子

30、磁鏈幅值由負載決定。式(2-13)表明，當維持定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值都恒定不變時，只要改變它們兩者之間的夾角就可以改變轉(zhuǎn)矩，這實際上就是直接轉(zhuǎn)矩控制之所以簡單的根本所在。</p><p>　　2.2 逆變器的數(shù)學模型與電壓空間矢量</p><p>　　逆變器如圖2-2所示，每一組的上下兩個開關(guān)器件的狀態(tài)相反，這樣逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)組合。逆變器上、下橋臂的開關(guān)器件在任一時刻不能同時導通

31、，一個處于開通的狀態(tài)另一個必須處于斷開的狀態(tài)，兩者處于開關(guān)互逆狀態(tài)。</p><p>　　圖2-2 電壓型逆變器原理圖</p><p>　　由于同一相上下橋臂的兩個開關(guān)器件一個導通，則另一個關(guān)斷，所以三組開關(guān)器件有八種可能的開關(guān)組合。分別用、、來表示三相上橋臂的開關(guān)狀態(tài)，以a相為例，當a相上橋臂導通時，記作=1，</p><p>　　當a相上橋臂關(guān)斷時，記作=0。這

32、樣八種可能的開關(guān)狀態(tài)如表2-1所示：</p><p>　　表2-1 逆變器的開關(guān)狀態(tài)</p><p>　　八種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài)“1”到“6”，它們的特點是三相負載并不都是接到相同的電位上去；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，它們的特點是三相負載都接到相同的電位上去。對于逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)，對外部負載來說，逆變

33、器輸出七種不同的電壓狀態(tài)。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類：一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對應于開關(guān)狀態(tài)“1”至“6”，分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“1”至“6”；另一類是零電壓狀態(tài)，它對應于零開關(guān)狀態(tài)“0”和“7”，由于對外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。</p><p>　　逆變器輸出電壓狀態(tài)的空間矢量的數(shù)學表達式為：</p><p>　?。?-12）

34、</p><p>　　式2-12為逆變器的數(shù)學模型</p><p>　　把逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量來表示，則逆變器的各種電壓狀態(tài)和次序就有了空間的概念。在這里我們引入Park矢量變換，選三相定子坐標系中的a軸和Park矢量復平面正交的實軸重合，則其三相物理量、、的Park矢量為：</p><p><b>　?。?-13）</b></

35、p><p>　　從而我們可以得到逆變器的7個電壓狀態(tài)，(000和111為零狀態(tài))六個為有效電壓矢量，幅值均為，相鄰矢量相差60度，把整個平面均勻的劃分成六個扇區(qū)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3電壓空間矢量在坐標系里的離散位置</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了異

36、步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理，并闡述了通過調(diào)節(jié)空間電壓矢量的方法來控制異步電動機的運行。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點，通過不斷變化電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機的轉(zhuǎn)矩與磁

37、鏈的變化，從而控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)速的主題就是在于調(diào)節(jié)電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩完全是按照輸入轉(zhuǎn)矩的設定。</p><p>　　圖3-1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖</p><p>　　圖3-1為典型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖，整個系統(tǒng)是一個磁鏈轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。速度給定與電機的速度觀測值進行比較后經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定信號。另一方

38、面系統(tǒng)檢測三相定子電流和電壓，經(jīng)坐標變換轉(zhuǎn)化到靜止坐標系，由此計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩、磁鏈幅值和磁鏈所在的扇區(qū)N。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定和反饋信號送入轉(zhuǎn)矩和磁通比較器，其差值經(jīng)控制器輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號。開關(guān)狀態(tài)選擇器根據(jù)不同的扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號確定下一個時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而確定電機的端電壓，保證電機在定子磁通不變情況下轉(zhuǎn)矩滿足負載的要求。</p><p>　　從圖中可看到，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組

39、成:</p><p>　　(l)磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測器:由電流、電壓的采樣值經(jīng)過3/2變化按照電機數(shù)學模型計算出異步電機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩;</p><p>　　(2)磁鏈調(diào)節(jié)器:為了控制定子磁鏈在給定值的附近變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩點式控制，輸出磁鏈控制信號;</p><p>　　(3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器:利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩，也是采用兩點式滯環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)矩控制信號

40、，直接控制電機的轉(zhuǎn)矩;</p><p>　　(4)開關(guān)狀態(tài)選擇單元:根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號以及定子磁鏈位置，輸出合適的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動電機穩(wěn)定運行。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是建立在靜止定子坐標系下的，首先異步電機定子相電壓、相電流的采樣值經(jīng)3/2坐標變換，得到坐標下的分量，再按照異步電機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型計算出實際轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的兩個分量、，這樣就可以計算出定

41、子磁鏈幅值和磁鏈位置。將測量得到實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值輸出給定轉(zhuǎn)矩。將給定轉(zhuǎn)矩和送入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，得到轉(zhuǎn)矩控制信號，磁鏈調(diào)節(jié)器根據(jù)給定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的差值輸出磁鏈控制信號。最后開關(guān)狀態(tài)選擇單元根據(jù)磁鏈控制信號、轉(zhuǎn)矩控制信號和磁鏈位置，查逆變器開關(guān)狀態(tài)表，輸出正確合理的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動電機正確運行。</p><p>　　下面簡要地分析一下這些基本組

42、成部分。</p><p>　　(l)速度PI調(diào)節(jié)器單元</p><p>　　由圖3-1可知，給定轉(zhuǎn)矩由給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速。偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器得到。根據(jù)異步電動機運動方程可知電磁轉(zhuǎn)矩與速度偏差之間是比例積分的關(guān)系。因此，通過速度調(diào)節(jié)器能獲得理想中的轉(zhuǎn)矩值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。而公式中的字母所代表的參數(shù)通常根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況進行整定。</p><p>　　(2)

43、磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較單元</p><p>　　定子磁鏈計算采用較為簡單的U-I模型，磁鏈與定子電壓之間的關(guān)系為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　由于定子電阻通常比較小，在分析時忽略釘子電阻壓降的影響，則有：</p><p><b>　?。?-2）</b></

44、p><p>　　式(3-2)表明單位時間內(nèi)的定子的電壓矢量實際上就是磁鏈矢量的增量，定子電壓的大小和方向決定了磁鏈軌跡的運行速度和方向。由此可知控制異步電機的輸入電壓矢量，就可以控制定子磁鏈的大小、旋轉(zhuǎn)方向和速度。</p><p><b>　　3.2 磁鏈調(diào)節(jié)</b></p><p>　　磁鏈的調(diào)節(jié)通過磁鏈滯環(huán)比較器實現(xiàn)。滯環(huán)比較器如圖3-2所示。

45、磁鏈誤差為，將誤差進行滯環(huán)比較，當誤差超過允許值就進行電壓切換，使誤差控制在滯環(huán)寬度內(nèi)。調(diào)制規(guī)則為:</p><p>　　當時，，此時選擇電壓矢量使增加;當時，此時選擇擇電壓矢量使得減小;當時，不變，此時電壓矢量不變。</p><p>　　圖3-2 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　磁鏈位置檢測單元:</b></p>&

46、lt;p>　　為了檢測定子磁鏈的位置，將坐標系分為六個區(qū)域：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　其中N=1,2,3,4,5,6，每個區(qū)域占角度，定子磁鏈在第n區(qū)域，我們就稱其在n區(qū)域。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)一樣，也采用滯環(huán)比較器(見圖3-3)輸入量為轉(zhuǎn)矩給定值及轉(zhuǎn)矩觀測值，輸出量為，為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍。</p>

47、;<p><b>　　3.3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的任務是實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個功能:(l)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩;(2)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。通過電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量之間的夾角，達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的，用定轉(zhuǎn)子磁鏈矢量積來表達異步電機的電

48、磁轉(zhuǎn)矩。</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　在實際運行中要確保要保證定子磁鏈矢量的幅值為定值，使電動機的鐵芯得到充分的利用；轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的幅值由電動機帶動的負載決定?？梢酝ㄟ^改變磁通角的大小來改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小。通過加載有效空間電壓矢量，改變空間電壓矢量，使空間電壓矢量的幅值更合理，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速的大小使磁通角增大，

49、從而增加轉(zhuǎn)矩；加載零電壓矢量，控制定子磁鏈停止運行使磁通角變小，從而使轉(zhuǎn)矩減小。</p><p>　　轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為:</p><p><b>　　逆時針旋轉(zhuǎn)時：</b></p><p><b>　　若時，則；</b></p><p><b>　　若時，則；</b>&l

50、t;/p><p><b>　　若時，則保持不變。</b></p><p><b>　　順時針旋轉(zhuǎn)時：</b></p><p><b>　　若時，則;</b></p><p><b>　　若時，則；</b></p><p><b&g

51、t;　　若時，則保持不變</b></p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器</p><p>　　3.4 空間電壓矢量對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響</p><p>　　3.4.1 空間電壓矢量對定子磁鏈的影響</p><p>　　與磁鏈運動軌跡成-60度和-120度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電

52、壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。圖3-4為圓形磁鏈運動軌跡調(diào)節(jié)過程示意圖。定子</p><p>　　磁鏈處于第一扇區(qū)，假設運動至A點，則有，此時，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號為,輸出電壓矢量應使增加。綜合考慮轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出，如果需要作逆時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量;如果需要作順時針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量。同理，對于B點有，磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號=l，此時應選擇電壓矢量使減小。如果需要作逆時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量;如果需要

53、作順時針旋轉(zhuǎn)時，可選擇電壓矢量或。因此，</p><p>　　磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動范圍之內(nèi)變化。</p><p>　　將異步電機的定子磁鏈方程式(2-14)離散化得: </p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中，為采樣周期中電動機的定子

54、磁鏈與電壓矢量的關(guān)系如圖3-5所示。從圖2-3可以看出:如對異步電動機施加工作狀態(tài)的電壓矢量，則定子磁鏈的運動方向和幅值都將發(fā)生變化;施加零電壓矢量的時候，則定子磁鏈就會相應的停止運動。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實現(xiàn)了對磁鏈的相位和幅值的控制。</p><p>　　圖3-4 圓形磁鏈運動軌跡調(diào)節(jié)過程示意圖</p><p>　　

55、圖3-5 定子磁鏈與電壓矢量的關(guān)系示意圖</p><p>　　在定子電壓壓降比起足夠小的前提下，至此可以得到以下結(jié)論:</p><p>　　(l)當前所施加的電壓矢量與當前定子磁鏈矢量之間的夾角的絕對值小于90度的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值增加。</p><p>　　(2)當前所施加的電壓矢量與當前定子磁鏈矢量之間的夾角的絕對值大于90度的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值

56、減小。</p><p>　　(3)當前所施加的電壓矢量與當前定子磁鏈矢量之間的夾角的絕對值等于90度或施加零電壓矢量的時候，作用的結(jié)果使磁鏈幅值基本保持不變。</p><p>　　3.4.2 空間電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響</p><p>　　從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性能。</p&g

57、t;<p><b>　　電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　由(2-19)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（磁通角)決定。</p><p>　　式2-19也可以寫成：</p><p><

58、;b>　　(3-7）</b></p><p>　　對式3-7兩邊進去微分計算，再乘以，可得以下式子：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p>

59、<p>　　將代入式2-21可得</p><p><b>　　(3-10）</b></p><p>　　因此，單純從數(shù)學式(3-10)上來看，可以得到以下結(jié)論:</p><p>　　(l)當施加超前于當前定子磁通的電壓矢量，使得時，轉(zhuǎn)矩增加。</p><p>　　(2)當施加落后于當前定子磁通的電壓矢量，使得

60、時，轉(zhuǎn)矩減小。</p><p>　　在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心;轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負載決定;要改變電動機的轉(zhuǎn)矩大小，可通過改變磁通角的大小來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，達到控制定子磁鏈的目的，從而控制改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變磁通角的大小，達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的，如圖3-6所示</p>&l

61、t;p>　　圖3-6 電壓空間矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響</p><p>　　時刻的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈及磁通角的位置如圖3-6。從時刻考察到時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量由的位置旋轉(zhuǎn)到的位置。轉(zhuǎn)子磁鏈的位置變化實際上不受該期間定子頻率的平均值的影響。因此從時刻到時刻這段時間里，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，相應的轉(zhuǎn)矩也會增大。</p><p

62、>　　若從時刻考察到時刻，若此時給出的定子電壓空間矢量為零電壓空間矢量，則定子磁鏈空間矢量的位置保持靜止不動，而轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量卻繼續(xù)以定子頻率的平均速度旋轉(zhuǎn)，從而磁通角將減小，轉(zhuǎn)矩因磁通角的減小變小。因此，通過合理控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均速度的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。</p><p>　　3.4.3 空間電壓矢量

63、開關(guān)信號的選擇</p><p>　　對應于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。</p><p>　　一種是通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點式或三點式調(diào)節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢量輸出開關(guān)脈沖信號輸出給逆變器。</p><p>　　另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的PI調(diào)節(jié)得到的參

64、考的空間電壓矢量的兩個分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時的空間電壓矢量是旋轉(zhuǎn)坐標系下的，還需疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標系下的空間電壓矢量，最后通過SVPWM方式輸出開關(guān)脈沖信號給逆變器。</p><p>　　3.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速方案</p><p>　　在研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的時候必須對異步電動機在不同運行速度下，電動機空間電壓矢量以及磁鏈的變化進行分析。

65、因為只有進行必要的分析才能對異步電動機在不同的速度下運行存在的問題進行有目的的改進。</p><p>　　雖然在現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中我們對異步電動機在中速（正常的運行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。下面就簡單介紹幾種調(diào)節(jié)方案，他們分別是低速調(diào)節(jié)方案、高速調(diào)節(jié)方案、低磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案。</p><p>　　3.5.1 低速調(diào)節(jié)方案</p><

66、;p>　　異步電動機的低速范圍是指額定轉(zhuǎn)速30%以下的異步電動機轉(zhuǎn)速范圍。在這個范圍內(nèi)，由于存在轉(zhuǎn)速低(包括零轉(zhuǎn)速)、定子電壓影響大等特點，會造成:如磁鏈波形畸變，在低定子頻率乃至零頻時保持轉(zhuǎn)矩和磁鏈基本不變等問題。為此要求在控制方法上做相應的考慮。低速范圍的調(diào)節(jié)方案有如下特點:</p><p>　　一.用電動機模型檢測計算電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　二.為了改善轉(zhuǎn)矩動態(tài)

67、性能，對定子磁鏈空間矢量要實現(xiàn)正反向變化控制。</p><p>　　三.轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的多功能的協(xié)調(diào)工作。</p><p>　　四.用符號比較器確定區(qū)段。</p><p>　　五.調(diào)節(jié)每個區(qū)段的磁鏈量。</p><p>　　六.圓形磁鏈軌跡與六邊形磁鏈軌跡，圓形磁鏈軌跡用于15%額定轉(zhuǎn)速以下范圍，六邊形磁鏈軌跡用于15%-30%額定轉(zhuǎn)

68、速的范圍。</p><p>　　七.每個區(qū)段上，有四個工作電壓狀態(tài)和兩個零電壓狀態(tài)的使用與選擇。在低速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可以采用0o電壓矢量、-60o “電壓矢量、+60o電壓矢量和-120o電壓矢量協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　通過上述電壓矢量的調(diào)節(jié)可以對磁鏈進行補償，從而使磁鏈達到近圓形，得到比較好的控制結(jié)果。</p><p>　　3.5.2 高速調(diào)節(jié)方案</

69、p><p>　　高速范圍是指從30%到100%額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速范圍。這個范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案是典型的DSR控制的轉(zhuǎn)速范圍。高速范圍的調(diào)節(jié)方案有以下幾個特點:</p><p>　　一.用電動機模型檢測計算電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩。電動機模型主要工作在U-I模型下，且有模型電流和實際電流相比較的電流調(diào)節(jié)器來補償校正。</p><p>　　二.用磁鏈自控制環(huán)節(jié)內(nèi)的施密特觸發(fā)器(也叫磁鏈

70、給定值比較器)來確定區(qū)段。</p><p>　　三.轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)。</p><p>　　四.磁鏈兩點式調(diào)節(jié)。</p><p>　　五.六邊形磁鏈軌跡。</p><p>　　在這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的DSR控制，主要由磁鏈自給定環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)起作用。磁鏈自控制環(huán)節(jié)給出正確的區(qū)段。轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩。由于這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速較高，因此定子

71、電阻壓降的影響可以忽略，定子磁鏈的畸變也可忽略，六邊形磁鏈能得到很好的保持，因此磁鏈調(diào)節(jié)只是起輔助作用。</p><p>　　3.5.3 弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案</p><p>　　弱磁范圍的工作特點與基速以下時有很多不同。首先，弱磁范圍內(nèi)進行的是恒功率調(diào)節(jié)，而不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時間，工作電壓在整個區(qū)段中起作用。逆變器的電壓波形與

72、普通電壓型逆變器時一樣。由此帶來弱磁范圍工作的兩個特點:一是轉(zhuǎn)速的提高，即定子頻率的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)的加快，靠的是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁。二是電機轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，不是靠工作電壓和零狀態(tài)電壓交替工作從把轉(zhuǎn)矩限制在容差內(nèi)的方法，而是靠六邊形磁鏈給定值的動態(tài)變化調(diào)節(jié)的方法。轉(zhuǎn)矩的脈動頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。弱磁范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案有如下特點.</p><p>　　一.用電動機模型測量、計算磁鏈

73、和轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　二.用磁鏈自控制環(huán)節(jié)確定區(qū)段。</p><p>　　三.六邊形磁鏈軌跡。</p><p>　　四.用功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。</p><p>　　五.通過改變磁鏈給定值實現(xiàn)的平均轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)。</p><p>　　六.每個區(qū)段上用一個工作電壓狀態(tài)。</p><p&g

74、t;　　在弱磁范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出由轉(zhuǎn)矩給定值變?yōu)楣β式o定值，借以控制功率調(diào)節(jié)器進行弱磁范圍的功率調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。通過磁鏈給定值的調(diào)節(jié)變化，一方面實現(xiàn)對平均轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)，另一方面實現(xiàn)弱磁升速的恒功率調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出一直為“1”態(tài)，電壓為全工作電壓控制，不出現(xiàn)零電壓狀態(tài)。磁鏈自控制單元控制六邊形磁鏈軌跡。</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)

75、</b></p><p>　　本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，。本章重點介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的幾種調(diào)節(jié)方案，其主要包括低速、中速、高速三類，在本論文中中速調(diào)節(jié)方案是研究的重點。</p><p>　　第4章 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4.1 系統(tǒng)仿真工具的介紹</p><p>　　4.1.1 MAT

76、LAB簡介</p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　MATLAB環(huán)境是由美國New Mexico大學的Clever Moler于1980年開始開發(fā)

77、的，1984年由Clever Moler等人創(chuàng)立的MathWorks公司推出了第一各商業(yè)版本。MATLAB的兩個顯著的特點，即強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使得它成為國際控制界應用最廣泛的首選計算機工具。</p><p>　　現(xiàn)在MATLAB軟件不但廣泛的應用于控制領域，也應用與其他的工程領域和非工程領域。在控制界，很多著名的專家和學者為其擅長的領域開發(fā)了工具箱，而其中很多的工具箱已成為該領域的標準。

78、</p><p>　　MATLAB語言的特點：</p><p>　　A.起點高每個變量代表一個矩陣，它可以有n×m個元素，每個元素都看作是復數(shù)，各種運算對矩陣和復數(shù)都有效。</p><p>　　B.人機界面適合科技人員MATLAB的程序與科技人員的書寫習慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員的交流。MATLAB是以解釋的方式工作的，若有錯誤立即就會作出反應

79、，便于編程者立即改正。這些都減輕了編程和調(diào)試的工作量。</p><p>　　C.強大而簡潔的作圖功能能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖，能繪制多種坐標系的圖形。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。</p><p>　　D.智能化程度高繪圖時自動選擇最佳坐標以及按輸入或輸出自動</p><p>　　選擇算法；數(shù)值積分時自動按精度選擇步長，自

80、動檢測和顯示程序錯誤的能力強，易于調(diào)試。</p><p>　　E.功能豐富，可擴展性強MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)部分?；静糠职ǎ壕仃嚨母鞣N運算和各種變換、代數(shù)和超越方程求解、數(shù)值積分等。各領域的科技人員在此基礎上，根據(jù)專業(yè)的知識編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務。這些工具箱就是專業(yè)部分?，F(xiàn)在它們已有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、小波分析等20多個工具箱，并且還在繼續(xù)擴

81、展。</p><p>　　4.1.2 MATLAB特點及優(yōu)勢</p><p><b>　　MATLAB特點：</b></p><p>　　1、此高級語言可用于技術(shù)計算 </p><p>　　2、此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進行管理 </p><p>　　3、交互式工具可以按迭代的方式探查、設計

82、及求解問題 </p><p>　　4、數(shù)學函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 </p><p>　　5、二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) </p><p>　　6、各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面 </p><p>　　7、各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應用程序和語言（如 C、C++、Fortra

83、n、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成 </p><p>　　8、不支持大寫輸入，內(nèi)核僅僅支持小寫 </p><p><b>　　MATLAB優(yōu)勢：</b></p><p>　?。?）簡單易用的程序語言</p><p>　　MATLAB是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、

84、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（M文件）后再一起運行。</p><p>　?。?）友好的工作平臺和編程環(huán)境</p><p>　　MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。</p><p>　　（3）應用廣泛的模塊集合

85、工具箱</p><p>　　MATLAB對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。</p><p>　?。?）強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力</p><p>　　MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可

86、以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。</p><p>　?。?）出色的圖形處理功能</p><p>　　MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。&

87、lt;/p><p>　?。?）實用的程序接口和發(fā)布平臺</p><p>　　新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C++語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務程序還容許在Web應用中使用自己的MATLAB數(shù)學和圖形程序。</p>

88、<p>　?。?）應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）</p><p>　　在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。</p><p>　　4.2 動態(tài)仿真工具Simulink</p><p&g

89、t;　　Simulink是MATLAB的一個應用工具箱，它用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，也支持具有多種采用速率的系統(tǒng)仿真。Simulink采用可視化組態(tài)技術(shù)建模，具有直觀、方便的優(yōu)點。Simulink包含Liner等一系列具有廣泛功能的子模型庫，用戶也可以自己定制、創(chuàng)建功能模塊。</p><p>　　Simulink創(chuàng)建的模型具有遞階的結(jié)構(gòu)，用戶可以自上而下或自下而

90、上的建立模型。這種方法使得用戶可以深入的立即模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用的。在定義完模型后，可以通過Simulink菜單或MATLAB的命令來對它進行仿真，MATLAB提供強大的可視化輸出功能模塊，方便用戶進行分析；下面就具體介紹應用Simulink建立直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)。</p><p>　　4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　4.3.1 異步電動機仿

91、真模塊</p><p>　　由第二章知兩相靜止坐標系下的異步電機的電壓方程:</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　異步電機的仿

92、真程序主要部分如下所示。</p><p>　　1.function [sys,x0,str,ts]=motor 1(t,x,u,flag,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)</p><p>　　%輸入:Uds, Uqs, Wr</p><p>　　%輸出:Uds, Ids, Uqs, IQs, Te</p><p>　　%state variab

93、le: Ids, Iqs, Idr, Iqr</p><p>　　%outputs: Uds, Uqs</p><p>　　Switch flag,</p><p><b>　　Case 0</b></p><p>　　[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes (Rs, Rr, Ls, Lr,

94、 Lm);</p><p><b>　　case 1</b></p><p>　　sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm);</p><p><b>　　case 3</b></p><p>　　sys=mdloutputs(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr

95、,Lm);</p><p>　　case {1, 2, 4, 9 }</p><p><b>　　sys= [];</b></p><p><b>　　otherwise</b></p><p>　　error (['Unhandled flag=', num2str (flag)]

96、);</p><p><b>　　end</b></p><p>　　function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)</p><p>　　sizes = simsizes;</p><p>　　sizes.NumContStates= 4;</

97、p><p>　　sizes.NumDiscStates= 0</p><p>　　sizes.NumOutputs= 5;</p><p>　　sizes.NumInputs= 3;</p><p>　　sizes.DirFeedthrough=1;</p><p>　　sizes.NumSampleTimes = 1;&

98、lt;/p><p>　　sys=simsizes (sizes);</p><p>　　x0= [0; 0;0; 0];</p><p><b>　　str= [];</b></p><p>　　ts=[-1 0];</p><p>　　function sys=mdlDerivatives(t,x,

99、u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)</p><p>　　a=1-Lm*Lm/(Ls*Lr);</p><p>　　sys(1)=(-Rs*Lr*a*x(1)+Lm*Lm*u(3)*x(2)+Rr*Lm*a*x(3)+Lr*Lm*u(3)*x(4)+Lr*u(1))/2</p><p>　　sys(2)=(-Lm*Lm*u(3)*x(1)-Rs*Lr*a*x(2)-L

100、r*Lm*u(3)*x(3)+Rr*Lm*a*x(4)+Lr*u(2))/2;</p><p>　　sys(3)=(Rs*Lm*a* x(1)-Lm*Ls*u(3)*x(2)-Rr*Ls*a*x(3)-Lr*u(3)*x(4)-Lm*u(1))/2;</p><p>　　sys(4)=(Lm*Ls*u(3)*x(1)+Rr*Lm*a*x(2)+Lr*u(3)*x(3)-Rr*Ls*a*x(

101、4)-Lm*u(2))/2;</p><p>　　function sys=mdloutputs(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)</p><p>　　sys(1)=u(1);</p><p>　　sys(2)=u(2);</p><p>　　sys(3)=x(1);</p><p>　　sys(4)=x(2

102、);</p><p>　　sys(5)=3 *Lm*(x(2)*x(3)-x(1)* x(4));</p><p>　　4.3.2 定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測器的模塊</p><p>　　磁鏈模塊的輸入是電機的定子電壓、電流和定子電阻，輸出是電子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，其仿真模塊的建立是根據(jù)第二章定子磁鏈電壓模型。仿真模塊如4-1所示。</p><p>　　

103、圖4-1 定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器的仿真模塊</p><p>　　4.3.3電壓和電流的坐標變換模塊</p><p>　　電壓的三相坐標/兩相坐標的變換關(guān)系如式(4-3 )所示：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　電壓2/3的變換關(guān)系：</p><p><b&g

104、t;　?。?-4）</b></p><p>　　圖4-2 電壓坐標3/2變換仿真模塊</p><p>　　圖表4-3 電流2/3坐標變換仿真模塊</p><p>　　4.3.4 磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制模型</p><p>　　磁鏈控制采用兩點式調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩控制采用三點式調(diào)節(jié)</p><p>　　圖4-4 磁鏈控制器&

105、lt;/p><p>　　圖4-5 轉(zhuǎn)矩控制器</p><p>　　4.3.5 磁鏈幅值計算與區(qū)域判定模型</p><p>　　圖4-6 磁鏈幅值，磁鏈當前扇區(qū)判斷模型</p><p>　　磁鏈幅值計算采用matlab函數(shù)，其表達式為Sqrt(u(1) 2+u(2) 2)。磁鏈當前所在扇區(qū)判定選用simulink的s一Funetion來實現(xiàn)。<

106、;/p><p>　　磁鏈幅值計算與區(qū)域判定可用S函數(shù)實現(xiàn)如下:</p><p>　　Function[sys,x0,str,ts]=sector(t,x,u,flag)</p><p>　　Switch flag</p><p><b>　　Case 0,</b></p><p>　　[sys,x0,

107、str,ts] =mdllnitializesize</p><p><b>　　Case 3,</b></p><p>　　Sys=mdloutputs(u) ;</p><p>　　Case {2,4,9},</p><p><b>　　Otherwise</b></p>

108、<p>　　Error([’Unhandled flag=’,num2str(flag)]) ;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　function [sys,x0,str,ts]=mdllnitializeSizes</p><p>　　sizes=simsizes</p>&

109、lt;p>　　sizes.NumContstStates=0;</p><p>　　sizes.NumDisestates=0;</p><p>　　sizes.NumOutPuts=2;</p><p>　　sizes.NumInPuts=2:</p><p>　　sizes.DirFeedthrough=1;</p>

110、<p>　　sizes.NumSamPleTimes=l;</p><p>　　sys=simsizes(sizes);</p><p><b>　　xo=[];</b></p><p><b>　　str=[]:</b></p><p><b>　　ts=[-1 0]</

111、b></p><p>　　funetion sys=mdlOutPuts(u)</p><p>　　faial=u(l)/2+sqrt(3)*u(2)/2;</p><p>　　faibl=u(l)/2-sqrt(3)*u(2)/2;</p><p>　　faiel=-u(l);</p><p>　　if fai

112、al>=0</p><p><b>　　Sal=O;</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　Sal=1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　if

113、 faibl>=0</p><p><b>　　Scl=0;</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　Scl=l;</b></p><p><b>　　end</b></p><p>

114、　　sys(l)=4*Sal+2*Sbl+Sel;</p><p>　　sys(2)=abs(sqrt(u(l)*u(1)+u(2)*u(2)));</p><p>　　4.3.6 逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇模塊</p><p>　　由可控電壓源實現(xiàn)的簡單模型，可以極大的提高系統(tǒng)仿真速度。其輸入為逆變器三相輸入開關(guān)信號，輸出為異步電機的三相定子電壓。</p>

115、<p>　　圖4-7 逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇模塊</p><p>　　funetion[sys，x0，str，ts]=lookuptablel(t，x，u，flag)</p><p>　　switeh flag </p><p><b>　　case 0，</b></p><p>　　[sys，x0，str，ts

116、]=mdllnitializesizes ;</p><p><b>　　case 3，</b></p><p>　　sys=md1outputs(t，x，u) ;</p><p>　　case{2，4，9}，</p><p><b>　　sys=〔〕 ;</b><