毕业设计（论文）异步电机直接转矩控制

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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。它省去了复杂的矢量变化、克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性特点，响应快、控制结构简单、易于实现全数字化。本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，利用MATLAB/SIMULINK工具，构建了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转矩，直接跟踪定子磁链和转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式（Band-Band控制）产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能的转矩

2、响应。通过直接改变影响电动机性能的磁链滞环调节器和转矩滞环调节器的参数，实现了对电动机的直接转矩的控制，通过仿真得到仿真图，对仿真图进行分析，验证直接转矩控制技术的有效性和可靠性。关键词：异步电机，直接转矩控制，磁链，仿真ABSTRACTThe Direct Torque Control(DTC)following the Vector Control is a new type and high-performance technology. Compare with Vector Control Which has complicated coordinate transformation

3、 and strong dependency of parameters, the DTC technique of induction motors is known to have a simple control structure,fast torque responses and easy to implement.The basic principle and structure of DTC have been intoduced. Using Matlab/Simulink build the DTC simulation system modle. Using the met

4、hod of Park vector. The signal of PWM is bulit by dint of the discrete band-band adjustment in order to control optimally the state of the switches of inverter and get dynamic and static response of the optimal system. Controling the motor by changing the parameters of flux chain hysteresis regulart

5、or and torque hydteresis regular to achieve DTC.Getting and analysing the chart by simulating to confirmation the validity and reliability of DTC.Keywords: Asynchronous Motor， Direct Torque Control， Flux link， Simulation 44目 录摘 要iABSTRACTii1绪论11.1交流电动机调速的发展和现状11.2 直接转矩控制技术的现状与发展趋势21.2.1 直接转矩控制技术的研究现

6、状21.2.2 直接转矩控制技术的发展趋势31.3 论文工作内容42直接转矩控制机理分析52.1 概述52.2 异步电动机数学模型52.2.1 异步电动机理想数学方程52.2.2异步电动机空间矢量等效电路72.3 逆变器的输出电压状态及电压空间矢量82.3.1 逆变器输出电压状态82.3.2 电压空间矢量92.4异步电动机磁链模型102.5 电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响122.5.1 电压空间矢量对定子磁链影响122.5.2 电压空间矢量对转矩的影响132.6 直接转矩控制系统调节器原理142.6.1 磁链滞环调节器162.6.2 转矩滞环调节器163 直接转矩控制的SIMULIN

7、K仿真183.1 MATLAB/SIMULINK介绍183.2 仿真模型搭建及参数设置213.3 仿真结果及分析243.3.1 改变磁链滞环容差243.3.2 突加转矩323.3.3改变转矩滞环容差343.3.4 改变负载转矩364 总结39参考文献40致谢421绪论1.1交流电动机调速的发展和现状在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。是用电量最多的电气设备。根据电动机采用电流方式的不同可分为直流电动机和交流电动机两大类。在上世纪80年代以前，直流调速占据着主导地位，原因在于直流电动机转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流不变，

8、可通过改变电枢电压实现恒转矩调速，在额定转速以上，保持电枢电压不变，可通过改变励磁电流实现恒功率调速。这就使得调速简便、容易。但是，由于直流电动机本身结构存在机械换向和电刷，使得直流调速的发展受到一定的限制。它的机械换向器结构复杂，检修量大，维修费高，还容易产生火花等等因素，使得直流电动机的应用也受到了限制。然而交流电动机的产生改善了调速领域的发展，其具有结构简单，制造容易，价格便宜坚固耐用，转动量小，运行可靠，维修量小，适用于各种环境等优点使其在工农业生产领域得到广泛应用。但是交流电动机的调速比较困难，只有一些性能差，并且低效耗能的调速方法。20世纪60年代以后，由于生产发展需要，交流调速的

9、到发展。20世纪70年代后，科学技术的发展使得交流调速有了质的发展飞跃，主要有以下四个阶段：（1）电力电子器件的发展促进了交流调速的发展。电力电子器件主要用于电动机的变频调速系统。（2）脉宽调制（PWM）技术。脉宽调制（PWM）技术的发展与应用使得变频装置的性能的到优化，适用于各类交流调速系统。其克服了相控原理的所有弊端，使得交流电机定子电压电流接近正弦波形，提高了电机的功率因素和输出功率。（3）矢量变换控制的发展奠定了现代交流调速高性能的基础。此类调速采用参数重构和状态重构的现代控制的理论实现交流电机定子电流励磁分量和转矩分量的耦合，实现了等效于直流调速的控制过程，使得交流调速性能得到改善和

10、提高。继矢量控制后直接转矩控制技术的运用，可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。现如今得到广泛应用（4）微型计算机技术与大规模集成电路的发展为现代调速系统的发展提供了重要技术手段。由于微机控制技术，尤其是以单片机与DSP为控制核心的微机控制技术，促使交流调速系统走向数字化控制，对信息的处理量的增大，可以实现许多复杂的控制方式。提高了交流调速系统的可靠性和操作设置的多样性和灵活性，降低交流调速装置的成本和体积。1.2 直接转矩控制技术的现状与发展趋势 1.2.1 直接转矩控制技术的研究现状1985年，德国人M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，在实现磁链的同时也实现了对直接转矩的控制。

11、直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静态性能受到了普遍的注意和得到了迅速的发展。根据M.Depenbrock所提出的直接转矩控制理论所实现的系统中，其磁链的轨迹是按正六边形运动，其六边分别有相应的六个非零电压矢量与之对应，可简单的切换六个工作状态直接由六个非零电压矢量完成六边形磁链轨迹，磁环控制简单。日本东芝公司的Takahashi教授于1986 年提出了磁链轨迹的园形方案，即让磁链矢量基本上沿园形轨迹运动。这是一种磁链的实时控制，通过比较实时计算所得的实际磁链幅值与给定值相比较，并同时考虑此时磁链所处的位置来选择电压矢量及持续时间的长短。T.G.Habe

12、rler提出了一种预前控制法，即依据当前状态的转矩、磁链误差和反电势，在一固定的开关周期条件下选择和计算下一个状态所需要的空间电压矢量。实现恒逆变开关频率控制。最近出现了谐振式逆变器构成的直接转矩控制系统，摒弃了滞环，采用纯Band-Band控制，使得系统更容易实现。采用软件开关式逆变器，其开关频率可以达到几十个千Hz，它着眼于超大功率传动问题。有的学者提出定子磁通定向的新型控制方案，即采用了感应电机定子磁链定向的解耦模型，首先求出所需的d、q轴定子电流，然后得到d、q轴定子电压指令，经旋转变换得到静止坐标下对应作用的定子电压矢量。近几年发展起来的数字信号处理器（DSP）具有高速的运算功能，

13、国外常用DSP来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题， 以弥补单片机运算速度太慢的缺点。1.2.2 直接转矩控制技术的发展趋势直接转矩目前虽然已经被广泛运用，但是在理论和应用实践方面仍有许多问题需要进一步研究和探讨。 （1）控制系统的的性能基本上不受电机参数的影响，但是定子电阻在不同频率时的变化需要考虑。在超低频时，定子电阻上的电压降对系统存在影响，故在超低速时定子电阻的正确辨识和偏差补偿，是直接转矩控制系统需要探讨的问题。（2）无速度传感器研究是当前交流传动中比较热的话题。直接转矩控制也是一种无需速度直接反馈的控制技术，基本控制系统需要两个电流传感器，可靠性高，但是采用何种速

14、度辨认方法和模型需进一步研究。（3）直接转矩控制系统形成PWM脉冲是以产生圆形气隙磁场为目的，通过优选主回路中电压型逆变器开关切换时间，使磁场近似圆形，使电机的谐波损耗、温升、转矩波动和噪声降低。但是，根据开关频率和微机运行速度选择开关状态需要很大技巧。所以最佳开关策的研究是需要探讨的问题。（4）直接转矩控制系统最显著的有点在于结构简单，易于实现，便于数字化。因此实现数字化的直接转矩控制的交流调速系统具有很大的经济价值和世纪意义。但是如何解决实时性是个问题，高速DSP价格昂贵，普通单片机运行较慢，如何找到一个折中的方法是需要考虑的问题。1.3 论文工作内容本文工作主要在于介绍了直接转矩控制系统

15、的基本结构和原理，并利用MATLAB/SIMULINK软件根据异步电动机的数学模型建立仿真模型。然后在SIMNLINK环境下使用该模型组建异步电动机直接转矩控制系统。通过改变控制系统中直接影响电动机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环调节器的参数，通过仿真得到仿真图，对仿真进行分析，验证直接转矩控制方法的有效性和可靠性。 论文在第一章阐述了电机调速和直接转矩控制的发展与现状，第二章对直接转矩控制技术的基本原理进行分析，第三章对MATLAB/SIMULINK仿真软件做基本介绍，建立仿真模型并对直接转矩控制系统进行仿真，对仿真结果进行分析，第四章对本文进行总结。 2直接转矩控制机理分析2.1 概述直接转

16、矩控制(DTC)变频调速系统是近十几年继矢量变频调速技术之后发展起来的一种新型高性能的控制方式。运用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Bang-Bang控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。其省掉了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。2.2 异步电动机数学模型2.2.1 异步电动机理想数学方程为了能够便于分析异步电动机的数学模型，建立出理想电机模型，必须对电动机结构参数进行一些

17、假设：（1）气隙均匀；（2）磁路线性（3）定子，转子三相绕组对称，有效导体沿气隙空间作正弦分布;（4）忽略磁场谐波，磁场正弦分布。1.电压方程 =+ （2-1）式中；、定子、转子相电压；、定子、转子相电流； 、定子、转子绕组的全磁链；微分算子。2.磁链方程= （2-2）式中；、各相定子、转子自感，电磁矩阵中其他元素为定子、转子或定转子见的互感。3.转矩方程由能量守恒定律推出电磁转矩。根据能量转换原理，在多绕组电机中，其磁场储能为: = （2-3）式中；= = 根据能量守恒原理，在异步电机运行时，其电磁力矩等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数。 =式中；电机磁极对数 电角位移，= =-+

18、（2-4）式中；定转子间的互感。由于转子的旋转，定、转子绕组间的互感是定、转子相对位置的函数，使得交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程式。为了解除定、转子间这种非线性的耦合关系需要对其进行变量的坐标变换，建立参考坐标系内的异步电机数学模型。即将三相静止绕组A、B、C变换为两相静止绕组、之间的变换，这称为三相静止坐标系和二相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。2.2.2异步电动机空间矢量等效电路控制系统利用异步电机空间矢量的等效电路进行分析。该效电路等效电路是在正交定子坐标系上描述异步电动机的，下图为异步电动机空间矢量等电效电路。图中各量定义如下： 定子电压空间矢量； 定子电流空间矢量； 转

19、子电流空间矢量； 定子磁链空间矢量； 转子磁链空间矢量； 电角速度（机械角速度和极对数的积）。并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量。 根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上可由以下方程表示： （2-5） （2-6） 由以上方程推出定子磁链与转子磁链方程式： （2-7） （2-8） （2-9）2.3 逆变器的输出电压状态及电压空间矢量2.3.1 逆变器输出电压状态逆变器（见图2-2）由三组、六个开关（、）组成。由于与a、与、与之间互为反向，即一个接通，另一个关断，所以三组开关共有23=8种可能开关方式组合。规定a、b、c三相负载的某一相与“+”极接通时，该相开

20、关状态为“1”;与“-”级接通时，状态为“0”。则8种可能的开关组合状态见表 2-1。 表2-1 逆变器的8种开关状态状态01234567000100010110001101011111对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。这7种不同的电压状态可分成两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”分别称为逆变器的电压状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7”和“8”，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态（详见表2-2）。 表2-2 逆变器电压状态与开关状态对照表 状态工作状态零状态12345678开关

21、状态Sabc 011001101100110010000111 电压状态表示一表示二表示三12345672.3.2 电压空间矢量由于异步电动机的电压，电流，磁链等都是三相电磁量，故对异步电动机进行分析和控制时，必须对三相进行分析和控制，比较困难。引入PARK矢量变换，可以方便的进行控制，PARK矢量变换是将三个标量变为一个矢量。对三相定子绕组相电压，进行PARK矢量变换，得到合成量。= （2-10）代表着三相电磁量在空间的位置，故称之为空间矢量。用空间电压矢量表示逆变器的7个电压状态，形成了7个离散的电压空间矢量，每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔600，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六

22、边形的6个顶点。矢量顺序从状态“1”到状态“6”逆时针旋转。对应的开关状态是011001101100110010。其所对应空间电压矢量状态为，零电压矢量7位于正六边形中心。空间电压矢量状态图如下图示。2.4异步电动机磁链模型对于异步电动机直接转矩控制系统，对其进行定子磁链观测非常重要，对于磁链的估算提出了三种模型：模型，模型和模型。下面分别对这三种模型进行分析。1. 模型用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫模型发。定子磁链可根据一个简单公式分析，其公式为： （2-11） 用该公式确定定子磁链，得到精确的电压，电流，便于计算出定子磁链。 模型计算定子磁链，其误差由定子电阻引起。故模型在30

23、%额定转速以上时，能够非常准确的确定定子磁链，并且仍要注意温度对电阻的影响。在定子频率接近零时，这种方法也不适用，原因在于用作定子电压和定子电阻压降之间的差值消失，以致只有误差被积分。总之在30%额定转速以上时，模型法，结构简单，精度高。下图为模型的原理图。 2. 模型 模型是利用定子电流与转速来确定定子磁链。当电动机在30%额定转速以下时，磁链只能根据转速来正确计算，这时利用模型计算磁链是非常合适的。下式为模型定、转子磁链计算公式： （2-12） （2-13） 式中：、为转子磁链在-坐标系上的分量； 、为定子磁链在-坐标系上的分量。由公式可知，模型虽然不受定子电阻的影响，但其受到转子电阻、漏

24、电感、主电感的影响。此外模型结构复杂，角速度的测量误差对模型影响很大，故需要精密的测量角速度。3. 模型模型综合了模型和模型的特点，是一个在全速范围内都适用的磁链模型，其由定子电压和转速来获得定子磁链。其主要优点是：（1）结合了模型和模型的优点，很自然的解决了切换的问题；（2）引入PI电流调节器，大大提高了电动机模型的仿真精度；缺点是：结构过于复杂，实用性差。2.5 电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响2.5.1 电压空间矢量对定子磁链影响 将逆变器的输出电压直接加到异步电动机的定子上，定子电压与逆变器电压相等也为，得定子磁链与定子电压关系式为： = （2-14）若忽略定子电阻压降的影响，

25、近似为： = （2-15）该关系式表示定子磁链空间矢量与电压空间矢量之间的积分关系。如下图根据磁链空间矢量与电压空间矢量的关系图可得出：（1）忽略定子电阻的影响，可得到定子磁链顶点的运动轨迹方向平行于电压空间矢量的指向的方向。（2）在适当时给出定子电压空间矢量，可得到定子磁链运行的轨迹为，形成正六边形。于是可利用逆变器的六个工作电压状态可简单的得到六边形的磁链轨迹对电动机进行控制。这就是直接转矩控制系统的基本思想，电压空间矢量对定子磁链的影响可通过以下方式实现：（1）恒转矩调速：在正常电压空间矢量作用期间，适时的插入零矢量对电动机进行控制，当有效电压空间矢量作用时，定子磁链运动轨迹沿着电压空间

26、矢量作用方向运动;插入零矢量后，定子磁链静止，由于零矢量的插入，使得旋转速度变慢，在这期间保持电压空间矢量作用时间不变，定子磁链幅值不变，电动机实现恒磁通调速，即实现了恒转矩调速。（2）恒功率调速：通过改变电压空间矢量的作用时间，达到改变定子磁链旋转速度的目的。由于电压空间矢量幅值不变，只改变了作用时间，所以定子磁链所围成的面积发生改变，作用时间变短，面积变小，定子磁链幅值变小。对电动机实现了恒功率调速。2.5.2 电压空间矢量对转矩的影响 异步电动机转矩的大小跟定、传子磁链的幅值和磁通角有关。在实际运用时，为了充分利用铁心，保持定子磁链幅值不变，转子磁链的幅值是根据负载决定，故在直接转矩控制

27、系统中，可以通过改变磁通角的大小来实现对转矩的控制，其控制方法为通过控制电压空间矢量来对定子磁链的旋转速度进行控制，改变了定子磁链的平均旋转速度，从而改变了磁通角的大小，以实现对电动机转矩的控制。其主要控制方法有以下几方面：（1）增大转矩：增大有效电压空间矢量，使得电压幅值足够大，就使得定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角增大，对应的转矩增大。（2）减小转矩：给出零电压空间矢量，定子磁链会走走停停，定子磁链旋转速度小于转子旋转速度，磁通角减小，转矩减小。（3）迅速减小转矩：施加有效反向电压空间矢量，定子磁链会进行反方向旋转，磁通角迅速减小，使得转矩也迅速减小。 通过控制工作状态的电

28、压空间矢量和零状态电压空间矢量的交替出现的时间，实现了对定子磁链旋转的速度的改变，通过这样的瞬态调节可获得高性能的转矩特性。2.6 直接转矩控制系统调节器原理通过前文的介绍，直接转矩控制系统的基本控制方式已经清楚，根据前文可得到系统的控制环节及结构。直接转矩控制系统的基本结构可分为以下几个部分：（1）控制部分：分为磁链滞环调节器、转矩滞环调节器；（2）逆变部分：由逆变器组成；（3）电机部分：为异步电动机。图中各个单元器件名称为： AMM异步电机数学模型； UCT坐标变换单元； DMC磁链自控制单元； AZS零状态选择单元； AMC转矩计算单元； ATR转矩调节器； UT逆变器。由图可知，直接转

29、矩控制系统工作原理为：通过AMM计算得到定子磁链，并分解到坐标轴，然后经过UCT进行坐标变换，通过将计算得到的磁链值与DMC给定的磁链值进行比较，得到磁链开关信号，通过AMC计算得到转矩值，根据转矩调节器ATR的输出量决定是否插入零状态，确定电压开关状态，对逆变器的输出电压进行控制，使其产生六边形磁链。2.6.1 磁链滞环调节器磁链调节的主要任务是对磁链量进行调节。在电动机低速运行时，由于定子电阻压降的影响，定子磁链幅值减小，在电动机低频运行时，定子磁链幅值也减小，为了避免定子磁链的减小，引入磁链滞环调节器，主要作用在于加大定子磁链幅值，维持磁链幅值在允许范围内波动。磁链调节过程是通过磁链电压

30、完成，磁链电压为定子电压空间矢量，目的在于区别转矩电压，作用在于增大定子磁链幅值。对磁链电压的选择主要有两种：一种是与磁链运动轨迹成-600角的电压空间矢量；另一种是成-1200角的电压空间矢量。磁链调节器器实际上也是一个施密特触发器，对磁链幅值进行两点式调节。引入容差宽度，它是定子磁链幅值与给定幅值之间允许的波动范围，磁链调节器输入量为给定磁链幅值与反馈磁链幅值之差，输出两为磁链量开关信号。2.6.2 转矩滞环调节器 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。为了实现这一效果，转矩调节器必须有以下两个功能：一是用转矩两点式调节器直接调节转矩；二是在调节转矩的同时，能够控制定子磁链的旋转方向，以加

31、强转矩的调节。 转矩调节器也采用施密特触发器，输入信号为转矩给定值与转矩反馈值的信号差。调节器输出量为转矩开关信号。容差为，调节器采用离散的亮点式调节方式。 当下降到调节器容差下限，调节器输出信号状态为”1”。在作用下，得到相应的电压空间矢量，使得定子磁链前转，转矩上升。当上升到容量上限时，变为“0”态，在作用下，零电压加到电动机上，定子磁链静止，转矩减小，下降到调节器容差下限，重复运行。反复这样运行，实现了调节器两点式调节，把转矩波动限制在给定值的容差范围内，达到转矩的直接控制。 3 直接转矩控制的SIMULINK仿真3.1 MATLAB/SIMULINK介绍MATLAB (Matrix L

32、aboratory)为美国Mathworks公司1983年首次推出的一 套高性能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级，1992年推出划时代的4.0版，1993年推出了可以配合Microsoft Windous使用的微机版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的浏览。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，继而推出6.5.1版, 2004年7月MATLAB7和Simulink6.0被推出，目前的最新版本为7.1版。 MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技

33、术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB可以完成以下工作：（1）数值分析（2）数值和符号计算（3）工程与科学绘图（4）控制系统的设计与仿真（5）数字图像处理技术（6）数字信号处理技术（7）通讯系统设计与仿真（8）财务与金融工程 SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真

34、中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。SIMULINK模块库内资源相当丰富，基本模块库包括连续系统、离散系统非线性系统、信号与函数、输入模块、接收模块等等，使用方便。由基本模块又形成了其它的一些专用库，MATLAB中提到的工具箱，很多在SIMULINK中都形成了专用模块库，仿真起来简单快捷

35、，尤其是其中的电气系统模块库（Power System Blockset），为电气系统仿真省去了复杂的电机建模过程，它提供了极为有用的电力电子器件模块，使仿真变得便捷。电气系统模块以SIMULINK为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。运行SIMULINK以后，打开Blockset&Toolboxes，就能调出电气系统模块库Powerlib。可以在MATLAB的命令窗口直接键入Powerlib。它由以下6个子模块库组成：（1）电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等；（2）基本元件模块库：包括串联RC

36、L负载/支路、并联RCL负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、N相分布参数线路和浪涌放电等；（3）电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT和理想开关等；（4）电机模块库：包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等；（5）连接模块库：包括地、中性点和母线（公共点）；（6）测量模块库：包括电流和电压测量。算法选择的好坏直接关系到仿真结果，选择合适的算法非常的关键，下面介绍几种常用仿真算法：（1）欧拉法（Euler）：欧拉法又称折线法，它能够由前一点t（n）的数值y（n）直接求得后一点t（n+1）的数值y（n+1），而不

37、需要其它信息，也就是说它能够自启动，这样的方法我们称为单步法。欧拉法的误差等级为O（h2），h为步长。因此。欧拉法尽管速度快但不够精确。（2）梯形法：梯形法的公式为隐式，求解须采用迭代的方法，它不能自启动，运算中必须用其它方法先获得所求时刻以前多步的解，这种方法称为多步法。由于梯形法采用一个步长内两点斜率的平均值来代替欧拉法中的一点上的斜率，因此它比欧拉法的精度要高一些但它所需迭代的计算次数过多，计算量大，执行时间长。（3）预估一校正法：预估一校正法是先用一显式公式估计一个初值，然后再用隐式公式进行迭代运算，实现校正，它可以避免隐式中的大量迭代运算。精度要求不高时，用最简单的预估校正法采用欧拉

38、法“颈估”，梯形法“校正”。如果精度要求高，可采用汉明（Hamming）法。只是汉明法不能自启动。预估校正法与欧拉法比较计算量约增加一倍，但精度有所提高。（4）龙格库塔法（RungeKutta）：龙格一库塔法是仿真中应用最广泛的方法。它泰勒展开公式为基础，用函数f的线性组合代替f的高阶导数项，避免了高阶导数的运算，又提高了精度。泰勒公式的阶次取得越高，龙格一库塔法所得的误差等级越低，精度越高。最常用的是四阶龙格库塔法，它虽然有一定的时间损耗。但比梯形法要快，而且与其它方法比较，其误差比欧拉法高三个数量级，比预估一校正法高两个数量级，是自启动的。它之所以广泛用于仿真上，还有不可忽视的优点：编程容

39、易改变步长方便、稳定性好。（5）亚当斯法（Adams）：其斜率的计算是采用一个步长内两个端点线性内插的结果，如果用更高次的多项式近似，可相应地提高精度。亚当斯法的误差与龙格一库塔法同阶，但它为多步解法，费时多。（6）图靳汀法（Tustin）：它可以直接用于建立一个以传递函数描述的线性系统仿真模型，计算速度低于欧拉法，但比龙格一库塔法快，精度也在两者之间。可用于高阶微分方程求解。SIMULINK提供了几乎所有的仿真过程中常用的算法，为我们应用提供了极大的力便。如果模型全部是离散的，定步长和变步长都采用Discrete算法，如果含有连续状态对于定步长和变步长供选择的算法是不同的，下面将其中常用的算

40、法简要说明一下。1 变步长解法ode45： RungeKutta四、五阶算法，是SIMULINK默认算法；ode23： RungeKutta二、三阶算法；ode113：可变阶次的Adams算法；ode15s：可变阶次的NDFs算法，ode23t：采用自用内插法的梯形法。2 定步长解法ode5：定步长的ode45解法；ode4：四阶RungeKutta算法；ode3：定步长的ode23算法；ode1：欧拉法。3.2 仿真模型搭建及参数设置在直接转矩控制系统SIMULINK仿真中，异步电动机模型规定参数设定为：额定功率，额定电压，额定频率，定子电阻，转子电阻，定子电感，转子电感，定、转子互感，极对

41、数，转动惯量。 图4-1 直接转矩仿真模型仿真主要环节：（1）磁链滞环 磁链滞环容差由思密特触发器设置，在仿真过程中，可通过设置不同的滞环容差重复仿真，以致达到仿真最佳效果。图4-2 磁链滞环调节器模型（2）磁链环节 磁链环节采用模型，将经过32变换的定子三相电流电压进行计算，得到转矩T。图4-3 磁链计算环节模型 （3）转矩滞环 通过对观测转速和给定转速的计算得到给定转矩，再与磁链环节所计算出来的转速进行比较，得到ST。图4-4 转矩滞环调节器模型3.3 仿真结果及分析3.3.1 改变磁链滞环容差（1）当磁链滞环容差等于0.05Wb时。仿真波形如下图示：图4-5 磁链轨迹图4-6 三相电流波

42、形图4-7 转矩波形图4-8 转速波形由仿真图像可知，在电机启动过程中，在P-I调节器作用下，对三相电流、转矩起到放大作用，使转速迅速提高。在t=0.6s时，三相电流、转矩，转速达到稳定状态，但是由于磁链容差为0.05Wb，三相电流与转矩波动较大。转速达到稳定状态时也存在波动。（2）当磁链容差为0.02Wb时，仿真结果如下图示：图4-10 磁链轨迹 图4-11 三相电流波形 图4-12 转矩波形图4-13 转速波形由仿真图像可知，降低磁链滞环容差，在t=0.6s时，三相电流、转矩，转速达到稳定状态，磁链容差为0.02Wb，三相电流与转矩波动减小，但波动仍存在，转速稳定状态平滑性好。（3）磁链滞

43、环容差为0.005Wb时，仿真结果如下图示：图4-14 磁链轨迹图4-15 三相电流波形图4-16 转矩波形图4-17 转速波形由仿真图像可知，再次降低磁链滞环容差，在t=0.6s时，三相电流、转矩，转速达到稳定状态，由于磁链滞环容差减小，三相电流、转矩、转速的波动越来越小。（4）当磁链滞环容差为0Wb时，仿真图像如下图示： 图4-18 磁链轨迹图4-19 三相电流波形 图4-20 转矩波形图4-21 转速波形由仿真图像可知，磁链滞环容差设置为0Wb，在t=0.6s时，三相电流、转矩，转速达到稳定状态，三相电流、转矩、转速稳定性能好。在改变磁链滞环容差控制过程中，在电机启动过程中，在P-I调节

44、器的作用下，对三相电流、转矩起到放大作用，使得转速迅速提升。在0.06s时电机运行状态达到稳态。通过改变磁链滞环容差，使得磁链脉动减小，磁链轨迹近似为圆形，随着磁链滞环容差的减小，三相电流、转矩的脉动也随之降低，稳态后转速平滑性好。3.3.2 突加转矩当磁链滞环容差为0Wb时，转矩滞环容差为1，在t=0.1s时，负载转矩由30突变到60，其仿真图像如下图示：图4-22 磁链轨迹图4-23 三相电流波形图4-24 转矩波形图4-25 转速波形由仿真图可知，在00.06s时间段，P-I在调节器作用下，放大电流、转矩，转速迅速提升，在0.6s时达到稳态，在0.1s时，增大负载转矩，转矩突变，三相电流

45、幅值变大，转速波动，但瞬间再次达到平衡。0.1s后，电机运行状态达到新的稳态。3.3.3改变转矩滞环容差 磁链滞环容差为0Wb，转矩滞环容差为3。图4-26 磁链轨迹 图4-27 三相电流波形 图4-28 转矩波形 图4-29 转速波形 00.06s时间段为电机的启动过程，在P-I调节器作用下，电流、转矩得到放大，转速迅速提升，0.06s后，电机达到平衡状态，由于改变了转矩滞环容差，稳态后，转矩波动变大。3.3.4 改变负载转矩负载转矩设为60，磁链滞环容差为0Wb，转矩滞环容差为3图4-30 磁链轨迹图4-31 三相电流波形图4-32 转矩波形图4-33 转速波形 由于增大了负载转矩，电机平

46、衡状态转矩变大，使得电机启动时间变长，00.17s时间段为电机的启动过程，在0.17s后，电机转速达到平衡，三相电流、转矩达到稳态，由于负载转矩的增大，三相电流稳态幅值增大。仿真结果分析：在直接转矩控制系统中，通过直接控制影响电机转速的磁链与转矩对电机转速进行控制。仿真中利用P-I调节器对启动过程进行放大，所以在启动时三相电流、转矩都比较大，使转速迅速提升并达到平衡。当转速达到平衡，三相电流幅值降低，转矩幅值降低，并且随着转速的平衡也达到平衡状态。4 总结本文以三相鼠笼式异步电动机为控制对象，在对异步电动机数学模型分析的基础上，利用MATLAB/SIMULINK工具建立起异步电动机直接转矩控制

47、系统的仿真模型。论文所做的工作包括：（1）详细分析研究了异步电动机的数学模型，对定子磁链控制理论也做了研究，并且做了总结，为实现直接转矩控制做好理论基础。（2）利用MATLAB建立了直接转矩控制系统的仿真模型，磁链调节器和转矩调节器采用两点式调节方式，对磁链和转矩实现了闭环控制，仿真结果验证了直接转矩控制技术的有效性和可靠性。直接转矩控制技术作为电机控制领域一种新的控制策略，必然会不断的发展和完善，相信今后对电机的控制必然会更加简单、可靠，更加令人满意。由于本人能力有限，论文中难免有不妥之处，希望老师和同学能批评指正。参考文献1 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍. 电机学. 北京: 机械工业出版社, 2

48、0082 李夙. 异步电动机直接转矩控制. 北京: 机械工业出版社, 20013 张德丰. MATLAB控制系统设计与仿真. 北京. 电子工业出版社，20094 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京. 机械工业出版社，20005 陈坚. 交流电机数学模型及调速系统. 北京. 国防工业出版社，19916 李南南,吴清,曹辉林. MATLAB 7简明教程. 北京. 清华大学出版社, 20067 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京. 机械工业出版社，20108 薛定宇，陈阳泉. 基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真与应用. 北京. 清华大学出版社，20029 Giusep

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50、，2008，125105 14 于学涛. 异步电机直接转矩控制系统的仿真研究: 硕士学位论文. 北京：北京交通大学，2007 15 Speed Sensor-less Vactor control Method for an induction driver SystemC. Tajimax Hex.Al. Conf. Rec. IEEE PCC.Yokobama, 1995: 1023-103916 李德华. 交流调速系统. 北京. 电子工业出版社，200317 沈辉. 精通SIMULINK系统仿真和控制. 北京. 北京大学出版社，200318 何映辉. 异步电机直接转矩控制系统仿真研究：硕

51、士学位论文. 北京：北京交通大学，2005 19 姜伟东. 异步电机直接转矩控制系统的MATLAB仿真：硕士学位论文. 大连：大连铁道学院，200320 巫庆辉，邵诚，徐占国. 直接转矩控制技术的研究现状与发展趋势. 信息与控制，2005.8第34卷第4期21 孙振川. 异步电动机直接转矩控制的仿真. 枣庄学院学报，2010，05期22 周伟，陈浩，庄圣贤. 异步电机直接转矩控制的仿真研究. 机电工程，2010，07期23 唐湘越，胡继胜. 基于Matlab/Simulink的直接转矩控制仿真系统. 仪器仪表用户，2009，05期致谢 能够完成这篇论文，首先要感谢我的导师司纪凯老师，司老师认真负责的态度，扎实渊博的知识和严谨务实的精神都深深的影响着我。在论文创作期间，司老师给了我很大的帮助，在各个方面对我进行精心指导，使我可以顺利完成论文。在此对司老师表示崇高的敬意和真挚的感谢。在完成论文期间，还要感谢我的同学张志彬和刘威风，他们在我遇到困难时给了我无私的帮助，对我完成论文起到很大作用，在此，再次向他们表示感谢。最后向所有的老师和同学表示感谢，感谢他们陪伴的四年，感谢他们的教导和帮助，使我可以完成学业。谨以此文献给所有关心我的人。