1、理工大学毕业论文毕 业 论 文题目：基于 Simulink/PSB 的异步电机直接转矩控制变频调速系统仿真研究理工大学毕业论文1毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机
2、构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计） 。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日兰州理工大学毕业论文II摘 要本论文讨论了异步电机数学模型的建立，阐述了直接转矩控制的基本原理，并在此基础之上建立了异步电机直接转矩控制变频调速系统的模型，并进行了仿真调试。异步电动机具有非线性、强耦合
3、、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速。异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。直接转矩控制的基本控制方法是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的
4、电压开关矢量，最后通过PWM逆变器来实现对异步电动机的控制。本文针对PWM 逆变器供电驱动的异步电机直接转矩控制变频调速系统的特点，在Matlab环境下，利用Simulink /Power System Blockset，采用结构化和模块化的方法，对异步电机变频调速系统进行了建模和仿真，并详细介绍了各子模块的构造方法及功能。构建的仿真模型与实际变频调速系统比较接近，为高性能的异步电机变频调速控制系统的设计与调试提供了一种较好的检验手段，且实现简单，便于修改，仿真结果验证了建模方法的有效性。关键词 ：异步电机；变频调速；直接转矩控制；建模；仿真AbstractThis paper discuss
5、es the mathematical model of induction motor, expounds the direct torque control of basic principle, on this basis establishes the asynchronous motor direct 兰州理工大学毕业论文IIItorque control variable frequency speed regulation system, and does the model and simulation test.Asynchronous motor has nonlinear
6、 and strong coupling, multivariate nature, and to get high dynamic performance of speed, we must start from the dynamic model of it, analysis asynchronous motor torque and magnetic flux control law, and study the high performance of asynchronous motor speed control. The dynamic model consists of the
7、 flux equations, the voltage equation, torque equation and the movement equation ，of which ,the magnetic chain equation and torque equation are algebraic equations, and the voltage equation and motion equation are differential equation.Direct torque control of basic control way is to control of the
8、stator flux linkage rotational speed and control the stator flux walk off by selecting the voltage space vector, with change of the stator flux linkage of the size of the average rotation speed, so as to change the size of the torque angle and achieve the purpose of control motor torque. Direct torq
9、ue control adopts two hysteresis compared controller, respectively comparing the stator flux and the given actual magnetic chain, the given torque and actual torque value, and then get the difference value. According to the two difference value and the stator fluxs sectors , inquires the inverter vo
10、ltage vector switch table to get the proper voltage switch vector needed to add in asynchronous motor, finally realize the control of induction motor through PWM inverter.This paper uses Simulink/Power System Blockset, use structured and modular method of asynchronous motor, variable frequency speed
11、 regulation System, models and simulation, according to PWM inverter power supply of induction motor drive direct torque control variable frequency speed regulation System, under the characteristics of the Matlab environment, and introduces the method to construct the son modules and functions. The
12、construction of the simulation model and the practical variable frequency speed regulation system for high performance, are close to the asynchronous motor speed control system design and commissioning provides a good inspection means and achieve. It is simple and convenient, easy to modify the mode
13、l, and the simulation results verify the effectiveness of the method.Keywords: asynchronous motor；frequency control of motor speed；direct torque control；modeling；simulation兰州理工大学毕业论文IV兰州理工大学毕业论文1目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 交流电机变频调速技术的发展 .11.3 直接转矩控制的发展 .21.4 课题学习的目的和意义 .2第 2 章 异步电
14、机的数学模型 .32.1 异步电机的物理模型 .32.2 异步电机三相原始数学模型 .52.3 异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型 .92.4 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型 .10第 3 章 异步电机直接转矩控制的原理 .123.1 直接转矩控制原理 .123.2 定子磁链和转矩的计算模型 .163.3 电压空间矢量的选择 .163.3.1 电压空间矢量的分类.163.3.2 电压空间矢量对定子磁链的影响 .183.3.3 电压空间矢量对电磁转矩的影响 .21第 4 章 基于 SIMULINK/PSB 的系统仿真 .234.1 关于 SIMULINK .234.2 电力系统模块
15、库（PSB） .234.3 异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模与仿真 .244.3.1 仿真模型的建立.244.3.2 仿真模型模块分析.254.3.3 仿真结果分析.34兰州理工大学毕业论文2结 论 .42参考文献 .43外文翻译 .44致 谢 .88兰州理工大学毕业论文1第 1 章 绪 论1.1 课题背景直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。直接转矩控制采用转矩和磁链滞环控制器，使转矩和磁链
16、被控制在给定值的一定范围以内，这种控制方法不可避免地带来电机输出转矩脉动过大等问题。1.2 交流电机变频调速技术的发展近 20 年来随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流电机变频调速已得到了越来越广泛的应用，并已开始逐步替代直流调速，因其许多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。同时，变频调速的控制技术也在不断进步和完善。在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制（即 V/F 比为常数） 。此种控制技术有开环和闭环两种形式，采用开环时用于一般生产机械，但静态和动态性能都不太理想，采用闭环则可改善系统性能。后来，一些研究人员提出了转差频率控制方法。采用这种控制
17、技术使得变频调速系统在一定的程度上改善了静态和动态性能，使之接近于直流双闭环调速系统，但还是不能满足高性能调速系统的要求。改善调速系统动态性能的关键在于如何实现转矩控制。70 年代初德国的F.BLASCHKE 提出的矢量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题。这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的动态性能。经过各国科技工作者努力，矢量变换控制的变频调速方法已广泛地应用于电气传动系统中。80 年代的中期，德国的 DEPENBROCK 又提出了直接转矩控制的理论，其思路是把交流电机与逆变器看作一个整体对待。采用空间电压矢量分析方法进行计算，直接控制转矩
18、，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统结构简单，便于实现全数字化，已有实际产品用于实际中。 近 10 多年来，各国学者和研究部门致力于无速度传感器控制系统的研究， 利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本，目前已研究出无速度传感器矢量控制系统的实用产品。兰州理工大学毕业论文2近几年来，人工智能技术如专家系统、模糊逻辑和人工神经网络等，正在显示出其实现变频调速的智能化自适应控制的巨大希望所在，有研究结果表明，智能控制技术的有效利用，可使变频调速系统做到高效、自适应、自诊断、自保护、动态性能优良。 科学技术在不断进步，交流电机变频调速系统
19、的控制技术也将不断发展。1.3 直接转矩控制的发展自从 20 世纪 70 年代向量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。直接转矩控制（Direct Torque ControlDTC）是在矢量控制基础之上发展起来的，是继矢量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压向量分析方法直接在旋转坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链 跟踪得出 PWM 逆变器的开关状态切换的依据，从而直接控制电动机转矩。 与矢量控制相比，直接转矩控制的主要优点是：在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃
20、了向量控制中的解耦思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数（转子电阻）。由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压向量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接、计算过程简化的优点。因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注。1.4 课题学习的目的和意义本章就课题所涉及的背景知识作了简要介绍，在专业课知识学习的基础上，建立了异步电机直接转矩控制变频调速系统的模型，并通过调节系统的相关参数，观测异步电机定子磁链的轨
21、迹，三相和两相坐标系下的电流波形，以及电机启动和加载后的转矩和转速波形，得到了良好的仿真结果。该系统能够较好地控制电机的转速，达到了预期的控制效果，加深了对理论知识的理解，也增强了自身的知识应用能力。通过此次对异步电机直接转矩控制变频调速系统的建模和仿真，我深入学习了matlab 电力系统模块库（PSB）的强大功能和使用方法，并掌握了 simulink 建模和仿真的方法，以及对波形的采集、记录和分析。第 2 章 异步电机的数学模型2.1 异步电机的物理模型认真研究异步电动机的动态数学模型，是实现高性能的异步电动机直接转矩控制兰州理工大学毕业论文3系统的保证。异步电动机的动态数学模型和直流电动机
22、的动态数学模型相比有着本质上的区别，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的动态数学模型时，常作如下的假设：(1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间上互差 电角度，所产生的磁动势23沿气隙按正弦规律分布；(2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；(3)忽略铁心损耗；(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；无论异步电动机的转子是绕线型还是鼠笼型，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定、转子绕组匝数相等。这样，电机绕组就等效成图 2-1 所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线 A,B,C 在空间是固定的；转子三相绕组轴线 a，b，c 随转子旋转，转子 a 轴和定子 A 轴间的电角度 为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。ABCuAuBuC1uaubuc abc图 2-1 三相异步电动机的物理模型直流电动机的数学模型比较简单，其主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电动机的动态数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。为了能将异步电动机的动态数学模型等效变换成类似直流电动机的形式，需要引入坐标变换。坐标变换包括三相-两相变换和两相-两相旋转变换。不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下所产生的磁动势完全相同。
