电气工程及其自动化专业【毕业设计 文献综述 开题报告】电动汽车直接转矩控制系统分析与设计

电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 20_ _届本科毕业设计电动汽车直接转矩控制系统分析与设计摘 要由于世界能源危机和环境污染的加重，清洁环保的电动汽车 EV 逐渐成为人们主要研究开发的对象。直接转矩控制技术是二十世纪80年代中期开展起来的一种对电机控制的新技术。它是继矢量变换控制技术之后开展起来的的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术，以其新颖的控制思想和简洁的系统及优良的动静态性能得到了迅速的开展。本论文主要研究和分析直接转矩控制根本原理，并利用图形仿真工具MATLAB/simulink完成了对直接转矩控制系统的近似六边形磁链控制方法的仿真实验。在仿真中分析了转矩对系统控制性能的影响，关键词：电动汽车 直接转矩控制 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目录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1背景11.2.1 电动汽车的优势11.2.2电动汽车开展状况2-511.3电动汽车驱动系统中各种电机性能比拟21.4直接转矩控制的常用方法31.4.1电动汽车的驱动系统42 直接转矩根本理论62.1交流异步电机的数学建模62.2 异步电机空间矢量等效电路82.3 坐标变换92.3.1坐标变换的根本思路92.3.2三相-二相变换3/2变换92.3.3 静止两相-旋转两相正交变换2s/2r变换122.4 逆变器的数学模型及空间电压矢量132.5电压空间矢量PWMSVPWM控制技术磁链跟踪控制技术162.5.1 Park矢量变换162.5.2 电压空间矢量对电机转矩的影响193 直接转矩系统MATLAB/SIMULINK仿真213.1 MATLABSIMULINK仿真软件介绍223.2 异步电机的matlab仿真243.3 定子磁链观测模型对直接转矩控制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转矩计算模型283.4.2 转矩调节器ATR293.5 磁链自控单元294 直接转矩控制仿真结果304.1 各个模块的仿真及结果304.2 仿真结论355 参考文献366致谢38附 录391 绪论电动汽车具有低噪声、零排放、高效率、节能及能源多样化和综合利用等显著优点, 成为各国开发的主流。电动汽车的开展有赖于技术的进步, 尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能。电动汽车是一个新的行业，虽然已开展了几十年，但在我国根本上还是一个新生事物，按其开展可分为以下三种类型，即纯电动汽车PEV 、混合动力汽车HEV以及燃料电池电动汽车FCEV和派生出的一种外接充电式混合动力汽车Plugin。丰田、通用、日产、雷诺等世界大汽车公司以及我国的众多汽车公司都纷纷规划电动汽车的开展方向，推出各种电动汽车。电动客车的相关技术在国际上还是处于比拟领先的位置，但电动轿车与国外相比拟还根本上处于同一水平上，所以加大对电动汽车相关技术的研究和资金投入、还有相关政策上的资助是在我国大力开展电动汽车的关键所在。1.2.1 电动汽车的优势电动汽车与传统的燃油汽车相比拟其最大的优势在于其运行本钱，普通轿车每一百公里它的消耗为7升，按现在93号汽油的油价6.23元计算，约为43.61元/100Km.，而电动汽车按每度电0.6元，经测算约为13.25元/100Km。举个例子如比亚迪纯电动汽车，快速充电站充电小时可充电57度，可行驶达300公里，每一百公里只要11.4元，奇瑞生产的一款纯电动汽车，一次充电可续行里程120150公里，每百公里仅耗电811度，每百公里仅仅只要6元 1 。电动汽车的运行本钱只是普通轿车的三分之一，所以在运行费用方面电动汽车是相当竞争力的。还有，电动汽车的制造本钱及技术要比传统的燃油汽车价格更低。第三，电动汽车的售后效劳工作建设比方建设充电站和对电池的更新换代技术等等。最后国家对电动汽车的大力扶持和相关的优惠政策，电动汽车在我国及世界范围内的开展潜力无穷。1.2.2电动汽车开展状况2-5丰田、通用、日产、雷诺等世界大汽车公司以及我国的众多汽车公司都纷纷制订电动汽车开展方案，推出各种电动汽车。目前，日本已经开发出了一些比拟成熟的电动汽车。例如日本庆应义塾大学2004年与38家企业合作，开发出了时速可达370公里的电动汽车“E liica。三菱汽车公司2021年6月宣布开发出轻型电动汽车“i-M iEV。它采用高性能锂电池，一次充电可以行驶160公里，充电需7小时，如使用快速充电器，约30分钟就可充电80%。但由于电动汽车中的电池及快速充电等相关技术这些汽车的价格要比普通燃油汽车高出很多。技术及本钱问题是电动汽车开展普及所面临的最大障碍。一次充电的最大行驶距离提高至300公里，将大大促进电动汽车的推广和普及。日本有关人士认为，由于电动汽车价格高昂，且相关根底设施不完备，所以目前仍不能完全普及，电动汽车产业高速开展尚需时日。德国政府于2021年8月公布了“国家电动汽车开展方案，目标是至2021年使德国拥有1 100万辆电动汽车。欧盟轮值主席国西班牙首相萨帕特罗2021年表示，作为未来经济开展战略的一个组成局部，欧盟将出台方案大力推动电动汽车的研发和使用。法国总统萨科齐在2021年的巴黎国际车展上宣布，政府会投入4亿欧元，用于研发新能源汽车。与兴旺国家相比，中国开展电动汽车虽稍晚，但在这方面正迎头赶上西方同行。比亚迪、吉利、东风、长安等汽车厂家开始顺势而上，大力开展电动汽车。比亚迪是我国开展电动汽车的排头兵，已推出了新能源车F3DM双模混合动力电动汽车和纯电动汽车e6，并积极筹划把这两款车投放到欧洲市场。e6纯电动汽车，一次充电能跑330公里，没有任何污染排放，车体大，适合作公务用车和出租车，而且这款车动力强劲，造型和四轮驱动的设计都非常符合潮流。2021 年以来，受国家政策导向影响，我国许多省市纷纷鼓励本地企业增加投资、扩大电动汽车产能，仅上海、重庆、吉林、北京四省市2021 年的规划产能就达近50 万辆。虽然国内电动汽车取得了一定成绩但是中国纯电动汽车的开展存在多方面的问题：整车产品在续驶里程、可靠性和工程化上仍落后于国外先进产品：电池的平安性、可靠性、使用寿命等还不能满足整车要求；电机、电池所需局部部件、材料需进口，同时控制器根底硬件、高速CAN网关和信号处理放大部件等也依赖进口；电动附件还没有成熟的产品可用，本钱高并依赖进口。在电动汽车电机驱动系统中主要用到的电机有直流电机和异步电机，也有新型的永磁无刷电机和开关磁阻电机。早期电动汽车驱动系统多采用直流电机驱动系统但是随着对交流电机控制技术的开展，因交流电机很多优越性，电动汽车的电机主要朝异步电机开展。现介绍各种电机性能6如表1-1所示。表1-1 各种电机性能直流电机异步电机永磁无刷电机开关磁阻电机优点控制简单，只要电压控制，动态调速性良好，不需要检测磁极位置，小功率电机制造价格低，技术成熟。结结构简单，造价低，质量小，体积小，运行可靠，转矩脉冲小，噪声低，转速极限高，不需要位置传感器，调速范围大，转矩波动小，维护简单，控制技术成熟。体积小，重量小，响应快，功率和能量密度高，低速输出转矩大，效率高，维护简单。结构简单，效率高，启动转矩大，适合高速运行，价格低，免维护。缺点有电刷和换向器，结构复杂，不适合高速，大转矩运行，效率低，环境适应性差，维护难，容量增大造价大幅增加且制造困难。控制复杂，容量小时效率降低，制动困难。高速运行时比交流电机复杂，需检测转子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价偏高。噪音大，输出转矩脉冲大。电动汽车与其它电力拖动系统不同，它需要经常变换运行方式，尤其在城市行驶状态下，这就要求电机驱动系统响应迅速、调速范围宽、性能稳定。从表1-1可以看出，在采用适宜的控制策略条件下，永磁无刷电机，交流异步电机都能满足这种要求，而开关磁阻电机，直流电机，相对来说有些缺乏，另外开关磁阻电机由于转矩波动和电机噪音过大，在电动汽车中没有获得广泛的应用。永磁无刷电机具有相比照拟高的功率密度，它的控制方式和感应电机根本相同，这种电机具有较高的能量密度和工作效率，其体积小、惯性低、体积小响应快，很适合于电动汽车的驱动系统，但其缺点也很显然，即驱动电路过于复杂，本钱过高，还处于实验阶段。目前在电动汽车领域中应用较多的是异步电机，它主要的优点是性能稳定、调速范围较宽。鼠笼异步电机质量小，结构及维护简单，其运用在电动汽车上的传动效率高于82，在同样电池容量的情况下，大大提高了电动汽车的持续续航能力。通过对各种电机的性能进行比拟，本次论文设计将选定用异步电机作为电动汽车直接转矩控制的对象。传统的直接转矩控制,利用磁链和转矩滞环比拟的方式实现了对定子电压的直接控制,防止了坐标变换的繁琐,简化了控制系统。但是,这种控制方式在一个控制周期内,只有一个7-8电压矢量作用在电机上,这就导致了控制过程中转矩脉动大,低速性能不理想、采样频率要求较高等缺点,即使采用多级滞环或离散空间电压矢量调制的方法,仍难以从根本上解决这些问题,因此限制了直接转矩控制技术在电力机车低速段的控制性能。常见的直接转矩控制方法有：1基于定子磁链直接转矩控制9-12：将电磁转矩的设定值与反应值的误差通过PI 调节器,输出一个为消除转矩误差所需要的转差角频率 定、转子相对角速度 ,与转速的反应值通过叠加可以获得定子在下个周期的平均角转速,算出下周期定子磁链的角度。根据给定的磁链目标值并结合反应值,通过磁链方程可求出作用在逆变器上的电压矢量。2基于开关表的直接转矩控制13-16：永磁同步电机直接转矩控制系统施加的电压可通过开关表、PI 调节器和滑模变结构控制器得到。目前研究和应用较多的是基于开关表的直接转矩控制系统。3基于电流励磁直接转矩控制方案17-19：此方法能减小铜耗和转矩脉动, 但是它是基于d - q坐标变换,对转矩的动态响应慢。采用六个布尔数值的组合来实现逆变器的控制, 即每个布尔数值控制对应的功率管。电动汽车的驱动是由电机代替传统的内燃机，根据驱动电机数目，可以把电动汽车的驱动方式归结为单电机和多电机方式20。1 单电机有传动系统如图1-2所示。 图1-2 单电机有传动系统其结构特征为：电机代替发动机仍采用燃油汽车传动系统有电机前置前桥驱动和电机前置后桥驱动等各种驱动模式结构复杂，效率低，不能充分发挥电机最用2 单电机无传动系统如图1-3所示。图1-3 单电机无传动系统其结构特征为：在电机的前盖处装置变速器，差速器等驱动总成，形成电机-驱动桥组合驱动系统有电机前置前桥驱动和电机后置后桥驱动等驱动模式结构紧凑，效率高3 单电机无差速器系统如图1-4所示。图 1-4 单电机无差速器系统其结构特征为：1电机为相反电机，在电机的前盖处装置变速器，但无差速器，电机有一空心轴，驱动桥的一个半轴从空心轴通过2有电机前置前桥驱动和电机后置后桥驱动等驱动模式。3结构更紧凑，效率更好4 多电机方式如图1-5所示。图 1-5 多电机方式其结构特征为：1电机装在车轮轮毂中，有4乘2及4乘4两种布置，车载计算机系统控制各个轮子的同步转动或者差速转动。24乘2布置有双前轮驱动和双后轮驱动：4乘4布置可实现四轮驱动。3可腾出大量空间，方便布置注：1-电机;2-离合器；3-变速器；4-传动轴；5-驱动桥；6-电机驱动桥组合驱动系统；7-电机驱动桥整体式驱动系统；8-轮毂电机分散式驱动系统；9-转向器。2 直接转矩根本理论数学模型是为了能够描述实际系统中各个物理量之间的关系及其性能，是对被描述系统的近似模拟运算，为了认识和分析电机的运动规律及各变量之间的关系，必须建立电机的数学模型。直接转矩控制系统通常是在静止两相坐标系中观测磁链和转矩值来控制转矩大小。在假设定子中不计饱和及铁损，三相绕组是对称的，气隙磁势及磁通在空间中作正弦分布的条件下数学模型描述如下21-24：电压方程： 2-1 2-2磁链方程： 2-3 2-4消去公式2-1与2-4中的is和ir，可以得到以定转子磁链和为状态变量的状态方程： 2-5转矩方程： 2-6在实际运行中，保持定子磁链为额定值，以便充分利用电机，而转子磁链幅值由负载决定。由式 2-6 可知，当维持定子磁链和转子磁链的幅值都恒定不变时，只要改变它们两者之间的夹角就可以改变转矩大小，实际上这就是直接转矩控制之所以简单的根本原因。运动方程： 2-7式中，为电机轴上的负载转矩；J为转动惯量。此外，电磁转矩也可以用定子磁链和定子电流的形式来表示： 2-8各个电机参数的具体意义：电机的转子磁链； -电机的定子磁链；电机的定子电阻； -电机的定子电压： -电机的定子电感： -电机的转子电阻； -电机的定子转子的互感 -电机的转子电感； -电机的电角速度； -电机的极对数： -电磁转矩； -磁通角； 电机漏感系数。2.2 异步电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，如图2-1所示。 图2-1 异步电机空间矢量等效电路异步电机在定子坐标系中由以下方程表示： 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 式中：、-定子和转子磁链空间矢量；、-定子电压和电流空间矢量；-定子磁链与转子磁链之间的磁通角。L-定子电感；-转子漏感；-定子电阻；2.3 坐标变换 异步电机三相原始动态模型相当的复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必须用到的简单的根本方法就是坐标变化。异步电机数学模型之所以那么复杂，主要是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们表达出异步电机的电磁耦合和能量转换之间的复杂关系。因此，要简化数学模型，首先需要从电磁耦合关系入手。在三相对称的交流电机静止绕组A、B、C中，通以三相平衡的正弦电流iA,iB,iC时，所产生的合成磁动势是一个旋转磁动势F,它在空间中呈正弦分布，并以同步转速顺着A-B-C的相序旋转，如图2-2所示。 图2-2 三相坐标系和二相坐标系物理模型然而，并不只是三相才能产生旋转磁动势，除了单相外，二相，三相，四相任意多相对称绕组，通以平衡的多相电流时都能产生旋转磁动势，当然以两相为最简单。当没有零线时，三相变量中只有两相为独立变量，这就可以消去多余的一相。因此三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组来等效代替，等效的原那么是产生相等的磁动势。图a中两相绕组，通以两相平衡交流电源，也能够产生旋转的磁动势。当三相绕组和两相绕组产生的两个旋转磁动势大小转速相等时，即可认为两相绕组和三相绕组为等效绕组，这就是3/2变换的思想。2.3.2三相-二相变换3/2变换从三相绕组A、B、C到两相绕组、之间的变换，称之为三相绕组坐标系和两相正交坐标系之间的变换，简称为3/2变换。图2-3中绘制出了ABC和两个坐标系中的磁动势矢量，在图中将两个坐标系原点重合，并将A轴和轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势均为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量都位于相关的坐标轴上。图 2-3 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量按照三相合成磁动势与两相合成磁动势相等的原那么，故两绕组磁动势在、轴上的投影大小都应该相等，因此 2-14 2-15 写成矩阵形式，得 2-16 按照变换前后总功率不变，可以证明，匝数比为： 2-17 带入式2-16，得- 2-18 令表示从三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵，那么 2-19 利用的约束条件，将式2-19扩展为 2-20 式2-30第三行的元素取做，使相应的变换矩阵 2-21 为正交矩阵，其优点在于逆矩阵的转置。由式 2-30 求得的变换 2-22 再除去第三列，即得两相正交坐标系变换到三相坐标系简称2/3变换的变换矩阵 2-23 考虑到，带入式 2-19 并整理后得 2-24 在上述条件下同理可以推导出磁链变换矩阵和电压变换矩阵。2.3.3 静止两相-旋转两相正交变换2s/2r变换从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标dq的变换，称做静止两相-旋转正交变换，简称2S/2R变换，其中R表示旋转，S表示静止，变换的原那么同样是产生相等的磁动势。图2-4中绘出了在和dq坐标系下的磁动势矢量，绕组的每相有效匝数均为N2,磁动势矢量表示在相关的坐标轴系上。两相交流电流，和两个直流，产生相同的以角速度旋转的合成磁动势F。图2-4静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量由图6-6可见，和，之间存在以下关系： 2-25 写成矩阵形式，得 2-26 因此，静止两相坐标系到旋转正交坐标系的变换矩阵为 2-27 那么旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵是 2-28 即 2-29 电压和磁链的旋转变换矩阵与电流旋转变换矩阵相同。2.4 逆变器的数学模型及空间电压矢量 在交流异步电动机的变频调速系统中，逆变器是其中的一个重要的部件，对电机的控制主要是变成通过对逆变器的控制来实现，逆变器有电流型和电压型两种，在直接转矩控制和三相PWM整流器中，采用的都是是电压型逆变器，如图2-5所示为三相二点式电压型逆变器为异步电机提供电能的示意图，O点为电源的中性点，N为异步电机的中性点，图中用开关来简化表示功率器件的开关管。图 2-5电压型逆变器示意图一个三相二点式电压型逆变器由三个桥臂和六个开关组成。由于在同一个桥臂上两个开关不能同时接通或者关断，故它们之间互为反向状态，当一个接通时另一个那么断开，因此三个桥臂开关共有种可能的开关组合。我们习惯上把上桥臂导通时用“1来表示，而下桥臂导通时用“0表示，所以每个桥臂有“1、“0两种状态，这8种工作状态可见表2-1。 表2-1 电压逆变器的8种根本开关组合状态01234567Sa01100011Sb00111001Sc00001111根据图2-5的电压逆变器示意图，可见式 2-30 ： 2-30 由于假设电机三相定子绕组和转子绕组在空间均匀对称分布，那么就可以得，所以根据式 2-30 可得： 2-31 把式14代入式13中，得到式 2-32 ： 2-32 有根据图2-5 的电压逆变器示意图得： 2-33 综合式 2-32 和 2-33 得到逆变器输出的相电压和开关矢量之间的关系。 2-34 式中 图 2-5 中，电机的三相绕组接成星形，在恒幅值变换的原那么下，其输出电压矢量的Park矢量表示式为： 2-35 从式 2-34 和2-35可以看出，此时电压矢量与电机的中点电压无关，而只是与三个桥臂的开关矢量和直流母线电压有关，在直流母线电压不变的情况下，电压空间矢量是开关矢量的函数。将的8种开关状态对应的代入式18中，可以得到电压型逆变器的8个根本输出矢量U0U7，其定义见表4-2，其中u0和u7是零矢量，表示A、B、C三相桥臂的上桥臂和下桥臂同时导通，相当于将电机定子三相绕组短接。其余的u1u6称为非零矢量，这6个非零矢量均匀的分布在坐标平面上。各个矢量相差，幅值为，这些电压矢量的空间分布图，如图2-6所示。例如：对于开关矢量 ，代入式17中得到： 2-36将代入式18中得： 2-37对照图2-6可知，位于轴的负方向上，即和轴的夹角为。依次计算各开关矢量的电压空间矢量，就可以得到图2-2的电压矢量的空间分布图。表2-2种根本输入矢量表SaSbScU0000U1100U2110U3010U4011U5001U6101U7111图 2-6三相电压型逆变器的电压空间矢量总之，电压型逆变器的六个工作电压给出了六个不同方向的电压空间矢量，它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间的相差电压空间矢量的幅值不变，都等于，其中为直流母线电压，因此六个电压空间适量的顶点构成了正六边形的六个顶点，六个电压矢量的顺序为，它们依次顺序按照逆时针方向旋转。零电压矢量位于六边形的中心。2.5电压空间矢量PWMSVPWM控制技术磁链跟踪控制技术经典的SPWM控制主要控制目标是使变压变频器的输出电压尽量接近于正弦波，并没有考虑到输出电流的波形变化。而电流跟踪控制技术那么直接控制输出电流波形，使它的值控制在正弦波附近，这就比正弦电压控制先进很多。但是作为交流电动机输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间中形成近似圆形旋转磁场，从而来产生一个恒定的电磁转矩。现在把逆变器和交流电动机合为一体，以近似六边形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作情况称为“磁链跟踪控制，要实现磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量来实现的，因此又之称“电压空间矢量PWM控制。2.5.1 Park矢量变换在对电机进行分析和控制时，运用Park矢量变换对三相电压进行处理，将三维标量变成二维矢量。三相异步电机中对称的三相物理量如图2-7所示。当时，与A轴同向，时，与A轴反向，B、C两相也同样如此。选三相定子坐标系的A轴与Park矢量复平面的实轴重合， 那么Park矢量Us为： 2-38 矢量成为Park矢量，它在某一时刻值代表三相电磁量合成作用在坐标系的空间位置，所以成为空间矢量。图2-7 电压空间矢量在三相异步电机中空间磁动势矢量，磁通矢量，磁链矢量与电流相，电压相关，所以定义电流空间矢量和电压空间矢量，它们分别表示三相电流和三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。对于一个空间矢量可以由两个正交的坐标表示，所以三相电机又可以转换成两相电机模型，从而可以更方便的分析问题。图2-5中，开关的8种组合对应理想电压型逆变器的8个电压状态，其中的组合111，000为零电压状态。如果用空间电压矢量来表示，那么就形成了8个离散的电压空间矢量。图2-6所示为8个空间电压矢量的分布图，其中000，111状态对应于坐标系的原点。其它空间矢量的幅值都等于4E/3。电压空间矢量的顺序从状态“1到状态“6按逆时针方向旋转，那么所对应的开关状态100-110-010-011-001-101。零电压矢量000，111那么位于正六边形的中心点。电压空间矢量对定子磁链的造成的影响由定子电压方程： 2-39 推导出定子磁链的表达式： 2-40 上式就是通常我们所说的定子磁链U-I模型。为便于磁链的计算，可以将定子磁链方程在静止的-坐标系上分解，那么有以下两个分量方程： 2-41a 2-41b 这样定子磁链矢量的计算就变成了标量计算。如果再忽略定子电阻压降的影响，那么方程 2-40 可简化为： 2-42 当电机处于三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值的将大小不变，其空间矢量在坐标系中恒转速旋转，磁链矢量的顶端运动轨将近似迹呈为圆形。定子磁链旋转矢量为： 2-43 式中 -定子磁链矢量幅值 -定子磁链矢量的空间角度将69对t求导得 2-44 式 2-44 说明，磁链幅值的大小等于电压与频率的比值，的方向和磁链矢量为正交关系，即磁链圆的切线方向，如图2-8所示。当磁链矢量在空间坐标系中旋转一周时，电压矢量也会连续地按磁链圆的切线方向运动2个弧度，假设将电压矢量的参考电压矢量的参考点放在一起，那么电压矢量的轨迹也将会是一个圆如图2-9所示，所以电机旋转磁场的轨迹问题就可以转换成电压空间矢量的运动轨迹问题了。图2-8 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图2-9电压矢量圆轨迹2.5.2 电压空间矢量对电机转矩的影响从上面的的分析可知，转矩对转速的影响起决定性的作用，转矩控制性能的好坏也将直接关系到直接转矩控制系统的动、静态的性能好坏。 2-45 由2-45式说明，电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链的幅值以及它们之间的夹角共同决定的。1当所施加的电压矢量超前于当前定子磁通时，转矩增加。2当所施加的电压矢量落后于当前定子磁通时，转矩减小。在实际直接转矩控制系统中，为了能完全利用电机的铁芯，都会采取保持定子磁链幅值为额定值，而转子磁链幅值由负载决定，改变转矩大小是通过改变磁通角的大小来实现。在实际的控制方法中，用电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，使得定子磁链走走停停，从而控制定子磁链的平均旋转速度的大小，也就是控制了磁通角的大小，最终有效的控制电机转矩大小。图 2-6三相电压型逆变器的电压空间矢量 图2-10电压空间矢量如图2-10 所示，假设tl时刻的定子磁链为，转子磁链为，磁通角为。假设从t1时刻开始给定子施加一个电压矢量，那么定子磁链的空间矢量从位置旋转到位置。而转子磁链的旋转速度因为不受这期间内定子频率的平均值的影响。因此从tl时刻到t2时刻，定子磁链的旋转速度要大于转子磁链旋转的速度，磁通角由变大为，相应的转矩也会跟着增大。如果从t1时刻到t2时刻此时给出的矢量为零电压空间矢量，那么定子磁链空间矢量的位置将保持静止不旋转，但是此时转子磁链空间矢量却还以的速度旋转，从而磁通角将变小，跟着转矩也将变小。所以合理的控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替使用，就能控制定子磁链空间矢量平均值的大小。直接转矩控制就是这样通过瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。3 直接转矩系统MATLAB/SIMULINK仿真图 3-1直接转矩控制系统根本思路图其中AFC为定子磁链观测模块；C3/2为静止三相坐标系ABC向静止两相坐标系变换矩阵，是静止两相坐标系向三相静止坐标系变换矩阵；DSC为磁链自控制单元；VSI为电压型逆变器；AZS为零矢量控制单元；ATC为转矩估计器；ATR为转矩调节器。转矩的大小通过控制区段电压矢量和零电压矢量的交替作用来控制。零矢量控制单元AZS提供零电压矢量信号。它的给出时间由开关S来控制。开关S又由转矩调节器ATR的输出信号TQ来控制。当转矩误差时，ATR输出信号TQ变为1态，控制开关S接通“磁链自控制单元DSC输出的磁链开关信号，将区段电压矢量加到电动机上，使定子磁链矢量旋转，瞬时转差角增大，转矩增大。 当转矩误差时，ATR输出信号TQ变为0态，控制开关S接通零矢量控制单元AZS提供的零电压矢量信号，将零电压矢量加到电动机上，使定子磁链矢量在空间上停止不动，瞬时转差角频率减少，转矩减少。这样在定子磁链轨迹自控制为六边形过程中，利用转矩的直接自调节作用，使区段电压矢量与零电压矢量交替作用于电动机，控制定子磁链矢量走走停停，从而使转矩动态平衡保持在给定值的的误差范围内。这样既控制了转矩，又形成了PWM的调节过程25。3.1 MATLABSIMULINK仿真软件介绍最为现在世界上第四代最流行的计算机语言，Matlab软件语言系统是一种面向科学工程计算的高级语言，由于它在科学计算、网路控制、信号处理、神经网络、自动控制等功能于一体，是一种高级的数学分析与运算软件，可用作于动态系统的建模及其仿真。目前，电机控制系统不断有新的控制算法被采用变得越来越复杂，。作为仿真是对其进行研究的一个重要的且方便而不可缺少的一种手段。Matlab的仿真研究功能被方便地应用在各种科研过程中。作为MATLAB功能中的重要组成局部，Simulink具有相对独立的功能和使用方法。它是MATLAB的一个附加组件，为用户提供了一个更加直面方便的建模与仿真的工作平台。Silllulink的模块库为用户提供了内容丰富的的功能模块。然而，对于电气传动研究人员来说，如何能快速准确地对电路以及更复杂的电气系统进行仿真这是一种不得不考虑的问题，如果各环节用简化传递函数来表示，那么有很多多重要环节将会被忽略而MATLAB中的电气系统模块库 Vower System Blockset 解决了这个问题。如图3-4所示为电气模块。电气系统模块库以Simulink为运算环境。涵盖了电路、电力电子、电力传动和电力系统等电工学科中常用的根本元件和系统的仿真模型。它由电源模块库、根本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库、连接模块库、测量模块库等6个子模块库组成。如图3-3所示在这6个根本模块库的根底上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库中去。本次设计除了用到图3-4图3-2中的模块外还会用图到3-2中的最为重要的simulink模块。图3-2 MATLAB中的simulink模块图3-3 MATLAB中的电气系统模块库图3-4电气模块中的电机局部3.2 异步电机的matlab仿真如图3-5为异步电机的仿真图，在仿真中将观察在不同转矩的情况下转子电流，转速及转矩输出情况。图3-6是Tm 1-80阶跃转矩变换时的转子电流，转速及转矩变化曲线。图3-7是Tm 为随机信号表示随机转矩变换时的转子电流，转速及转矩变化曲线。图 3-5 异步电机仿真模型图3-6Tm 1-80阶跃转矩变换时的转子电流，转速及转矩变化曲线图3-7Tm 随机转矩变换时的转子电流，转速及转矩变化曲线仿真结果：电机直接起动时,起动电流很大,经过振荡后,趋于平稳;起动过程中转速上升很快,但有超调;起动转矩有明显的振荡现象。当电机带动随机负载时输出转矩，转速变化较大。3.3 定子磁链观测模型对直接转矩控制DTC性能的影晌直接转矩控制与矢量控制的最大不同之处是直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型从而控制电机的磁链和转矩大小。本文主要是对定子磁链进行闭环控制因此磁链观测模型直接关系到磁链观测的准确性，而磁链观测的准确性又将会对DTC的控制性能的好坏产生影响。下面主要分析和研究三种不同定子磁链观测模型对异步电机DTC控制性能的影响25。3.3.1 u-i模型由异步电动机的空间矢量等效电路可得定子磁链的一种简单的计算公式为：用该式确定异步电动机的定子磁链，在计算过程中唯一所需知道的参数是异步电机的定子电阻，假设有足够精度检测出定子电压与定子电流，实现起来会很简单。如图3-8为MATLAB中的仿真模型。图3-8 u-i模型结构图上图模型在30额定转速以上时，能够比拟准确确实定定子磁链，并且结构简单，鲁棒性能强。但是在低速时定子电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链观测的准确性会有较大的影响。3.3.2 i-n模型在转速较低时可采用i-n模型，该模型的定子磁链由定子电流与转速来确定。定子磁链方程式如下所示： 3-1 3-2式中：，定子磁链和转子磁链在-坐标系下的分量。从式中可以看到该模型计算定子磁链时将不受定子电阻变化的影响，但是却会受定子电感，转子电阻，转子电感以及互感的影响。该模型结构比拟复杂，同时跟转子参数又有关联，并且要求精确地测量出角速度，而角速度的测量值的误差对该模型的结果影响又很大。3.3.3 u-n 模型对上面两种模型比照分析可知，中高速时采用u-i模型较准确，而低速时采用i-n模型，这样在全速范围内对电磁测量就会有一个模型的切换过程，由于瞬间切换模型结构会对整个系统的动态性造成较大的影响为防止这种情况发生，可采用在全速范围内都实用的u-n模型磁链模型。该模型由定子电压和转速通过计算来获得定子磁链，而且使用了电流PI调节嚣，精度将很大的提高。它结合了前两种模型的优点，很好的解决了上下速的切换问题。但u-n模型实现起来比拟复杂，目前应用较少。本次仿真中将用到的定子磁链模型如图3-9所示图3-9定子磁链计算模型如图3-10所示为MATLAB中转矩计算模型。图3-10 转矩计算模型3.4.2 转矩调节器ATR在直接转矩控制系统中，对转矩的控制一般采用的是转矩两点式调节，即Bnag-Bnag调节器，如图3-11所示，FT是输出，是转矩误差带的宽度。转矩调节器的调节过程如下:其中是电磁转矩给定值，是电磁转矩的估计值。图3-11转矩调节器ATR根据这样的控制方式，就可以使电磁转矩在给定的范围内上下波动，如图3-12所示，为逆时针旋转时的情况，最终到达转矩直接控制的目的。图3-12电压空间矢量和电磁转矩控制3.5 磁链自控单元将三相轴系上的磁链分量，送进三个滞环比拟器，如图3-13所示。比拟值设定为待控制的定子磁链量。三个滞环比拟器分别输出开关变量，并将它们定义为磁链开关变量： 3-3式中，下表i分别表示a,b,c。将这三个滞环比拟器称为磁链自控制单元，它的功能是根据输入的abc三相周席上的磁链分量，输出一组磁链开关变量，并根据改组磁链开关变量决定一个区段电压矢量，实现定子磁链的六边形轨迹自控制。图 3-13 磁链自控制单元4 直接转矩控制仿真结果4.1 各个模块的仿真及结果如图4-1所示为异步电机直接转矩控制系统的近似六边形磁链控制方法的MATLAB仿真图。图4-1六边形形磁链控制系统的仿真现对仿真图中的各个模块及其波形作一个简单的介绍如以下图所示。由图4-2可以看出电机在启动时波形有一点波动在0.3秒以后电机转速趋于稳定并保持在1500转每分钟。结果稳定满足实验要求。由图可以看出电机输出转矩大小在刚启动时幅值变化很大，在0.3秒以后趋于稳定值，结果满足实验要求。图 4-4 定子三相电流通过3/2变换后的波形由图4-4可以看出定子三相电流通过静止坐标3/2变化后波形，在刚启动时电流幅值变化很大，在0.3秒以后幅值大小根本不变，输出稳定的正弦波形。图4-5定子磁链轨迹由于本实验不是在闭环条件下测试的，故定子磁链轨迹并不满足实验所要求的六边形磁链轨迹，但是在开环条件下，磁链由开始的不稳定到后来稳定成圆形，这满足了开环条件下的磁链轨迹。图4-6 定子电压3/2变化图在图4-6中前面两个波形是3/2变换后的在坐标系上的两个波形，后面3个分别表示定子三相电压Ua，Ub，Uc。从图中可以观察出定子电压变换前后波形都为正弦波形，结果满足实验要求。图4-7ATR开关信号ATR的原理图如3-11所示，由图中可以看出ATR能输出开关信“1“0正是这个信号给出了由开关信号决定的各种电压矢量与零电压矢量的切换，结果满足实验要求。图4-8 UCT中定子磁链2/3变换后的定子磁链波形UCT的功能主要是将在坐标系的两相定子磁链转换到ABC三相坐标系中，以便于磁链自控制。由图4-8可以看出转换后的波形稳定呈正弦状，结果满意实验要求。图4-9 DCS模块输出波形在DCS中由图4-8UCT产生的磁链波形与定子磁链给定值通过比拟产生一个磁链开关变量，这个开关变量将通过开关选者这个功能模块产生正确的电压开关矢量。在图中可以看出磁链开关变量能正确产生满足实验要求。图4-10电压逆变器这个模块的功能是由G获得开关信号再由这个信号产生电压空间矢量为异步电机提供电源信号。图4-11为逆变器输出的Ua，Ub，Uc三相电源信号。图 4-11 Ua，Ub，Uc三相电源信号4.2 仿真结论本次仿真总体上是令人满意的，在开环的条件下能成功实现直接转矩近似六边形磁链控制的各个模块的功能，但是由于本人对MATLAB认识能力有限对异步电机直接转矩控制模型并不能完全的在软件上搭建成功这导致了在实验闭环条件下无法按照理论去实现。通过仿真我对异步电机直接转矩近似六边形磁链控制系统有了更深的了解，同时通过对异步电机仿真模块的建立也掌握对MATLAB软件的使用。5 参考文献1 王书贤, 邓楚南. 电动汽车用电机技术研究 J . 微电机,2006, 39 8 : 83-85.2 潮 轮,电动汽车正成为世界潮流. 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