三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告
摘要：利用直接转矩控制( DTC )理论，研究异步电动机直接转矩控制调速系统的基本组成
和工作原理，建立了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用MATLAB /Simulink软件对异步电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真。结果表明: DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。
关键词：异步电机；直接转矩控制；MATLAB仿真
1 引言
自从20世纪70年代矢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。所谓矢量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制,通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。
直接转矩控制(Direct Torque Control DTC)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，采用电压矢量分析方法直接在静止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，摒弃了矢量控制中的解藕思想，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矢量，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，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。
2 三相异步电机的直接转矩控制系统组成
三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图1所示，其仿真模型如图2所示，模型由7个主要模块组成：三相不控整流器（Three-phase diode rectifier）、Braking chopper、三相逆变器（Three-phase inverter）、测量单元（Measures）、异步电动机模块（Induction machine）组成系统的主要电路；转速控制器（Speed Controller）和直接转矩控制模块DTC，其中主电路模块和转速控制模块结构基本与磁场定向矢量控制系统相同。
图1 直接转矩控制系统图标
直接转矩控制DTC模块结构图如图2所示，转矩给定Torque*、磁通给定Flux*、电流I_ab和电压V_abc输入信号都经过采样开关，DTC模块包括转矩和磁通计算、滞环控制、磁通选择、开关表、开关控制等单元。DTC模块输出时三相逆变器Three-phase inverter开关器件的驱动信号。
直接转矩控制系统采用6个开关器件组成的桥式三相逆变器，该逆变器有8种开关状态，可以得到6个互差60°的电压空间矢量和两个零矢量。交流电机定子磁链Ψs受电压空间矢量us控制Ψs?∫usdt，因此改变逆变器开关状态可以控制定子磁链Ψs的运行轨迹，从而控制交流电机的运行。
图2
直接转矩控制系统模型结构图3 直接转矩控制模块结构
3 转矩和定子磁链计算
转矩和定子磁链计算（单元结构如图4所示，它首先将检测到的异步电动机三相电压V_abc和电流I_AB经模块dq_V_transform和dq_I_transform边换，得到二相坐标系（αβ）上的电压和电流，dq_V_transform和dq_I_transform变换模块结构如图5所示。
图4 转矩和定子磁链计算单元结构
定子磁链计算
定子磁链的模拟和离散计算式为
()
s s s s t
u R i d
αβαβαβ
ψ=-
?
(3-1)
(z1)
()
2(z1)
s
s s s s
KT
u R i
αβαβαβ
+
ψ=-
+(3-2)
式中，
s
u
αβ
和
s
i
αβ
为αβ两相坐标系上
的定子电压和电流，K为积分系数，
s
T为采样时间。
磁链计算采用离散梯形积分，模块phi_d和phi_q分别输出定子磁链的α和β
轴分量
sα
ψ和
sβ
ψ，
sα
ψ和
sβ
ψ经
Real_Imag to Compels模块得到复数形式表
示的磁链
s
ψ，并由Compels to
Magnitude_Angle计算定子磁链
s
ψ的幅值
和转角。
转矩计算
电动机转矩计算式为
3
() 2
e
s s s s
T p i i
βααβ
=ψ-ψ
(3-3)
式中，p为电动机极对数。
图5 abc/αβ坐标系变换模块结构
4 模块结构
磁通和转矩滞环控制器
电动机的转矩和磁链都采用滞环控制，
磁通和转矩滞环控制器（Flux＆Torque
hysteresis）结构如图6所示。转矩控制史三
位滞环控制方式，在转矩滞环宽度设为dTe
是，当转矩偏差*
(T T)
2
e
e e
dT
->+和
*
(T T)
2
e
e e
dT
-<-时，滞环模块/2
e
dT和
/2
e
dT
-分别输出状态“1”和“3”，当滞环模
块/2
e
dT和/2
e
dT
-输出为“0”时，经或非
门NOR输出状态为“2”。磁链控制是二位滞
环控制方式，在磁链滞环宽度设为dΨ是，
当磁链偏差*
()
2
e e
dψ
ψ-ψ>+和
*
()
2
e e
dψ
ψ-ψ<-时，模块dPhi分别输出状
态“1”和“2”。
磁链选择器
直接转矩控制将磁链空间划分为6个区
间，磁链选择模块
s
ψ的位置角?，判断磁
链
s
ψ运行在哪一个分区。磁链选择器结构
如图7所示，模块输入时磁链计算模块输出
的磁链位置角angle，通过计较和逻辑运算
输出磁链所在的分区编号。
图6 Flux＆Torque hysteresis模块
图7 磁链选择器模块结构开关表
表1 Lookup Table表格
H phi状态H Te状
态
磁链选择器状态
1 2 3 4 5 6
1(Flux=1) 1 2 3 4 5 6 1
2 0 7 0 7 0 7
3 6 1 2 3
4 5
1(Flux=-1) 4 3 4 5 6 1 2
5 7 0 7 0 7 0
6 5 6 1 2 2 4
图8 switching table开关表
开关表（switching table）（如图8）用于得到三相逆变器6个开关器件的通断状态，它由两张Lookup Table表格（Flux=1和Flux=-1）和三个多路选择器组成。两张Lookup Table表格对应的输出见表1.表格输出加1后通过选择开关2（Multiport Switch2）输出对应的6个开关器件的8种开关状态V0~V7，其中包含了两种零状态V0和V7。
开关表中，Magnetisation模块结构如图9所示，其作用是将磁链反馈值与设定值比较，当反馈值大于设定值时，S-R flip-flop 触发器Q端输出“1”，当反馈值小于设定值时，S-R flip-flop触发器Q端输出“0”，从而控制电动机启动时逆变器和转速调节器工作状态，使电动机启动时产生初始磁通。
图9 Magnetisation模块
开关控制模块
开关控制模块（如图10）包含了三个D
触发器，目的是限制逆变器开关的切换频
率，并且确保逆变器每相上下两个开关处于
相反的工作状态，开关的切换频率可以在模
块的对话框中设置。
图10开关控制模块5 仿真结果
图11 直接转矩控制系统仿真模型
异步电动机直接转矩控制系统仿真模型如图11所示，系统由三相交流电源、直接转矩控制系统模块和检测单元等模块组成。三相电源线电压360V、60HZ，电源内阻Ω，电感。电动机额定参数：149kW、360V、60HZ，系统由转速和转矩两项输入，在调速的同时负载转矩也在发生变化。转速和转矩给定实用离散控制模型库Discrete Control Drive中的timer模块，Speed reference设定值为：t=0s、1s时转速分别为
500 r/min 、0r/min 。Torque reference 设定值为：t=0、、时转矩分别为0 N*m 、792 N*m 、-792N*m 。
模型采用混合步长的离散算法，基本采
样时间Ts=μs ，转速调节器采用时间为μs 。仿真得到的结果如图13所示。
a ）转速响应
b ）a
相定子电流
c)电磁转矩 图13 仿真结果
从仿真波形可以看到在t=0s 时，转速按设定的上升率（900r/min/s ）平稳升高，在启动时达到设定的转速500r/min 。在0~范围内电动机是空载启动，电动机电流为200A （幅值）；时加载792T ，电流上升为400A （幅值），加载时电磁转矩瞬时达到1200N*m ，但是在系统的控制下，加载对转速的上升和稳定运行没有明显影响。1s 后电动机开始减速，定子电流减小，并且电流频率下降。在t=时转速下降为0，这时转矩给定从792 N*m 变化为-792 N*m ，转速仍稳定为0r/min ，表明系统有很好的转矩和速度
响应能力。
6 小结
直接转矩控制系统利用MATLAB /Simulink 这一优良仿真工具可以方便地模拟异步电机磁链轨迹、电阻电压、电流、转速(角速度)以及电磁转矩等参数的情况。通过仿真可以看出,直接转矩控制系统具有动态响应速度快、稳态精度高、结构简单、易于实现等优点。通过建模的方式仿真研究电气传动系统对于控制系统的数字化实现具有重要意义和实用价值。
基于MATLAB／SIMULINK的异步电动机仿真模型分析 作者：尚敬 作者单位：西南交通大学,610031 刊名： 电机技术 英文刊名：ELECTRICAL MACHINERY TECHNOLOGY 年，卷(期)：2002(2) 被引用次数：17次 参考文献(4条) 1.沈本荫现代交流传动及其控制系统 1997 2.陈坚交流电机数学模型及调速系统 1989 3.阮毅异步电机非线性解耦控制与矢量控制系统的解耦性质 1996 4.陈桂明应用MATLB建模与仿真 2001 本文读者也读过(3条) 1.郑修艳.曹立莉.杜冠华新型弹性蛋白酶抑制剂西维来司钠临床前药理及机制研究[期刊论文]-中国新药杂志2004,13(4) 2.贺超英.黄美成基于MATLAB/SIMULINK的鼠笼异步电动机仿真[期刊论文]-微电机2004,37(6) 3.周立求.沈记全基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机建模与仿真[期刊论文]-电机电器技术2003(4) 引证文献(12条) 1.陈四连,林瑞全,丁旭玮异步电动机变频调速系统的MATLAB建模与仿真[期刊论文]-电工电气 2009(11) 2.李建华基于S函数的异步电机SPWM调速系统建模与仿真[期刊论文]-机电技术 2007(04) 3.韩林,赵荣祥,柳鹏基于Saber Sketch/Scope的无刷直流电机仿真分析[期刊论文]-微电机 2004(05) 4.勇娅询,刘维亭,魏海峰,陈源船舶电力推进感应电机矢量控制系统仿真研究[期刊论文]-电气自动化 2015(5) 5.朱元玉,杨先海,董敏基于MATLAB的大型动态雕塑交流调速系统建模与仿真[期刊论文]-山东理工大学学报（自然科学版） 2009(06) 6.祝敏泵用电动机技术改进研究[期刊论文]-贵州师范大学学报（自然科学版） 2013(06) 7.赵射带指针指示的数字式显示记录仪[学位论文]硕士 2004 8.刘红星异步电机自适应矢量控制系统的研究[学位论文]硕士 2007 9.姜辉电动汽车传动系统的匹配及优化[学位论文]硕士 2006 10.王宏亮纯电动汽车整车建模与仿真[学位论文]硕士 2005 11.徐鲁辉绕线式异步电动机转子变频调速性能研究[学位论文]硕士 2011 12.郭爽静止进相器的仿真研究[学位论文]硕士 2006 引用本文格式：尚敬基于MATLAB／SIMULINK的异步电动机仿真模型分析[期刊论文]-电机技术 2002(2)
辽宁工业大学 实验室开放课题设计（论文） 题目：异步电动机机械特性的MATLAB仿真》 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化 131 学号： 0 ` 学生姓名：徐峰 指导教师：赵丽丽
起止时间：
摘要 异步电动机以其结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低等特点，在日常生活中得到广泛的使用。目前，电动机控制系统在追求更高的控制精度的基础上变得越来越复杂，而仿真是对其进行研究的一个重要手段。MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件，可用动作系统的建模和仿真。在分析三相异步电动机物理和数学模型的基础上，应用MATLAB软件简历了相对应的仿真模型；在加入相同的三相电压和转矩的条件下，使用实际电机参数，与MALAB给定的电机模型进行了对比仿真。 第一章对异步电机的实验要求做出了相关的描述，第二章对MATLAB仿真软件做了一定的介绍，第三章是对异步电动机的机械特性、启动、制动和正反转进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。 经分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本设计将结合MATLAB的特点，对三相异步电机进行建模和仿真，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。 关键词：异步电机、数学模型、MATLAB仿真、三相异步电动机
目录 第1章实验任务及要求 (1) 第2章 MATLAB及SIMULINK的介绍 (2) MATLAB介绍 (2) S IMULINK模块的介绍 (3) 第3章仿真实验 (4) 三相异步电动机的机械特性 (4) 三相异步电动机起动的仿真 (6) 三相异步电动机制动仿真 (8) 三相异步电动机正反转仿真 (10) 第4章总结 (12) 参考文献 (13) 附录 (14)
控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
直接转矩控制的基本原理和仿真研究 摘要：直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，在交流传动领域内发展迅速的一种高性能调速技 术，该控制方法以其思路新颖、结构简单及性能良好等优点引起了广泛关注和研究。与矢量控制技 术不同，直接转矩控制技术采用定子磁场定向，直接将磁通和电磁转矩作为控制量，对电磁转矩的 控制更加简捷快速，提高了系统的动态响应能力。由于直接转矩控制技术本身的固有优势，使直接 转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。本文将直接转矩控制技 术应用于异步电机中，从异步电机的数学模型出发，介绍了直接转矩控制技术的基本理论。在深入 剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化，在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形 磁链控制系统仿真模型。仿真结果表明，直接转矩控制技术动态响应能力快，控制方法直接，但是 低速性能较差，低速状态下存在转矩脉动过大，定子电流畸变严重等缺点。 关键字：直接转矩控制，异步电机，simulink The Basic Principle and Simulation Study of Direct Torque Control Kong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu
中国石油大学胜利学院综合课程设计总结报告 题目：三相异步电机直接启动特性实验模型 学生姓名：潘伟鹏 系别：机械与电气工程系 专业年级： 2012级电气工程专业专升本2班 指导教师：王铭
2013年 6 月 27日
一、设计任务与要求 普通异步电动机直接起动电流达到额定电流的6--7倍，起动转矩能达到额定转矩的1.25倍以上。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条的使用寿命。但在电网条件和工艺条件允许的情况下，异步电动机也可以直接启动。本次课程设计通过MATLAB软件建模模拟三相异步电动机直接启动时的各个元器件上的电量变化。 参考： 电力系统matlab仿真类书籍 电机类教材 二、方案设计与论证 三相异步电动机直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上。 由《电机学》知三相异步电动机的电磁转矩M与直流电动机的电磁转矩有相似的表达形式。它们都与电机结构（表现为转矩常数）和每级下磁通有关，只不过在三相异步电动机中不再是通过电枢的全部电流，而是点数电流的有功分量。三相异步电机电磁转矩的表达式为： （1-1）式中——转矩常数 ——每级下磁通 ——转子功率因数 式(1-1)表明，转子通入电流后，与气隙磁场相互作用产生电磁力，因此，反映了电机中电流、磁场和作用力之间符合左手定则的物理关系，故称为机械特性的物理表达式。该表达式在分析电磁转矩与磁通、电流之间的关系时非常方便。 从三相异步电动机的转子等值电路可知， （1-2） （1-3）将式(1-2)、(1-3)代入(1-1)得：
电气与电子信息工程学院 《计算机仿真及应用B》题目 学号： 姓名: 班级: 任课老师:
三相异步电动机的建模与仿真 一．实验题目三相异步电动机的建模与仿真 二．实验原理 三相异步电动机也被称作感应电机，当其定子侧通入电流后，部分磁通将穿过短路环，并在短路环内产生感应电流。短路环内的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有相位差，从而形成旋转磁场。转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生感应电动势和感应电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，从而实现能量转换。 三相异步电动机具有结构简单，成本较低，制造，使用和维护方便,运行可靠以及质量 较小等优点，从而被广泛应用于家用电器，电动缝纫机，食品加工机以及各种电动工具，小型电机设备中，因此，研究三相异步电动机的建模与仿真。 三.实验步骤 1. 选择模块 首先建立一个新的simulink 模型窗口，然后根据系统的描述选择合适的模块添加至模型窗口中。建立模型所需模块如下： 1) 选择simPowerSystems 模块库的Machines 子模块库下的Asynchronous Machine SI Units 模块作为交流异步电机。 2) 选择simPowerSystems 模块库的Electrical Sources 子模块库下的Three-Phase Programmable Voltage Source 模块作为三相交流电源。 3) 选择simPowerSystems 模块库的Three-Phase Library 子模块库下的Three-Phase Series RLC Load 模块作为串联RLC 负载。 4) 选择simPowerSystems 模块库的Elements 子模块库下的Three-Phase Breaker 模块作为 三相断路器，Ground 模块作为接地。 5) 选择SimPowerSystems 模块库的Measurements 子模块库下的Voltage Measurement 模块 作为电压测量。 6) 选择Sources 模块库下的Constant 模块作为负载输入。 7) 选择Signals Rounting 模块库下的Bus Selector 模块作为直流电动机输出信号选择器。 8) 选择Sinks 模块库下的Scope 模块。 9) 选择SimPowerSystems 模块库的Measurements 子模块库下的Three-phase V-I Measurements 用于创建子系统。 2. 搭建模块将所需模块放置合适位置，再将模块从输入端至输出端进行相连，搭建完的串电阻起 动simulink 模型如图 1 所示
控制系统仿真与设计实验报告 姓名： 班级： 学号： 指导老师：刘峰 7.2.2控制系统的阶跃响应 一、实验目的 1.观察学习控制系统的单位阶跃响应； 2.记录单位阶跃响应曲线； 3.掌握时间相应的一般方法； 二、实验内容 1.二阶系统G(s)=10/(s2+2s+10)
键入程序，观察并记录阶跃响应曲线；录系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率；记录实际测去的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论值比较。 （1）实验程序如下： num=[10]; den=[1 2 10]; step(num,den); 响应曲线如下图所示： （2）再键入： damp(den); step(num,den); [y x t]=step(num,den); [y,t’] 可得实验结果如下：
记录实际测取的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论计算值值比较 实际值理论值 峰值 1.3473 1.2975
峰值时间 1.0928 1.0649 过渡时间+%5 2.4836 2.6352 +%2 3.4771 3.5136 2. 二阶系统G(s)=10/(s2+2s+10) 试验程序如下： num0=[10]; den0=[1 2 10]; step(num0,den0); hold on; num1=[10]; den1=[1 6.32 10]; step(num1,den1); hold on; num2=[10]; den2=[1 12.64 10]; step(num2,den2); 响应曲线：
（2）修改参数，分别实现w n1= (1/2)w n0和w n1= 2w n0响应曲线试验程序: num0=[10]; den0=[1 2 10]; step(num0,den0); hold on; num1=[2.5]; den1=[1 1 2.5]; step(num1,den1); hold on; num2=[40]; den2=[1 4 40]; step(num2,den2); 响应曲线如下图所示：
太原科技大学 题目：直接转矩控制 专业：电气工程 班级：研1403 姓名：安顺林 学号：S2*******
直接转矩控制 摘要直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点，是交流调速领域中一种新颖的控制算法。直接转矩控制技术采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，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。本文从异步机数学模型出发，系统阐述了异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转矩的关系。针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。 关键字直接转矩控制，异步电动机 一直接转矩控制系统介绍 1.1 异步电动机调速系统的发展状况 在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的变频调速方式是采用v/f控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。 1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。 矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。 直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。
异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统[1]。在研究异步电机的多变量数学模型时，常作如下假设： (1)三相绕组在空间对称互差ο120，磁势在空间按正弦分布； (2)忽略铁芯损耗； (3)不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的； (4)不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 异步电机在两相静止坐标系上的数学模型： 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过程和规律。在实际过程中，系统可能太复杂，无法求得其解析解，可以通过仿真求得其数值解。计算机仿真是利用计算机对所研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者——人的思维过程和行为，进行动态性的比较和模仿，利用建立的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来。 系统仿真软件MATLAB 不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面有着其他类似软件难以匹敌的优势。界面友好，编程效率高，扩展性强。MATLAB 提供的SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMULINK 的目的是让用户能够把更多的精力投入到模型设计本身。它提供了一些基本的模块，这些模块放在浏览器里面，用户可以随时调用。当模型构造之后，用户可以进行仿真，等待结果，或者改变参数，再进行仿真。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，其动态和静态特性都相当复杂。以下将介绍用SIMULINK 如何来建立三相异步电机的计算机仿真模型，为以后的系统仿真做好准备。 经过三相静止/两相静止坐标变换及两相旋转/两相静止坐标变换，可得异步电机在两相静止坐标系上的数学模型。 电压方程： ?????? ? ???????????????????+--+++=??????????????βαβαβαβαωωωωr r s s r r r m m r r r r m r m m S m S r r s s i i i i P L R L P L L L P L R L P L P L P L R P L P L R u u u u 22110000
运动控制论文 课题：异步电动机数学模型和电压空间矢量PWM控制技术研究 姓名：xxxxxxxxx 专业：电气工程及自动化 班级：电097 学号：0912002167 日期：2013年3月30日
摘要 由于直流调速的局限性和交流调速的优越性,以及计算机技术和电力电子器件的不断发展,交流异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。目前广泛研究应用的交流异步电动机调速技术有恒压频比控制方式，矢量控制，直接转矩控制等。本论文中所讨论的异步电动机调速技术叫做空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)。相对于直接转矩控制,它有可连续控制,调速范围宽等显著优点。 本文首先对交流异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述，通过对交流异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍，逐步引出了异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强藕合的非线性系统。采用MATLAB /SIMULINK软件包,实现异步电动机动态数学模型的仿真。仿真研究显示,该方法简洁、方便、实时交互性强,能充分融合到其它控制系统中,并具有良好地扩展性。 其次阐述了异步电动机电压空间矢量PWM控制技术的原理和矢量变换方法实现的步骤，据交流电机坐标变换及矢量控制理论提出了异步电机在任意同步旋转坐标系下仿真结构图的建模设想,得出了一种按转子定向磁场下的动态结构图,利用该结构图可以方便的构成电机的仿真模型,进行仿真计算。然后运用MATLAB软件搭建模型进行仿真分析，结果表明电机有良好的稳、动态性能。 通过对仿真软件的应用也表明在进行复杂系统设计时运用仿真工具对设计进行仿真分析是行之有效的方法，可以提高系统设计效率，缩短系统设计时间，并能够较好的进行系统优化。经试验表明，空间电压矢量调制的方法正确可行， 可调高电压利用率和系统精度。 关键词：异步电动机；矢量控制；数学模型；仿真
课程设计(综合实验)报告 ( 2011-- 2012 年度第二学期) 名称：过程计算机控制系统 题目：DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控制与计算机工程学院 班级： 学号： 学生： 指导教师：朱耀春 设计周数：一周 成绩：
日期：2012 年 6 月20 日
一、 课程设计的目的与要求 1.设计目的 在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC 直接数字闭环控制的仿真加深对课程容的理解。 2.设计要求 本次课程设计通过多人合作完成DDC 直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D 、D/A 转换模块的使用。通过手动编写PID 运算式掌握数字PID 控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握DDC 单回路控制程序编制及调试方法。 二、 设计正文 1.设计思想 本课程设计利用Turboc2.1开发环境，通过手动编写C 语言程序完成PID 控制器的设计，A/D 、D/A 转换，绘出PID 阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了PID 配置模块，PLCD-780定时采样、定时输出模块，PID 手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。 设计中，通过设定合理的PID 参数，控制PLCD-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。 2. 设计步骤 （1）前期准备工作 (1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不使用无直接I/O 能力的NT 或XP 系统), 装Turbo C 2.0/3.0集成开发环境软件； (1.2)配备模拟计算机一台(XMN-1型), 通用数据采集控制板一块（PLCD-780型）； (1.3)复习Turboc2.0并参照说明书学习PLCD-780的使用 （2） PID 的设计 (2.1)PID 的离散化 理想微分PID 算法的传递函数形式为：??? ? ??++=s T s T K s G d i p 11)( 采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0]; 其中各项系数为： q0=kp*(1+T/Ti+Td/T); q1=-kp*(1+2*Td/T);
为了能让大家在已经泛滥的知识上少走弯路，本人把自己在SVPWM上的认识与看到此贴的读者们一起分享，废话少说，切入正题：在看下面内容之前，您应该至少对SVPWM的原理有大致的了解，如果不了解也没关系，你只要按照我交给你的步骤来做，也可以轻而易举的跨过SVPWM这道坎，在仿真之前您必须安装MATLAB7.0或以上版本，必须确保simpowersysm工具箱已被安装，如果以上要求已经达到，那么就可以执行以下步骤了： 步骤1：打开matlab主界面，然后在command window界面中的“>>”旁边输入simulink，打开simulink开发环境后新建一个mdl文件，在simulink下拉菜单中的ports&subsystems中找到subsystem模块，用其建立一个如图1的总的模块，这个模块有两个输入口，一个输出口（实际上包含六路PWM信号），接来的东西都将在这个模块中添加，输入输出模块的名称可以在双击模块后自己更改，其中Vahar，Vbetar是需要输出的电压在两相静止坐标系下的两个分量，输出是控制逆变器六个IGBT的pwm脉冲信号。 也许有人会问，输入参数不是还包括直流电压和功率开关频率吗？别急，下面接着让您看到上述模块的内部情况 步骤2：根据图2，添加subsystem的内核模块，里面用到的模块有以下几种：in，out,mux,demux,repeatingsequence,rationaloperator,logical operator 和里面的主角S-Function builder模块。
可以看到输入有四个参数Vapha，Vbeta，Tz，Vdc，输出为六路PWM信号，这个仿真模块没考虑死区的问题； 取Tz为1/（1e+4）这就是说开个频率是10kHz,Vdc为500，这两个参数要根据实际情况自己设置，这里是我任意设的，repeating sequence的设置如图3所示，这样设的目的是想产生一个周期为Tz，峰值为Tz/2的等腰直角三角形调制波，接下来设置两个比较模块和取反模块，比较模块是大于等于关系，各模块的其他参数，我没说的就当默认设置，细心的读者会在图4中的第一幅图中看到仿真时间设为Ts，这是我设的系统仿真步长，这里就用默认值-1，此外比较模块和取反模块的信号属性signal atrributes均应设为Boolean格式。 图3
《MATLAB与控制系统仿真》 实验报告 班级： 学号： 姓名： 时间：2013 年 6 月
目录实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算（一）实验二 MATLAB环境的熟悉与基本运算（二）实验三 MATLAB语言的程序设计 实验四 MATLAB的图形绘制 实验五基于SIMULINK的系统仿真 实验六控制系统的频域与时域分析 实验七控制系统PID校正器设计法 实验八线性方程组求解及函数求极值
实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算（一） 一、实验目的 1．熟悉MATLAB开发环境 2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算 二、实验基本原理 1.熟悉MATLAB环境: MATLAB桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览器、文件和搜索路径浏览器。 2.掌握MA TLAB常用命令 表1 MA TLAB常用命令 3.MATLAB变量与运算符 3．1变量命名规则 3．2 MATLAB的各种常用运算符 表3 MATLAB关系运算符 表4 MATLAB逻辑运算符
| Or 逻辑或 ~ Not 逻辑非 Xor 逻辑异或 符号功能说明示例符号功能说明示例 ：1:1:4;1:2:11 . ；分隔行.. ，分隔列… （）% 注释 [] 构成向量、矩阵！调用操作系统命令 {} 构成单元数组= 用于赋值 4.MATLAB的一维、二维数组的寻访 表6 子数组访问与赋值常用的相关指令格式 三、主要仪器设备及耗材 计算机 四．实验程序及结果 1、新建一个文件夹（自己的名字命名，在机器的最后一个盘符） 2、启动MATLAB，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。 3、学习使用help命令。
目录 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 (1) 1.1直接转矩控制系统原理与特点 (1) 1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (3) 2系统建模与仿真 (5) 2.1模块模型实现 (5) 2.1.1电机模型 (6) 2.1.2磁通和转矩滞环控制器 (7) 2.1.3磁链选择器 (8) 2.1.4电压矢量选择 (9) 2.1.5其他模块 (10) 3感受和体会 (11) 附录 (12) 参考文献 (18)
直接转矩控制技术仿真分析 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。 1.1直接转矩控制系统原理与特点 如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号* T，在* T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。 图1-1直接转矩控制系统图 的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链 s 保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。在直接转矩控
制技术中，其基本控制方法就是通过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，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点： ①直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控 制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它 省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别 简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判 断。 ②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。而 矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机的转子电阻 和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化 影响的问题。 ③直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。 ④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接 又简化。 ⑤控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。
天津职业技术师范大学 课程设计说明书题目：三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 指导老师： 班级：机检1112班 组员
天津工程师范学院 课程设计任务书 机械工程学院机检1112 班学生 课程设计课题： 三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 一、课程设计工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日 二、同组学生： 三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时 间、主要参考资料等）： 1、目的和意义 交流调速是一门重要的专业必修课，它具有很强的实践性。为了加深对所学课程（模拟电子技术、数字电子技术、电机与拖动、电力电子变流技术等）的理解以及灵活应用所学知识去解决实际问题，培养学生设计实际系统的能力，特开设为期一周的课程设计。 2、具体内容 写出设计说明书，内容包括： （1）各主要环节的工作原理； （2）整个系统的工作原理（包括启动、制动以及逻辑切换过程）； （3）调节器参数的计算过程。 2．画出一张详细的电气原理图； 3．采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节 器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。 4、考核方式 1．周五采用口试方式进行考核（以小组为单位），成绩按百分制评定。其中小组分数占60%，个人成绩占40%（包括口试情况和上交材料内容）； 2．每天上午8:30--11:30在综合楼226房间答疑。 五、参考文献 1、陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，2003 指导教师签字：教研室主任签字：
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
三相异步电动机直接转 矩控制系统仿真报告 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告 摘要：利用直接转矩控制( DTC )理论，研究异步电动机直接转矩控制调速系统的基本组成 和工作原理，建立了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用MATLAB /Simulink软件对异步电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真。结果表明: DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。 关键词：异步电机；直接转矩控制； MATLAB仿真 1 引言 自从20世纪70年代矢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。所谓矢量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制,通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 直接转矩控制(Direct Torque Control DTC)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，采用电压矢量分析方法直接在静止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，摒弃了矢量控制中的解藕思想，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矢量，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，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 2 三相异步电机的直接转矩控制系统组成 三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图1所示，其仿真模型如图2所示，模型由7个主要模块组成：三相不控整流器
直接转矩控制 直接转矩控制（Direct Torque Control——DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。 直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20 世纪80 年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987 年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，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。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面： （1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究 在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。 （2）定子电阻变化的影响