MATLAB窄轨矿用牵引电机车控制系统的仿真研究(5)
4） 直接转矩控制
直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。但是, 这种控制方式在一个控制周期内, 只有一个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。
1.3 设计的主要内容
本课题在理解矢量控制及矢量坐标变换方法的基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真工具，建立窄轨电机车电机矢量控制系统的仿真模型，并对仿真中的关键问题及系统的仿真结果进行分析研究，为实际系统的设计提供理论依据及必要的设计参数。
1. 通过理解SVPWM的基本原理，建立系统模块；
2. 通过坐标变换，对异步电动机三相原始动态模型，分析和求解它的非线性方程；
3. 在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型；
4. 建立窄轨电机车的模型；
5. 矢量控制系统的结构及模型，系统仿真结果及分析
2 异步电动机的动态模型
异步电动机具有非线性、强耦合、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方案。矢量控制系统是已经获得成熟应用的一种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后模仿直流电动机控制策略设计控制系统。
2.1 异步电动机的三相数学模型
在研究异步电动机数学模型时，作如下的假设：
（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差 电角度，所产生的磁动势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）忽略铁芯损耗；
（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。异步电动机三相绕组可以是 联结，也可以是 联结，以下均是以 联结进行讨论。
三相异步电动机的物理模型如图2.1所示
图2.1 三相异步电动机的物理模型
定子三相绕组轴线 在空间是固定的，转子绕组轴线 以角速度 随转子旋转。如以 轴为参考坐标轴，转子 轴与定子 轴的电角度 为空间角位移变量。
2.1.1 异步电动机三相动态模型的数学表达式
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。
（1）磁链方程
异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，吹冰个绕组的磁链可用下式表示：