一种基于Modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法与流程

一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法
技术领域
1.本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法。


背景技术：

2.异步电机具有非线性、强耦合、多变量的性质，为获得高动态调速性能，必须从其动态模型出发，并分析异步电机转矩和磁链的控制规律，研究该电机的高性能调速方案。异步电机直接转矩控制系统作为一种获得成熟应用的基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，基本控制原理为利用定子磁链幅值偏差和转矩偏差，并根据定子磁链矢量的所处位置，直接选取合适的电压空间矢量，以减小磁链幅值和转矩的偏差，从而实现电机定子磁链和电磁转矩的控制。
3.目前，异步电机的直接转矩控制方法在工程仿真应用中沿用过程式建模(又称为因果建模)思想，并利用面向过程的编程语言如m语言，c语言等对模型进行求解，其特点是需要用户对模型进行手工推导和分解，明确方程的求解顺序以及掌握复杂异步电机控制系统的解耦、编译和求解技术，最终建立经分解和变型后的对应模型，使得模型拓扑结构与实际物理系统的拓扑结构相差甚远，且开发模型的可重用性、可扩展性差，建模整体工作量大，降低工作效率，不适合物理建模。
4.21世纪以来，以多领域统一建模、陈述式非因果建模、面向对象建模等为特征的物理建模系统已成为建模仿真领域内的重要发展方向。因此，如何使用陈述式建模系统提供一套完整实用易于理解且开发难度低、可重用性好、工作效率高、能反映实际物理系统的异步电机直接转矩控制方法是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中使用过程式建模思想构建异步电机直接转矩控制系统造成的开发难度大、模型的可重用性差、工程效率低、模型拓扑结构与实际物理系统的拓扑结构相差甚远的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法，包括步骤：根据异步电机直接转矩控制系统结构的物理特性和功能，将所述异步电机直接转矩控制系统分解为若干通用基础模型、单机设备模型和系统模型；使用modelica构建所述通用基础模型，所述通用基础模型为所述异步电机直接转矩控制系统中通用化的最小构造单元；使用modelica构建连接器，所述连接器用来实现所述通用基础模型之间以及所述通用基础模型与外界设备之间的信息传递；基于所述通用基础模型和所述连接器，使用modelica构建所述单机设备模型，所述单机设备模型由所述通用基础模型组合和连接而成；基于所述单机设备模型，根据所述异步电机直接转矩控制系统的拓扑结构，使用modelica构建所述系统模型，所述系统模型由所述单机设备模型组合和连接而成。
7.可选地，通过mworks平台实现所述基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的
构建方法。
8.可选地，所述构建单机设备模型的方法包括：利用基尔霍夫定律、电机等效电路和/或控制策略理论将所述单机设备模型对应的物理模型转化为以方程表达的数学模型；利用建模软件平台和modelica将所述数学模型转化为对应单机设备的modelica模型。
9.可选地，构建所述单机设备模型之后，还包括：对所述单机设备模型进行仿真验证，通过比对判断仿真结果与期望的理论结果是否符合；如果仿真结果与期望的理论结果不符合，则修改所述单机设备模型的模型拓扑、参数配置和/或模型颗粒度，直至仿真结果与期望的理论结果符合。
10.可选地，构建所述系统模型之后，还包括：对所述系统模型进行仿真验证，通过比对判断仿真结果与期望的理论结果是否符合；如果仿真结果与期望的理论结果不符合，则对所述系统模型进行调整，直至仿真结果与期望的理论结果符合。
11.可选地，构建所述系统模型之后，还包括：对所述异步电机直接转矩系统模型进行仿真分析，从而获取所需的信息和知识。
12.可选地，所述通用基础模型包括接口模型、公共组件模型和/或单机设备组件模型，所述连接器包括电气连接器、机械连接器、热连接器和/或物理量接口连接器，所述单机设备模型包括电机控制器、转速调节器和/或滞环控制器，所述系统模型包括电机控制器测试模型、滞环控制器测试模型和/或异步电机直接转矩系统模型。
13.可选地，所述接口模型包括单相电接口、三相电接口、转动机械接口和/或物理量接口，所述公共组件模型包括积分模块、二极管、接地和/或查表模块，所述单机设备组件模型包括磁链计算模块、转矩计算模块、pwm发生器、调节器模型、滞环控制器和/或电机控制器。
14.本发明技术方案，具有如下优点：
15.本发明提供的一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法，包括步骤：根据异步电机直接转矩控制系统结构的物理特性和功能，将所述异步电机直接转矩控制系统分解为若干通用基础模型、单机设备模型和系统模型；使用modelica构建所述通用基础模型，所述通用基础模型为所述异步电机直接转矩控制系统中通用化的最小构造单元；使用modelica构建连接器，所述连接器用来实现所述通用基础模型之间以及所述通用基础模型与外界设备之间的信息传递；基于所述通用基础模型和所述连接器，使用modelica构建所述单机设备模型，所述单机设备模型由所述通用基础模型组合和连接而成；基于所述单机设备模型，根据所述异步电机直接转矩控制系统的拓扑结构，使用modelica构建所述系统模型，所述系统模型由所述单机设备模型组合和连接而成。
16.上述方法通过利用modelica语言构建异步电机直接转矩控制系统来实现陈述式建模，modelica作为一种基于方程、面向对象、强大组件化建模能力的多领域统一建模语言，满足建模仿真发展方向的需求，适用于包括机械、电力、液压、热流、控制等各类子系统模型及大规模复杂物理系统的建模与仿真。同时，modelica模型采用微分、代数和离散方程的数学描述，具备了通用性、开放性和标准化的特点，并依附陈述式建模和面向对象建模，可重用性、可重构性、可扩展性好，从而使得在异步电机直接转矩控制系统的建模中，降低了开发难度，增加了可重用性、提高了工作效率，并且使得该系统能够反映实际物理系统。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的一实施方式中提供的一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法的流程图；
19.图2为本发明的一实施方式中提供的一种异步电机直接转矩控制系统模型库总体结构图；
20.图3为本发明的一实施方式中提供的一种异步电机直接转矩控制系统模型库树状图；
21.图4为本发明的一实施方式中提供的一种异步电机直接转矩控制系统模型图；
22.图5为本发明的一实施方式中提供的一种异步电机直接转矩控制系统的编译求解过程图；
23.图6为本发明的一实施方式中提供的一种异步电机直接转矩控制系统的效果展示图。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
26.本发明一实施例提供一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法，参考图1，图1为本发明的一实施方式中提供的一种基于modelica的异步电机直接转矩控制系统的构建方法的流程图，应当理解的是，该方法还可以包括未示出的附加框和/或可以省略所示出的框，本发明的范围在此方面不受限制。包括如下步骤：
27.在步骤101处，根据异步电机直接转矩控制系统结构的物理特性和功能，将所述异步电机直接转矩控制系统分解为若干通用基础模型、单机设备模型和系统模型。
28.具体地，异步电机直接转矩控制系统包括异步电机、电机控制器、负载、逆变器、直流电源、转矩计算模块、磁链计算模块、位置传感器等。在充分考虑模型重用性的基础上，基于数据抽象、接口分离、模块化的设计分解思想，并按照系统的真实拓扑结构对所述异步电机直接转矩控制系统进行分解。所述数据抽象，即将模型中的共有特征抽离出来用一个抽象模型进行表达，是一种提高模型重用性的重要手段。所述接口分离，即将不同元件与设备模型分开进行建模，在模型实例化的过程中声明元件属性。所述模块化设计分解，包含了异步电机直接转矩控制系统接口模型、各类组件模型、单机设备模型、系统模型等。
29.在一些实施例中，在进行系统分解之前，还需要：(1)确定模型目标，根据异步电机控制系统的任务，确定系统模型的目标和扩展用途，明确必须通过模型能获得的信息和模型不需要考虑的信息。所述的控制任务可以是电机的转速调节、位置调节等，所述的系统目
标可以是转速跟随或位置跟随的误差小于5％，所述的扩展用途主要是异步电机工程上的仿真应用，可以用于风电系统的发电机仿真，新能源汽车驱动电机系统的仿真等；(2)构建概念模型，概念模型是异步电机控制系统的原理框图，是辅助分析系统主要现象的原理和机制，帮助工程师全面了解物理系统，反映建模思路。
30.基于上述分解思想，参考图2，根据异步电机直接转矩控制系统结构的物理特性和功能，将所述异步电机直接转矩控制系统分解为通用基础模型、单机设备模型和系统模型。在此分解的基础上，为了建模需要，对第一层对象进行二次分解，将单机组件模型、接口模型、控制器模型、系统模型等依次归类，在一些实施例中，所述通用基础模型包括接口模型、公共组件模型和/或单机设备组件模型，所述单机设备模型包括电机控制器、转速调节器和/或滞环控制器，所述系统模型包括电机控制器测试模型、滞环控制器测试模型和/或异步电机直接转矩系统模型。
31.在步骤102处，使用modelica构建所述通用基础模型，所述通用基础模型为所述异步电机直接转矩控制系统中通用化的最小构造单元。
32.具体地，基础模型是异步电机直接转矩控制系统模型库中最小的构造单元，基础模型通过连接可构建上一级模型，而组件模型通常由更通用化的基础模型组成。划分两者的原则是以简单模型为起点，根据需求逐渐增加模型复杂度。在一些实施例中，异步电机直接转矩控制系统模型库的通用基础模型是接口模型、公共组件模型、单机设备组件模型等，接口模型表示各组件的输入输出特征和组件间传递关系，包括单相电接口、三相电接口、转动机械接口和/或物理量接口等。公共组件模型表示各单机设备共有的元件或设备的自身特性，包括积分模块、二极管、接地和/或查表模块等。单机设备组件模型表示异步电机直接转矩控制系统中实际物理单机设备的电气属性，包括磁链计算模块、转矩计算模块、pwm发生器、调节器模型、滞环控制器和/或电机控制器等。
33.在步骤103处，使用modelica构建连接器，所述连接器用来实现所述通用基础模型之间以及所述通用基础模型与外界设备之间的信息传递。
34.具体地，通用基础模型中包含的各类组件通过连接器与其他组件或外界交互通讯，通过这种连接关系在系统中自动建立起电压电流的平衡方程，连接器中包含了需要描述的各种物理量，如电子元件中的电压与电流，驱动元件中的角度与扭矩，液压流体元件中的压力和流量等。本阶段需要设计异步电机直接转矩控制系统模型的所有连接器，并确定一组合理的连接器变量。连接器应该使通用基础模型之间的连接变得简单自然，对于物理组件模型的连接器，必须保证在物理上能够实现组件连接。异步电机直接转矩控制系统模型的连接器有四种，如表1所示。主要包括了电气连接器、机械连接器、热连接器和/或物理量接口连接器。其中，前三种连接器属于包含流变量和势变量的专业型接口，满足广义基尔霍夫定律，而物理量接口主要包括实型接口和布尔型接口，同类型连接器可根据需要自由连接，并生成非因果的连接方程，无需指定求解顺序。
35.表1
[0036][0037][0038]
在步骤104处，基于所述通用基础模型和所述连接器，使用modelica构建所述单机设备模型，所述单机设备模型由所述通用基础模型组合和连接而成。
[0039]
具体地，异步电机直接转矩控制系统的每个单机设备模型都以面向对象的陈述式建模方法单独建立，不依赖于外界环境。
[0040]
在一些实施例中，构建所述单机设备模型的方法包括：首先将单机设备模型对应的物理模型利用基尔霍夫定律、电机等效电路和/或控制策略理论知识等转化为以方程表达的数学模型，利用建模软件平台和modelica将所述数学模型转化为对应单机设备的modelica模型。单机模型的每个数学方程都以最自然的形式独立编写，无需规定输入输出变量和方程的求解顺序，具有非因果特性。方程尽量与书本和文献中的形式一致，保证可读性和知识积累效果。随后，逐个建立所有单机设备模型，并将模型分类以后以模型库形式进行管理，得到如图3所示的异步电机直接转矩控制系统模型库树状图。
[0041]
在一些实施例中，构建所述单机设备模型之后，还包括：对所述单机设备模型进行仿真验证，通过比对判断仿真结果与期望的理论结果是否符合；如果仿真结果与期望的理论结果不符合，则修改所述单机设备模型的模型拓扑、参数配置和/或模型颗粒度，直至仿真结果与期望的理论结果符合。
[0042]
具体地，设计构建完成的单机设备模型需要连接到测试模型中去仿真验证，将仿真结果与期望的理论结果进行比对，如果两者符合，表示单机设备模型得到验证；如果两者不符合，这里不符合的原因有单机设备建模的颗粒度高，模型参数配置不合理，模型内部拓扑与实际不符等，则单机设备模型需要主要围绕模型拓扑，参数配置及模型颗粒度等方面
重新修改和完善，直到单机设备模型达到要求。
[0043]
在步骤105处，基于所述单机设备模型，根据所述异步电机直接转矩控制系统的拓扑结构，使用modelica构建所述系统模型，所述系统模型由所述单机设备模型组合和连接而成。
[0044]
具体地，参考图4，根据异步电机控制系统的拓扑结构和电机本体参数，单机设备模型可以进行快速组合和连接，建立一种实际的异步电机直接转矩控制系统模型。
[0045]
在一些实施例中，构建所述系统模型之后，还包括：对所述系统模型进行仿真验证，通过比对判断仿真结果与期望的理论结果是否符合；如果仿真结果与期望的理论结果不符合，则对所述系统模型进行调整，直至仿真结果与期望的理论结果符合。
[0046]
在一些实施例中，构建所述系统模型之后，还包括：根据任务要求，对所述异步电机直接转矩系统模型进行仿真分析，从而获取所需的信息和知识。
[0047]
具体地，系统模型验证完成后，就可以根据异步电机直接转矩控制系统的任务要求，开展相关的仿真分析，通过模型获取所需的信息和知识。
[0048]
在本发明的实施例中，异步电机直接转矩控制系统建模仿真系统是基于modelica语言和mworks平台实现的，提供模型开发、管理、编译、求解和后处理的一系列功能，其中mworks是苏州同元软控信息技术有限公司基于国际知识统一表达与互联标准打造的系统智能设计与验证平台，采用基于模型的方法对系统设计进行全面支撑。在求解时根据方程系统数据流环境来确定方程的求解顺序。系统编译求解过程如图5所示，大致分为编译、分析优化和仿真求解三个阶段，其中，在分析优化和仿真求解两个阶段中确定了方程系统的求解顺序。编译过程包括了语法语义分析和数学方程映射，前者根据modelica语言规范对模型代码进行语法语义分析，后者完成平坦化混合方程系统的生成。编译结束后，进入分析优化阶段，对模型进行方程的分析与优化，得到可求解方程子集序列，并生成相应的模型c代码。最后，借助mworks平台的求解器，构成可独立编译的模型仿真源代码，再经过c编译器，生成可运行模型的仿真程序，以此确定输入输出变量和方程求解顺序，系统模型的控制效果如图6所示。
[0049]
本发明通过利用modelica语言构建异步电机直接转矩控制系统来实现陈述式建模，modelica作为一种基于方程、面向对象、强大组件化建模能力的多领域统一建模语言，满足建模仿真发展方向的需求，适用于包括机械、电力、液压、热流、控制等各类子系统模型及大规模复杂物理系统的建模与仿真。同时，modelica模型采用微分、代数和离散方程的数学描述，具备了通用性、开放性和标准化的特点，并依附陈述式建模和面向对象建模，可重用性、可重构性、可扩展性好，从而使得在异步电机直接转矩控制系统的建模中，降低了开发难度，增加了可重用性、提高了工作效率，并且使得该系统能够反映实际物理系统。
[0050]
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。