異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、大連授2大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目：基于MATLA舒步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中心：大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院層次：?？破瘘c(diǎn)本科專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化年 級(jí)： 2010 年秋季學(xué) 號(hào)： 101132409221學(xué) 生：王子健指導(dǎo)教師：唐興波完成日期：2012年8月16日異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torgue Control, DTC源統(tǒng)利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算和控制交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場(chǎng)定向，直接跟蹤定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié) （BangBang控制）產(chǎn)生PWM 信號(hào)，對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)

2、進(jìn)行最佳控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。定子磁 鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形的控制方案是，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈的誤差，結(jié) 合電機(jī)定子磁鏈的空間位置來(lái)選擇相應(yīng)的開關(guān)矢量。為了能夠更好的，更直觀的 觀測(cè)圓形磁鏈軌跡，了解直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)及其所能達(dá)到的效果，本論文在對(duì) 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，采用圓形磁鏈軌跡控制方法，建立了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的MATLABSIMULINK真模型。在對(duì)磁鏈、轉(zhuǎn)矩估算模型的分析設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文對(duì)幾種估算模型進(jìn)行了比較， 最終綜合了這幾種模型的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了磁鏈轉(zhuǎn)矩估算的u-i模型?？紤]到實(shí)際中對(duì)轉(zhuǎn)矩的需要是第一位的，本文制定了優(yōu)先

3、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的控制策略，為了能夠更 好的實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，專門設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩的三值調(diào)節(jié)器，并在電壓空間矢量選擇 上，以優(yōu)先考慮達(dá)到轉(zhuǎn)矩要求。在對(duì)磁鏈、轉(zhuǎn)矩估算模型的分析設(shè)計(jì)過(guò)程中，本 文在幾種估算模型中選擇了磁鏈轉(zhuǎn)矩估算的u-i模型。考慮到實(shí)際中對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的需要是第一位的，本文制定了優(yōu)先調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的控制策略。為了能夠更好的實(shí)現(xiàn) 對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，專門設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩的三值調(diào)節(jié)器，并在電壓空間矢量選擇上，以優(yōu) 先考慮達(dá)到轉(zhuǎn)矩要求。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量；圓形磁鏈軌跡；異步電動(dòng)機(jī)；磁鏈轉(zhuǎn)矩估算引言11直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)概況21.1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用 21.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展21.3 論文內(nèi)容

4、42直接轉(zhuǎn)矩控制理論52.1 概述52.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理52.2.1 異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 52.2.2 三相電壓型逆變器的輸出電壓狀態(tài) 72.2.3 空間電壓矢量82.2.4 異步電機(jī)的磁鏈觀測(cè)模型 92.2.5 磁鏈、轉(zhuǎn)矩與空間電壓矢量的關(guān)系 102.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成 122.3.1 磁鏈調(diào)節(jié)器132.3.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器142.3.3 磁鏈扇區(qū)劃分和確定單元 152.3.4 開關(guān)信號(hào)選擇單元162.3.5 逆變器的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)172.4 本章小結(jié)173仿真工具與仿真算法的選擇183.1 仿真工具的選擇183.1.1 常用的仿真語(yǔ)言及仿真工具 183.1.2 MATL

5、AB/SIMULINKW介183.2 仿真算法193.2.1 常用的仿真算法 193.2.2 SIMULINK中的仿真算法 193.3 本文對(duì)算法的選擇 193.4 本章小結(jié)204異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模的與仿真 214.1 系統(tǒng)仿真模型的建立 214.1.1 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估算模型 214.1.2 轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器224.1.3 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)調(diào)節(jié)模型 224.1.4 磁鏈空間位置判斷模型 234.1.5 開關(guān)信號(hào)單元一一電壓空間矢量的選擇 254.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)254.2.1 仿真參數(shù)254.2.2 仿真結(jié)果254.2.3 仿真結(jié)果分析304.3 本章小結(jié)30結(jié)論31致謝

6、32參考文獻(xiàn)33異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引言電氣傳動(dòng)是現(xiàn)代最主要的機(jī)電能量變換形式之一。在當(dāng)今社會(huì)中廣泛應(yīng)用著 各式各樣電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其中許多機(jī)械有調(diào)速的要求：如車輛、電梯、機(jī)床、造 紙機(jī)械、紡織機(jī)械等等，為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求往往需要調(diào)速的另一 類設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵等為了減少運(yùn)行損耗，節(jié)約電能也需要調(diào)速。如果根據(jù)原動(dòng) 機(jī)來(lái)分類，那么原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)稱之為直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)；反之原動(dòng) 機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，則稱之為交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。如果根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化情況 來(lái)分類，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)又可分為恒速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和變速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)兩大類。在上世紀(jì)80年代以前，直流傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。

7、這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng) 機(jī)調(diào)速方便，只要改變電機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流，就可以在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 無(wú)級(jí)調(diào)速，而且在磁場(chǎng)一定的條件下它的轉(zhuǎn)矩和電流成正比，從而使得它的轉(zhuǎn)矩 易于控制、轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)性能和控制性能比較理想。188外交流鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世打破了直流傳動(dòng)作為唯一電氣傳動(dòng)方式 的局面。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉而且堅(jiān)固耐用，慣量小，便于維 修，適用于惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，使其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了極廣泛的應(yīng)用。如今交流調(diào)速領(lǐng)域相當(dāng)活躍，新技術(shù)層出不窮。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)正向集 成化、實(shí)用化、智能化方向發(fā)展。諸如交流電動(dòng)機(jī)的審級(jí)調(diào)速、各類型的變頻調(diào) 速、無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)

8、矩控制技術(shù)的應(yīng)用，使得 交流調(diào)速逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快動(dòng)態(tài)響應(yīng)等良好的技術(shù)性能。 原來(lái)的交直流拖動(dòng)分工格局被逐漸打破，在各工業(yè)部門用可調(diào)速交流拖動(dòng)取代直 流拖動(dòng)已指日可待，特別是在世界能源緊張、能源費(fèi)用高漲的今天，交流調(diào)速技 術(shù)作為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段，引起了人們的高度重視?？傊涣髡{(diào)速技術(shù) 的應(yīng)用有著廣闊的前景，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，交流調(diào)速逐步代替直流調(diào)速 的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。41直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)概況1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生及應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)，彳惠語(yǔ)稱 DSR(Direkte Selbstregelung),英語(yǔ)稱之為 DSC(Direct Self-Co

9、ntrol) 或DTC(Direct Trogue Control) ,是近十幾年繼矢量 控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的具有高性能的交流調(diào)頻技術(shù)口。在1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的M. Depenbroek教授首次提出了一種新型交流調(diào)速 理論一一直接$矩控制系統(tǒng)(DTC) 21不同于矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制有著自 己的特點(diǎn)。它在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算控制復(fù)雜、特性易受電動(dòng)機(jī)參 數(shù)變化的影響、實(shí)際性能難于達(dá)到理論分析結(jié)果的一些重大問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制， 以轉(zhuǎn)矩為主要對(duì)象進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈的控制。直接轉(zhuǎn)矩 控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等變量間接

10、控制轉(zhuǎn)矩，而 是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場(chǎng)定 向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有控制原 理簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、需要傳感器較少等優(yōu)點(diǎn)。法國(guó)阿爾斯通公司在上海地 鐵車輛上就是采用此種控制方式。為了得到高性能的速度控制，必須是電機(jī)氣隙磁場(chǎng)盡可能為圓形。日本學(xué)者 1. Takahashi提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的另一種形式一一磁鏈軌跡的圓形方案，即讓 磁鏈向量基本上沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)31這種控制方式能充分發(fā)揮新型中.力電子器件 (如IGBT)的開關(guān)頻率優(yōu)勢(shì)，因而在中小功率場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。1995ABB&司首先采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，結(jié)合諸多

11、先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝推 出的高性能變頻器ACS60策列直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度已達(dá) 到小于2m在帶速度傳感器時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)到0.01 % ;在不帶速度傳感器的情況下，即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影晌，同樣可以達(dá)到0.1 %0.5 %的速度控制精度。它具有很寬的功率范圍、優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特 性、完整的保護(hù)功能以及靈活的編程能力。因而，它能夠滿足絕大多數(shù)的工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)應(yīng)用，不使用電機(jī)軸上的脈沖碼盤反饋，從零速開始就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn) 矩的精確控制。1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)而言，直接將瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩作為狀態(tài)變量加以反饋調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn) 矩在定子側(cè)展開，兼顧磁

12、鏈幅值的閉環(huán)控制，采用空間矢量PWM略，直接輸出逆 變器開關(guān)狀態(tài)，被公認(rèn)為可使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到高性能的新途徑。但是實(shí)際上無(wú)法 達(dá)到矢量控制那種良好的低速性能，根源在于低速轉(zhuǎn)矩控制特性變差，低速下定 子電阻影響、逆變器的死區(qū)效應(yīng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生及帶負(fù)載能力下降，從而制約 了 DTCf法實(shí)用化的進(jìn)程。因此，電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展主要以改進(jìn) DTCK統(tǒng)低速性能為研究方 向，相應(yīng)地出現(xiàn)了很多研究方法。新的控制思想，特別是智能控制思想開始應(yīng)用 到直接轉(zhuǎn)矩控制中，提出了基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)控制、滑模控 制、高級(jí)預(yù)測(cè)算法以及模型自適應(yīng)法的轉(zhuǎn)速辨識(shí)等新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法。總之 為了進(jìn)一步提高

13、控制性能，消除低速脈動(dòng)，交流調(diào)速向高頻化方向發(fā)展。改進(jìn)直 接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能的研究有以下幾種方法： a.智能開關(guān)狀念選擇器的研究傳統(tǒng)方法用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁通調(diào)節(jié)，觸發(fā)器 的容差大小將直接影響系統(tǒng)的性能。并且，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差、定子磁鏈幅值誤差來(lái) 選擇逆變器的開關(guān)狀念，對(duì)于一些不確定的因素引起的誤差微小變化不能及時(shí)控 制，變化的參數(shù)對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能有直接影響。b.電壓矢量選擇方式的改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)定子磁通定向，直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，該方式在每個(gè)采樣 周期所選用的電壓矢量總是保證轉(zhuǎn)矩在t=0時(shí)刻能最快地向著正確的方向變化。為 了改善這種情況，減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，一些研究

14、者提出了一種新的電壓矢量選擇方 法一一預(yù)期電壓法：首先根掘轉(zhuǎn)矩偏差、磁通偏差和轉(zhuǎn)速計(jì)算出個(gè)能達(dá)到最佳 控制的預(yù)期電壓，然后用電壓型逆變器的6個(gè)工作電壓中與之相鄰的兩個(gè)電壓矢量 來(lái)合成它，計(jì)算出各自的工作時(shí)間，然后用零電壓補(bǔ)足采樣周期。但是通過(guò)電壓 合成，每個(gè)周期內(nèi)一般有兩個(gè)非零電壓和一個(gè)零電壓以最佳的時(shí)間搭配交替作用， 從而相當(dāng)于將采樣頻率增到了兩倍或兩倍以上，使控制更加準(zhǔn)確，性能在整個(gè)周 期內(nèi)趨向最佳。c.改善低速性能的研究在一些文獻(xiàn)早提到了一種基于模糊控制的定子電阻在線觀測(cè)器。該觀測(cè)器把 法定子電阻值影響比較大的三個(gè)因素一一定子電流、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)時(shí)間作為輸入量， 以定子阻值的變化作為輸出，設(shè)

15、計(jì)了模糊觀測(cè)器。定子電阻初值與變化值相加就 是控制中的定子電阻。這種觀測(cè)方法能比較準(zhǔn)確地觀測(cè)電阻的變化，低速性能有 了比較好的改善。上面所提到的改進(jìn)方法都是針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的某一方面。雖然對(duì)系統(tǒng)的控制性能有一定的改進(jìn)，但它畢竟不能從根本上改善系統(tǒng)的性能，要使系統(tǒng)性能 有一個(gè)根本的改善必須從整個(gè)系統(tǒng)方面著手。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)交流調(diào)速 技術(shù)的要求越來(lái)越高。因此，研制開發(fā)高性能的交流調(diào)速裝置是一項(xiàng)緊迫的課題， 對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。1.3 論文內(nèi)容直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是本世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它是繼矢量變換控制技術(shù)之后，且與之并行發(fā)展的一種新型的高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)的

16、控制技術(shù)， 以其新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)和優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速的發(fā)展。本論 文在研究和分析直接轉(zhuǎn)矩控制原理的基礎(chǔ)上，利用圖形仿真工具M(jìn)ATLAB/SIMULINK完成了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的近似圓形磁鏈控制方法的仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控 制的算法，通過(guò)改變控制系統(tǒng)中直接影響電機(jī)性能的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器和磁鏈滯環(huán) 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了具體分析，驗(yàn)證了直接轉(zhuǎn)矩控制方法的可行性 和有效性。異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2直接轉(zhuǎn)矩控制理論2.1概述直接轉(zhuǎn)矩控制DTC(Direct Torque Control)變頻調(diào)速技術(shù)是近十幾年來(lái)繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的具有高性能的

17、交流變頻調(diào)速技 術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)基于定子兩相靜止參考坐標(biāo)系，一方面維持轉(zhuǎn)矩在給定值附近，同時(shí)另一方面維持定子磁鏈沿著給定軌跡(預(yù)先設(shè)定，如六邊形或近似圓形) 運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)典DT的制結(jié)構(gòu)中，采用Bang-Bang空制器對(duì)交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定 子磁鏈幅值直接進(jìn)行閉環(huán)Bang- Bang空制，從而將轉(zhuǎn)矩與磁鏈的脈動(dòng)限定在預(yù)定的范圍內(nèi)，當(dāng)實(shí)際值超過(guò)調(diào)節(jié)范圍的上下限時(shí)，Bang-Bang空制器就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作,輸出的數(shù)字控制量就會(huì)發(fā)生變化。借助空間電壓矢量的分析方法，利用該數(shù)字控 制量產(chǎn)生PWM號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制11。2.2直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理2.2.1 異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型由于直

18、接轉(zhuǎn)矩控制是基于靜止坐標(biāo)系的，因此采用口-P坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型如下5：異步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系上的電壓矩陣方程1 UsQ(R + Ls P0LmP01isotUsP0Rs +LsP0LmPisPur豆LmP叫Rr + L.P*irOt7rp 一1.-CLmLmP-eLrRr + Lr P -JrP .(2-1)36電動(dòng)機(jī)的磁鏈方程巴-Ls0Lr01 iso(l0Ls0Lri sp%Lm0Lr0i rCt0Lm0LrJrP.(2-2)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程Te-n p Lm (is/r ：工，irris：。(2-3)式中 Us 9 UsP、Ug、UrP、is isP、/ %、9 sp、

19、%、平產(chǎn)分別為 二一 0坐標(biāo)系下定子、轉(zhuǎn)子電壓、電流、磁鏈值， Ls、Lr、Lm分別為定子、轉(zhuǎn)子自感和 定轉(zhuǎn)子見的互感；R、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；P為微分算子；。為電機(jī)轉(zhuǎn)子角 速度；叫為電機(jī)極對(duì)數(shù)為了便于分析異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為了抽象出理想的電機(jī)模型，必須進(jìn)行一些假設(shè)，這些假設(shè)是6(1)氣殊均勻；(2)磁路線性；(3)定、轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱，其有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布；(4)忽略磁場(chǎng)諧波，即設(shè)磁場(chǎng)正弦分布；無(wú)論電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都將它等效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子 側(cè)，折算后的每相匝數(shù)都相等。在直接轉(zhuǎn)矩控制的分析中，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法。圖 1是異步電機(jī)的 空間矢量的等效電

20、路圖。該等效電路是在正交定子坐標(biāo)系( u-P坐標(biāo)系)下型 等效電路圖7L圖1異步電機(jī)空間矢量等效電路圖投影稱為P分量d Us = Rsis+ dt0=Rr ir + j ,T TT:=：P L - ir srdr r dt(2-4)(2-5)(2-6)，二(Us-Rsis)dtUs 定子電壓空間矢量is 定子電流空間矢量ir 轉(zhuǎn)子電流空間矢量Q 定子磁鏈空間矢量Q 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量& 電角速度(機(jī)械角速度和極對(duì)數(shù)的積)并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為口分量，在正交的P軸上的由以上可知，異步電機(jī)在定子坐標(biāo)系上由下列方程式表示:(2-7) -1(2-8).31 3-Te = n p （，a

21、 is ： - s： is - ） =| ： s II ，sin ）ep sa s _s s、L 2 s2LT 2（2-9）上述公式中味 為電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，叫轉(zhuǎn)子角速度日為磁通角。在實(shí) 際運(yùn)行中，保持定子磁鏈向幅值為額定值，以便充分利用電機(jī)鐵磁材料，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由負(fù)載決定。由于定子磁鏈發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶炕旧媳３植蛔?，因而只要改變定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，就可以改變磁通角，從而改變電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子磁鏈可以根據(jù)式（2-6）通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。而定子磁鏈可以根據(jù)式 （2-7）以定子電壓的積分來(lái)改變。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算根據(jù)式（2-9）通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈與磁通角日的計(jì)算來(lái)完成。2.2.2三相電壓型逆

22、變器的輸出電壓狀態(tài)在眾多的脈寬調(diào)制技術(shù)中，svpwM一種優(yōu)化的pwM術(shù)，能明顯減小逆變器 輸出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且其控制簡(jiǎn)單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，電壓利用率高，已有取代傳統(tǒng) SPWM趨勢(shì)。圖2-4所示簡(jiǎn)化三相電壓型逆變器電路中，由于逆變器的開關(guān)是由自關(guān)斷器件構(gòu)成的，而且每相橋臂的開關(guān)器件是互鎖的，因而六個(gè)開關(guān)器件的工作狀態(tài)并不完全獨(dú)立，實(shí)際上只有三個(gè)獨(dú)立變量。這樣逆變器可以用三個(gè)單刀雙擲開關(guān) Sa、Sb、Sc來(lái)表示?，F(xiàn)在定義三個(gè)開關(guān)函數(shù)；Sa、Sb、Sc、Sx（x=a,b,c）=l，代表上半橋臂導(dǎo)通，當(dāng)Sx （x=a , b,c）=0代表下半橋臂導(dǎo)通。因此共有23=8種

23、可能的開關(guān)組合；如表1所示。UdSaSbSc圖2逆變器的結(jié)構(gòu)圖表1逆變器開關(guān)的8種組合狀態(tài)狀態(tài)01234567Sa01010101Sb00110011Sc00001111對(duì)應(yīng)于逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)外部負(fù)載來(lái)說(shuō)，逆變器輸出 7種不同的電壓狀態(tài)。這7種不同的電壓狀態(tài)可分成兩類：一類是 6種工作電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于開 關(guān)狀態(tài)“1”至“6”分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“ 1”至“6” ；另一類是零電壓 狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“ 0”和“7”，由于對(duì)外來(lái)說(shuō)，輸出的電壓都為零， 因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。用符號(hào)Ust表示逆變器的輸出電壓（或簡(jiǎn)稱為逆變器的電壓）狀態(tài)的空間矢量，則關(guān) 于逆變器的電壓狀態(tài)的

24、表示與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)照關(guān)系如表 2。表2逆變器的電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)對(duì)照表狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開關(guān)狀態(tài)011001101100110010000111狀 態(tài)表不Us(t)Us(011)Us(001)Us(101)Us(100)Us(110)Us(010)U s (000)Us(111)表不Us(t)U S1Us2Us3Us4Us5Us6Us7表不Us(t)12345672.2.3空間電壓矢量三相電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、磁動(dòng)勢(shì)、磁鏈勢(shì)等均是三相電磁量。若在復(fù)平面 中能用一個(gè)矢量來(lái)表示三相電磁量的合成作用，則可將三維物理量變?yōu)槎S物理 量，為分析和計(jì)算帶來(lái)很多方便。為此，引入 Pa

25、rk矢量變換。Park矢量變換是將 三個(gè)變量變換為一個(gè)矢量，這種變換對(duì)于時(shí)間函數(shù)同樣適用。若用4。）、4、Uc分別表示三相電磁鏈在三相坐標(biāo)系中的瞬時(shí)幅值函數(shù)，用靛)表示合成作用矢量，則Park矢量變換關(guān)系為2j2j4U(t) Ua(t) Ub(t)e 3 Uc(t)e 33 -(2-10)矢量U(t)成為Park矢量，它在某一時(shí)刻值代表三相電磁量合成作用在坐標(biāo)系中的空 間位置，所以稱為空間矢量。對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，空間磁動(dòng)勢(shì)矢量、磁通矢量、磁鏈?zhǔn)噶渴谴_實(shí)存 在的，而電流矢量和電壓矢量并不存在。但是磁動(dòng)勢(shì)與電流相關(guān)，電壓又與磁鏈 有關(guān)，所以仍可以定義電流空問(wèn)矢量和電壓空間矢量，它們分別表示三

26、相電流的 合成作用和三相電壓的合成作用在坐標(biāo)系中所處的位置。以下的分析均是建立在空間矢量的基礎(chǔ)上。一個(gè)空間矢量可由兩個(gè)正交的坐標(biāo)表示，所以三相電機(jī)轉(zhuǎn)化成兩相電機(jī)模型，從而更方便問(wèn)題的分析。6圖3空間電壓矢量2.2.4 異步電機(jī)的磁鏈觀測(cè)模型在直接轉(zhuǎn)矩控制中，無(wú)論是按圓形軌跡控制還是按六邊形軌跡控制，都需要己知定子磁鏈。采用直接檢測(cè)的方法獲得定子磁鏈，存在各方面的條件限制，在 實(shí)際系統(tǒng)中使用較少。較為通用的方法為間接測(cè)量的方法，即通過(guò)易于測(cè)量的電 機(jī)其它物理量(如定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)速等)，建立定子磁鏈的觀測(cè)模型 口，在 控制中實(shí)時(shí)地推算出定子磁鏈的幅值和相位。定子磁鏈的觀測(cè)準(zhǔn)確性直接影響系

27、統(tǒng)的性能，可以說(shuō)是DT做術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文選取根據(jù)定子電壓與電流的檢測(cè)值估算的 u-i模型。由公式(2-7),可以得到以定子電壓和定子電流表示的異步電機(jī)定子磁鏈u-i模型(如圖4所示)用上式來(lái)確定異步電機(jī)的定子磁鏈的方法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是在計(jì)算過(guò)程中唯一所需要 了解的電機(jī)參數(shù)是易于確定的定子電阻。 式中的定子電壓Us和定子電流is。同樣也 是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測(cè)出來(lái)。U-i模型只有在被積分的差值，也就是iUS-RsTi的值較大時(shí)才能提供正確的結(jié)果。其誤差是由定子電阻 引起的。由于這個(gè)原因，U -i模型只有在10%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，特別是在30%額 定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，測(cè)量誤差及積分

28、漂移的影響才變得微不足道，采用此模型才能比 較準(zhǔn)確地觀測(cè)出定子磁鏈。但是當(dāng)速度低于 30%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，用這種方法來(lái)確定 定予磁鏈?zhǔn)遣豢赡艿?，因?yàn)橛米鞣e分的定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失 了，以致在穩(wěn)定情況下只有誤差被積分。所以 ui法一般應(yīng)用在30%基速以上調(diào) 速區(qū)域的定子磁鏈觀測(cè)中。圖4定子磁鏈的的u-i模型此模型因其物理概念明確、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，故使用最為廣泛。其主要特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在中高速區(qū)域有較高的精度：2）只受定子電阻參數(shù)的影響，魯棒性較高；3）誤差小、收斂，穩(wěn)態(tài)時(shí)始終含有定子電阻偏差引起的觀測(cè)誤差；4）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，定子反電動(dòng)勢(shì)為零，不能按公式（2-7）計(jì)算定子磁鏈，同時(shí)也無(wú)法

29、建立初始磁鏈512.2.5 磁鏈、轉(zhuǎn)矩與空間電壓矢量的關(guān)系1、空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈的作用可=點(diǎn)Rsis）dt+q % 直dt +憶（2-11 ）公式（2-11）中晨 表示定子磁鏈的初始值，由此可知定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡對(duì)應(yīng)于相應(yīng)空間電壓矢量的作用方向，E的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于所給的電壓空間矢量Us指向的方向。通過(guò)逐步合理地選擇電壓矢量，可以使定 子磁鏈?zhǔn)噶縮的運(yùn)動(dòng)軌跡納入一定的范圍，沿著預(yù)定的軌跡移動(dòng)。電壓空間矢量 對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶康挠绊懣梢酝ㄟ^(guò)以下兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在有效空間電壓矢量的作用期間以一定的規(guī)律插入零矢量，有效空間電壓矢 量作用時(shí)，定子磁鏈沿空間電壓矢量作用的方向旋轉(zhuǎn)；零矢量

30、作用時(shí)，定子磁鏈；，停止不動(dòng)。由于零矢量的插入，：走走停停，所以旋轉(zhuǎn)速度變慢了。如果在插入零矢量后仍保持每個(gè)有效空間電壓矢量的總的作用時(shí)間保持不變，則定子 次暗戀矢量的幅值將不變。用這種方法可以控制異步電機(jī)的恒磁通轉(zhuǎn)速，亦即包 轉(zhuǎn)矩調(diào)速。空間電壓矢量對(duì)磁鏈幅值的作用如圖5所示，其中Us為施加的電壓矢量， 日為電壓矢量與磁通矢量的夾角。由圖5分析可得，當(dāng)所施加的電壓矢量與磁通的 夾角0小于90 ：時(shí)，該電壓矢量作用的結(jié)果使磁鏈幅值增加， 當(dāng)6大于90 ：時(shí)，電壓 矢量作用的結(jié)果使磁鏈幅值減??；當(dāng) 日等于90或施加的是零矢量，磁鏈幅值基本 保持不變。sT定 usAt s圖5定子磁鏈和電壓矢量的關(guān)系

31、改變有效空間電壓矢量的交替作用時(shí)間，作用時(shí)間變短，面積將變小，定子磁 鏈?zhǔn)噶康姆狄矊⒆冃?。因此用這種方法可以控制異步電機(jī)的弱磁升速，實(shí)現(xiàn)恒 功率調(diào)速。2、空間電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的作用由式(2-6)可知異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小不僅與定子磁鏈的幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈的 幅值有關(guān)，還和它們之間的夾角有關(guān)，夾角從 0二到90 =變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩從 噪化 到最大值。在實(shí)際運(yùn)行中，一般保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電機(jī)鐵 心，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定，因此要改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小可以通過(guò)改變定轉(zhuǎn) 子磁鏈之間夾角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，就是通過(guò)空間電壓矢量面。來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，以改變定子磁鏈的平均

32、旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變 定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。圖6電磁轉(zhuǎn)矩與電壓矢量的關(guān)系若要增大電磁轉(zhuǎn)矩，就施加正向有效空間電壓矢量，使電壓的幅值足夠大，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速就會(huì)大于轉(zhuǎn)子磁鏈，定轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角9增大，從而使轉(zhuǎn)矩增加。若要減小電磁轉(zhuǎn)矩，則施加零電壓矢量，定子磁鏈就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，定轉(zhuǎn)子磁 鏈間的夾角日減小，從而使轉(zhuǎn)矩減小。若要迅速減小電磁轉(zhuǎn)矩，則施加反向有效空間電壓矢量，定子磁鏈就會(huì)向反 方向旋轉(zhuǎn)，定轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角 日迅速減小，從而使轉(zhuǎn)矩迅速減小。1 3Te 71 sll sinuL。2(2-12)轉(zhuǎn)矩的大小與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角 a的乘積成正比。通過(guò)轉(zhuǎn) 矩三點(diǎn)式調(diào)節(jié)

33、，控制電壓空間矢量的非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量的交替 出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均角速度大小。通過(guò)這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能 獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成通過(guò)前一節(jié)的介紹，直接轉(zhuǎn)矩控制的基本方法已經(jīng)得到，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì) 了一個(gè)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的小系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本組成如圖7所示。系統(tǒng)組成分成如圖中所示的三個(gè)部分：控制部分、逆變部分、電機(jī)部分?？刂撇糠值娜蝿?wù) 主要由控制器來(lái)完成，如圖所示主要進(jìn)行定子磁鏈調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、磁鏈區(qū)間劃 分，最終通過(guò)開關(guān)信號(hào)選擇單元輸出逆變器的開關(guān)狀態(tài)。逆變部分和電機(jī)部分采 用前一節(jié)介紹過(guò)的理想模型。轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩 謂節(jié)器分

34、析器子鏈沿定窿現(xiàn)電壓源 逆變器圖7直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成框圖直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的工作過(guò)程敘述如下：在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，定子磁鏈處于空間原點(diǎn)位置，給出一個(gè)初始開關(guān)工作狀態(tài)， 使其脫離原點(diǎn)位置，通過(guò)對(duì)電流和電壓采樣信號(hào)進(jìn)行 3/2相變換，計(jì)算出在-P 坐標(biāo)下的投影矢量isa、isp, Usa, Usp, p,將這些量通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和矢 量分析器分別得到轉(zhuǎn)矩反饋值Tf和磁鏈反饋陣，轉(zhuǎn)矩反饋值Tf與轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器輸 出量Tg通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得出轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)，同理可得到磁鏈開關(guān)信號(hào)，這兩個(gè)開 g關(guān)信號(hào)和磁鏈所在扇區(qū)共同選擇下一個(gè)周期的開關(guān)狀態(tài)，對(duì)逆變器進(jìn)行控制，從 而完成一個(gè)控制周期。2.3.1 磁鏈調(diào)

35、節(jié)器在直接轉(zhuǎn)矩控制中，需要對(duì)不斷變化的磁鏈幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)以使其限制在一定的容差范圍內(nèi)，首先要求檢測(cè)出當(dāng)前磁鏈幅值。對(duì)于圓形磁鏈，中a, Q,也不對(duì)稱，因此需要用a、P分量計(jì)算：1cp.c；+昵2（2-13）電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于定子電阻壓降等因素的影響，定子磁鏈將會(huì)不斷減小， 因此要求不斷“校正”定子磁鏈到一個(gè)指定的變化范圍內(nèi)。為了避免定子磁鏈幅 值減小到容差以外，引入磁鏈調(diào)節(jié)閉環(huán)，由磁鏈調(diào)節(jié)器給出一個(gè)定子電壓空間矢 量，加大定子磁鏈幅值，這就是磁鏈調(diào)節(jié)器所需完成的工作。磁鏈的調(diào)節(jié)過(guò)程是通過(guò)磁鏈電壓來(lái)完成的。所謂磁鏈電壓是指這樣一個(gè)定子電壓空間矢量，它的主 要作用是根據(jù)磁鏈調(diào)節(jié)器的作用，在需要時(shí)被開啟用以增加或減小磁鏈幅值。根 據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在式(2-11)中，若忽略定子電阻Rs則：二=仙Rsis)dtso -： !.Usdtso(2-14)從式(2-14)可以看出：定子磁鏈?zhǔn)噶?可，與定子電壓空間矢量U。之間為近 似積分關(guān)系，并可由此得出定子磁鏈運(yùn)