基于svpwm的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

PAGE┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊二○一四年六月基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化1班姓名：指導(dǎo)教師：輪機(jī)工程學(xué)院PAGEI摘要本文首先論述了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要回顧了電力電子器件、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展歷程。接著，系統(tǒng)地論述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)后發(fā)展的有一種高性能交流調(diào)速技術(shù)，它采用空間矢量的分析方式，在兩相靜止坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈。不過，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種較新穎的技術(shù)，自然存在著不少的問題，比如電流與轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)問題等。本論文針對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)所固有的問題，提出了基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。這種新型控制策略將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，把電動(dòng)機(jī)和PWM逆變器看成一體，使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的近似圓形的磁場(chǎng)，以解決其轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)問題。在論文的撰寫階段，本人做了如下的工作：通過理論分析，建立了兩相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)模塊，設(shè)計(jì)坐標(biāo)變換模塊，設(shè)計(jì)SVPWM生成模塊。最后使用Simulink進(jìn)行仿真，根據(jù)原理，搭建出各個(gè)模塊的仿真圖，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此種控制策略可以減少電磁轉(zhuǎn)矩以及電流的脈動(dòng)，大大提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制性能。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩；空間矢量脈寬調(diào)制；MATLABPAGEIIABSTRACTFirstly,thisthesisdiscussesthecurrentsituationanddevelopmentofthealternatingcurrentgovernorsystem.Andbrieflyretrospectthedevelopmenthistoryofpowerelectronicdevices,directtorquecontrolsystem,andspacevectorpulsewidthmodulation.Thensystematicallydiscussthetheoryofdirecttorquecontrol.It’sanalternatingcurrentgovernortechnologywithhighperformancedevelopedaftervectorcontroltechnology,whichadoptstheanalysismethodofspacevectortocalculateandcontroltheelectromagnetictorqueandfluxlinkageofmotorinthetwo-phase

static

coordinate.However,naturally,therearesomeproblems,suchasthepulsationproblemofcurrentandelectromagnetictorqueindirecttorquecontroltechnologyforitisarathernoveltechnology.ThisthesisputsforwardacontrolpolicyofdirecttorquecontrolsystembasedonspacevectorPWMaimingattheinherentproblemsoftraditionaldirecttorquecontrolsystem.ThisnewcontrolpolicycombinestwotechnologiestogetherseeingtheelectromotorandPWMinverterasawholetomakeacircularmagneticfieldwithaconstantamplitudetosolvethepulsationproblemofcurrentandelectromagnetictorque.Intheperiodofwritingthisthesis,Ihavedonetheworkasfollows:Throughthetheoryanalysis,buildthemathematicalmodelofasynchronousmotorinthetwo-phase

static

coordinate,anddesigntheobservationmodulesoftorqueandfluxlinkage,thecoordinatetransformationmodules,andSVPWMgeneratingmodules.Lastly,IuseSimulinktosimulatethem,buildingeverysimulationdiagramaccordingtothetheory.Andtheresultindicatesthatthiscontrolpolicycanpromotethecontrolperformanceofdirecttorquecontrolsystemgreatlythroughreducingthepulsationoftorqueandcurrent.Keywords：Asynchronousmotor，Directtorquecontrol，Spacevectorpulsewidthmodulation，MATLABPAGEIV目錄第1章緒論 11.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀 11.1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件發(fā)展 11.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法的發(fā)展 11.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 21.3空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（即SVPWM）的發(fā)展以及現(xiàn)狀 31.4 本章小結(jié) 4第2章異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 52.1三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 52.2坐標(biāo)變換 62.2.1三相—兩相靜止坐標(biāo)變換 62.2.2兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 72.3交流異步電動(dòng)機(jī)在靜止兩相坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型： 82.4 本章小結(jié) 9第3章直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理 103.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 103.2磁鏈控制閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán) 103.2.1磁鏈控制閉環(huán) 103.2.2轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán) 133.3逆變器 143.4電壓空間矢量選擇 153.5扇區(qū)判斷 163.6本章小結(jié) 17第4章空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù) 184.1空間矢量脈寬調(diào)制原理 184.2期望電壓空間矢量的獲得 214.3SVPWM調(diào)制算法 224.4 本章小結(jié) 22第5章基于SVPWM異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 235.1基于SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 235.2磁鏈定向方式 235.3 DTC-SVM的扇區(qū)判斷 245.4空間電壓矢量調(diào)制 265.5本章小結(jié) 28第6章DTC-SVM仿真研究 296.1MATLAB/Simulink的簡(jiǎn)介 296.2基本仿真模塊 296.3坐標(biāo)變換仿真模塊 296.3.1三相—兩相靜止坐標(biāo)仿真模塊 306.3.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換仿真模塊 306.4轉(zhuǎn)矩觀測(cè)仿真模塊 306.5磁鏈觀測(cè)仿真模塊圖 316.6 SVPWM仿真模塊 316.6.1 SVPWM模塊仿真圖 326.6.2扇區(qū)判斷仿真模塊 326.6.3基本電壓空間矢量工作時(shí)間計(jì)算仿真模塊 326.6.4逆變器導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算 346.6.5 SVPWM波生成模塊 346.7仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 356.7.1 定子磁鏈軌跡比較 356.7.2定子電流比較 366.7.3轉(zhuǎn)速響應(yīng)比較 386.7.4 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較 396.8 本章小結(jié) 40第7章結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 42致謝 43附錄1 44附錄2 45基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真PAGE45第1章緒論1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀一直以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)以其簡(jiǎn)單而優(yōu)越的調(diào)速性能，掩蓋了其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向麻煩等缺點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用。直至上世紀(jì)80年代，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域，都一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。不過，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和控制性能要求的不斷提高，直流調(diào)速系統(tǒng)所固有的缺點(diǎn)開始凸顯出來(lái)。自上世紀(jì)30年代以來(lái)，科學(xué)家們就開始致力于對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，礙于當(dāng)時(shí)技術(shù)方面的諸多限制，直至60年代以后，隨著功率電子器件、微電子器件（中、大型集成電路以及微機(jī)）的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)研究才有了突破性的進(jìn)展，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的不斷完善和發(fā)展，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能達(dá)到可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。又由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低廉的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，開始逐步取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便的直流調(diào)速裝置。目前，工業(yè)較為先進(jìn)的國(guó)家中，直流傳動(dòng)裝置的應(yīng)用呈下降趨勢(shì)，而交流傳動(dòng)裝置的應(yīng)用卻都在大幅地上升。以日本為例，在其1975年的調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速系統(tǒng)占80%，而交流調(diào)速系統(tǒng)僅占20%，不過在1985年時(shí)，交流調(diào)速系統(tǒng)卻占80%，而直流調(diào)速系統(tǒng)僅占20%。目前，直流調(diào)速系統(tǒng)大有完全被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代的趨勢(shì)。1.1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件發(fā)展電力電子元器件是交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件，它是交流調(diào)速的實(shí)物基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。1958年美國(guó)通用電氣公司研制出的第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管，取代了以前的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，直至80年代中期，交流變頻裝置主要還是采用晶閘管器件，其效率，可靠性，價(jià)格以及體積都無(wú)法與相同容量的直流裝置相提并論。80年代中后期，電力晶體管(GTR)，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管等第二代電力電子器件相繼問世，在其基礎(chǔ)上產(chǎn)生的交流變頻裝置在性能與成本上可與直流裝置相比。80年代后期問世的IGBT，使交流調(diào)速裝置開關(guān)的通斷速度更快、通態(tài)壓降小、載流能力更大，目前是中小功率范圍應(yīng)用最為廣泛的器件。之后，電力電子技術(shù)朝向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化的方向發(fā)展，其中模塊化器件將成為21世紀(jì)的主流產(chǎn)品。以上所述的全控型開關(guān)器件主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，使得異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能得以大幅度提高，達(dá)到可以與直流電機(jī)相媲美的程度。1.1.2交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法的發(fā)展單單電力電子器件不足以獲得高性能交流調(diào)速裝置，正確而有效的控制方法是實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速的必要條件。感應(yīng)交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型要比直流電機(jī)復(fù)雜得多，它是一個(gè)多變量、非線性、高階、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，這就注定了控制交流電機(jī)的難度所在。上世紀(jì)七十年代初期，德國(guó)西門子公司的Blaschke和美國(guó)的Clark共同創(chuàng)立了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式可以達(dá)到勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦，有利于設(shè)計(jì)兩者的控制器，達(dá)到獨(dú)立去控制勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的目的，從而實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，并得到推廣。八十年代中期，德國(guó)魯爾大學(xué)的M．Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，它是既矢量控制系統(tǒng)之后，發(fā)展出來(lái)的又一種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，它不用經(jīng)過復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，只需要簡(jiǎn)單的靜止坐標(biāo)變換。其核心就是對(duì)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制采用滯環(huán)比較器，以及利用其輸出去選擇合適的電壓空間矢量。由于采用的是滯環(huán)比較器，其轉(zhuǎn)矩必然是脈動(dòng)的，而且調(diào)速范圍也不夠?qū)?。九十年代，有學(xué)者提出了SVPWM技術(shù)，基于SVPWM的DTC系統(tǒng)能夠獲得非常優(yōu)越的動(dòng)靜態(tài)性能。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock提出了一個(gè)新穎的異步電動(dòng)機(jī)控制理論，那就是直接轉(zhuǎn)矩控制理論，不久后，又將此理論推廣到了弱磁調(diào)速的范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是既矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展出來(lái)的一種高性能交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它與矢量控制技術(shù)相比，存在著不少的優(yōu)點(diǎn)。它是在定子坐標(biāo)系下分析異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，不需要為了解耦而將異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，只強(qiáng)調(diào)對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制，避免了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜止坐標(biāo)變換。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，采用的是按定子磁鏈定向的方式，若磁鏈觀測(cè)器，采用的是U-i模型，則只需要觀測(cè)定子電阻，定子電流，定子電壓，若采用的是i-n模型，只需要觀測(cè)定子電流，轉(zhuǎn)速，而這些都是有關(guān)定子的參數(shù)，比較容易測(cè)得，從而大大地減小原先矢量控制系統(tǒng)易受電機(jī)參數(shù)影響的問題。實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的觀測(cè)器（反饋模型）以及如何根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈的信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有如下四個(gè)特點(diǎn)：1.直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等效、轉(zhuǎn)化；即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)摸型，它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。2.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用的是按定子磁鏈定向的方式，只需去觀測(cè)定子上的有關(guān)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)定子磁鏈觀測(cè)器。3.直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡(jiǎn)單明了。4.直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。它包含有兩層意思：①直接控制轉(zhuǎn)矩；②對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。這種控制思想不僅能夠用于轉(zhuǎn)矩控制，也能應(yīng)用于磁鏈，但應(yīng)以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行綜合控制。目前在國(guó)外，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功地應(yīng)用于兆瓦級(jí)的牽引機(jī)車以及大功率交流傳動(dòng)上。但市場(chǎng)上采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流變頻器還不是很多，不過其應(yīng)用前景還是相當(dāng)光明的。當(dāng)前，日本，德國(guó)，美國(guó)等技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家都在發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。最近，日本研究成功的1.5Kw的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器創(chuàng)造了幾項(xiàng)世界紀(jì)錄，比如，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)頻率可以達(dá)到2KHz，沖擊轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的20倍，+500到-500轉(zhuǎn)/分的反轉(zhuǎn)時(shí)間僅為4ms。今后的，直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是采用第四代電力電子器件以及數(shù)字化控制器件。我國(guó)已將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成功應(yīng)用于大功率牽引機(jī)車，也取得了不錯(cuò)的效果，不過我國(guó)開展此項(xiàng)技術(shù)的時(shí)間相對(duì)較短，技術(shù)基礎(chǔ)也相對(duì)薄弱，目前，仍與世界最高水平存在著不小的差距，國(guó)內(nèi)的交流變頻器市場(chǎng)也基本都被國(guó)外的品牌所占據(jù)。因此國(guó)內(nèi)不少的研究單位都在研究高性能的交流變頻裝置，以期能夠減少對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴程度。然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種剛誕生不久的新理論、新技術(shù)，仍存在著不少的不足，不完善的地方，比如，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，低速性能較差等問題。目前，定子磁鏈觀測(cè)器，轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，無(wú)速度傳感器是研究熱點(diǎn)。為了解決這些問題，研究人員提出了不少理論，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的性能更加完善，比如基于SVPWM、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論技術(shù)。1.3空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)（即SVPWM）的發(fā)展以及現(xiàn)狀上世紀(jì)九十年代中期，有學(xué)者提出了一種全新的技術(shù)理論，那即是空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），SVPWM技術(shù)是PWM技術(shù)的一種。經(jīng)典的正弦PWM技術(shù)從電源角度出發(fā)，使交流變頻器的輸出電壓波形接近于正弦波，而SVPWM的主要思想是，輸入三相正弦電流形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，此技術(shù)將逆變系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，模型較為簡(jiǎn)單，便于使用微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。傳統(tǒng)的SVPWM應(yīng)用的是六拍階梯波逆變器，逆變器一個(gè)工作期間分為六個(gè)扇區(qū)，為了使磁鏈逼近圓形，將每個(gè)扇區(qū)再分為若干個(gè)小區(qū)間T0，T0越短，磁鏈越接近圓形，但T0受到開關(guān)器件的開關(guān)頻率所制約。每個(gè)小區(qū)間存在著多次的開關(guān)狀態(tài)切換，但每次切換只涉及一個(gè)開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗很小。SVPWM技術(shù)的應(yīng)用前景比較廣泛，在逆變裝置中，它可應(yīng)用于逆變電源、三電平無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)、變頻壓縮機(jī)等。在伺服裝置中，它可應(yīng)用于直流無(wú)刷伺服電機(jī)，交流永磁同步伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。在電力拖動(dòng)方面上，可應(yīng)用于異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等。近些年來(lái)，很多SVPWM的應(yīng)用開始涌現(xiàn)出來(lái)，不過由于還處于研究和起步階段，其控制性能仍然無(wú)法與其他的控制方法相比擬。本章小結(jié)本章首先介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的電力電子元件和控制方法的發(fā)展，接著著重介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展和基于空間電壓矢量的脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展第2章異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.1三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型在建立異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)，我們常作如下假設(shè)：假設(shè)三相繞組對(duì)稱分布，在空間中互差120度，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦分布。忽略磁路飽和，各繞組自感和互感被認(rèn)為是恒定的。忽略鐵芯損耗。不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻所造成的影響。將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)，這樣可以將定轉(zhuǎn)子統(tǒng)一放在同一個(gè)靜止坐標(biāo)系中進(jìn)行分析。異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。電壓方程（2.1）即為：（2.2）磁鏈方程（2.3）即為其中L為6*6電感矩陣，LAA，LBB，LCC，Laa，Lbb，Lcc為各繞組的自感，其余均為互感。轉(zhuǎn)矩方程（2.4）運(yùn)動(dòng)方程（2.5）由以上的數(shù)學(xué)模型可知道，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、高階、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。多變量可以體現(xiàn)在異步電機(jī)是一個(gè)雙輸入雙輸出系統(tǒng)，非線性存在于電感矩陣L，以及旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩兩個(gè)環(huán)節(jié)上。2.2坐標(biāo)變換由以上可知異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，直接進(jìn)行分析十分不便，而且在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們是通過空間矢量的方式在靜止的兩相坐標(biāo)系中對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行分析，所以我們通常將靜止三相原始數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可以使分析和計(jì)算得到大大地簡(jiǎn)化。異步電機(jī)的定子繞組是靜止的，因而只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜止坐標(biāo)變換，即3/2變換，由于轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，則需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，即2r/2s變換。坐標(biāo)變換的原則是功率不變，合成的磁動(dòng)勢(shì)不變。2.2.1三相—兩相靜止坐標(biāo)變換三相-兩相變換，即3/2變換，見圖2.1：圖2-1三相—兩相變換在圖2.1中繪出了a、b、c和α、β兩個(gè)坐標(biāo)系，a軸與α軸重合，三相繞組的匝數(shù)為N3，兩相繞組的匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢(shì)為匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于各相上，根據(jù)合成磁動(dòng)勢(shì)一致的原則，兩套繞組的磁動(dòng)勢(shì)在α、β軸上的投影應(yīng)相等，由此可獲得方程：寫成矩陣形式可得：考慮變換前后功率不變，在此前提下，匝數(shù)比應(yīng)為：由此可得從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換關(guān)系矩陣為：（2.6）2.2.2兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，即2r/2s變換，見圖2.2：圖2.2兩相—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換在圖2.2中繪出了d、q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和α、β兩相靜止坐標(biāo)系，由于各項(xiàng)繞組匝數(shù)都相等，則可以消去磁動(dòng)勢(shì)的匝數(shù)，磁動(dòng)勢(shì)可以直接用電流來(lái)表示，磁動(dòng)勢(shì)空間矢量都沿著各相繞組軸線。d軸與α軸的夾角為φ，由合成磁動(dòng)勢(shì)相等原則可知，id、iq和iα、iβ在α、β軸上的投影應(yīng)完全相等，則可獲得矩陣方程：由此可獲得兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣為：（2.7）2.3交流異步電動(dòng)機(jī)在靜止兩相坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，可獲得靜止兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：電壓方程（2.8）其中p為微分算子，Ls、Lr為定轉(zhuǎn)子繞組的自感，Lm為定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感，Rs為定子繞組內(nèi)阻，Rr為轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)阻，wr為轉(zhuǎn)子角速度，對(duì)于鼠籠式異步電機(jī)來(lái)說，由于轉(zhuǎn)子側(cè)是短路的，所以轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流分量均為0。（2）磁鏈方程（2.9）（3）轉(zhuǎn)矩方程（2.10）(4)運(yùn)動(dòng)方程（2.11）將異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型與原始三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型相比，顯得簡(jiǎn)單許多，階次也降低了，不過它的多變量、強(qiáng)耦合、非線性的性質(zhì)仍然沒有改變。本章小結(jié)本章對(duì)坐標(biāo)變換原理進(jìn)行了推導(dǎo)，基于坐標(biāo)變換，將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從在三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)，達(dá)到簡(jiǎn)化異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的目的。第3章直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理3.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，在圖3.1中繪出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩滯環(huán)磁鏈滯環(huán)電壓矢量開關(guān)信號(hào)選擇逆變器異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型磁鏈模型－－－扇區(qū)判斷＋圖3.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了常見的轉(zhuǎn)速閉環(huán)，還存在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)。在給定轉(zhuǎn)矩的后面設(shè)置轉(zhuǎn)矩反饋閉環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)矩所造成的影響，在給定磁鏈的后面設(shè)置磁鏈反饋閉環(huán)，它可以抑制轉(zhuǎn)矩變化對(duì)磁鏈所造成的影響，從而使得轉(zhuǎn)矩與磁鏈子系統(tǒng)達(dá)到近似解耦的目的。對(duì)在異步電機(jī)定子側(cè)采集的定子電壓和定子電流信號(hào)，進(jìn)行3s/2s變換后得到在α、β坐標(biāo)系下的電壓和電流，并引入轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)模塊，觀測(cè)出轉(zhuǎn)矩反饋量和磁鏈的反饋量，以及定子磁鏈角，分別于給定轉(zhuǎn)矩和給定磁鏈進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe和磁鏈偏差ΔΨs，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩遲滯比較器和磁鏈遲滯比較器后得到轉(zhuǎn)矩偏差信號(hào)TQ和磁鏈偏差信號(hào)ΨQ，根據(jù)TQ、ΨQ的值以及定子磁鏈所在的扇區(qū)n，來(lái)共同確定使用何種開關(guān)狀態(tài)來(lái)控制變頻器，從而選擇合適的電壓空間矢量來(lái)控制異步電動(dòng)機(jī)。3.2磁鏈控制閉環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)3.2.1磁鏈控制閉環(huán)磁鏈控制閉環(huán)主要包括磁鏈觀測(cè)器，以及根據(jù)磁鏈觀測(cè)器的輸出值與給磁鏈進(jìn)行比較，通過磁鏈滯環(huán)比較器，繼而控制磁鏈的恒定，使異步電機(jī)獲得較高的動(dòng)靜態(tài)性能。（1）磁鏈觀測(cè)器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中一般使用的是定子磁鏈觀測(cè)器。顧名思義，定子磁鏈觀測(cè)器是指根據(jù)在電機(jī)中檢測(cè)到的定子電壓，定子電流，轉(zhuǎn)速等參數(shù)來(lái)對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，近似地觀測(cè)出定子磁鏈的幅值與相位。定子磁鏈觀測(cè)器一般有三種模型。其一，就是最簡(jiǎn)單、常見的u-i模型，其公式為：（3.1）由公式3.1可以畫出u-i模型的結(jié)構(gòu)框圖，見圖2.4：圖3.2磁鏈觀測(cè)u-i模型由公式及圖3.2可知，u-i模型結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的電機(jī)參數(shù)，只需要知道定子電阻參數(shù)，而且定子電壓以及定子電流也非常容易從定子中檢測(cè)出來(lái)。但是純積分磁鏈觀測(cè)器有一個(gè)固有的且十分嚴(yán)重的缺點(diǎn)，那就是會(huì)出現(xiàn)積分漂移的問題，嚴(yán)重影響磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性，需通過使用低通濾波器來(lái)消除這方面的問題，這使得原本簡(jiǎn)單的u-i模型定子磁鏈觀測(cè)器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。而且定子電阻受溫度影響很大，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的30%，Us遠(yuǎn)大于is與Rs的乘積時(shí)，Rs引起的測(cè)量誤差和積分漂移才會(huì)變得很小，這種情況下才能較為準(zhǔn)確地觀測(cè)出定子磁鏈。其二，就是稍復(fù)雜的定子磁鏈i-n模型，其公式為：（3.2）由公式3.2可以畫出i-n模型結(jié)構(gòu)框圖，見圖3.3：圖3.3磁鏈觀測(cè)模型i-n模型由圖3.3以及公式3.2可知，定子磁鏈i-n模型的復(fù)雜程度比u-i模型高。i-n模型用定子電流以及轉(zhuǎn)子角速度來(lái)觀測(cè)定子磁鏈，定子電流容易精確測(cè)得，所以此模型的精度直接與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度相關(guān)，當(dāng)然也受到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響。由于轉(zhuǎn)速測(cè)量肯定存在著誤差，而且轉(zhuǎn)速高時(shí)，誤差更大，因此i-n模型在高速時(shí)磁鏈觀測(cè)精度不如u-i模型，不過低速時(shí)觀測(cè)精度比u-i模型高。其三，是較復(fù)雜的定子磁鏈u-n模型，其公式為：（3.3）由于u-i模型與i-n模型都有缺點(diǎn)，且互相彌補(bǔ)，能否將兩種磁鏈觀測(cè)方式綜合起來(lái)呢？答案是肯定的，第三種磁鏈觀測(cè)方式應(yīng)運(yùn)而生，那就是u-n模型，從上述公式可知，此模型較為復(fù)雜。它綜合了上述兩種觀測(cè)模型，通過定子電壓和轉(zhuǎn)速來(lái)觀測(cè)定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)了在全速范圍內(nèi)都可以適用的觀測(cè)模型。電機(jī)在低速時(shí)，定子磁鏈觀測(cè)實(shí)際工作于i-n模型，在高速時(shí)，定子磁鏈觀測(cè)器實(shí)際工作于u-i模型，它能夠?qū)崿F(xiàn)兩種模型的平滑過渡。不過因?yàn)槠涔揭约敖Y(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，比較難以實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)際使用仍較少。由于篇幅，u-n模型的結(jié)構(gòu)框圖不在本論文中給出，有意者可以查閱相關(guān)參考書。定子磁鏈的幅值可由下列公式求得：（3.4）定子磁鏈的相位可由下列公式求得：（3.5）（2）磁鏈的控制與調(diào)節(jié)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們一般使用磁鏈滯環(huán)比較器，來(lái)調(diào)節(jié)磁鏈幅值，使之保持恒定。滯環(huán)比較器原理上實(shí)際是施密特觸發(fā)器。磁鏈滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)圖，見圖3.4：圖3.4磁鏈滯環(huán)比較器磁鏈滯環(huán)比較器的容差為±eψ，其輸入為給定磁鏈值與磁鏈反饋值的差值，其輸出為磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ。根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)綜合磁鏈所在扇區(qū)來(lái)選擇合適的電壓空間矢量，對(duì)定子磁鏈進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之能夠保持恒定。當(dāng)磁鏈差值大于等于+eψ時(shí)，ψQ輸出值為1，表示實(shí)際磁鏈值低于滯環(huán)比較器的下限，則需選擇合適的電壓空間矢量來(lái)增加定子磁鏈，直到當(dāng)磁鏈差值小于等于時(shí)，ψQ輸出為0，表示實(shí)際磁鏈值高于比較器的上限，則需選擇合適的電壓空間矢量來(lái)減小定子磁鏈，這樣通過對(duì)定子磁鏈反復(fù)調(diào)節(jié)，使定子磁鏈軌跡逼近圓形。由于滯環(huán)比較器存在容差導(dǎo)致了實(shí)際值在一定的范圍內(nèi)脈動(dòng)，此范圍受容差寬度影響，容差寬度越小，脈動(dòng)越小，但容差寬度受開關(guān)器件的開關(guān)頻率的影響，不能設(shè)置過小。3.2.2轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)包括轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，以及根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的輸出值進(jìn)行比較，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。(1)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩公式：（3.6）根據(jù)式3.6可以繪出轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖，見圖3.5：圖3.5轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖(2)轉(zhuǎn)矩的控制與調(diào)節(jié)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，對(duì)于轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，我們同樣使用的是滯環(huán)比較器，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)圖，見圖3.6：圖3.6轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的作用就是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。從圖3.5中我們也可以看出它與圖3.6之間的不同之處。如果仍采用圖3.5中的方式，則轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)很大，這是我們不愿意看到的。所以在圖3.6中，我們引入了零電壓矢量，來(lái)減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。其工作原理為，當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值大于等于+eψ時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于1，此時(shí)應(yīng)選擇合適的電壓空間矢量來(lái)增大電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值在+eψ與-eψ之間時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于0，此時(shí)應(yīng)選擇零電壓矢量。當(dāng)轉(zhuǎn)矩差值小于等于時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出TQ等于-1，則此時(shí)應(yīng)選擇合適的電壓空間矢量來(lái)減少電磁轉(zhuǎn)矩。3.3逆變器在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們采用的是三相電壓型逆變器，下圖為三相電壓型逆變器的原理圖，見圖3.7：圖3.7三相電壓型逆變器三相電壓型逆變器共有3組，6個(gè)開關(guān)管，分別為這些開關(guān)管可以使用IGBT等全控型電力電子器件。特別定義開關(guān)函數(shù)：，則逆變器輸出的全部電壓空間矢量有八個(gè)，其中有六個(gè)非零電壓空間矢量，與兩個(gè)零電壓空間矢量，分別為Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)與U0(000)、U7(111)。3.4電壓空間矢量選擇我們可以根據(jù)磁鏈偏差信號(hào)ψQ，轉(zhuǎn)矩偏差信號(hào)TQ以及所處的扇區(qū)號(hào)來(lái)選擇合適的電壓空間矢量來(lái)控制和調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)。在三相靜止坐標(biāo)系a，b，c與兩相靜止坐標(biāo)系α、β中繪出六個(gè)非零電壓空間矢量，并且在兩相靜止坐標(biāo)系α、β下對(duì)定子磁鏈進(jìn)行扇區(qū)的劃分，傳統(tǒng)的劃分方式是將a軸與α軸重合，并且從a軸開始每隔60度劃分一個(gè)扇區(qū)，共可以劃分6個(gè)扇區(qū)。不過仔細(xì)分析時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在此種劃分方式下，對(duì)于同一扇區(qū)內(nèi)的不同位置，同一電壓空間矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的增減效果會(huì)前后不一致，比如按傳統(tǒng)方式劃分時(shí)，U2空間電壓矢量在S1扇區(qū)內(nèi)對(duì)磁鏈幅值作用效果不一致，0度到30度時(shí)是減小磁鏈，而30度到60度則是增加磁鏈。為了解決這個(gè)問題，本論文采用另一種劃分方式，以-30度軸與α軸重合，作為起始，每隔60度劃分一個(gè)扇區(qū)，共可以劃分6個(gè)扇區(qū)，分別用S1,S2,S3,S4,S5,S6來(lái)表示。扇區(qū)劃分如圖3.8所示圖3.8扇區(qū)劃分在此種劃分方式下，對(duì)于同一扇區(qū)內(nèi)的不同位置，同一電壓空間矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的增減效果是一致的。異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，假設(shè)定子磁鏈位于S2扇區(qū)，當(dāng)實(shí)際磁鏈幅值達(dá)到下限，即ψQ=1時(shí)，應(yīng)選擇非零電壓空間矢量來(lái)增加磁鏈，此時(shí)可以分兩種情況：（1）實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到下限，即TQ=1時(shí)，應(yīng)增加電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U2(010)來(lái)同時(shí)增加磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩。（2）實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限，即TQ=-1時(shí)，應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U4(100)來(lái)增加磁鏈幅值并減小電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)實(shí)際磁鏈幅值達(dá)到上限，即ψQ=0時(shí)，應(yīng)選擇非零電壓矢量來(lái)減小磁鏈，此時(shí)也可以分為兩種情況：實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到下限，即TQ=1時(shí)，應(yīng)增加電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U3(011)來(lái)減小磁鏈幅值并增加電磁轉(zhuǎn)矩。實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限，即TQ=-1時(shí)，應(yīng)減小電磁轉(zhuǎn)矩，所以可以選擇U5(101)來(lái)減小磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的幅值。類似地，我們用同樣的方法可以在S2,S3，S4，S5，S6扇區(qū)內(nèi)選擇合適的電壓空間矢量，并且零電壓矢量的使用應(yīng)符合開關(guān)次數(shù)最小的原則，由此，我們可以獲得一個(gè)最優(yōu)的電壓空間矢量選擇開關(guān)表，如下表3.1所示:表3.1電壓矢量開關(guān)表yQTQSn1234561u611)u2(01)u3(01)u1(00)u510)u410)10u711)u0(00)u711)u0(00)u711)u0(00)-1u510)u410)u611)u2(01)u3(01)u1(00)1u2(01)u3(01)u1(00)u510)u410)u611)00u0(00)u711)u0(00)u711)u0(00)u711)-1u1(00)u510)u410)u611)u2(01)u3(01)3.5扇區(qū)判斷對(duì)磁鏈的計(jì)算不僅包括幅值，還包括相位角，使用相位角判斷磁鏈所在的扇區(qū)，并將結(jié)果送到電壓矢量選擇（查表）模塊。360°被劃分成六個(gè)扇區(qū)S1,S2，S3，S4，S5，S6，每個(gè)扇區(qū)寬度為60o，本實(shí)驗(yàn)中所采用的扇區(qū)劃分方法如下，即：位于扇區(qū)六位于扇區(qū)二位于扇區(qū)六位于扇區(qū)二位于扇區(qū)一當(dāng)時(shí)，若位于扇區(qū)五位于扇區(qū)五位于扇區(qū)四當(dāng)時(shí)，若位于扇區(qū)三或者可以用定子磁鏈角θ來(lái)表示：當(dāng)-30°<θ<=30°時(shí)，處于扇區(qū)1當(dāng)30°<θ<=90°時(shí)，處于扇區(qū)2當(dāng)90°<θ<=150°時(shí)，處于扇區(qū)3當(dāng)150°<θ<=210°時(shí)，處于扇區(qū)4當(dāng)210°<θ<=270°時(shí)，處于扇區(qū)5當(dāng)270°<θ<=330°時(shí)，處于扇區(qū)63.6本章小結(jié)本章對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和推導(dǎo)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了分析。第4章空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)4.1空間矢量脈寬調(diào)制原理與正六邊形的磁鏈軌跡不同，近似圓形的磁鏈軌跡舊是以SVPWM控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，相鄰的兩個(gè)非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量在時(shí)間上的不同組合，可以得到該扇區(qū)內(nèi)的一組幅值相等相位不同的電壓空間矢量。從一個(gè)電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)電壓空間矢量的過程中，應(yīng)當(dāng)使功率器件的開關(guān)次數(shù)最少，也就是說每次只有一個(gè)器件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。通過控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間和不同電壓空間矢量的給出順序，使空間電壓矢量運(yùn)動(dòng)軌跡接近圓形，就可以便電機(jī)的磁鏈軌跡逼近圓軌跡。三相電壓型逆變電路如圖4.1所示：圖4.1三相電壓型逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù)Sx(x=a、b、c)為：則一共可以組成8個(gè)電壓空間矢量，包括兩個(gè)零電壓矢量U0(000)、U7(111)和六個(gè)非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)。在對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行分析和控制時(shí)，我們均需要對(duì)三相進(jìn)行分析和控制，可以引入Park矢量變換式：（4.1）假設(shè)Sx(x=a、b、c)=(100)，有：求解上述方程可得：UaN=2Udc/3、UbN=-Udc/3、UcN=-Udc/3，則代入Park矢量變換式可得：按照此種計(jì)算方式，我們可以計(jì)算出各個(gè)狀態(tài)下的空間電壓矢量，如下表4.1所示：表4.1空間電壓矢量SaSbSc矢量符號(hào)相電壓電壓空間矢量UaNUbNUcNUs000U00000100U4110U6010U2011U3001U1101U5111U70000(1)逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們以周期性的順序出現(xiàn)，相鄰的兩個(gè)矢量之間相差60度。(2)電壓空間矢量的幅值不變，都等于2/3Ud，因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的留個(gè)頂點(diǎn)。(3)依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的六個(gè)電壓空間矢量的順序是：U4（100），U6（110），U2（010），U3（011），U1（001），U5（101）。(4)零電壓矢量U0（000）,U1（111）位于正六邊的中心。八個(gè)基本電壓空間矢量的位置與幅值如下圖4.2所示：圖4.2電壓空間的位置與幅值在每一個(gè)扇區(qū)中，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意期望電壓空間矢量，即：（4.2）或者等效成下式：其中，Uref為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0在一個(gè)采樣周期內(nèi)的作用時(shí)間；其中U0包括了U0和U7兩個(gè)零矢量，矢量Uref在T時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果應(yīng)與Ux、Uy、U0分別在時(shí)間Tx、Ty、T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果總和相同。要使電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡趨近于圓形，從而使磁鏈的軌跡接近于圓形，可以利用上述的電壓向量合成技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。4.2期望電壓空間矢量的獲得要獲得更多邊形或是接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇。我們可以用八個(gè)基本空間矢量合成其他多個(gè)矢量。按照空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量來(lái)合成期望的輸出矢量。本文采用一種基本的方法，在合成空間電壓矢量時(shí)，八個(gè)電壓矢量的組合應(yīng)遵循以下原則：(1)以降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗為原則，從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開關(guān)狀態(tài)的切換應(yīng)只有一個(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)發(fā)生改變。(2)以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和諧波分量為原則，我們采用零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法。任一期望電壓矢量應(yīng)由與該電壓矢量相鄰的兩個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)零電壓矢量合成。三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為ω=2πf，旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為T=1/f；若載波頻率是fs，則頻率比為R=fs/f。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等切割成R個(gè)小增量，即設(shè)定電壓向量每次增量的角度是：今假設(shè)欲合成的電壓向量Uref在第Ⅰ區(qū)中第一個(gè)增量的位置，如圖4.3所示，欲用U4、U6、U0及U7合成，用平均值等效可得：Uref*Ts=U4*T4+U6*T6。圖4.3電壓空間向量在第Ⅰ區(qū)的合成與分解在兩相靜止參考坐標(biāo)系（α，β）中，令Uref和U4間的夾角是θ，由此可得方程：（4.3）因?yàn)閨U4|=|U6|=2Udc/3，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間為：式中m為SVPWM調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比），m=|Uref|/Udc。而零電壓向量所分配的時(shí)間為：T7=T0=(Ts-T4-T6)/2得到以U4、U6、U7及U0合成的Uref的時(shí)間后，接下來(lái)就是如何產(chǎn)生實(shí)際的脈寬調(diào)制波形。在SVPWM調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈活性的，適當(dāng)選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時(shí)刻的開關(guān)動(dòng)作，最大限度地減少開關(guān)損耗。4.3SVPWM調(diào)制算法通過以上SVPWM的法則推導(dǎo)分析可知要實(shí)現(xiàn)SVPWM信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼?lái)合成參考電壓矢量。電壓矢量調(diào)制的控制指令是控制系統(tǒng)給出的矢量信號(hào)Uref，它以某一角頻率ω在空間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè)600扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)元件動(dòng)作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn)360°后，逆變器就能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓。本章小結(jié)本章對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)原理進(jìn)行了細(xì)致的分析，了解了SVPWM波是如何調(diào)制出來(lái)的。第5章基于SVPWM異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)5.1基于SVPWM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖5.1所示：速度PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器速度PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器磁鏈PI調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換SVPWM調(diào)制模塊逆變器異步電動(dòng)機(jī)磁鏈角計(jì)算轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模型磁鏈觀測(cè)模型＋——＋三相-兩相坐標(biāo)變換圖5.1基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如何將SVPWM技術(shù)應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的是確定需要調(diào)制的控制量。美國(guó)學(xué)者Habetler提出的無(wú)差拍控制技術(shù)是在一個(gè)控制周期內(nèi)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差計(jì)算出能使誤差為零的定子電壓矢量，并在下一個(gè)控制周期中使用SVPWM技術(shù)將其合成來(lái)實(shí)現(xiàn)控制[19]。無(wú)差拍技術(shù)能在理論上完美解決DTC存在的問題，但實(shí)際計(jì)算量較大，不易實(shí)現(xiàn)。本文采用PI調(diào)節(jié)器獲得可以補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的參考電壓量，再由SVPWM技術(shù)合成目標(biāo)電壓矢量來(lái)控制逆變器，其方法直接簡(jiǎn)單，利于實(shí)現(xiàn)。DTC-SVM系統(tǒng)包括定子磁鏈閉環(huán)、電磁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)。根據(jù)給定磁鏈|Ψs|*和磁鏈反饋|Ψs|之間的偏差ΔΨs，給定轉(zhuǎn)矩Te*和反饋轉(zhuǎn)矩Te之間的偏差ΔTe，經(jīng)過兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器得到旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的參考定子電壓矢量分量Usq*、Usd*，再經(jīng)反旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下的分量usα*、usβ*，作為SVPWM模塊的參考電壓矢量，得到恒定開關(guān)頻率的開關(guān)信號(hào)控制逆變器，從而實(shí)時(shí)地推導(dǎo)出任意大小、任意相位的電壓空間矢量施加在電機(jī)的定子繞組上。5.2磁鏈定向方式矢量控制系統(tǒng)中一般應(yīng)用的是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，不過在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，一般使用的是按定子磁鏈定向。所謂的按定子磁鏈定向，是指繪出以WΨs為角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系dq，以及靜止的坐標(biāo)系αβ，WΨs為定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝相對(duì)于靜止α軸的旋轉(zhuǎn)角速度，d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶糠较蛞恢拢纱硕ㄗ哟沛準(zhǔn)噶糠较蚺cα軸的夾角，就可以作為dq/αβ變換的變換角。異步電機(jī)在以WΨs為角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系d-q下的定子電壓矢量方程式：（5.1）按此定子磁鏈定向，有Ψs=Ψsd+Ψsq即Ψs=Ψsd、Ψsq=0，定子電壓矢量方程可以改寫為：（5.2)(5.3)而電磁轉(zhuǎn)矩方程式可以改寫為：(5.4)由式（5.3）和式（5.4）可以得到：(5.5)在此定向方式下，由方程5.2可知定子電壓矢量的d軸分量Usd可以產(chǎn)生定子磁鏈的控制量，由方程5.5可知，定子電壓矢量q軸分量Usq可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的控制量，也就是在一個(gè)控制周期內(nèi)，可以通過PI調(diào)節(jié)器得到消除磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓空間矢量。DTC-SVM的扇區(qū)判斷基于SVPWM的扇區(qū)劃分如下圖5.2：圖5.2基于SVPWM的扇區(qū)劃分空間電壓矢量Us*所處扇區(qū)位置的判斷可利用參考電壓矢量的分量和，與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的扇區(qū)判斷類似，Us所在的扇區(qū)由，，來(lái)決定，所以可定義方程組：（5.6）定義開關(guān)函數(shù)如下：（5.7）令：S值與Us*所在扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表5.1所示：表5.1S值與扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系S123456扇區(qū)號(hào)ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ上述扇區(qū)計(jì)算方式十分簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度具有很大的意義。5.4空間電壓矢量調(diào)制在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)，可以利用兩個(gè)相鄰的作用時(shí)間不同的非零電壓矢量來(lái)等效合成所需要的期望電壓空間矢量Us*。假設(shè)Us位于I扇區(qū)，期望電壓空間矢量Us*可由兩個(gè)相鄰有效電壓矢量U4、U6和零電壓矢量來(lái)合成，則有下列方程成立：(5.8)其中，Ts為一個(gè)采樣周期，Tx、Ty和T0為U4、U6和零電壓矢量的作用時(shí)間。SVPWM的調(diào)制載波為等腰三角形，為了使輸出的PWM波形在一個(gè)載波周期Ts內(nèi)對(duì)稱，本文采用了如圖5.3（a）的Us*合成方式，該方法是把每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間都一分為二，同時(shí)將零矢量作用時(shí)間等分給U0和U7。圖5.3（b）給出了I扇區(qū)中Us*的SVPWM調(diào)制輸出波形，一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的開關(guān)順序?yàn)閁0-U4-U6-U7-U7-U6-U4-U0這樣保證了每次電壓矢量切換時(shí)只有一個(gè)開關(guān)器件在動(dòng)作，從而可以降低開關(guān)損耗和逆變器的輸出諧波。圖5.3（a）電壓空間矢量合成方式圖5.3（b）調(diào)制輸出波形則由圖5.3（a）可得方程：6個(gè)非零電壓空間矢量的幅值都相等，且等于2/3Udc,則代入上式計(jì)算可得：(5.9)計(jì)算出Tx和Ty后，可由公式T0=Ts-Tx-Ty計(jì)算得到T0的值。其他的扇區(qū)的計(jì)算方式與上面的計(jì)算方式完全一致，算出6個(gè)扇區(qū)后，可得如下規(guī)律：(5.10)對(duì)應(yīng)于不同的扇區(qū)，Tx、Ty按下表5.2的方式取值。表5.2Tx、Ty賦值表扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥTx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X定義（5.11）Ta，Tb，Tc是與等腰三角波進(jìn)行比較以產(chǎn)生PWM波形的三個(gè)比較值。它們?cè)诓煌纳葏^(qū)對(duì)應(yīng)不同矢量的作用時(shí)間，從圖4.2（b）看出各扇區(qū)內(nèi)三相a,b,c脈沖的對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間Ta，Tb，Tc如表5.3所示。表5.3a、b、c三相在各扇區(qū)的Ta、Tb、Tc扇區(qū)號(hào)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥa相TabccbTab相bTaTabccc相ccbTaTab5.5本章小結(jié)本章對(duì)基于SVPWM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和推導(dǎo)，推導(dǎo)出的結(jié)果將在各個(gè)模塊仿真時(shí)用到。第6章DTC-SVM仿真研究6.1MATLAB/Simulink的簡(jiǎn)介MATLAB，即矩陣實(shí)驗(yàn)室，是目前國(guó)際上最流行，應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，也是發(fā)展最為迅速的軟件之一。它是MATLAB產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)，其數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，非常強(qiáng)大。它集成了二維和三維的圖形功能，以此可以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級(jí)編程語(yǔ)言-M語(yǔ)言，其具有如下的特點(diǎn)。(1)功能強(qiáng)大(2)人機(jī)界面友好編程效率高(3)強(qiáng)大而智能化的作圖功能(4)可擴(kuò)展性強(qiáng)(5)Simulink動(dòng)態(tài)仿真功能Simulink是Matlab的仿真工具箱，它可以用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、分析，并且支持持續(xù)的、離散的、線性的、非線性的系統(tǒng)。Simulink最顯著的特點(diǎn)就是只需用戶根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和一些具體的模擬要求，從模塊庫(kù)中選擇合適的模塊組合在一起，只需要知道所選模塊的輸入輸出關(guān)系，而不必知道模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)功能的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用組成控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真與分析。Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)中常用的基本元件和模塊，可以方便的進(jìn)行電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的仿真。也可以根據(jù)用戶自己的需求來(lái)封裝產(chǎn)生新的模塊，Simulink的仿真功能十分地強(qiáng)大。6.2基本仿真模塊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈達(dá)到轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。而基于空間矢量脈寬調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是結(jié)合了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和空間矢量脈寬調(diào)制兩者的特點(diǎn)。基于SVM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成，結(jié)構(gòu)，以及原理已在前面論述過，本章節(jié)主要是將前文的各個(gè)模型，用Simulink搭建出來(lái)。6.3坐標(biāo)變換仿真模塊6.3.1三相—兩相靜止坐標(biāo)仿真模塊3/2坐標(biāo)變換仿真模塊，如下圖6.1所示：圖6.1三相—兩相靜止坐標(biāo)仿真模塊6.3.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換仿真模塊2r/2s旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換仿真模塊，如下圖6.2所示：圖6.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換6.4轉(zhuǎn)矩觀測(cè)仿真模塊由于電磁轉(zhuǎn)矩不能直接測(cè)得，只能用定子電壓和定子電流對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算轉(zhuǎn)矩觀測(cè)仿真模塊如下圖6.3所示：圖6.3轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模塊6.5磁鏈觀測(cè)仿真模塊圖在本仿真試驗(yàn)中，我采用的是定子磁鏈觀測(cè)i-n模型，即全電流模型，需要用到定子電流以及轉(zhuǎn)子角速度來(lái)對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，仿真模塊如下圖6.4所示：圖6.4磁鏈觀測(cè)模塊其中Lr=Lm+Llr，T=Lr/Llr=0.1717sSVPWM仿真模塊SVPWM模塊仿真圖SVPWM模塊仿真圖，如下圖6.5所示圖6.5SVPWM模塊仿真圖6.6.2扇區(qū)判斷仿真模塊電壓空間矢量所處的扇區(qū)判斷模塊仿真圖，由下圖6.6所示：圖6.6扇區(qū)判斷模塊6.6.3基本電壓空間矢量工作時(shí)間計(jì)算仿真模塊根據(jù)式，可得仿真模塊圖，如下圖6.7所示：圖6.7（a）X、Y、Z計(jì)算模塊仿真圖6.7（b）T1、T2生成模塊仿真圖需要特別注意的是，需要對(duì)T1、T2進(jìn)行飽和判斷，若T1+T2>Ts，則?。?.6.4逆變器導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算根據(jù)式，可搭建仿真模塊圖，如下圖6.8所示：圖6.8導(dǎo)通時(shí)刻仿真模塊圖SVPWM波生成模塊SVPWM波生成模塊仿真圖由下圖6.9所示：圖6.9SVPWM模塊生成模塊仿真6.7仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果本仿真實(shí)驗(yàn)所用的異步電機(jī)為鼠籠式異步電機(jī)，其參數(shù)為：額定功率為7.5Kw，額定電壓為380V，頻率為50Hz，定子電阻為0.7384歐，轉(zhuǎn)子電阻為0.7402歐，定子漏感為0.003045H，轉(zhuǎn)子漏感為0.003045H，定轉(zhuǎn)子互感為0.1241H，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0.0343Kg/。其他參數(shù)：直流側(cè)電壓有效值540V，三角載波頻率36KHz。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：定子磁鏈軌跡比較傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制與基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制的定子磁鏈軌跡如下圖6.10所示：圖6.10（a）傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)定子磁鏈軌跡圖6.10（b）基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由圖6.10（a）與圖6.10（b）可知，當(dāng)參數(shù)設(shè)置得不錯(cuò)的時(shí)候，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都能獲得不錯(cuò)的定子磁鏈軌跡，都十分接近圓形。但仔細(xì)觀察可知，基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈軌跡更加的完美，畸變