毕业设计三相异步电机直接转矩控制研究

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1、三相异步电机直接转矩控制研究毕 业 设 计设计题目 三相异步电机直接转矩控制研究 学生姓名 曲世彪 学 号 20092252 专业班级 电气工程及其自动化09级2班指导教师 王晓晨 院系名称 电气与自动化工程学院 2013 年 5 月 15日II目 录中文摘要：1关键词：1Abstract:2Keywords:31 绪论41.1 课题研究的背景、目的及其意义41.2 直接转矩控制算法的国内外研究现状62 直接转矩控制的理论基础62.1 三相异步电机的数学模型62.1.1三相异步电机的数学模型62.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响82.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响92.2 逆变器以及基本

2、空间矢量的概念和原理103. 直接转矩控制的控制原理123.1定子磁链矢量空间位置检测133.2 定子磁链、转矩和扇区的计算143.2.1定子磁链估计143.2.2 电磁转矩估计183.3 定子磁链和电磁转矩的控制183.4磁链调节和转矩调节203.5 起动问题213.6 直接转矩控制与传统的矢量控制比较213.6.1 直接转矩控制的特点223.6.2 DTC与矢量控制的比较223.7 本章小结234. 直接转矩控制系统的仿真和性能分析234.1 关于MATLAB软件234.2 MATLAB软件简介244.3 直接转矩控制系统的MatlabSimulink仿真244.4 直接转矩控制系统的性能

3、优缺点分析264.5本章小结27结论28谢辞30参考文献31三相异步电机直接转矩控制研究三相异步电机直接转矩控制研究中文摘要：对于三相异步电机来说，直接转矩控制（DTC）是一种高性能的变频调速控制方案。三相异步电机的直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。它利用空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，通过对转矩和磁链的滞环控制产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得系统的高动态性能。直接转矩控制技术具有转矩响应快、控制结构简单、易于实现全数字化的特点，得到广泛应用。随着经济的发展，在诸多领域里利用高性

4、能的交流调速逐步替代价格较高的直流调速是一个趋势。而直接转矩控制是高性能交流调速技术中潜力最大的一种，而且其控制方法本身非常适合全数字化实现，所以对其进行深入的研究具有良好的现实意义。1985年德国学者Depenbrock和日本学者Takahashi相继提出异步电机的直接转矩控制(DTC)思想。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。DTC的研究虽然已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能差、脉动转矩大、限制了系统的调速范围。 本论文研究采用直接转矩控制方案的三相异步电机变频调速系统。涉及到电机传

5、动、电力电子技术、自动控制原理等多学科领域，对直接转矩控制系统的研究，包括转矩计算、磁链计算、转矩、磁链滞环调节器及转速PI调节等，主要包括以下四个部分： 第一部分，介绍课题的研究背景和国内研究现状。第二部分，建立三相异步电机的数学模型，明确直接转矩控制的基本原理。第三部分，详细分析直接转矩控制系统各部分的组成。第四部分，用MATLAB的SIMULINK工具对所设计的三相异步电机直接转矩控制系统进行仿真，并根据仿真结果分析系统的动、静态控制效果。关键词：异步电机、直接转矩控制、系统仿真、磁链计算Abstract:For three-phase asynchronous motor direct

6、 torque control (DTC) is a high performance frequency control. The three-phase asynchronous motor direct torque control following the vector control technology developed a new, high-performance frequency control technology. Use of space vector analysis method, directly in the stator coordinate syste

7、m and control the torque of the AC motor stator flux orientation control of torque and flux hysteresis PWM signal directly to the inverter switching state the optimal control, in order to obtain high dynamic performance of the system. Direct Torque Control with fast torque response, the control stru

8、cture is simple, easy to implement fully digital features, are widely used.With economic development, the use of high-performance AC speed gradually to replace higher-priced DC speed in many areas is a trend. Direct Torque Control is the greatest potential for a high-performance AC variable speed, a

9、nd the control method is very suitable for all-digital, so its in-depth study has a good practical significance.1985 German scholar Depenbrock and Japanese scholars Takahashi have put forward the idea of induction motor direct torque control (DTC). Direct Torque Control technology was born, novel co

10、ntrol their own thoughts, concise system structure, excellent static performance by the general concern and has been a rapid development.The DTC study has been made a lot of progress, but it also in theory and practice is not mature enough, such as low-speed performance, torque ripple, limiting the

11、speed range of the system.Three-phase induction motor speed control system of this thesis direct torque control scheme. Related to the multidisciplinary field of motor drives, power electronics, automatic control theory, the direct torque control system, including torque calculation, flux, torque, f

12、lux linkage hysteresis regulator and speed PI regulator, mainly includes the following four parts:First part of introducing the subject of research background and domestic research status quo.The second part of the establishment of a mathematical model of the three-phase asynchronous motor, clear ba

13、sic principle of direct torque control.The third part, a detailed analysis of the composition of the various parts of the direct torque control system.The fourth part of the simulation using MATLAB-SIMULINK tool for the design of three-phase asynchronous motor direct torque control system and dynami

14、c analysis of simulation results, static control effect.Keywords:Asynchronous motors, DTC, System Simulation, MTBLAB, Flux calculation1 绪论1.1 课题研究的背景、目的及其意义在我们的日常生活中，电机传动设备已经深入到社会生活的各个领域。在能源开采、工业生产以及交通物流等等领域中，电机传动设备更是必不可少的，可以说它与我们的生活息息相关。在这些电机传动设备的应用领域中，比如风机水泵、港口起重设备、风力发电机等等还有对电机进行调速的需求。交流异步感应电动机具有结

15、构简单、运行稳定、成本低廉以及维护简单的特点，在其中占据了绝大多数。统计表明，我国60的发电量是通过各类电动机消耗的。而在使用的所有电机中，80以上为功率在220KW以下的中小型交流感应异步电机。就交流调速系统本身来说，在很多港口码头、工厂车间、大型电站和大型船舶航天器的制造场所，对调速性能有着很高的要求，不仅要求速度精度高，还要求转矩响应精确迅速。目前，我国在相关技术的研究和产品化上跟国外先进水平还相去甚远。更重要的是，统计表明，在我国电机驱动系统的能源利用率极低，与国外平均水平相比要低20，存在非常严重的电能浪费情况，这对我国本来就十分严峻的用电现状可以说更加不利。因此，为了满足不断发展的

16、实际需求，同时减小能源损耗，延长电机寿命，必须不断发展高性能、高精度的交流电机调速技术。这不仅关乎我们当前的经济发展，更重要的，因为它与能源开发和节约息息相关，还对我们未来的可持续发展有非常重要的意义。但是，由于交流感应电机的数学模型具有多变量、高阶数、强耦合以及非线性等等特点，使得对其进行高效和精确的调速控制非常困难。近年来，随着电力电子技术、各种传感技术、现代控制理论以及高性能数字信号处理器(DSP)的出现和不断发展，交流电机调速的研究进入了一个高速发展的阶段，涌现出了很多卓有成效的调速控制算法。其中比较有代表性的几种调速控制方法如下。(1)基于恒压频比的标量控制技术，也称控制。(2)基于

17、磁链和转矩完全解耦的矢量控制技术，也称矢量控制。(3)基于磁链和转矩直接控制的矢量控制技术，也称直接转矩控制。在这些方法中，尤其以直接转矩控制最为引人注目。直接转矩控制技术是继控制和矢量控制之后发展起来的一种高性能的交流变频调速算法，最早是由德国教授Depenbrock和日本学者Takahashi提出的。它的主要思想是利用滞环比较器实现对定子磁链和电磁转矩的分别控制，结合扇区信息，通过一个开关表有选择地输出基本空间电压矢量，来控制电磁转矩和定子磁链按要求快速变化。相比于开环的控制，采取闭环控制的直接转矩控制具有不可比拟的控制精度，具有更好的转矩动态响应。相比于矢量控制，直接转矩控制采用了定子坐

18、标系，摒弃了复杂的坐标变换和解耦过程，控制结构简单，易于实现，动态响应也更好。但是，经典的直接转矩控制算法也存在一些明显的不足，主要有以下几条。(1)由于在控制过程中只考虑了转矩和磁链误差的方向性，而忽略了误差的大小，这经常导致在控制过程中误差超过滞环比较的带宽，从而使实际的转矩和磁链产生较大的脉动，影响实际性能。(2)由于采取根据控制信号选取开关表控制逆变器开关的方法，必然导致逆变器的开关频率不能固定，变化较大，导致电流脉动大且会影响逆变器的使用寿命。(3)在定子磁链观测时采用了UI模型，导致在低速运行区间，由于死区效应、定子电阻压降以及采样噪声的影响，使得定子磁链观测结果产生较大偏差，严重

19、影响直接转矩控制在低速区间的控制性能。虽然直接转矩控制存在上述缺点，但是由于它较之其他算法的确存在巨大优势，而且其缺点可以随着新的控制技术以及高性能的数字信号处理技术的发展被不断克服，使得直接转矩控制技术的研究成为目前交流调速研究领域最大的热点。目前，国外的直接转矩控制技术已经成功地实现了产品化，瑞典的ABB公司、Emtron公司等都有相关的变频器问世。而在国内，清华大学的李永东教授在低频区间性能改善和死区补偿方面提出了很多好的解决方案；上海大学的陈伯时教授也对直接转矩算法有非常深入和有成效的研究；四川工业大学在直接转矩控制用于电力机车方面有比较深入的研究。但是总体来说，我国针对直接转矩控制算

20、法的研究目前还停留在理论研究和仿真实验的阶段，与世界先进水平还有很大的差距，要想拿出有我国自主知识产权的相应产品，还有很远的路要走。鉴于以上所述，对于直接转矩控制的研究以及尽早地产品化具有非常重要的实际意义和良好的经济前景。可以预见，具备宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能的直接转矩调速产品是未来发展的主流。因此，研究高性能的直接转矩控制算法是大势所趋，非常必要。1.2 直接转矩控制算法的国内外研究现状针对直接转矩控制算法的种种不足，世界各国的研究者就进行了大量的工作，也取得了相当多的成果。各种研究和改进主要集中在以下几点：(1)电机参数的辨识。在控制算法中，电机参数

21、是必不可少的量。传统的测量电机参数的方式是进行堵转实验和空载实验，但是这需要专门的实验平台，造价昂贵，不利于大范围的实际应用。电机参数的辨识包括启动前的离线辨识和电机运行过程中的在线辨识，离线辨识用于为控制算法的计算提供原始数值，在线辨识是为了适应实际运行中电机参数发生变化的情况，进行实时的参数修正，以保证对电机控制性能的优良。(2)磁链观测器的设计。在直接转矩控制中，定子磁链的观测准确与否直接决定了控制性能，精度高同时简单易行的磁链观测方法具有非常重要的意义。(3)无速度传感器的算法研究。在直接转矩控制中需要转子转速这个参数，通常情况下是采用加装速度传感器的方法来获取速度信息，但是在复杂的实

22、际情况中，加装传感器不仅非常麻烦，而且会带来额外的成本，因此，采用一定的算法来估计电机的转速非常有必要。(4)控制器的设计。经典的直接转矩控制中对磁链和转矩采取滞环比较器进行控制，它只考虑了误差的方向而忽略了大小，会造成很大的脉动，影响系统性能。2 直接转矩控制的理论基础2.1 三相异步电机的数学模型2.1.1三相异步电机的数学模型本文的主要目的是研究对交流三相异步电机的控制。不论是对于经典控制理论还是现代控制理论，研究的对象都是被控对象的数学模型。在建立三相交流异步电机的数学模型前，需要做出以下假设：(1)忽略空间谐波，假设三相定转子绕组在空间上互相相差1200电角度，它们产生的磁动势沿气隙

23、圆周按正弦规律分布；(2)涡流、磁饱和铁芯损耗忽略不计，各相绕组的自感和互感都是线性的；(3)不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。异步电动机的空间矢量等效电路图如图2.1所示图2.1 异步电动机空间矢量等效电路图将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量，则有电压公式： (2-1)其中，下标,分别表示对应空间矢量和分量和分量。移项并积分可得定子磁链公式： (2-2)转矩公式： (2-3)式中 Te电磁转矩（N m） np电机极对数 磁通角（rad）电机运动公式 (2-4)式中 TL负载转矩（N m） J 转动惯量（kg m2）上述三式就是三相交流异步电机在两相静止坐标系下

24、的电压公式、磁链公式以及转矩公式，它们共同组成了电机的数学模型，这就是本文接下来进行控制系统分析和研究的基础。2.1.2电压空间矢量对定子磁链的影响对于式(2-3)，若忽略定子电阻压降的影响，则有: (2-5)所以定子电压和定子磁链之间是积分关系，该关系见图2.1。 图2.2中，ux (x=16)表示电压空间矢量，s表示定子磁链空间矢量，S1、S2、S3、S4、S5、S6表示正六边形的六条边，也表示等分的六个区间。当定子磁链空间矢量s，在图2-4所示位置时，其顶点在边S1上，如果逆变器加到定子的电压空间矢量为u2(011)，根据式(2-5)中定子电压和定子磁链之间的积分关系，定子磁链空间矢量的

25、顶点将沿着S1边的轨迹，朝着电压空间矢量u2 (011)作用的方向运动，到达S1和S2的交点时，这时如给逆变器加上电压空间矢量u3(001)，则定子磁链空间矢量s，顶点会按照与u3(001)平行的方向，沿着边S2的轨迹运动。到达S2和S3的交点时，若给逆变器加上电压空间矢量u4 (101)，则定子磁链空间矢量s顶点会按照与u4 (101)平行的方向，沿着边S3的轨迹运动。同样如依次给出u5 (100) , u6 (110), u1 (010)，定子磁链空间矢量s，将依次沿着S4、S5、S6的轨迹运动。图2.2 电压空间矢量与定子磁链空间矢量间的关系至此可以得到如下结论:1.定子磁链空间矢量s顶

26、点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量s的作用方向，只要定子电阻压降影响相对较小，s的运动轨迹近似平行ux指示的方向;2.在适当的时刻，比如在图2.2中正六边形的相邻的边与边的交点处，依次给出定子电压空间矢量u1-u2-u3-u4-u5-u6，则定子磁链的运动轨迹依次沿边S6-S1-S2-S3-S4-S5，形成正六边形定子磁链轨迹;3.一个正六边形代表定子磁链一个周期的运动轨迹，母杀边代表看一个周期定子磁链轨迹的1/6 ，称之为一个区段。直接利用逆变器的六种工作开关状态，简单地得到正六边形的定子磁链轨迹，用于控制电动机的转矩。这种方法是最初的直接转矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。2

27、.1.3电压空间矢量对电机转矩的影响转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角有关。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分发挥电动机的性能，转子磁链幅值由负载决定，要改变电动机转矩，可以通过改变磁通角来实现。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ux来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链断续旋转，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角，以达到控制电动机转矩的目的。电压空间矢量对电动机转矩的影响如图2.3所示。在t1时刻，磁通角为(t1)，此时施加电压空间矢量u6(110)，定子磁链s将从s (t1)旋转到s (t2)，运动轨迹为s (t)，平行于u6(110)。而

28、转子磁链不直接跟随定子磁链，定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角由(t1)增加到(t2)，相应的转矩增大。如果在t2时刻，施加零电压空间矢量或反向电压空间矢量，则定子磁链静止不动或反向旋转，磁通角减小，转矩相应减小。 图2.3 电压空间矢量对电动机转矩的影响2.2 逆变器以及基本空间矢量的概念和原理在三相异步交流电机的变频调速系统中，逆变器是非常重要的一个组成部分，它的主要功能是将直流电能转化为交流电。一个电压型三相逆变器的拓扑结构如图2.4所示。图2.4 电压型三相逆变器模型在图2.2中，直流侧为电压源，是由市电经过整流提供的。它主要由六个开关组成，可以分为三组，每个桥臂上两个。

29、逆变器的一个最主要的特点是：单桥臂的上下两个开关不能同时导通，即Sa和Sa在同一时刻若一个为导通状态1，则另一个必须为关断状态O。逆变器的三个桥臂A、B和C分别连接到电机的定子的三相接出端子上，黜代表定子电阻，三相电阻平衡，N为中心点。8种不同的开关状态组合下，输出的相电压和线电压如表2.1所示。表2.1 逆变器输出的相电压和线电压对表2.1所示的定子三相电压进行3/2变换可以得到表2.2，根据表2.2可以在-坐标系上得到8个基本电压空间矢量，如图2.2所示。其中，包括两个零矢量和六个非零矢量，非零矢量的幅值都为2Vdc/3，相角依次相差60度。表2.2 基本空间电压矢量3. 直接转矩控制的控

30、制原理对电动机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制。在感应电动机矢量控制中，基本的控制思想是将定子电流作为控制变量，通过控制定子电流励磁分量来控制转子磁通、定子磁通或者气隙磁通，在此基础上，通过控制定子电流转矩分量使可控制电磁转矩。为此，先要进行磁场定向，之后在沿磁场定向的坐标系中将定子电流空间矢甚变换为三相轴系的电流变量。总之，对电动机的控制是通过控制定子电流来间接控制电磁转矩。直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将磁通和电磁转矩作为控制变量， 因此无需进行磁场定向和矢量变换，这种对电磁转矩的直接控制，无疑更为简捷和快速，进步提高了系统的动态响应能力。正因如此，虽然直接转矩控制从理论提

31、出到实际应用都滞后于矢量控制，但由于该方法本身固有的优势，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。本章分析了直接转矩控制的基本原理，对直接转矩控制和矢量控制进行了比效性分析。3.1定子磁链矢量空间位置检测图3.1是直接转矩控制感应电动机驱动系统的简化框图。途中VSI表示电压源逆变器，它能提供8个开关电压矢量。将定子磁链矢量实际幅值与给定值的差值输入磁链滞环比较器，同时将转矩实际值与给定值比较厚的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输出，由表2-2给出的开关电压矢量查询表，可以确定开关电压矢量的选择。但是，在查询前，需要提供定子磁链矢量的位置信息。图3-1

32、中的表示的是区间顺序号。图3.1 直接转矩控制感应电动机驱动系统定子磁链空间矢量可以用DQ轴系统表示。 （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）式中 （3-5）这样。可以通过估计定子磁链交，直轴分量值和确定的空间相位和幅值。但是，与矢量控制的要求不同，这里并不需要定子磁链矢量确切的位置信息，只要知道定子磁链矢量处于哪个区间就可以了。因此，可以简单的利用定子磁链两个分量的符号信息，不利用三角函数的计算，只是利用比较器就可以完成了。例如，对于区间，>0，但这时可能存在>0，也可能存在<0这两种情况。可以进一步利用定子B相绕组磁链的信息。如图3-2所示，当定子磁链位于区间时，

33、应小于0.同理，对于其他区间可以采用同样的方法来确定。3.2 定子磁链、转矩和扇区的计算3.2.1定子磁链估计要实现磁链和转矩的闭环控制，就必须将磁链和转矩的实际值准确地检测出来.实际上，很难采用直接手段检测出转矩和磁链的实际值，因此一般都是采用间接法，利用定子电压、电流、转速等直接测量的量，来重构转矩和磁链的观测值。所以定子磁链的准确观测是异步电动机直接转矩控制系统的重要组成部分，起着决定性作用。磁链观测模型，共有三种形式: u-i模型、i-n模型、u-n模型。电压-电流模型：定子磁链的u-i模型如图3.2所示。图3.2 定子磁链的u-i模型在计算过程中唯一所需要了解的电动机参数是易于确定的

34、定子电阻.定子电压u,和定子电流i同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来.u-i模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果。其误差是由定子电阻的存在引起的。由于这个原因，u-i模型在30%额定转速以上时，测量误差及积分漂移的影响变的微不足道，采用此模型才能比较准确地观测出定子磁链。但是当定子频率接近零时，用这种方法来确定定子磁链是不可能的，因为用做积分的定子电压和定子电阻压降之间的差值消失了，以致在稳定情况下只有误差被积分。 根据式(2-3)，在电机高速运行时，特别是在30%额定转速以上时，电压u较大，u-Ri较大，定子电阻压降的影响很小，由此引起的误差较小，此时u-i模型

35、可以很好地确定定子磁链，且结构简单，精度较高。在30%额定转速以下范围内，电压u较小，u-Ri较小，定子电阻压降的影响很大，由此引起的误差较大，此时磁链只能根据转速来正确计算。由定子电流与转速来确定定子磁链的方法称为i-n模型法。根据图3-1可以推导:s=11+LLisL+rr=RrLs-r-s (3-6) s=11+LLisL+rr=RrLs-r-s (3-7)由此可以得到定子磁链的i-n模型，如图3.3所示。图3.3 i-n模型与u-i模型相比i-n模型中不出现定子电阻，也就是说不受定子电阻变化的影响。但是i-n模型受转子电阻Rr、漏电感L,主电感L变化的影响。此外i-n模型还要求精确的测

36、量角速度。的测量误差对i-n模型的结果影响很大。综合以上u-i模型和i-n模型的特点，我们可以采用两种模型相结合的方法(即u-n模型)，用定子电压和转速来获得定子磁链。如图3.4所示:图3.4 u-n模型图2-9中，电流调节“PI”单元的作用是强迫电动机模型电流和实际的电动机电流相等.如果电动机模型得到的电流is'与实际测量到的电动机电流is不相等.就会产生一个差值 i=is-is' 送入到电流调节器的输入端。电流调节器就会输出补偿信号加到积分单元的输入端，以修正s和电流值，直至is'完全等于is为止，i才为零，电流调节器才停止调节。由此可见，由于引入了电流调节器，使得

37、电动机模型的仿真精度大大提高了。 电动机模型综合了u-i模型和i-n模型的优点，又很自然地解决了切换问题。高速时，电动机模型实际工作在u-i模型下，磁链实际上只是由定子电压与定子电流计算得到。由定子电阻误差、转速测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在i-n模型下。3.2.2 电磁转矩估计利用公式3-3可以进行电磁转矩估计 （3-8）式中是估计值，为实测值。3.3 定子磁链和电磁转矩的控制在DTC控制理论中，核心就是通过选择合理的电压空间矢量，控制定子磁链的幅值保持在给定值附近，保持圆形的磁链轨迹，在此基础上保持电磁转矩快速跟随给定值变

38、化。在经典DTC控制理论中，定子磁链和电磁转矩的控制都是通过滞环比较器实现的。其中，对定子磁链采取两点式调节，对电磁转矩采取三点式的调节，如式(3.6)和式(3.7)所示。 （3.6） （3.7）其中，即参考值和实际值的差值。和分别表示定子磁链和电磁转矩的最大允许偏差。假设某时刻定子磁链矢量、转子磁链矢量的位置如图3.1所示，处于扇区1中，两个半圆弧表示定子磁链幅值变化范围的上下限。假设此时的幅值已经达到了上限，应该减小的幅值。此时选择U120(010),则的矢头会沿着与U120(010)平行的方向移动，直到的幅值减到下限值；此时，滞环比较器输出变为l，再选择U60(011)来增大的幅值。以此

39、类推，如图中虚线箭头所示，就保证了的幅值一直被限定在希望的范围内。再考虑转矩的控制，由前面分析已知，增大夹角，可以增大电磁转矩，减小则相应减小电磁转矩。假设此时转矩滞环比较器输出1，表示应该适当增大电磁转矩，则选择U120(010)，使加速逆时针旋转，以增大，从而增大电磁转矩。至此，通过上面的分析可以得到，当处于扇区l中时，空间电压矢量U120(010)的作用是减小的幅值，同时增大电磁转矩；U60(011)的作用是增大的幅值，同时增大电磁转矩；U240(100)的作用是减小的幅值，同时减小电磁转矩；U300(101)的作用是增大的幅值，同时减小电磁转矩。当施加零电压矢量时，定子磁链矢量保持不变

40、。通过上面分析可以得到，在确定了定子磁链矢量所处的扇区后，再根据两个滞环比较器的输出信号，就可以根据表3.1所示，合理地选择相应的空间电压矢量，控制定子磁链和电磁转矩跟随给定值快速变化。表3.1 空间电压矢量选择表3.4磁链调节和转矩调节磁链调节有两种形式，第一种是施密特两点式或三点式调节，或称Bang-Bang调节，如图3.6 a) *为给定的定子磁链幅值，为观测到的定子磁链幅值，将两者做差，得到的差值送入滞回比较器:当差值大于设定容差时，输出信号C为“1”，说明需要增大定子磁链;当差值小于设定容差时，输出信号C为“0”，说明需要减小定子磁链。另一种形式是PI调节，如图3.6 b)所示。它是

41、将定子磁链幅值和观测到的定子磁链幅值的差值送入PI调节器，输出所需要的电压空间矢量分量，方向与定子磁链空间矢量平行，用来调节定子磁链幅值。图3.6 磁链调节转矩调节和磁链调节类似，也分为施密特两点式或三点式调节和PI调节，如图3.7 a),图3.7 b)所示。调节原理与磁链调节相同。转矩的PI调节输出的是与定子磁链空间矢量垂直方向上的所需电压空间矢量，用以调节定子磁链的旋转速度，进而调节转矩。图3.7 转矩调节3.5 起动问题当电动机开始起动时，即在t=0时刻，控制系统给定定子磁链参考值,然后又在=时刻，给定电磁转矩指令值。由于定子历次需要一个过程，定子磁场是逐步建立起来的，所以定子磁链矢量的

42、幅值在=这个时刻之前，甚至过了时刻可能都还没有达到参考值。因为如此，在起动初始时刻，若按照表2-2规定的规则选择定子开关电压矢量，那么在电磁转矩达到其指令值之前，就只有一种状态，即为“+”号，定子磁链的状态也为“+”号。如此，逆变器只能在这个规则下一次选择非零开关电压矢量，在这种情况之下，既不能选择零电压开关矢量，又没有办法实现对定子磁链的调制，这样的结果是定子磁链矢量的轨迹呈灵变形，而不是圆形。在六分之一个周期内，定子磁链的幅值在拐角处达到最大，而后再减小，在下一个拐角处又一次达到最大。解决这一问题的方法是，在起动期间想转矩滞环比较器输入载波信号，例如方波信号，频率控制在500，这样既能有效

43、利用零电压开关矢量，又能改善定子磁链和电流的波形。3.6 直接转矩控制与传统的矢量控制比较与矢量控制等方法通过控制电流、磁链等来间接控制转矩不同，直接转矩控制方法将电机的电磁转矩直接作为被控制量，在-静止坐标系下，以定子磁链定向的方式，同时控制电机的定子磁链和电磁转矩，保持定子磁链的轨迹为圆形，同时控制电磁转矩快速跟随给定转矩的变化。传统的直接转矩控制的算法框图如图3.2所示。图3.2 经典直接转矩控制框图3.6.1 直接转矩控制的特点直接转矩控制是在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的定子磁链和转矩。它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要利用矢量旋转变换对异步电动机的 数学模型

44、解耦简化，计算简单明了，物理概念清楚。直接转矩控制仅用到了定子磁链，不用转子回路的参数，所以控制效果不受转子回路参数变化的影响。直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型，用离散的电压空间矢量来描述逆变器对交流电动机的控制，这既合乎实际，又特别简单明了。调速的关键是转矩控制，矢量变换的目的就是实现异步电动机的转矩控制。而直接转矩控制更进一步，它不是通过控制电流，磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控制量，采用转矩闭环直接控制电动机的电磁转矩，因此，它并不过于追求圆磁链轨迹，只追求对转矩控制的快速和准确性。直接转矩控制既直接控制转矩又直接控制定子磁链，通过改变滞环调节器

45、的容差，把转矩控制引起的转速波动限制在容许的范围内。直接转矩控制利用空间电压矢量的概念，对逆变器的六个开关器件的导通与关断进行综合控制，在相同的控制效果下，可以降低开关频率，减小开关损耗3.6.2 DTC与矢量控制的比较直接转矩控制（DTC）技术与传统的矢量控制相比，具有以下的主要特点：1.控制结构非常简单。传统的转子磁场定向的矢量控制系统需要四个PI调节器和一个单独的PWM调节器，而DTC控制仅需要一对滞环控制器和一个速度PI调节器，这使得DTC具有更优良的动态性能；2.直接转矩控制的运算均在定子静止坐标系中进行，不需要在旋转坐标系中对定子电流进行分解和设定，所以不需要像矢量控制那样进行复杂

46、的坐标变换，大大地简化了运算处理过程，简化了控制系统结构，提高了控制运算速度。3.直接转矩控制利用一对滞环比较器直接控制了定子磁链和转矩，而不是像矢量控制那样，通过控制定子电流的两个分量间接地控制电机的磁链和转矩，它追求转矩控制的快速性和准确性，并不刻意追求圆形磁链轨迹和正弦波电流。4.直接转矩控制采用空间电压矢量，将逆变器和控制策略一体化设计，并根据磁链和转矩滞环比较器的输出，直接对逆变器开关管的导通和关断进行最佳控制，最终产生离散的PWM电压输出，因此传统的直接转矩系统不需要单独的PWM调制器。综上所述，直接转矩控制在很大程度上克服了矢量控制的复杂性，它采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐

47、标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节产生PWM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，是一种具有高动态性能的交流调速方法。3.7 本章小结本章给出了直接转矩控制系统的简化框图，并介绍了三种定子磁链估计的模型。简要介绍了电磁转矩估计方法。然后介绍了磁链调节和转矩调节的原理和方法。最后对直接转矩控制系统做了简要总结。4. 直接转矩控制系统的仿真和性能分析由于电力电子器件自身的非关联性，给电力电子电路和系统的分析了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析和分段线性化处理的方法来研究电力电子电路。现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供

48、了崭新的方法，可以使复杂的电力电子电路系统的分析和设计变得更加容易和有效。4.1 关于MATLAB软件作为当今世界最流行的第四代计算机语言，MATLAB软件语言系统，由于它在科学计算，网络控制，系统建模与仿真，数据分析，自动控制，图形图像处理航天航空，生物医学，物理学，通信系统，DSP处理系统，财务，电子商务，等不同领域的广泛应用以及它自身所具备的独特优势，目前MATLAB已备受许多科研领域的青睐与关注。4.2 MATLAB软件简介MATLAB软件是由美国公司MATH WORKS公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。MATLAB的英文是MATRIX LABORATORY(矩阵实验室)

49、的缩写，被誉为“巨人肩膀上的工具”。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式一直，所以不像学习其他高级语言那样难于掌握，用MATLAB编写程序有如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下对所要求解的问题，用户只需要简单的列出数学表达式，其结果便以数值或者图形方式显示出来。最早开发MATLAB软件的目的就是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从MATLAB诞生开始，由于其高度的继承性和应用的方便性，在高校中得到了广泛的应用与推广。由于它能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多科研人员的重视与青睐。它可以很方便地设计出漂亮的界面，例如它像VB一

50、样可以设计出漂亮的用户接口，同时因为它还具有最丰富的函数库，极易实现计算功能。另外MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以很方便地与其他语言实现混合编程，这都进一步拓宽了它的应用范围和使用领域。在美国的一些大学里，MATLAB软件正成为对数值，线性代数以及其他一些高等应用数学课程的辅助教学的有力工具；在工程技术界，MATLAB也被用来构建与分析一些实际课程的数学模型，其典型的应用包括数值计算，算法预测与验证，以及一些特殊矩阵的计算应用，如自动控制理论，统计，数字信号处理，图像处理，系统辨识和神经网络等。它包括了被称为工具箱的各类应用问题的解求工具。工具箱实际上是对MATLAB软件进行扩

51、展应用的一系列MATLAB函数，它可以用来求解许多科学门类数据处理与分析问题。4.3 直接转矩控制系统的MatlabSimulink仿真根据前面所述，在MatlabSimulink环境下建立了传统直接转矩控制的仿真模型。模型中包括三相交流异步电机模型、逆变器模块、整流模块以及最重要的控制算法模型。在控制算法模型中，主要包括磁链和转矩计算模块、磁链和计算控制模块、区间选择模块以及开关表选择模块等。系统的仿真模型如图4.1所示。图4.1 异步电动机直接转矩控制系统仿真模型电机模型主要参数：PN=149.2KW，UN=460V，fN=60Hz，RS=0.01485，J=3.1kg·m2速度

52、PI模块系数：kp=30，ki=200仿真结果如4.1和图4.2所示。图4.1表示的是定子磁链在两相静止坐标系下的形状，可以看到，直接转矩控制通过磁链的闭环控制，使定子磁链矢量的矢头保持圆形的运动轨迹，保持了定子磁链的幅值在给定值0.8Wb附近。图4.1 经典直接转矩控制定子磁链波形图4.2表示的是定子电流、转速以及电磁转矩的波形。对于转速和电磁转矩，黄色的表示实际值，紫色的表示给定值。通过图4.2可以看出，经典的直接转矩控制能够保证转速和电磁转矩有根好的动态性能，能在短时间内跟髓给定值变化，并保证输出电流波形保持正弦。但是，从图4.1和图4.2也要看到，经典的直接转矩控制算法下定子磁链幅值和

53、电磁转矩相对于给定值的脉动仍然比较大，电流波形不够圆滑。图4.2 定子电流、转速以及电磁转矩的波形4.4 直接转矩控制系统的性能优缺点分析根据上一节的仿真结果以及前面章节的理论分析，可以很清楚地看到，与矢量控制以及V/F控制等方法相比，直接转矩控制方法是一种完全不同的控制算法，具有以下三个明显的优点：(1)算法理论简单明了，不需要复杂的坐标变换和数学计算，对电机参数依赖非常小，仅仅需要定子电阻这一很容易得到的参数。(2)DTC算法直接对定子磁链和电磁转矩进行控制，并采用了转矩和磁链双闭环的控制策略，可以使得被控制量快速准确地跟随给定值变化，动态性能良好。(3)总体控制结构非常简单，仅仅需要简单

54、的PI调节器和滞环比较器；此外，由于采用了空间电压矢量的概念，直接通过数字量控制逆变器的通断，使得控制大大简化，非常有利于DSP实现。当然，作为一种在近年来才逐步发展起来的控制方法，直接转矩控制自身还存在很多问题，具体表现在下面三个方面：(1)由于在控制过程中只考虑了转矩和磁链误差的方向性，而忽略了误差的大小，这经常导致在控制过程中误差超过滞环比较的带宽，从而使实际的转矩和磁链产生较大的脉动，影响实际性能。(2)由于采取根据控制信号选取开关表控制逆变器开关的方法，必然导致逆变器的开关频率不能固定，变化较大，导致电流脉动大且会影响逆变器的使用寿命。(3)在定子磁链观测时采用了U-I模型，导致在低

55、速运行区间，由于死区效应、定子电阻压降以及采样噪声的影响，使得定子磁链观测结果产生较大偏差，严重影响直接转矩控制在低速区间的控制性能。上述三个问题是影响直接转矩控制大范围应用的主要问题，也是直接转矩控制研究中的热点和难点问题。改进方案主要有四个：（1）使用改进的开关表，改进控制参数与开关量之间的对应关系，使之产生更优的控制电压波形。（2）以PWM和SVM技术实现DTC固定开关频率运行方案。（3）引入模糊控制和智能控制，用软件来解决转矩脉动问题。（4）磁通轨迹改善。采用矢量细分法，消除所选矢量在某些区域的不对称作用而使磁通的轨迹得到改善，并且在磁通旋转速度上也提高了对称性，消除了电流的畸变。4.

56、5本章小结 本章通过使用MATLAB/SIMULINK仿真工具，根据直接转矩控制原理，搭建了异步动机的仿真模型，并得到了仿真结果。并对仿真结果进行分析，分析得出直接转矩控制系统的优点及其缺点。结论异步电动机是一个多变量(多输入多输出)系统，而电压、电流、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，而且其数学模型也是非线性的，所以是强藕合、非线性的多变量系统。为了避开对磁链和转矩分量解藕的繁琐运算，更好地提高系统动态性能，出现了利用转矩反馈控制电机的直接转矩控制。本文首先建立了三相交流异步电机的数学模型，然后通过3/2变换得到了在两相静止坐标系上电机的数学模型。接下来，本文根据逆变器的拓扑结构，引出了空

57、间矢量的概念，介绍了8个基本的空间电压矢量，并详细介绍了基本空间电压矢量对电机磁链和转矩的影响作用。最后，在上述理论的基础上，详细介绍了经典直接转矩控制算法的原理和系统框架，并在Matlab/Simulink中建立了系统的仿真模型，进行了带载调速仿真，观测了定子磁链、定子电流、电磁转矩、转子转速以及母线电压等重要物理量，然后指出了经典的直接转矩控制存在的三个主要问题：磁链、转矩和电流脉动大；开关频率不固定；低速性能不佳。经研究还得出结论如下: 1.直接转矩控制结构简单，理论清晰，动态性能优良，响应迅速。 2.直接转矩控制需要的电机参数只有定子电阻，大大提高了系统鲁棒性。但是在低速时为了准确计算

58、磁链采用的i-n模型需要受到转子参数变化的影响。 3. MATLAB/SIMULINK强大的计算功能和绘图能力非常适合控制系统的建模与仿真，尤其S一函数编写的灵活性和通俗性为电力拖动系统的计算机辅助设计提供了有力的技术支持。受本人研究水平和研究时间的限制，对于直接转矩控制系统，本文还有很多工作尚未完成，许多问题有待进一步研究，下一步工作可以从以下几个方面展开: 1.虽然控制系统的硬件平台已经搭建，但由于时间仓促，只进行了控制算法和控制信号的调试，今后应对控制系统的软硬件进一步完善，实现系统功能。 2.无速度传感器是当今电机控制领域的一个热点，将其引入直接转矩控制可以大大简化硬件设计，实际应用前

59、景广阔。今后可以对无速度传感器的直接转矩控制系统加以研究。随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破。现代控制理论和智能控制理论应用于DTC技术，为改进DTC系统提供了坚实的理论依据；同时高性能的数字处理器（DSP）的出现，为改进DTC系统提供了强大的物质基础。尤其是目前数字化潮流势不可挡，各行各业都向数字化靠拢。如智能IPM整合了DSP控制器，将电机控制的大部分电路集成到标准封装的模块中，集成了IGBT模块，IGBT驱动电路、电压电流反馈、保护模块和DSP控制模块，使得控制结构愈发简单，控制性能与控制精度、响应速度均得到提高。特别是DSP芯片在直接转矩控制系统中的应用为解决低速

60、区的问题提供了可能，因为只要实现了对定子电阻的准确辨识，就能从根本上消除定子电流和磁链畸变，问题也就迎刃而解。而全数字化的实现，将使采样精度更高，误差率更小，更易于实现最优控制。因此利用现代控制理论、人工智能和神经网络理论，将之应用于直接转矩控制技术的研究，从软件着手改进系统将是这种新技术的发展方向。DSP器件的进一步发展也为DTC技术难题突破提供了可能。随着控制性能的不断提高，直接转矩控制在传动领域会有更广阔的应用前景。谢辞转眼之间，四年的大学生活接近了尾声，当埋头于毕业论文的设计时，随着论文的尾声将至，一种伤感悄然来临。毕业论文是大学学习生活的最后一个任务，四年学习能力的一个全面的总结，当

61、这个漫长的作业接近尾声时，我才感受到对母校的老师还有同学的一种深深的眷恋和感谢。“厚德 笃学 崇实 尚新”，是我们的校训，此时已深深的印刻到我的心里，相信它也将影响和指引我以后的生活，至此第一声感谢说给我的母校合肥工业大学。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！ 本论文的所有研究工作从论文的选题、中期实验到论文的写作等阶段都是在王晓晨老师指导下完成的。他在我学习期间在学术和生活等方面的给予了无微不至的关怀和指导。王晓晨导师严谨的治学态度、渊博的学术知识、诲人不倦的敬业精神以及宽容的待人风范使我获益颇多。谨向王晓晨导师致以最衷心的感谢！参考文献1 韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用M.清华大学出版社,2003.423-425.2 陈伯时. 电力拖动自动控制系统(第3版)M. 北京 机械工业出版社,2003.176.3 王成元,电机现代控制技术M,北京 机械工业出版社,2006.131-132.4 吴守箴,臧英杰. 电气传动的脉宽调制控制技术M.北京 机械工业出版社,2002.5