毕业设计三相异步电动机直接转矩控制研究1

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1、目 录摘要：1Abstract：21 前言31.1 交流电机控制技术的发展与展望31.2 直接转矩控制技术的优点51.3 直接转矩控制技术的现状及发展趋势62 三相异步电机直接转矩控制基本原理82.1 三相异步电动机的数学模型82.1.1 三相异步电机的数学模型8电压空间矢量对定子磁链的影响9电压空间矢量对电机转矩的影响11三相异步电机直接转矩控制系统的实现11逆变器的开关状态和电压状态11电压空间矢量12圆形磁链轨迹的形成13电压空间矢量开关信号的选择14本章小结163 三相异步电机直接转矩控制策略17定子磁链矢量空间位置检测173.2 定子磁链和电磁转矩的估计18定子磁链估计18 电磁转矩

2、估计22磁链调节和转矩调节223.4 起动问题233.5 直接转矩控制技术233.6 本章小结254 直接转矩系统MATLAB/SIMULINK仿真264.1 仿真软件MATLAB简介264.2 三相异步电机直接转矩控制系统的仿真28直接转矩控制系统的仿真结果与分析29本章小结30结论31谢辞32参考文献33三相异步电动机直接转矩控制研究摘 要异步电动机以其结构简单、制造方便、经济耐用的优点，在工、农、国防等诸多领域得到了广泛应用，其总用电量占全国工业用电量的60%以上。直接转矩控制是上世纪80年代继矢量控制之后的又一新型高性能交流电机控制技术，它直接对电机转矩进行控制，解决了矢量控制计算复杂

3、、特性易受电机参数影响等问题。本论文在掌握直接转矩控制理论的基础上，对异步电动机直接转矩控制系统进行了仿真研究。 本文首先概述了交流电机控制技术和直接转矩控制技术的发展过程，并对它们的发展趋势做了展望。然后，阐述了直接转矩控制的基本概念，理论基础，数学模型。分析了电压空间矢量对磁链和转矩的作用及圆形磁链的形成原理。介绍了异步电动机直接转矩控制系统的各部分组成。最后，运用MATLAB/SIMULINK进行了基于六矢量异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究，搭建了系统的仿真模型。仿真结果体现了直接转矩控制的优点。 关键词:异步电动机;直接转矩控制;空间矢量;定子磁链观测; MATLAB仿真Abstr

4、actAsynchronous motor has been avidly applied in industry, agriculture andnational defence because of its simple structure, easy manufacture, good economy and durability. Its electric energy consumption is 60% of the industrialelectric energy consumption. DTC Direct torque control) was first present

5、ed in 1980s. It is another new high performance AC motor control technology after VC (vector control). DTC controls the motor torque directly and solves the VCs problems of complex computation and unstable performance affected by motor parameters.In the first part, a summary and a prospect of AC mot

6、or control technology and DTCs development are given. Several schemes of DTC system are introduced briefly.In the second part, the basic concepts, theory and mathematical model are expatiated. The effect on flux linkage and torque by voltage space vector and the forming principle of round flux linka

7、ge are analyzed. Then the composition of DTC system is introduced.In the third part, .the simulation research on asynchronous motor DTC system base on six voltage space vectors is realized in MATLAB/Simulink. Keywords：asynchronous motor; DTC; space vetor; flax linkage observer; simulation1 前 言统计表明，在

8、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。随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电机调速技术发展到今天，有了长足的进步。特别是20世纪70年代出现的矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电机调速系统性能可以与直流电机调速系统相媲美。而交流电机尤其

9、是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电机调速系统的优势高于直流电机调速系统。因此，交流电机调速系统的市场占有率不断扩大，在工业、农业和国防等领域得到越来越多的关注。 交流电机控制技术的发展与展望 交流电机控制技术的发展离不开电力电子技术、数字控制技术和控制策略的 展。 电力电子技术对电机控制技术发展的影响电机控制技术的发展与电力电子器件制造工艺的提高、产品的更新密不可分.早在19世纪末，交流电机便己面世。但是其调速困难，调速性能和转矩控制特性都赶不上直流电机调速系统，因此在调速传动领域中多采用直流电机调速系统。上世纪20年代，人们开始意识到变频调速是一种较理想的交流电机调速

10、技术，然而其所需设备庞大，可靠性差的缺点限制了它的发展。直到20世纪80年代第一代电力电子器件SCR (Silicon Controlled Rectifier)的出现，才使交流调速技术有了新的转机。之后电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高o SCR作为最早的电力电子元件，以其高电压、大电流的特性，至今仍在大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱动应用中占有不可动摇的地位。自第二代以GTR (Giant Transistor), GTO(Gate-Turn-Thyristor)、MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Eff

11、ect Transistor)至第三代以IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)为代表的电力电子器件的发展中，除了自关断能力外，元件的开关频率不断提高，元件通态压降不断降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用了GTR做成的通用型变频器，GTR的开关频率约为2 kHz左右，变频器输出的最低工作频率约为3 Hz，最高频率120 Hz左右。而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的开关频率约达20 kHz左右，变频器的最低输出频率可达0.5 Hz，最高工作频率可达400500 Hz。用它控制电机运行，则噪声更小，运行更平稳。高开关

12、性能元件的问世是现代矢量变换控制应用于中小功率、高性能交流调速系统的保证。第四代电力电子器件IPM(Intelligent Power Module)和PIC (Power Integrated Circuit)的出现，大幅度降低了开发时间和费用，进一步提高了系统的可靠性。它们不但可以提供一定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。其内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供PWM (Pulse Width Modulation)信号给IPM，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。总之，电力电子技术是电机

13、控制技术发展的最重要的物质基础。数字控制技术对交流电机控制技术发展的影响最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为模拟、数字混合电路，在很大程度上提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而发展很快。随着数字技术的进步，在电机控制中开始引入数字芯片作为控制器。市场上较通用的变频器大多采用了单片机来控制。但单片机的处理能力有限，对采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不能满足要求。之后DSP (Digital Signal

14、Processor)被应用到电机控制中，改善了电机控制的实时性和运算精度。为了在广阔的电机控制市场抢占份额，各大DSP生产厂商纷纷推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路。如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用DSP-TMS320C 24x。电机控制技术发展的多样化、复杂化，使其对电机控制电路的要求更加苛刻，这样自己开发电机专用的控制芯片显得非常必要。CPLD (Complex Programmable Logic Device)和FPGA (Field-Programmable Gate Array)是一种很好的解决方案。作为开发器件，CPLD或F

15、PGA具有用户可编程的特性。利用CPLD或FPGA，工程师可以在实验室中设计出专用的电机控制集成电路，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。一片CPLD或FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。数字控制技术对电机控制的影响是深远的，它大大推动了电机控制技术的发展和电机控制行业的繁荣。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。(2)基于磁

16、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。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己经成功地实现了产品化。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

17、的直接转矩控制算法是大势所趋，非常必要。 直接转矩控制技术的优点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。直接转矩控制之

18、所以从诞生到现在一直受到人们的普遍关注，是因为其具有其它控制策略不可比拟的优点:（1）直接转矩控制是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，所需要的信号处理工作简单。（2）直接转矩控制所需电机参数只有定子电阻，使其性能受电机参数变化的影响很小。（3）直接转矩控制使用空间矢量的概念分析交流电机数学模型和控制机理，使其控制理论通俗易懂。（4）直接转矩控制直接对交流电机转矩进行控制，强调转矩的控制效果，并不关心电流、电压等间接物理量，动态响应快。 综上所述，直接转矩控制是一种针对交流电机自身特点，提出的适用于交流调速的高性能控制策略。 直接转矩控制技术的现状及发展趋势1985年

19、，由德国鲁尔大学的M. Depenbrock教授和日本的I. Takahashi教授分别提出了各自的直接转矩控制理论，英文称为DTC (Direct Torque Control) 。1987年，直接转矩控制被推广到弱磁调速技术范围5。直接转矩控制技术不需要将异步电动机与直流电动机作比较、等效和转化:既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解藕而简化交流电动机的数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，因此它所需要的信号处理工作简单。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、动态性能受到了普遍的关注，得到迅速发展。在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技

20、术的理论已经比较成熟，美国、法国等国家紧随其后，使直接转矩控制的推广逐步扩大.现在直接转矩控制技术已经成功应用于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速应用场合。市场应用方面，ABB公司于1995年推出了其直接转矩控制产品ACS600，随后的ACS800, ACS1000也都应用了直接转矩控制技术。目前直接转矩控制技术研究的主要侧重方面有:低速性能的改善:转矩脉动的削弱;与智能控制相结合;与无速度传感器技术结合;变结构方案。可以预见，未来的直接转矩控制技术在实际应用方面将逐步推广开来，各种产品也将陆续出现。在理论研究方面，针对直接转矩控制的缺陷，结合各种交叉控制技术，一些改善直接转矩控制性能

21、的新方法将被不断提出。 2 三相异步电机直接转矩控制基本原理2.1 三相异步电动机的数学模型 三相异步电机的数学模型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 电磁转矩（N） 电机极对数 磁通角（rad）电机运动公式 (2-4)式中负载转矩（N） J转动惯量（kg）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

22、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， (x=16)表示电压空间矢量，表示定子磁链空间矢量，、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，在图2-4所示位置时，其顶点在边上，如果逆变器加到定子的电压空间矢量为(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顶点将沿着边的轨迹，朝着电压空间矢量 (011)作用的方向运动，到达和的交点时，这时如给逆变器加上电压空间矢量(001)，则定子磁链空间矢量，顶点会按照与(001)平行的方向，沿着边的轨迹运动。到达和的交点时，若给逆变器加上电压空间矢量 (101)，则定子磁链空

23、间矢量顶点会按照与 (101)平行的方向，沿着边的轨迹运动。同样如依次给出 (100) , (110), (010)，定子磁链空间矢量，将依次沿着、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:顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向，只要定子电阻压降影响相对较小，的运动轨迹近似平行指示的方向;2.在适当的时刻，比如在图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-，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

24、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。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

25、图2.3所示。在时刻，磁通角为()，此时施加电压空间矢量(110)，定子磁链将从 ()旋转到 ()，运动轨迹为 (t)，平行于(110)。而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()增加到()，相应的转矩增大。如果在时刻，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2.2三相异步电机直接转矩控制系统的实现.1逆变器的开关状态和电压状态一台电压型逆变器如图所示。由三组、六个开关器件组成。图2.4 电压型逆变器原理图由于同一相上下桥臂的两个开关器件一个导通，则另一个关

26、断，所以三组开关器件有八种可能的开关组合。分别用、来表示三相上桥臂的开关状态，以相为例，当相上桥臂导通时，记作Sa = 0。当相上桥臂关断时，记作Sa = 0。这样，八种可能的开关状态如表2.1。表2.1 逆变器的开关状态状态12345678000111101100011001110010八种可能的开关状态可以分成两类:一类是六种所谓的工作状态，即如上表中的状态“1”到“6”，它们的特点是三相负载并不都是接到相同的电位上去;另一类开关状态是零开关状态，即表中的状态“7”和状态“8”，它们的特点是三相负载都接到相同的电位上去。对于逆变器的八种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出七种不同的电压状态

27、。这七种不同的电压状态也分成两类:一类是六种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”；分别称为逆变器的电压状态“1”至“6”;另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7”和“8”。.2电压空间矢量 理想交流电动机绕组的电压、电流、磁链等都是在空间位置上互差120度的三维物理量，可以把它们定义为空间矢量。以定子电压空间矢量为例。为了将三维物理量转换成二维物理量，以便合成空间矢量，这里引入Park矢量变换。取三相定子坐标系的“轴与Park矢量复平面的实钟“重合，则电压空间矢量的Park矢量变换为: (2-6)式中 三相定子绕组的相电压（V）对于图所示的电压型逆变器，可以得到电压空间矢量在坐标系

28、中的离散位置，如图2.5。其中开关状态(000) (111)对应坐标系的原点。电压空间矢量的幅值不变，都等于4E/3。空间矢量的顺序从状态“1”到状态“6”逆时针旋转。所对应的开关状态是010-011-001-101-100-110，所对应的逆变器电压状态，即电压空间矢量是u1-u2-u3-u4-u5-u6。零电压矢量位于六边形的中心点。图2.5 电压空间矢量圆形磁链轨迹的形成所示。只要每个区段中的施加的电压空间矢量的数目足够多，圆形定子磁链轨迹就能够得到很好地近似。这要求配合转矩调节器、磁链调节器和速度调节器等控制单元，提供相应的电压开关信号。图2.6 圆形定子磁链轨迹的实现综上所述，直接转

29、矩控制的实现是通过定子电压空间矢量的适当选择，使定子磁链的运动轨迹近似圆形，运动速度发生变化，进而实现对电机转速的控制。电压空间矢量开关信号的选择当定子磁链空间矢量位于不同区间时，都要解决一个既要考虑转矩偏差又要兼顾磁链偏差，如何合理优选开关电压矢量的问题。图2.1给出了定子磁链矢量轨迹在区间的情形，在此区间内选择和是不合适的，因为会使复制急剧变化，而难以将其控制在滞环带宽内。可供选择的电压矢量有、以及、。由每个开关电压矢量在定子磁链矢量运动轨迹径向和切向方向的投影，可以判断出该开关电压矢量对磁链和转矩所起的作用。前四个开关电压矢量对磁链和转矩的作用分别用、和、来表示，下标“+”号表示增加，下

30、标“-”号表示减小。于是可根据磁链和转矩滞环比较器的输出信号来合理选择其中的开关电压矢量。对于其他区间可做出同样的合理选择，表2.2给出了六个区间的开关电压矢量查询表，表中用来表示区间。表2.2 开关电压矢量查询表110-1-110-1表2.2中，的正负是根据滞环比较器的数字输出来确定的，即有：若 ，则输出为1，取1。若 ，则输出为0，取-1。表2.2中，的符号由转矩滞环比较器的三个输出信号来确定，当需要定子磁链矢量向前旋转时，既有若 ，则输出为1，取1。若 ，则输出为0，取0。当需要定子磁链矢量向后旋转时，既有若 ，则输出为-1，取-1。若 ，则输出为0，取0。同定子磁链矢量控制不同的是，电

31、磁转矩控制中采用了零电压矢量和，主要是为了减小转矩脉动。图表示当电磁转矩实际值达到滞环比较器下限值后，即，选择合适的开关电压矢量向前快速旋转，电磁转矩随之增大，当转矩由图中A点升高到时候，开始采用零电压矢量，此时转矩不会立刻停止变化，当时，零电压矢量依然起作用，在其作用下，可以使转矩的变化放缓慢。与此相反，电磁转矩达到上限值之后，即，在选择合适的开关电压矢量博士转矩下降的过程中，也采用了零电压矢量。可以由此看出，零电压矢量能够使得电磁转矩的剧烈变化变的缓和。通过利用零电压矢量的这种作用，来进一步对开关电压矢量选择进行优化，由此来减小电磁转矩的脉动。 图2.7 采用零电压矢量 对应于磁链和转矩调

32、节的两种形式，电压空间矢量开关信号的选择也有两种形式。 一种是通过磁链、转矩的两点式或三点式调节信号和定子磁链所在区间，确定所需施加的电压空间矢量，从而将所有状态列表，最后通过所选电压空间矢量输出开关脉冲信号给逆变器。 另一种是根据磁链和转矩的PI调节得到的参考电压空间矢量的两个分量，合成所需要施加的参考电压空间矢量。但是，此时的电压空间矢量是旋转坐标系下的，还需叠加磁链旋转角度，将其转换成静止坐标系下的电压空间矢量，最后通过SVPWM方式输出开关脉冲信号给逆变器。本章介绍了三相异步电机的数学模型。阐述了直接转矩控制涉及到的基本概念，介绍了直接转矩控制的基本原理，并对逆变器的开关状态、电压空间

33、矢量开关信号的选择等问题做出了相应的解释和分析。3 三相异步电机直接转矩控制策略图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

34、（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，应小于0.同理，对于其他区间可以采用同样的方法来确定。 定子磁链和电磁转矩的估计.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

35、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3.3所示。图3.3 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-

36、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

37、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: (3-6) (3-7)由此可以得到定子磁链的i-n模型，如图3.4所示。图3.4 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、漏电感,主电感L变化的影响。此外i-n模型还要求精确的测量角速度。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3.5所示:图3.5 u-n模型图2-9中，电流调节“PI”与实际测量到的电动机电流 送入到电流调节器的输入端。电流调

38、节器就会输出补偿信号加到积分单元的输入端，以修正和电流值，直至完全等于为止，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。.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磁链调节和转矩调节磁链调节有两种形式，第

39、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

40、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3.4 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

41、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，这样既能有效利用零电压开关矢量，又能改善定子磁链和电流的波形。3.5 直接转矩控制技术直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过磁场定向和控制定子电流矢量的励磁分量来间接控制电磁转矩，而是把转矩作为直接控制变量，利用离散的逆变器开关电压矢量对定子磁链矢量轨迹控制的同时实现对转矩的直接

42、控制。在直接转矩控制中，对磁链轨迹的控制设定有两种模式，一种是正六边形模式，另一种是近似圆形模式。正六边形磁链轨迹造成定子磁场和转矩脉动很大，尽管其具有控制简单，逆变器开关频率低等优点，但在性能要求较高的伺服驱动中还很少采用，主要用于大功率传输系统。进寺院模式是目前高性能伺服驱动应用最广泛的模式。由于直接转矩控制不是通过定子电流来间接控制转矩，因此省略掉了电流或者电压的控制环节，这对于提高系统的快速响应能力是非常有利的。直接转矩控制是直接将转矩检测值与转矩给定值进行滞环比较，根据比较结果选择开关电压矢量，开关电压矢量可以直接控制定子磁链适量的速度，也就实现了对转矩的直接控制。滞环比较器相当于一

43、个亮点是调节器，置换比较属于Bang-Bang控制，使转矩能快速调节。另外，直接转矩控制的运算均在静止的定子坐标系中进行，不需要旋转轴系的变换，也就不需要像矢量控制那样进行复杂的矢量变换或坐标变换；由于不需要磁场定向，也就不需要复杂的磁场定向算法，大大简化了运算处理过程，提高了控制运算速度。以上原因是直接转矩控制可以获得快速的动态响应，使伺服驱动系统具有较高的动态性能。矢量控制需要利用磁场定向技术，随时准确地检测出转自磁链矢量（定子磁链矢量或者气隙磁链矢量）的空间位置，然后通过严格控制定子电流矢量的香味和幅值来控制磁场和电磁转矩。矢量控制的前提是磁场定向，它对定向磁场检测的精度要求很高，对电动

44、机参数的依赖性很强。直接转矩控制是将转矩直接作为控制变量，从控制转矩的角度出发，强调的是转矩的控制效果，追求转矩控制的快速性和准确性。直接转矩控制是控制定子磁链使其走走停停，通过控制定子磁链矢量相对于转自磁链矢量的平均旋转速度来控制电磁转矩，这种控制过程始终是在动态下进行的。不需要给出定子磁链矢量精确的空间位置，只需要了解定子磁链矢量所在区间的位置，因此位置检测比较简单。矢量控制要严格控制转自磁链的幅值。与此同时，矢量控制理论是建立在磁场按正弦分布基础之上的，为此对磁场波形要求是严格的。直接转矩控制直接以转矩偏差作为控制变量，力求把转矩波动限制在一定的容差范围内。定子磁链矢量幅值的变化对转矩的

45、影响相对其速度变化来说要小得多，所以直接转矩控制并不可以追求磁场的正弦化，但是由滞环控制的结果可以获得近似圆形的定子磁链轨迹和近似正弦的定子电压和电流波形。当矢量控制系统采用电压源逆变器时，为了能独立地控制定子电流的两个分量（解耦控制），需要附加电压解耦电路，或者增加电流快速闭环控制环节，把电压源逆变器构成为电流可控PWM逆变器。直接转矩控制的解耦体现在选择合适的矢量开关电压，通过它们的径向分量和切向分量来独立地控制定子磁链矢量的幅值或转速。传统的转自磁场定向控制系统一般需要的哥调节器，二直接转矩控制只需要速度，位置调节器和两个滞环控制器，这不仅使控制系统得到简化，也有利于提高系统的动态性能。

46、直接转矩控制的控制思想明确，控制方法直接，控制方法简单，相对于矢量控制具由某些优势。但是，直接转矩控制还有许多技术问题有待研究和解决。3.6 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 直接转矩系统MATLAB/SIMULINK仿真4.1 仿真软件MATLAB简介随着计算机在电力、航空、机械、汽车、制造等各个行业的深入广泛的应用，用计算机解决数学模型成为了各行业革命性的话题，这场革命的方向是高度自动化、智能化、科学规划化、集成化。此外，控制理论经过数十

47、年的发展，取得了丰富的研究成果，并在工程中得到了广泛的应用。目前控制理论的大量研究成果，如经典控制、现代控制和自适应控制等都是基于对控制对象的动力学特性进行一定精度的数学建模，因此尽可能获得控制对象的精确数学模型是成功地进行控制器设计的重要因素。而计算机的出现使这成为可能。计算机仿真就是应用计算机对所研究对象的数学模型进行分析和计算，模仿真实系统的情况，得出运行结果。计算机仿真在现代工程系统设计、评估和产品研究开发中越来越受到重视，特别是对系统的可行性、可靠性研究，具有事半功倍的效果。使开发者对系统的理论基础、性能优点有个整体的把握，为实际系统的开发做好准备。由Math Work公司推出的MA

48、TLAB使得为解决这些具体问题而建立数学模型变得轻松、便捷，为科学和工程技术人员节约了宝贵的精力，并赢得了时间。MATLAB凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，己成为科研和工程技术人员的有力开发工具。它将数值分析、矩阵计算、图形图象处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具，集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图象处理等于一体。MATLAB/SIMULINK软件是当今国际上科学和工程技术界具有广泛影响力的软件之一。SIMULINK是The Math

49、Works公司于1990年推出的产品，经过十几年的发展己经在诸多领域得到了应用，尤其是S-函数的引入使得SIMULINK更加充实，处理能力更加强大，使用户可以根据自己的意图来实现复杂系统的仿真。MATLABISIMULINK中的SimPowerSystems库的模块组提供了大量电力、电机系统的基本模块，使得这些系统模型的建立更加容易，缩短了建模时间。 MATLAB具有三大特点: 1.功能强大。包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线计算。 2.界面友好，语言自然。MATLAB以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近。 3.开放性强。MATL

50、AB有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用.用它容易地编写各种通用或专用应用程序。 MATLAB有许多工具箱Toolbox，这些工具箱大致可分为两类:功能性工具箱和学科性工具箱。前者主要用来扩充MATLAB的符号计算功能、视图建模功能和文字处理功能以及与硬件实时交互功能:而后者专业性较强，如各种工具箱，使MATLAB在线性代数、矩阵分析、数值计算及优化，数理统计和随机信号分析、电路与系统、系统动力学、信号和图像处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、建模和仿真、通信系统、财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用。作为MATLAB的重要组成部分，Simulink具有相

51、对独立的功能和使用方法.确切的说，它是对动态进行建模、仿真和分析的一个软件包。Simulink的模块库为用户提供了多种多样的功能模块。然而，对于电气传动研究人员来说，一直被一个问题所困扰，即:如何准确而快速地对电路以及更复杂的电气系统进行仿真.如果各环节用简化传递函数来表示，则很多重要环节会被忽略。而MATLAB中的电气系统模块库Power System Blockset)解决了这个问题。电气系统模块库以Simulink为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电力传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。它由电源模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库、连接模块库、测量模块

52、库等6个子模块库组成。在这6个基本模块库的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库中去。总之，MATLAB非常适用于自动化领域的研究与开发。4.2 三相异步电机直接转矩控制系统的仿真本系统仿真模型完全基于实际情况，实际存在的异步电动机、逆变器均采用SimPowerSystems模块中的模型，而且认为异步电动机的三相定子电压、电流和转速都是可以方便测出的，这些都可以归为硬件部分;其它模块则属于算法，归为软件部分。这样使整个系统条理清晰，为以后的实际系统开发做好铺垫。采用总分总的建模步骤:首先将整个系统按照算法分成几个子模块;然后利用SIMULINK中的基本模块分别构

53、建各个子系统，通过封装技术将它们封装起来:最后把各个子模块连接起来，构成整个系统的仿真模型网。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:=149.2 KVA =460V =60 Hz kg速度PI模块系数:=30 =200根据前面所述，在Matlab/Simulink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。的仿真结果与分析所示。图4.2 定子电流定子电流在初始的波动后，

54、逐渐呈现为正弦波形。图4.3 转速电机的实际转速能够跟上给定值的变化。图 转矩电磁转矩的实际值能够跟上给定值的变化。通过以上三图可以看出，经典的直接转矩控制能够保证转速和电磁转矩有很好的动态性能，能在短时间内跟随给定值变化，并保证输出电流波形保持正弦。但是，从图中也要看到，经典的直接转矩控制算法下定子磁链幅值和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。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

55、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

56、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。4.4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

57、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。本论文通过对异步电动机直接转矩控制系统的研究得出结论如下: 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磁链采用的i-n模型需要受到转子参数变化的影响。 3. MATL

58、AB/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。 谢

59、辞本文的课题研究及撰写工作是在导师王晓晨老师的直接关怀和悉心指导下完成的。王老师严谨的治学态度、渊博的知识和对学生的认真负责，给我留下深刻的印象，同时也是我受益匪浅，这将是我终身的财富。在此谨向王老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。在我进行论文期间，同组的同学互相交流知识与心得，为论文的顺利完成与修改给予了建议和启发。写下论文的最后一个句点，我的心中充满了无尽的感激。我知道，论文的完成只是一个新的开始，未来还有着许许多多的未知和难题在等待着我。在过去的四年大学生涯中，我得到了很多人的帮助，有师长，有同学，有朋友，正是你们的无私帮助让我打开了这扇门，让我看到了充满希望的未来。回首来路，唯心存感激。最

60、后，向评审本文的各位老师致意!参考文献1 韩安太,刘峙飞,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 苏奎峰,吕强,耿庆峰.TMS320F2812原理与开发M.电子工业出版社,2006.11-13.3 D.辽宁工程技术大学硕士论文,2003.4 王伟,金新民,J.电力机车与城轨车辆，2005. 28(4): 22.5 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,2003.176.6 Badii Bouzidi, Abderrazak Yangui, Abdessattar guermazi and Ahmed Masmoudi.

61、 DTC Based Position Control Induction Motor A Comparison Between Different Strategies. IEEE Traps on.2009,6.7 王成元,电机现代控制技术M,北京 机械工业出版社,2006.131-132.8 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,2002.9 马小亮. 大功率交直交变频调速及矢量控制技术(第二版)M.北京 机械工业出版社,1996.10 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M.机械工业出版社11 李夙,异步电动机直接转矩控制M,北京 机械工业出版社,1994.1114.12 薛定宇,J，清华大学出版社,2002:6.13 姚俊,M.西安电子科技大学出版社,2002.207-210.14 M.机械工业出版社,2006.62-74.15 张森,M.机械工业出版社,2004.78-85.g an employment tribunal claiEmployment tribunals s