异步电机直接转矩控制系统的设计..pdf

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1、网络教育学院 本 科 生 毕 业 论 文（设计） 题目：基于 MATLAB 异步电机直接转矩控制系统的设计 学习中心：大连理工大学网络教育学院 层次：专科起点本科 专业：电气工程及其自动化 年级： 2010 年 秋 季 学号： 101132409221 学生：王 子 健 指导教师：唐 兴 波 完成日期： 2012 年 8 月 16 日 异步电机直接转矩控制系统的设计 摘 要 直接转矩控制 (Direct Torgue Control，DTC) 系统利用空间矢量的分析方法， 直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的磁链和转矩。采用定子磁场定向， 直接跟踪定子磁链和转矩。借助于离散的两点式调节(B

2、angBang 控制)产生 PWM 信号, 对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能的转矩响应。定子磁 链运动轨迹近似为圆形的控制方案是，通过实时计算电机转矩与磁链的误差，结 合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。为了能够更好的，更直观的 观测圆形磁链轨迹，了解直接转矩控制的特点及其所能达到的效果，本论文在对 异步电动机直接转矩控制的基本原理进行充分分析的基础上, 采用圆形磁链轨迹 控制方法，建立了异步电动机直接转矩控制系统的MATLAB SIMULINK仿真模型。 在对磁链、转矩估算模型的分析设计过程中，本文对几种估算模型进行了比较， 最终综合了这几种模型的优点，设计出了磁链

3、转矩估算的iu模型。考虑到实际 中对转矩的需要是第一位的，本文制定了优先调节转矩的控制策略，为了能够更 好的实现对转矩的控制，专门设计了转矩的三值调节器，并在电压空间矢量选择 上，以优先考虑达到转矩要求。在对磁链、转矩估算模型的分析设计过程中，本 文在几种估算模型中选择了磁链转矩估算的iu模型。考虑到实际中对转矩控制 的需要是第一位的，本文制定了优先调节转矩的控制策略。为了能够更好的实现 对转矩的控制，专门设计了转矩的三值调节器，并在电压空间矢量选择上，以优 先考虑达到转矩要求。 关键词 :直接转矩控制；空间矢量；圆形磁链轨迹；异步电动机；磁链转矩估算 异步电机直接转矩控制系统的设计 目 录

4、引言 . 1 1 直接转矩控制技术概况 2 1.1 直接转矩控制技术的产生及应用 2 1.2 直接转矩控制技术的发展 2 1.3 论文内容 4 2 直接转矩控制理论 5 2.1 概述 5 2.2 直接转矩控制的基本原理 5 2.2.1 异步电机动态数学模型. 5 2.2.2 三相电压型逆变器的输出电压状态 7 2.2.3 空间电压矢量 . 8 2.2.4 异步电机的磁链观测模型. 9 2.2.5 磁链、转矩与空间电压矢量的关系 10 2.3 直接转矩控制系统的基本组成 . 12 2.3.1 磁链调节器 13 2.3.2 转矩调节器 14 2.3.3 磁链扇区划分和确定单元 15 2.3.4 开

5、关信号选择单元 16 2.3.5 逆变器的开关频率调节 17 2.4 本章小结 . 17 3 仿真工具与仿真算法的选择. 18 3.1 仿真工具的选择 . 18 3.1.1 常用的仿真语言及仿真工具 18 3.1.2 MATLABSIMULINK简介 . 18 3.2 仿真算法 . 19 3.2.1 常用的仿真算法 19 3.2.2 SIMULINK 中的仿真算法 . 19 3.3 本文对算法的选择. 19 3.4 本章小结 . 20 4 异步电机直接转矩控制系统的建模的与仿真. 21 4.1 系统仿真模型的建立 . 21 4.1.1 磁链和转矩的估算模型 21 4.1.2 转速 PI 调节器

6、 . 22 4.1.3 磁链和转矩的滞环调节模型 22 4.1.4 磁链空间位置判断模型 23 4.1.5 开关信号单元电压空间矢量的选择 25 4.2 直接转矩控制系统仿真实验 . 25 4.2.1 仿真参数 . 25 4.2.2 仿真结果 . 25 4.2.3 仿真结果分析 . 30 4.3 本章小结 . 30 异步电机直接转矩控制系统的设计 结 论 . 31 致谢 32 参考文献 33 异步电机直接转矩控制系统的设计 1 引言 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一。在当今社会中广泛应用着 各式各样电气传动系统，其中许多机械有调速的要求：如车辆、电梯、机床、造 纸机械、纺织机械等等，

7、为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要调速的另一 类设备如风机、水泵等为了减少运行损耗，节约电能也需要调速。如果根据原动 机来分类，那么原动机是直流电动机的系统称之为直流电气传动系统；反之原动 机是交流电动机的系统，则称之为交流电气传动系统。如果根据转速的变化情况 来分类，电气传动系统又可分为恒速电气传动系统和变速电气传动系统两大类。 在上世纪 80年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式。这是因为直流电动 机调速方便，只要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以在宽广的范围内实现 无级调速，而且在磁场一定的条件下它的转矩和电流成正比，从而使得它的转矩 易于控制、转矩的调节性能和控制性能比较理想。

8、1885年交流鼠笼型异步电动机的问世打破了直流传动作为唯一电气传动方式 的局面。由于它结构简单、运行可靠、价格低廉而且坚固耐用，惯量小，便于维 修，适用于恶劣环境等特点，使其在工农业生产中得到了极广泛的应用。 如今交流调速领域相当活跃，新技术层出不穷。目前，交流调速系统正向集 成化、实用化、智能化方向发展。诸如交流电动机的串级调速、各类型的变频调 速、无换向电动机调速，特别是矢量控制技术、直接转矩控制技术的应用，使得 交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快动态响应等良好的技术性能。 原来的交直流拖动分工格局被逐渐打破，在各工业部门用可调速交流拖动取代直 流拖动已指日可待，特别是在世界能源

9、紧张、能源费用高涨的今天，交流调速技 术作为节约能源的一个重要手段，引起了人们的高度重视。总之，交流调速技术 的应用有着广阔的前景，随着生产技术的不断发展，交流调速逐步代替直流调速 的时代已经到来。 异步电机直接转矩控制系统的设计 2 1 直接转矩控制技术概况 1.1 直接转矩控制技术的产生及应用 直接转矩控制变频调速技术，德语称DSR(Direkte Selbstregelung)，英语称之为 DSC(Direct Self-Control)或DTC(Direct Trogue Control)，是近十几年继矢量 控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流调频技术 1 。 在1

10、985年，德国鲁尔大学的 M Depenbroek教授首次提出了一种新型交流调速 理论直接转矩控制系统(DTC) 2 。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自 己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参 数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制， 以转矩为主要对象进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链的控制。直接转矩 控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等变量间接控制转矩，而 是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定 向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。直接转矩控制系统具有控制原 理简单

11、、转矩动态响应快、需要传感器较少等优点。法国阿尔斯通公司在上海地 铁车辆上就是采用此种控制方式。 为了得到高性能的速度控制，必须是电机气隙磁场尽可能为圆形。日本学者 1Takahashi 提出了直接转矩控制的另一种形式磁链轨迹的圆形方案，即让 磁链向量基本上沿圆形轨迹运动 3 ，这种控制方式能充分发挥新型申力电子器件 ( 如IGBT)的开关频率优势，因而在中小功率场合获得广泛应用。 1995年ABB 公司首先采用直接转矩控制技术，结合诸多先进的生产制造工艺推 出的高性能变频器 ACS600 系列直接转矩控制通用变频器，动态转矩响应速度已达 到小于 2ms ，在带速度传感器时的静态速度精度达到0

12、.01 ; 在不带速度传感器 的情况下，即使受到输入电压的变化或负载突变的影晌，同样可以达到0.1 0.5 的速度控制精度。它具有很宽的功率范围、优良的速度控制和转矩控制特 性、完整的保护功能以及灵活的编程能力。因而，它能够满足绝大多数的工业现 场应用，不使用电机轴上的脉冲码盘反馈，从零速开始就可以实现电机速度和转 矩的精确控制。 1.2 直接转矩控制技术的发展 对直接转矩控制系统而言，直接将瞬时转矩作为状态变量加以反馈调节，转 矩在定子侧展开，兼顾磁链幅值的闭环控制，采用空间矢量PWM策略，直接输出逆 异步电机直接转矩控制系统的设计 3 变器开关状态，被公认为可使感应电动机达到高性能的新途径

13、。但是实际上无法 达到矢量控制那种良好的低速性能，根源在于低速转矩控制特性变差，低速下定 子电阻影响、逆变器的死区效应、转矩脉动的产生及带负载能力下降，从而制约 了DTC 方法实用化的进程。 因此，电动机直接转矩控制技术的发展主要以改进DTC 系统低速性能为研究方 向，相应地出现了很多研究方法。新的控制思想，特别是智能控制思想开始应用 到直接转矩控制中，提出了基于模糊控制、神经网络控制、变结构控制、滑模控 制、高级预测算法以及模型自适应法的转速辨识等新型直接转矩控制方法。总之 为了进一步提高控制性能，消除低速脉动，交流调速向高频化方向发展。改进直 接转矩控制系统性能的研究有以下几种方法： a智

14、能开关状念选择器的研究 传统方法用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁通调节，触发器 的容差大小将直接影响系统的性能。并且，根据转矩误差、定子磁链幅值误差来 选择逆变器的开关状念，对于一些不确定的因素引起的误差微小变化不能及时控 制，变化的参数对直接转矩控制系统的性能有直接影响。 b电压矢量选择方式的改进 直接转矩控制通过定子磁通定向，直接对转矩进行控制，该方式在每个采样 周期所选用的电压矢量总是保证转矩在t=0时刻能最快地向着正确的方向变化。为 了改善这种情况，减小转矩的脉动，一些研究者提出了一种新的电压矢量选择方 法预期电压法：首先根掘转矩偏差、磁通偏差和转速计算出个能达到最佳 控制

15、的预期电压，然后用电压型逆变器的6个工作电压中与之相邻的两个电压矢量 来合成它，计算出各自的工作时间，然后用零电压补足采样周期。但是通过电压 合成，每个周期内一般有两个非零电压和一个零电压以最佳的时间搭配交替作用， 从而相当于将采样频率增到了两倍或两倍以上，使控制更加准确，性能在整个周 期内趋向最佳。 c改善低速性能的研究 在一些文献早提到了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器。该观测器把 对定子电阻值影响比较大的三个因素定子电流、转速和运动时间作为输入量， 以定子阻值的变化作为输出，设计了模糊观测器。定子电阻初值与变化值相加就 是控制中的定子电阻。这种观测方法能比较准确地观测电阻的变化，低速

16、性能有 了比较好的改善。 异步电机直接转矩控制系统的设计 4 上面所提到的改进方法都是针对直接转矩控制系统的某一方面。虽然对系统的 控制性能有一定的改进，但它毕竟不能从根本上改善系统的性能，要使系统性能 有一个根本的改善必须从整个系统方面着手。随着现代工业的发展，对交流调速 技术的要求越来越高。因此，研制开发高性能的交流调速装置是一项紧迫的课题， 对我国国民经济的发展具有重要的意义。 1.3 论文内容 直接转矩控制技术是本世纪80年代中期发展起来的新技术。它是继矢量变换 控制技术之后，且与之并行发展的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术， 以其新颖的控制思想、简洁的系统和优良的动静态性能得

17、到了迅速的发展。本论 文在研究和分析直接转矩控制原理的基础上，利用图形仿真工具MATLAB/SIMULINK 完成了直接转矩控制系统的近似圆形磁链控制方法的仿真实验。结合直接转矩控 制的算法，通过改变控制系统中直接影响电机性能的转矩滞环调节器和磁链滞环 调节器的参数，对仿真结果进行了具体分析，验证了直接转矩控制方法的可行性 和有效性。 异步电机直接转矩控制系统的设计 5 2 直接转矩控制理论 2.1 概述 直接转矩控制 DTC(Direct Torque Control)变频调速技术是近十几年来继矢 量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技 术。直接转矩控制技术基于

18、定子两相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值 附近，同时另一方面维持定子磁链沿着给定轨迹( 预先设定，如六边形或近似圆形 ) 运动。在经典 DTC 控制结构中，采用 BangBang控制器对交流电机的电磁转矩和定 子磁链幅值直接进行闭环Bang Bang 控制，从而将转矩与磁链的脉动限定在预定 的范围内，当实际值超过调节范围的上下限时，Bang-Bang 控制器就会产生动作， 输出的数字控制量就会发生变化。借助空间电压矢量的分析方法，利用该数字控 制量产生 PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制 1 。 2.2 直接转矩控制的基本原理 2.2.1 异步电机动态数学模型 由于直接转矩控

19、制是基于静止坐标系的，因此采用坐标系上的数学模 型。异步电机数学模型如下 5 ： 异步电动机在静止坐标系上的电压矩阵方程 r r s s rrrmm rrrmm mss mss r r s s i i i i pLRLPLL LpLRLPL PLpLR PLpLR u u u u 00 00 (2-1) 电动机的磁链方程 r r s s rm rm rs rs r r s s i i i i LL LL LL LL 00 00 00 00 (2-2) 电动机的转矩方程 )( srrsmpe iiiiLnT (2-3) 式中 s u、 s u、 r u、 r u、 s i、 s i、 r i、

20、r i、 s 、 s 、 r 、 r 分别为 坐标系下定子、转子电压、电流、磁链值， s L 、 r L 、 m L 分别为定子、转子自感和 定转子见的互感； s R 、 r R 分别为定、转子电阻；P 为微分算子；为电机转子角 速度； p n 为电机极对数。 异步电机直接转矩控制系统的设计 6 为了便于分析异步电机的数学模型，为了抽象出理想的电机模型，必须进行 一些假设，这些假设是 6 ： （1）气殊均匀； （2）磁路线性； （3）定、转子三相绕组对称，其有效导体沿气隙空间作正弦分布； （4）忽略磁场谐波，即设磁场正弦分布； 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子

21、 侧，折算后的每相匝数都相等。 在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分析方法。图1是异步电机的 空间矢量的等效电路图。该等效电路是在正交定子坐标系（坐标系）下型 等效电路图 7 。 s R s U L s i r i r R L sr r j 图 1 异步电机空间矢量等效电路图 S U -定子电压空间矢量 s i -定子电流空间矢量 r i-转子电流空间矢量 s- 定子磁链空间矢量 r- 转子磁链空间矢量 -电角速度（机械角速度和极对数的积） 并且规定，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。由以上可知，异步电机在定子坐标系上由下列方程式表示： S U = s

22、R s i + dt d s （2-4） 0= r R r i + dt d j r r （2-5） r = rs iL（2-6） s =dtiRU sss )( （2-7） 异步电机直接转矩控制系统的设计 7 r +（ r j T 1 ） r = s T 1 （2-8） sin| 2 31 )( 2 3 rsssssape L iinT （2-9） 上述公式中 r R L T为电机转子时间常数， r 转子角速度为磁通角。在实 际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电机铁磁材料，转子磁 链的幅值由负载决定。由于定子磁链发生变化时，转子磁链矢量基本上保持不变， 因而只要改变定子磁链矢

23、量的空间位置，就可以改变磁通角，从而改变电磁转矩。 转子磁链可以根据式 (2-6) 通过改变转子电流来实现。而定子磁链可以根据式(2-7) 以定子电压的积分来改变。稳态转矩的计算根据式(2-9) 通过对转子磁链与磁通角 的计算来完成。 2.2.2 三相电压型逆变器的输出电压状态 在众多的脉宽调制技术中，SVPWM是一种优化的 PWM技术，能明显减小逆变器 输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低转矩脉动，且其控制简单，数字化 实现方便，电压利用率高，已有取代传统SPWM的趋势。图 2-4所示简化三相电压型 逆变器电路中，由于逆变器的开关是由自关断器件构成的，而且每相桥臂的开关 器件是互锁的，因

24、而六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独 立变量。这样逆变器可以用三个单刀双掷开关 a S 、 b S 、 c S 来表示。现在定义三个 开关函数； a S 、 b S 、 c S、 x S (x=a,b,c)=l，代表上半桥臂导通， 当 x S (x=a，b,c)=0 代表下半桥臂导通。因此共有 3 2=8种可能的开关组合；如表 1所示。 a U b U c U a S b S c S d u E E 图2 逆变器的结构图 表 1 逆变器开关的 8 种组合状态 异步电机直接转矩控制系统的设计 8 状态0 1 2 3 4 5 6 7 a S01010101 b S00110011

25、 c S00001111 对应于逆变器的 8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压 状态。这 7种不同的电压状态可分成两类：一类是6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“0”和“7”，由于对外来说，输出的电压都为零， 因此统称为逆变器的零电压状态。 用符号 t s U表示逆变器的输出电压 ( 或简称为逆变器的电压 ) 状态的空间矢量， 则关 于逆变器的电压状态的表示与开关状态的对照关系如表2。 表 2 逆变器的电压状态与开关状态与开关状态对照表 状态 工作状态零状态 1 2 3 4 5

26、6 7 8 开关状态011 001 101 100 110 010 000 111 状 态 表示 一 )(tU s )011( s U)001( s U)101( s U)100( s U)110( s U)010( s U)000( s U)111( s U 表示 二 )(tU s 1S U 2s U 3s U 4s U 5s U 6s U 7s U 表示 三 )(tU s 1 2 3 4 5 6 7 2.2.3 空间电压矢量 三相电动机的电压、电流、磁动势、磁链势等均是三相电磁量。若在复平面 中能用一个矢量来表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变为二维物理 量，为分析和计算带来很多方

27、便。为此，引入Park矢量变换。 Park矢量变换是将 三个变量变换为一个矢量，这种变换对于时间函数同样适用。若用)(tua、)(tub、 异步电机直接转矩控制系统的设计 9 )(tuc分别表示三相电磁链在三相坐标系中的瞬时幅值函数，用)(tu表示合成作用 矢量，则 Park矢量变换关系为 3 4 3 2 )()()( 3 2 )( j c j ba etuetututu （2-10） 矢量)(tu成为Park矢量，它在某一时刻值代表三相电磁量合成作用在坐标系中的空 间位置，所以称为空间矢量。 对于三相异步电动机来说，空间磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量是确实存 在的，而电流矢量和电压矢量并不存

28、在。但是磁动势与电流相关，电压又与磁链 有关，所以仍可以定义电流空问矢量和电压空间矢量，它们分别表示三相电流的 合成作用和三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。以下的分析均是建立在 空间矢量的基础上。一个空间矢量可由两个正交的坐标表示，所以三相电机转化 成两相电机模型，从而更方便问题的分析。 0u 7 u 6 u 2 u 3 u 1 u 5 u 4u 图3 空间电压矢量 2.2.4 异步电机的磁链观测模型 在直接转矩控制中，无论是按圆形轨迹控制还是按六边形轨迹控制，都需要 己知定子磁链。采用直接检测的方法获得定子磁链，存在各方面的条件限制，在 实际系统中使用较少。较为通用的方法为间接测量的方

29、法，即通过易于测量的电 机其它物理量 ( 如定子电压、 定子电流和转速等 )，建立定子磁链的观测模型 1 ，在 控制中实时地推算出定子磁链的幅值和相位。定子磁链的观测准确性直接影响系 统的性能，可以说是 DTC 技术实现的关键。 本文选取根据定子电压与电流的检测值估算的iu模型。由公式 (2-7) ，可以 得到以定子电压和定子电流表示的异步电机定子磁链iu模型(如图 4 所示) 用上 异步电机直接转矩控制系统的设计 10 式来确定异步电机的定子磁链的方法有一个优点，就是在计算过程中唯一所需要 了解的电机参数是易于确定的定子电阻。式中的定子电压 s u 和定子电流 s i 。同样也 是易于确定的

30、物理量，它们能以足够的精度被检测出来。iu模型只有在被积分 的差值，也就是| sss iRU的值较大时才能提供正确的结果。其误差是由定子电阻 引起的。由于这个原因，iu模型只有在 10额定转速以上时，特别是在30额 定转速以上时，测量误差及积分漂移的影响才变得微不足道，采用此模型才能比 较准确地观测出定子磁链。但是当速度低于30额定转速时，用这种方法来确定 定予磁链是不可能的，因为用作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。所以iu法一般应用在 30基速以上调 速区域的定子磁链观测中。 图 4 定子磁链的的iu模型 此模型因其物理概念明确、实现简单，故使

31、用最为广泛。其主要特点是 1)结构简单，在中高速区域有较高的精度： 2)只受定子电阻参数的影响，鲁棒性较高； 3)误差小、收敛，稳态时始终含有定子电阻偏差引起的观测误差； 4)电机不转时，定子反电动势为零，不能按公式(2-7) 计算定子磁链，同时也无法 建立初始磁链 5 。 2.2.5 磁链、转矩与空间电压矢量的关系 1、空间电压矢量对定子磁链的作用 00 )( sssssss dtudtiRu（2-11） 公式(2-11) 中 0s 表示定子磁链的初始值，由此可知定子磁链空间矢量 s ， 顶点的运动方向和轨迹对应于相应空间电压矢量的作用方向， s 的运动轨迹平行 于所给的电压空间矢量 s u

32、指向的方向。通过逐步合理地选择电压矢量，可以使定 子磁链矢量 s 的运动轨迹纳入一定的范围，沿着预定的轨迹移动。电压空间矢量 对定子磁链矢量的影响可以通过以下两种方式来实现。 在有效空间电压矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量，有效空间电压矢 量作用时，定子磁链 s 沿空间电压矢量作用的方向旋转；零矢量作用时，定子磁 异步电机直接转矩控制系统的设计 11 链 s ，停止不动。由于零矢量的插入， s 走走停停，所以旋转速度变慢了。如果 在插入零矢量后仍保持每个有效空间电压矢量的总的作用时间保持不变，则定子 次暗恋矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异步电机的恒磁通转速，亦即恒 转矩调速。空间电压

33、矢量对磁链幅值的作用如图5所示，其中 s u 为施加的电压矢量， 为电压矢量与磁通矢量的夹角。由图5分析可得，当所施加的电压矢量与磁通的 夹角小于90时，该电压矢量作用的结果使磁链幅值增加，当大于90时，电压 矢量作用的结果使磁链幅值减小；当等于90或施加的是零矢量，磁链幅值基本 保持不变。 q d ss s tus s 图5 定子磁链和电压矢量的关系 改变有效空间电压矢量的交替作用时间，作用时间变短，面积将变小，定子磁 链矢量的幅值也将变小。因此用这种方法可以控制异步电机的弱磁升速，实现恒 功率调速。 2、空间电压矢量对电磁转矩的作用 由式(2-6) 可知异步电机电磁转矩的大小不仅与定子磁链

34、的幅值、转子磁链的 幅值有关，还和它们之间的夹角有关，夹角从0到90变化时，电磁转矩从 O 变化 到最大值。在实际运行中，一般保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电机铁 心，而转子磁链幅值由负载决定，因此要改变电机转矩的大小可以通过改变定转 子磁链之间夹角的大小来实现。在直接转矩控制中，就是通过空间电压矢量面。 来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变 定转子磁链夹角的大小来控制电机的转矩。 异步电机直接转矩控制系统的设计 12 q d 正正正正 正正正正 正正正 r s r 图6 电磁转矩与电压矢量的关系 若要增大电磁转矩，就施加正向有效空间电压矢量，使电压的幅

35、值足够大， 定子磁链的转速就会大于转子磁链， 定转子磁链间的夹角增大， 从而使转矩增加。 若要减小电磁转矩，则施加零电压矢量，定子磁链就会停止转动，定转子磁 链间的夹角减小，从而使转矩减小。 若要迅速减小电磁转矩，则施加反向有效空间电压矢量，定子磁链就会向反 方向旋转，定转子磁链间的夹角迅速减小，从而使转矩迅速减小。 sin| 2 31 rse L T （2-12） 转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角的乘积成正比。通过转 矩三点式调节，控制电压空间矢量的非零电压空间矢量和零电压空间矢量的交替 出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度大小。通过这样的瞬态调节就能 获得高动态性能的转

36、矩特性。 2.3 直接转矩控制系统的基本组成 通过前一节的介绍，直接转矩控制的基本方法已经得到，在此基础上，设计 了一个异步电机直接转矩控制的小系统，系统结构基本组成如图7所示。系统组成 分成如图中所示的三个部分：控制部分、逆变部分、电机部分。控制部分的任务 主要由控制器来完成，如图所示主要进行定子磁链调节、转矩调节、磁链区间划 分，最终通过开关信号选择单元输出逆变器的开关状态。逆变部分和电机部分采 用前一节介绍过的理想模型。 异步电机直接转矩控制系统的设计 13 图7 直接转矩控制系统的基本组成框图 直接转矩控制系统的工作过程叙述如下： 在电机启动时，定子磁链处于空间原点位置，给出一个初始开

37、关工作状态， 使其脱离原点位置，通过对电流和电压采样信号进行32相变换，计算出在 坐标下的投影矢量 s i、 s i， s u， s u，p，将这些量通过电磁转矩计算模块和矢 量分析器分别得到转矩反馈值 f T 和磁链反馈 f ， 转矩反馈值 f T 与转速 PI调节器输 出量 g T 通过转矩调节器得出转矩开关信号，同理可得到磁链开关信号，这两个开 关信号和磁链所在扇区共同选择下一个周期的开关状态，对逆变器进行控制，从 而完成一个控制周期。 2.3.1 磁链调节器 在直接转矩控制中，需要对不断变化的磁链幅值进行调节以使其限制在一定 的容差范围内，首先要求检测出当前磁链幅值。对于圆形磁链， a

38、，b ， c不对 称，因此需要用、分量计算： 22 |（2-13） 电机运转过程中，由于定子电阻压降等因素的影响，定子磁链将会不断减小， 因此要求不断“校正”定子磁链到一个指定的变化范围内。为了避免定子磁链幅 值减小到容差以外，引入磁链调节闭环，由磁链调节器给出一个定子电压空间矢 量，加大定子磁链幅值，这就是磁链调节器所需完成的工作。磁链的调节过程是 异步电机直接转矩控制系统的设计 14 通过磁链电压来完成的。所谓磁链电压是指这样一个定子电压空间矢量，它的主 要作用是根据磁链调节器的作用，在需要时被开启用以增加或减小磁链幅值。根 据异步电机的数学模型，在式(2-11) 中，若忽略定子电阻 s

39、R 则： 00 )( sssssss dtudtiRu (2-14) 从式(2-14) 可以看出：定子磁链矢量 s，与定子电压空间矢量s u。之间为近 似积分关系，并可由此得出定子磁链运动方向与空间电压矢量作用方向一致的结 论。因此，定子磁链在任一位置时能够增大磁链幅值的电压矢量有两个，分别是 与磁链运动轨迹成60和120的电压矢量。 磁链调节器的工作要求预先给定一个容差宽度，它是定子磁链幅值对于给 定值 g所允许的容差宽度。磁链调节器的结构实际上是施密特触发器，对磁链幅 值进行两点式调节，如图 8所示。 图 8 磁链调节器 2.3.2 转矩调节器 转矩控制在许多场合里都显得非常重要，即便是追

40、求精确转速的一些场合 因 为只有影响转速的最直接的原因就是转矩的变化。如果转矩控制性能好，则不难 设计一个速度调节器，使速度环有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好，响 应慢，相应的调速性能也不会很好。因此调速的关键在转矩控制，为了控制转矩， 转矩调节器必须具备两个功能：一个功能是转矩调节器直接调节转矩；另外一个 功能是控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。转矩调节器采用三值比较 器，其输入为转矩给定值 g T 与转矩反馈值 f T的信号之差为T 。然后根据调解器 的输出量 ( Q T )的取值不同来确定定子电压矢量。调节器框图如图9所示。 异步电机直接转矩控制系统的设计 15 图9 转矩

41、三值调节器 转矩调节器的容差是 m，调节器分为两部分，相当于两个施密特触发器，当 g T f T时，若电机的转矩 f T增加且 Q T =1，则只有 f T增加到 g T时，调节器的输出 Q T 才能变为“ 0”，若电机的转矩在减少且 Q T=O ，则只有等到 f T减小到 g T- m时， 调节器的输出 Q T才能变为“ l ”。而 g T f T时，若电机的转矩 f T在增加且 Q T=0则 只有等 f T增加到 g T+ m时，调节器的输出乃才能变为“ -1”，若电机的转矩在减 少且 Q T=-1，则只有使 f T减小到 g T时，调节器的输出 Q T才能变为“ 0”。 通过前述公式可知

42、，要想提高转矩 f T有两种方法：一种是改变定子磁链的幅 值，一种是增大定子磁链与转子磁链之间的夹角。而定子磁链在电机运行过程中 由于磁链调节器的调节，其幅值变化不大，因此要靠增加定子磁链和转子磁链的 夹角来增加转矩，这就要求定子磁链正向旋转。而要想减小转矩 f T，可通过减小 定子磁链和转子磁链的夹角来减小转矩，这可以通过保持定子磁链不动或使定子 磁链反转来实现。 结合上述分析，可以定义转矩调节器的输出TQ 取不同值时的含义： Q T=l 控制定子磁链正转 Q T=O 采用零电压向量控制定子磁链不动 Q T=-1控制定子磁链反转 由于定子磁链幅值保持为额定值，转子磁链幅值由负载决定，利用前述

43、公式， 对转矩进行调节时，主要是通过改变磁通角的大小来实现。 2.3.3磁链扇区划分和确定单元 定子电压空间矢量将复平面均匀划分成6个扇区，在空间矢量调制时能够利用 这六个扇区选择调制电压空间矢量，但在直接转矩控制中，要根据定子磁链的相 位角确定电压空间矢量的选择，重新划分扇区。如图2-9所示，新扇区是根据定子 磁链矢量的相位角以及幅值变化要求以定子工作电压空间矢量为中心的 3 范围 划分的。扇区定义 8 如图10中)6()1(所示。由图可知，通过判断磁链与轴的 异步电机直接转矩控制系统的设计 16 所成角度就可确定它所处的扇区。 图10 扇区的划分 2.3.4 开关信号选择单元 按照转矩调节

44、器的输出 Q T和磁链调节器的输出 q。取不同值时的含义，结合 定子磁链所处的不同扇区， 选取合适的电压空间矢量 s u即合适的逆变器开关信号。 就可以实现对电机的直接转矩控制。 实际应用中，一般将各种开关信号的组合以及所对应的电压空间矢量制表， 编制软件时通过查表的方式来确定电压空间矢量。 表3 定子电压矢量开关表 qq T12 3 4 5 6 0 1)001( 1 U)101( 5 U)101( 4 U)110( 6 U)010( 2 U)011( 3 U 0 )000( 0 U或)111( 7 U 1)010( 2 U)011( 3 U)001( 1 U)101( 5 U)101( 4

45、U)110( 6 U 1 1)101( 5 U )101( 4 U )110( 6 U )010( 2 U )011( 3 U )001( 1 U 0)000( 0 U或)111( 7 U 1)110( 6 U)010( 2 U)011( 3 U)001( 1 U)101( 5 U)101( 4 U 说明：零电压空间矢量)000( 0 U或)111( 7 U是由前一时刻作用的空间矢量根据开关 量最少的原则来选取。 异步电机直接转矩控制系统的设计 17 2.3.5 逆变器的开关频率调节 在直接转矩控制技术中，开关频率是通过转矩容差 m的调节确定的。转矩容差设 定的值较小，对于抑制转矩脉动是有利的

46、，但同时增加了逆变器的开关频率。逆 变器的开关频率受两个因素影响：一个是转矩容差的大小，另一个是转速的大小。 当转矩容差 m。一定时，逆变器的开关频率取决于转速。可用一个开关频率调节 器来调节容差宽度 m，如图210，其任务就是保证逆变器在给定的开关频率下工 作。当开关频率超过给定频率时，使得 m加大，避免开关频率过高；反之，则相 反。 图11 逆变器开关频率调节 2.4 本章小结 本章介绍了直接转矩控制的基本原理，包括逆变器理论、空间电压矢量的概 念和作用原理以及直接转矩控制的各个基本组成环节；介绍了通过电机模型计算 定子磁链和电磁转矩的方法、磁链调节、转矩调节的作用原理：为了能够实现很 好

47、的转矩控制效果，我们对磁链调节器选用了两点式调节器，对转矩控制器采用 了三点式调节器。然后，又根据控制策略中所规定的磁链调节器和转矩三点式调 节器的输出信号的含义，结合扇区的判断，设计出了逆变器开关状态表。 异步电机直接转矩控制系统的设计 18 3 仿真工具与仿真算法的选择 3.1 仿真工具的选择 3.1.1 常用的仿真语言及仿真工具 随着计算机技术的发展，仿真技术逐步发展，现已形成完整的学科，渗透到各 个领域。它的发展又不可避免地带动了仿真软件的不断前进。除了一些灵活性好 的计算机高级编程语言，如c、FORTRAN、VB 等，更有一些功能强大、易学易用的 仿真语言彼人们所使用，如MATLAB

48、 、SIMON 、ACSL 等等，它们不仅仿真功矩优越， 而且也可以求解一般性的问题，使用起来非常方便。 我们知道，在控制系统中，使用框图组织系统是又省时又省力的事，而且，在 提高系统运行， 减少累积误差等方面也大有益处，是备受青睐的软件之一。 MATLAB 中的SIMULINK 就是这样的一种软件。本文的大部分工作就是基于这种软件来完成 的。 3.1.2 MATLABSIMULINK简介 1MATLAB 语言 matlab 软件是由美国 NewMexieo 大学的 CleveMoler 博士于 1980年开始开发的， 1984年CleveMoler 等人创立的 Mathwork公司正式推出了

49、第一个商业版本。MATLAB 是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和 图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。这使它成为国际控 制领域应用最广的首选软件工具。现在matlab 软件不但广泛应用于控制领域，也 应用于其它的工程和非工程领域。 MATLAB 语言有以下特点： (1) 起点高 (2) 人机界面适合科技人员 (3) 强大而简易的作图功能 (4) 智能化程度 高 (5) 功能丰富，可扩展性强。因此，matlab 己成为世界上应用最广泛的工程计 算应用软件之一，现已发展到了7.10 版本。 2SIMULINK 仿真工具 simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。simulink 界面友好，它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，用户建模通过简单的 单击和拖动就能实现，使得建模就像用纸和笔来画画一样容易。它与传统的仿真 软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点。它由以下6个子模块库组成： (1) 电源模块库。(2) 基本元件模块