电动汽车电机驱动控制策略研究.pdf

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1、本科毕业设计（论文） GRADUATION DESIGN(THESIS) 论文题目：电动汽车电机驱动控制策略研究 本科生姓名：关海波学号：201211318 指导教师姓名：赵峰职称： 申请学位类别：工学学士专业：电力工程与管理 设计(论文)提交日期：（小四号楷体加黑）答辩日期：（小四号楷体加黑） 本科毕业设计 (论文) 电动汽车电机驱动控制策略研究 Investigation on control strategy of motor drive for electric vehicle 姓名：关海波 学号：201211318 学院：新能源与动力工程学院 专 业 班 级： 电力工程与管理1201

2、班 指 导 教 师：赵峰 完 成 日 期： 兰州交通大学 Lanzhou Jiaotong University 摘要 本论文首先介绍了异步电动机的数学模型，通过坐标变换，得到了异步电动机的空 间矢量等效电路。 并由理想逆变器的8 种开关状态入手，得到了理想逆变器的数学模型， 建立了空间电压矢量的定义。 并在此基础上对定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量之间 的关系进行了分析， 阐述了六边形磁链轨迹和近似圆形磁链轨迹异步电动机直接转矩控 制系统的结构和工作原理。 根据异步电动机直接转矩控制的工作原理，本论文在 MATLAB/Simulink的平台下， 分别搭建了六边形磁链轨迹和圆形磁链轨迹直接转矩

3、控制系统模型。并对仿真结果进行 了相应的分析，验证了异步电动机直接转矩控制策略的可行性。而且，对两种磁链轨迹 直接转矩控制系统的优缺点及应用范围进行了比较。 本论文以电动汽车的电机驱动部分为研究对象，对于异步电动机的直接转矩控制技 术进行了较为深入的理论研究，在电动汽车及其他相关领域的应用具有一定的参考价 值。 关键词：电动汽车；电机驱动；直接转矩控制 Abstract This thesis starts with the mathematic model of the induction motor, and gets the space vector equivalent circuit

4、 by coordinate transform. The mathematic model of the inverter and the concept of the voltage space vector are gotten from the eight switched states of the inverter. Then, this thesis describes the structure and the principle of the DTC system both in hexagon flux track and in round flux track for i

5、nduction motor based on the analysis of the relations between stator flux and electrical torque with voltage space vector. The DTC system models in hexagon flux track and in round flux track are built on the platform of MTATLAB/Simulink separated upon the principle of DTC. The feasibility of the str

6、ategy of the DTC for induction motor is testified by the simulation, and the performances of the two kinds of DTC system are compared also. This thesis makes a further theory research, and makes a software and hardware design on DTC system for induction motor, which takes the motor drive of electric

7、 vehicle as the researching object. This research is valuable for the application of the DTC for induction motor in electric vehicle and other relevant fields. Key Words：Electric vehicle ，Motor drive，Direct torque control 目录 摘要. . - 1 - ABSTRACT . . - 2 - 1 绪论 . . - 1 - 1.1 国内外电动汽车的发展及现状 - 1 - 2 电动汽

8、车电机驱动系统分析. . - 1 - 2.1 电动汽车驱动电机的特殊要求 - 1 - 2.2 电动汽车电机驱动系统的分类与选择 - 2 - 2.2.1 直流电机驱动系统 - 2 - 2.2.2 交流感应电机驱动系统. . - 2 - 2.2.3 永磁无刷电动机驱动系统. . - 2 - 2.2.4 开关磁阻电机驱动系统 - 3 - 2.2.5 电动汽车电机驱动系统的选择. . - 3 - 2.3 交流感应电机的控制方法 - 4 - 2.3.1 变压变频控制 . . - 4 - 2.3.2 矢量控制 . . - 4 - 2.3.3 直接转矩控制 . . - 4 - 2.3.3 交流感应电机控制方

9、法的选择. . - 5 - 3 直接转矩控制系统的基本原理. . - 5 - 3.1 异步电机数学模型和空间矢量等效电路 - 5 - 3.1.1 异步电机的数学模型 . . - 5 - 3.1.2 异步电机空间矢量等效电路. . - 7 - 3.2 理想逆变器的数学模型 - 8 - 3.3 异步电机定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量的关系 - 8 - 3.4 直接转矩控制系统的基本组成 - 9 - 3.4.1 六边形磁链直接转矩控制的原理. . - 9 - 3.4.2 近似圆形磁链直接转矩控制的基本原理. - 12 - 4 基于 MATLAB/SIMULINK 的直接转矩控制系统仿真. - 15

10、 - 4.1 六边形磁链的直接转矩控制系统建模与仿真. - 15 - 4.1.1 主要子模块建模 . - 15 - 4.1.2 六边形磁链直接转矩控制系统的系统仿真. - 16 - 4.2 近似圆形磁链直接转矩控制系统的建模与仿真. - 19 - 4.2.1 主要子模块的建模 . - 19 - 4.2.2 近似圆形磁链直接转矩控制原理的仿真. - 20 - 4.3 两种控制方法的比较分析. - 22 - 结论. - 24 - 致谢. - 25 - 参考文献 . 错误！未定义书签。 附录 A 六边形磁链直接转矩控制系统仿真图 错误！未定义书签。 1 绪论 随着经济的快速发展，更多的燃油汽车慢慢进

11、入了人们的日常生活。而目前世界面 临的两大问题就是环境污染和能源枯竭。与此同时，由于电机驱动控制技术的飞速发展， 现代工业对研制无污染、结构简单、运行成本低廉的电动汽车更加容易。 电动汽车是指由车载电源为电动汽车提供行驶动力，由电动汽车的驱动电机驱动汽 车行驶，符合交通法规要求的汽车， 目前，电动汽车有三类， 分别为混合动力电动汽车、 纯电动汽车和燃料电池动力汽车 1 。电动汽车的大力发展，不但可以实现低排放而达到 减少环境污染的效果，而且可以缓解石油资源的枯竭。因此，电动汽车的研究已经成为 未来汽车研究领域的重中之重。 1.1国内外电动汽车的发展及现状 在国内，电动汽车从20 世纪末开始研究

12、。经过我国两次五年计划的的飞速发展， 国内电动汽车的发展从零到有，从刚开始的研究开发阶段上升到产业化阶段。十年内， 我国共有 30 个城市参与电动汽车示范推广工程，累计推广电动汽车共计2.1 万辆，示范 推广运行里程也超过1.9 亿多千米。因此，未来五年是我国电动汽车项目发展的重要时 期。 在国外，尤其是以美国、 日本、欧洲为代表的众多发达国家的科研机构、电力公司、 车辆公司很早就推出了电动汽车的概念车，并且一些比较先进的电动汽车研发企业已经 进入生产阶段。例如，通用汽车公司开发的E1 型电动汽车，克莱斯勒公司重点研究和 设计的电动汽车；近几年日本本田公司研发的电动轿车，德国宝马公司开发的El

13、 电动 旅行车等。 2 电动汽车电机驱动系统分析 电动汽车由三个子系统构成，分别为能源子系统、电机驱动子系统以及辅助控制系 统 2 。电动汽车电动机驱动系统所需要的电能由车载蓄电池提供，并将车载蓄电池输出 的电能转化为电动汽车所需要的机械能，而驱动电机的输出轴便连接至该电动汽车的驱 动系统，经过驱动系统基本结构的传动装置，由传动装置产生的驱动力驱动电动汽车正 常行驶。 2.1电动汽车驱动电机的特殊要求 电动汽车的驱动系统，有一些特殊要求，如下所述： (1)电动汽车电机基速以下输出的转矩较大，所以，为了使驱动电机在启动、加速、 负荷爬坡、起停等条件下都能正常工作，驱动电机需要3 倍左右的过载。

14、(2)电动汽车电机达到规定速度以上时，要求以恒功率状态运行，是为了在高速运 行条件下，电动汽车能够正常行驶。 (3)驱动电机必须具有很高的动态特性、稳定精度以及非常好的可靠性； (4)电气系统失效保障措施完善； (5)电动汽车电机驱动系统设备要物美价廉。 2.2电动汽车电机驱动系统的分类与选择 电动汽车电机驱动系统按照电机类型不同可分为：交流感应电机驱动系统、直流电 机驱动系统、开关阻尼电机驱动系统以及永磁无刷电机驱动系统。 2.2.1直流电机驱动系统 直流电机驱动系统使用的驱动电机为直流电机。而直流电机驱动系统所使用的变流 器是斩波器，变流器的作用是将额定电压转换为可调电压；直流电机驱动系统

15、所采用的 调速方法有调压调速与调磁调速。 直流电动机根据有无励磁绕组可以分为励磁绕组式和永磁式。前者有励磁绕组且磁 场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成 熟，控制简单，它们在许多驱动系统研发中都有非常广泛的应用。 2.2.2 交流感应电机驱动系统 逆变器和控制器组成了交流感应电机驱动系统中的驱动控制器。驱动系统中的逆变 器作用是将蓄电池中的直流电转换成交流电动机运行所需的交流电。电动机的输入电 压、电流、转速、频率、波形、磁通、转矩、开关方式、导通角和关断角等都要通过控 制器进行控制，才能达到从电能到机械能转换的目的，还要让控制器对交流感应电机的 转矩控

16、制效果达到最优。因此，交流感应电机及其驱动控制器要求逆变器和控制器能够 同时作用、整体设计，使逆变器和控制器能够完美配合，并且能够达到一体化和集成化 的整体，这样就可以大大提升交流电机的潜力，使交流感应电机更好的应用于电动汽车 领域。 交流感应电动机需要使用逆变器将直流电变为交流电。车载蓄电池存储的电能为直 流电，而交流感应电机需要的是交流电驱动，所以必须使用逆变器对蓄电池输出的直流 电处理，通过逆变器将直流电转换为交流电。 2.2.3 永磁无刷电动机驱动系统 永磁驱动电动机可以分为很多类型，根据永磁驱动电动机的输入信号波形，可分为 两种，永磁直流和永磁交流电动机。由于永磁交流驱动电动机并没有

17、装配电刷、换向器 和滑环等器件，也可将永磁交流驱动电机称为永磁无刷驱动电动机。若是按照永磁驱动 电机输入信号进行分类，永磁无刷电机可分为两种，分别是永磁同步电动机和永磁无刷 直流电动机。永磁同步电动机需要输入的信号波形是交流正弦波，并且是采用了连续转 子位置反馈信号进行换向控制；而对于另外一种永磁驱动电机而言，其输入的是交流方 波，而这两者进行换向控制所采用的信号是一样的。因为方波与正弦波相比，其磁场和 电流之间产生的转矩要远大于正弦波，所以，就功率密度而言，直流电机要比同步电机 大。 2.2.4开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电机驱动系统由电机、转子位置传感器和控制器构成，所用的电机为开关 磁

18、阻电机。开关磁阻电动机是双凸结构。 双凸结构十分牢固， 比较适合高速旋转的状况， 并且不用维护，其费用也低，所以很受工业重视。 开关磁阻电动机基本结构包含位置传感器，因此即使让电机一直大转矩工作，也不 会产生丢步，这是开关磁阻电机最大的优点。而它的缺点就是电机是双凸结构，就会导 致转矩脉动引起的振动以及噪声太大。 2.2.5 电动汽车电机驱动系统的选择 通过以上的分析，对以上阐述的四种主要电机驱动系统进行优缺点对比，详细说明 见表 2.1 所示。 表 2.1 电动汽车电机优缺点比较 电机类型优点缺点 直流电机结构简单，转矩控制特性优良。 存在电刷、容易出现电火花、维 护不容易、价格昂贵。 交流

19、感应电动机价格便宜、维护简单、体积较小。控制装置较复杂。 永磁无刷电动机控制器较简单、效率高、能量密度大。价格较贵。 开关磁阻电动机 简单可靠、可调范围宽、效率高、控制灵 活、成本低。 转矩波动很大、噪声较大。 由上表可知，直流电动机存在电刷，维护困难，很难适应进一步发展的需要；而永 磁同步电动机在价格以及研究技术上，依然不符合电动汽车电机驱动系统的最终要求。 而交流感应电动机具有很多优点，所需成本很低，可靠性非常好，调速范围比较宽，研 究时间较长，使用经验较足，而且交流感应电动机的制造技术很可观，况且其转矩波动 小，引起的震动小，产生的噪声也小，也不需要相应的转子位置传感器，因此，交流感 应

20、电机依然作为电动汽车电机驱动系统的不二之选。因此，在本论文中，用交流感应电 机驱动系统作为电动汽车电机驱动系统最终的研究对象。 2.3 交流感应电机的控制方法 由于交流感应电机的直轴和交轴具有磁耦合现象，使得感应电机动态模型不良的高 度非线性，从而导致感应电动机在控制方面较直流电动机更复杂。此文列举三种交流感 应电机的控制方法，具体如下所述。 2.3.1 变压变频控制 变压变频控制技术指的是当频率低于基频范围时，需要运用恒压恒频方法进行控 制，当频率位于基频以上时，利用变频恒压方法控制。在频率很低时，定子阻抗下降， 通过提高电压来补偿电源电压与感应电动势之间的压降。交流感应电动机的驱动特性如

21、下图 2.1 所示，可分为三段，第一段在电动机频率低于基频时，产生额定转矩，称为恒 转矩区；在第二段，定子电压保持恒定时滑差增加到极值，电动机的功率将一直保持为 固定功率。在高速区，滑差维持常数，而定子电流衰减，转矩以速度的平方减少。 恒转矩恒功率高速 转矩 定子电流 定子电压 滑差 转速 基速 图 2.1 感应电动机的特性曲线 2.3.2 矢量控制 矢量控制的基本原理：首先，需要对电机的定子电流矢量进行测量，必要时进行控 制，然后按照磁场定向原理控制异步电机的转矩电流，最后达到控制电机转矩的效果。 详细流程是先将测得的异步电机的定子电流矢量分为两种电流分量，一种产生磁场，另 一种分量产生转矩

22、，接着控制这以上电流分量，与此同时，控制两种电流分量之间的幅 值以及相位，因此把这种控制方法叫做矢量控制技术 3 。 2.3.3 直接转矩控制 直接转矩控制原理：利用空间矢量的分析方法和定子磁场定向的分析方法，可以在 相应的定子坐标系下分析并搭建异步电机数学模型，计算异步电动机的磁链和转矩并进 行相应的控制 4 。采用的调节器为离线型两点式调节器，将检测到的转矩值和已知给定 的转矩值比较，使转矩波动不要超出一定的容差范围。 2.3.3 交流感应电机控制方法的选择 通过以上分析，可知直接转矩控制采用离散的电压空间矢量。因此可以把它观测出 来，在知道定子电阻的情况下。在矢量控制技术中，由于参数变化

23、会影响控制性能，但 直接转矩控制会降低了这种不良影响。直接转矩控制技术的重点是转矩的直接控制。既 直接又简单。因此，本论文将直接转矩控制技术作为电机驱动系统中感应电机的最佳控 制方法进行深入研究。 3 直接转矩控制系统的基本原理 直接转矩控制是通过分析空间电压矢量的方式，可以在定子坐标系下计算并且控制 交流电机的转矩，采用定子磁场定向的分析方法，通过离散的两点式调节器产生脉宽调 制信号，对逆变器的开关情况直接进行控制，以获得高动态性能转矩，这样在一定程度 上便解决了矢量控制中存在的问题 5 。 3.1 异步电机数学模型和空间矢量等效电路 3.1.1 异步电机的数学模型 当下列条件存在时，可以搭

24、建异步电机的数学模型： (1) 气隙均匀； (2) 磁路线性； (3) 定子和转子的绕组对称分布， 并且有效导体部分沿均匀的气隙空间作正弦分布； (4) 忽略磁场谐波的影响不计。 三相异步电动机的数学模型有下列四个方程组成，分别为电压方程、磁链方程、转 矩方程以及运动方程。 （1） 电压方程 c b a C B A c b a C B A s s s s s s c b a C B A p i i i i i i R00000 0R0000 00R000 000R00 0000R0 00000R u u u u u u (3.1) 其中： A u， B u， C u， a u， b u， c

25、u转子定子之间相电压的瞬时值； A i， B i， C i， a i， b i， c i转子定子之间相电流的瞬时值； A，B，C，a，b，c 转子定子绕组的全磁链； （2） 磁链方程 c b a C B A ccbcacCcBcA bcbbabCbBbA acabaaCaBaA CccbCaCCBCA BcBbBaBCBBA AcAbAaACABA c b a C B A i i i i i i LMMMMM MLMMMM MMLMMM MMMLMM MMMMLM MMMMML (3.2) 式中： A L、 B L、 C L、 a L、 b L定、转子之间的自感；其它元素表示互感。 （3）转矩

26、方程 电磁转矩可由能量守恒定律导出。按照能量转换的基本原理，当电机为多项绕组电 机时，其中磁场的储能为 T m i 2 1 W(3.3) 式中： 。 ； T cbaBBA T cbaBBA i iiiiiii 按照能量守恒的基本原理， 当异步电机运行的时候， 异步电机的电磁力矩 e T等于电 流不变时磁场储能对角位移 m的偏导。即 ci r m nci m m e W p W T|(3.4) 式中： n p磁极对数； r为电角位移，mnr p。 )()( )()( )( 120siniiiiii 120siniiiiii siniiiiiiMp i M ii M ip 2 1 T rbCaBc

27、A raCcBbA rcCbBaAsrn r r srT ss r rsT rne （3.5） 式中： sr M 定转子之间的互感。 （4）运动方程 r n r 2 n L r n 2 r 2 n Le p D dt d p J T dt d p D dt d p J TT （3.6） 式中： L T负载阻力矩； J机组的转动惯量； D转矩阻尼系数。 3.1.2 异步电机空间矢量等效电路 在直接转矩控制系统中，所采用的参考坐标系是放在定子绕组上的，一般采用的是 坐标系，图 3.1 为异步电机的空间矢量等效电路图。 s RL r R L s i r i i s u r j r 图3.1 异步电动

28、机空间矢量等效电路 各量的含义如下： )(tus定子电压空间矢量； )(tis定子电流空间矢量； )(tir转子电流空间矢量； )(t定子磁链空间矢量； )(t r 转子磁链空间矢量； 电角速度。 A B C )t (x )t( x )t (x 图3.2 空间矢量分量的定义 并且旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，如图 3.2 所示，而在正交的轴上 的投影便称为分量。 3.2 理想逆变器的数学模型 电压型逆变器如图3.3 所示，由六个开关 a S、 a S、 b S、 b S、 c S、cS组成。 a S和 a S、 b S和bS、 c S和cS每组之间互为反向， 所以当一个接通时， 则另一个处

29、于断开状态。 a S、 b S和 c S为三个互相独立的变量，按照相关规定，则六个开关的导通状态均用1 表示， 关断状态均用 0 表示。 0 + Ud sa sa sbsc sbsb abc E E - 图3.3 电压型理想逆变器 以 a 相为例，理想逆变器的输出电压和开关状态存在公式3.7 的对应关系： ), ), 1S(0 SE 0S(1 SE u ab aa a0 （3.7） 三个开关变量 a S、 b S、 c S共有八种组合，这些组合是(000)，(001)，(111)，(011)， (101)，(100)，(110)，(010)。在这 8 种组合中，并非全部有效，其中在组合(000

30、)和(111) 状态时，理想逆变器输出电压为零， 因此将其称为无效组合。 其它六种组合为有效组合。 逆变器的开关状态编号见表3.1。 表3.1 逆变器的开关状态 逆变器状态编号工作状态零状态 1 2 3 4 5 6 7 8 （ a S、 b S、 c S）001 010 011 100 101 110 000 111 3.3 异步电机定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量的关系 磁链空间矢量与电压空间矢量之间存在的关系如下图3.4 所示。图中，)(t的运动 轨迹与电压空间矢量)(tus位置为平行关系，并且运动方向和电压空间矢量的作用方向相 互对应。所以只要定子电阻的压降)(tis比)(tus足够小，

31、则这种平行关系也就可以近似。 由此可见，在必要的时刻依次给出定子电压空间矢量S1至 S6，可以得到定子磁量依次 沿着图中的 S1-S2-S3-S4-S5-S6的次序运动，形成了一个正六边形磁链。但是若定子电 压为零矢量，那么磁链的增量为也就零，而这个作用是使磁链矢量得顶点停在原来的空 间位置不动。 )001(u )100(u )101(u )011(u )010(u )110(u S6S5 S3 S1 S2 S4 )(t 111 000 图3.4 空间电压矢量和磁链空间矢量之间的关系 3.4 直接转矩控制系统的基本组成 二十世纪八十年代，国际上出现了直接转矩控制技术，当时有两种最为典型的控制

32、方案，分别为六边形磁链直接转矩控制方案和近似圆形磁链直接转矩控制方案。 3.4.1 六边形磁链直接转矩控制的原理 如图 3.5 所示，为六边形磁链直接转矩控制系统结构图。由此图可知，定子电压与 电流经过相应的坐标变换后，计算出定子磁链，然后分解得到分量和分量，再进行 两相静止三相静止坐标系变换，将磁链的计算值与给定值进行比较，可以得出相应的开 关量，而转矩滞环调节的输出值决定是否插入了零矢量，从而能够确定出正确的电压状 态信号，更好的控制逆变器的输出电压，最后产生六边形磁链 6 。 （1）六边形磁链的生成与电压空间矢量的选择 如果要形成六边形磁链，需要对六边形磁链进行分析，并且还要对电压矢量对

33、磁链 的作用研究。所以需要对六边形磁链轨迹的定子旋转磁链空间矢量在坐标系a、b 以及c 轴上的投影进行观察， 由此便可以得到三个梯形波， 它们之间的相位相差120。 它们分别被称为定子磁链的 a、b和c分量。 M 2 3 a u b u cu UI 2 3 DMC gg gg g g AZS 1 i + _ + _ s R s R 2 3 a i bi c i i i u u mm+ _ S e e a b c a S b S cS a b c f T g T UCT AMM AMC ATR 2E a SU c SU b SU 图3.5 六边形磁链直接转矩控制原理的基本结构 Us(100) U

34、s(110)Us(010) Us(011) Us(001) Us(101) a bc s1 s2 s3 s4 s5 s6 图 3.6 六边形磁链及坐标系 a、b、c轴 从图 3.6 可看出-坐标系与三相坐标系存在如式3.8 的关系。图 3.7是三个异 步电机磁链分量对应的时序图。 2 1 2 3 2 1 2 3 c b a （3.8） s1s2s3s4s5s6 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 g g a s b s c s a su b su c su a su bsu c su b a c d abc 区段 图3.7 磁链开关信

35、号与电压空间矢量的选择 a异步电机定子磁链的 分量b异步电机磁链的开关信号 c电压开关信号d电压状态信号 图 3.7 中的每个区间 s1s6 分别向 a、b、c三个坐标轴投影，可以得出该区间 内的三个磁链分量，波形如图3.10a，采用三个施密特触发器（见图3.5） ，施密特触发 器的容差是 g，将三个磁链分量和磁链的给定值一一比较，得到相对应的磁链开关 信号，如图 3.7b 区域所示。电磁开关信号 a s、 b s和 c s构成与之相对应的电压开关 信号 a su 、 b su 和 c su 。其关系是： a s= c su b s= a su（3.9） c s= b su 电压开关信号 a

36、su 、 b su 、 c su 反相便直接得到电压状态信号asu、bsu、csu，见图 3.7d。要是没有力矩超出电压开关信号，则逆变器的各相开关状态按公式3.9 所示；若 是有力矩超出电压开关信号，则按照公式3.9 状态给出开关变化最少所对应的零电压信 号。这样便可以很好地控制产生的六边形磁链。 （2）转矩滞环调节 对于直接转矩控制系统而言，如果需要达到较高的动态性能，就要对电机的电磁转 矩进行最直接控制。实现对转矩的调节与控制使用转矩调节器即可完成。转矩调节器的 输入信号是转矩给定值 g T和反馈值 f T比较所得的信号差 T，开关信号 TQ 作为转矩调 解器对应的输出信号，转矩两点式调

37、节器的容差为 m，运用离散的两点式调节方法， 把转矩的波动可以限制在已知所给定值的容差范围之内。当转矩波动处于给定值的容差 范围之内时，开关信号TQ=1，则会输出相对应的空间电压矢量，可以使定子磁链旋转， 同时转矩也将上升。当实际测得的电机输出转矩和给定转矩之差大于允许偏差时，开关 信号 TQ=0，此时输出的空间电压矢量为零，定子磁链不会正常运行，而是停止不工作， 此时的转矩下降。 3.4.2 近似圆形磁链直接转矩控制的基本原理 逆变器 2E M 磁链位置 磁链、转矩 计算 转矩滞环 比较器 查规则表 磁链滞环 比较器 s i s u s s _ + +g f _ g T f T TQ Q N

38、 S cba SSS 图3.8 近似圆形磁链直接转矩基本控制结构 1 2 3 4 56 * * * u6(100) u2(010) u3(011) u1(001) u5(101) u6(110) 图3.9 磁链的圆形区域划分与近似的圆形轨迹 假如三相异步电机的输入信号是三相对称电流，那么电机将会产生近似圆形轨迹的 旋转磁链，对应的电机空间磁链的矢量轨迹为也会近似为圆形。反之，根据第三章叙述 的电压矢量对磁链矢量的影响， 会使电机的磁链矢量绕六个电压矢量的方向走折线并且 会逼近圆形轨迹，如图3.9 所示；如此看来，变频器的各相电流也就可以近似看作是正 弦电流。近似圆形磁链的直接转矩控制结构如上图

39、3.8 所示。 （1）磁链的分区与滞环调节 假如要使定子磁链的运动轨迹达到近似为圆形轨迹的效果，应该第一时间确定出定 子磁链的幅值范围 s ，利用定子磁链的幅值范围可得到两个实线的同心圆，而对 磁链控制的目的就是使定子磁链的轨迹在两个实线同心圆共同确定的范围之内，见图 3.9。将定子磁链的轨迹划分为六个区间，用Sm表示，其中m=1，2，3，4，5，6，如 表 3.2 所示，区域不同，则采用的定子电压向量不同。当定子磁链以正向旋转且处于表 中 S1 区间时，采用 u6(110)和 u2(010) 这两种电压矢量来控制定子磁链的幅值。采用以 上两种电压矢量进行控制的优点是上述两个电压向量中只有一位

40、开关量与其他两位开 关量不相同，因此在切换时只需要改变其中不同的一位开关量的状态，这样做比较简单， 也降低了逆变器的开关频率，而且也会让定子磁链的轨迹近似圆形运动。当定子磁链处 于其他区时，电压矢量的选取方式类似 7 。 表3.2 磁链位置判断规则 要想对定子磁链进行以上控制，首先需要计算出定子磁链的幅值，接着利用滞环控 制器将磁链给定值与计算得出值相互对比，再根据对比结果控制电压向量的切换，其结 构如图 3.9 所示。将定子磁链幅值计算值 s与定子磁链幅值给定值 * s 对比，并将得 到的比较结果)( * ss ， 送入滞环控制器，当时， 滞环控制器输出Q=0， 而当再次到达阀值，且时，控制

41、器保持不变，输出值Q仍为“ 0” ， 只有当到达时，控制器输出Q=1。Q的取值确定之后，按照磁链所在的区间 不同，选择所对应的电压向量相互切换 8 。 0 1 * s + - Q Q s s 图 3.10 定子磁链的滞环调节器 （2）转矩滞环调节与电压开关矢量选择表的建立 m 2 T + - T TQ T 0 1 mm -1 TQ T 图3.11 转矩滞环调节器 此处的转矩滞环调节器采用双滞环调节器，双滞环调节器的输入值为T ，输出为 图中的 TQ，转矩滞环调节器的工作原理如上图3.11，设置滞环宽度为 m，而 TQ 由 T 判断，当 m T时， TQ=-1，当 m T时，TQ=1，当T =0

42、 时，TQ=0。根据以上 判断便可列出直接转矩控制系统的开关状态，如表3.3。 表3.3 异步电动机直接转矩控制结构的开关变换状态 转 向 扇区 QTQ 扇区 1 扇区 2 扇区 3 扇区 4 扇区 5 扇区 6 逆向 （R=1 顺时针） 1Q 1TQ)101( 5 u)010( 4 u)110( 6 u)010( 2 u)110( 3 u)001( 1 u 0TQ)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u 1TQ)110( 6 u)010( 2 u)110( 3 u)001( 1 u)101( 5 u)010( 4 u 0Q

43、1TQ)001( 1 u)101( 5 u)010( 4 u)110( 6 u)010( 2 u)110( 3 u 0TQ)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u 4 基于 MATLAB/SIMULINK的直接转矩控制系统仿真 MATLAB具有很强的矩阵运算和绘图能力，仿真环境简单，已较为广泛的被工业 领域所应用。 在以下的仿真试验中，我们重点使用的是MATLAB/Simulink平台下的基本模块， 并且运用基础模块搭建了仿真所需的自定义模块，同时用到了 SimPowerSystems 子模块， 来进行六边形与近似圆形磁链直接

44、转矩控制系统的建模以及仿真。 4.1 六边形磁链的直接转矩控制系统建模与仿真 4.1.1 主要子模块建模 （1）3/2 变换模块 2 beat 1 alf Subtract1 Subtract Product3 Product2 Product1 Product sqrt Math Function3 sqrt Math Function2 sqrt Math Function1 sqrt Math Function 0.5 Gain1 0.5 Gain 2/3 Constant4 3/4 Constant3 3/4 Constant2 0 Constant1 2/3 Constant 1 a

45、bc 图 4.1 3/2 变换模块 3/2 转换矩阵如公式 4.1。并由此，完成了3/2 模型的搭建，如图4.1 所示。 1TQ )010(2u )110( 3 u )001(1u )101( 5 u )010(4u )110( 6 u 正向 （R=0 逆时针） 1Q 1TQ)110( 6 u)010( 2 u)110( 3 u)001( 1 u)101( 5 u)010( 4 u 0TQ)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u 1TQ)101( 5 u)010( 4 u)110( 6 u)010( 2 u)110( 3 u)

46、001( 1 u 0Q 1TQ)010( 2 u)110(3u)001( 1 u)101(5u)010( 4 u)110(6u 0TQ)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u)000( 0 u)111( 7 u 1TQ)001( 1 u)101( 5 u)010( 4 u)110( 6 u)010( 2 u)110( 3 u C B A i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 i i 3 2 （4.1） （2）定子磁链计算模块 定子磁链模块采用u-i 模型。利用定子的磁链计算公式dtRtitu ssss )()(，可 搭建模型，如图 4.2。 2 m

47、ag_s_beat 1 mag_s_alf Subtract1 Subtract -C- Rs Product1 Product 1 s Integrator1 1 s Integrator 4 i_s_beat 3 i_s_alf 2 u_s_beat 1 u_s_alf 图 4.2 定子磁链计算子模块 （3）理想逆变器模型的建立 根据第三章搭建的逆变器数学模型，可以建立理想逆变器的子模块， 如图 4.3 所示。 1 Uabc Product2 Product1 Matrix Multiply Product 100 Ed 1/3 Constant7 3x3 Constant3 1 Sabc

48、 图 4.3 理想逆变器模型 4.1.2 六边形磁链直接转矩控制系统的系统仿真 MATLAB/Simulink中搭建的六边形磁链直接转矩控制系统的仿真模型参见附录A。 系统参数设置如下：电动机类型选择鼠笼式异步电动机，额定功率参数设定为7.5kW， 额定转速参数设定为为1440r/min，额定频率参数设置为50HZ；逆变器直流电源E 取 100V。转矩容差设为 0.5Nm。设定转矩为 10Nm。仿真时间设置为0.25s。 仿真结果如下： 00.050.10.150.20.25 -20 -10 0 10 20 30 40 50 时间（ s） 电 流 （ A ） 图 4.4 a 相电流 -0.8-

49、0.6-0.4-0.200.20.40.60.8 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 )(Wb s 分量的 ) ( W b s 分 量 的 图 4.5 定子磁链轨迹 电 压 （ V ） 时间（ s） 00.050.10.150.20.25 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 图 4.6 定子 a 相电压 时间（ s） 电 磁 转 矩 T e ( N m ） 00.050.10.150.20.25 0 2 4 6 8 10 12 图 4.7 电磁转矩 00.050.10.150.20.25 -100 0 100 200 300 400 500 600 时间（ s） 转 速 （ r / m in ） 图 4.8 电机转速 可见，在电机转速很低时，计算误差较大，造成磁链轨迹畸变得比较厉害。随着转 速的提升，会使磁链的畸变逐渐减小，慢慢形成正六边形运行轨迹。电机定子a相电流 在启动时较大，随着转速的逐渐上升，电流也逐步接近正弦。当电磁转矩在0.01s时， 到达指定转矩 10Nm，实现了转矩的快速响应。 4.2 近似圆形磁链直接转矩控制系统的建模与仿真 4.2.1 主要子模块的建模 （1）转矩双