三相异步电机直接转矩控制系统研究

武汉大学珞珈学院本科毕业论文0保密类别 编 号 武汉大学珞珈学院毕 业 论 文异步电机直接转矩控制系统的研究系 别 电气工程与自动化 专 业 电气工程与自动化 年 级 2012 级电气四班学 号 20120801155姓 名 颜东明 指导教师 应黎明 武汉大学珞珈学院武汉大学珞珈学院本科毕业论文1摘 要直接转矩控制技术简称为 DTC，是继矢量控制技术之后，发展起来的另一种新型的，高动态性能变频调速技术。具有控制结构较简单、转矩响应快并且易实现全数字化等特点。但由于其转矩脉动较大，启动电流过大等不足，阻碍了其发展跟应用。为此，本文针对感应电机直接转矩控制系统的性能展开相应的理论跟实验研究，主要研究内容如下：（1）建立三相异步电机的数学模型，通过变换矩阵得到电机在二相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。（2）阐述三相异步电机的直接转矩控制原理，利用 Matlab/Simulink 仿真软件，设计出直接转矩控制模型。（3）对直接转矩控制进行的系统的分析，包括系统的静态特性和动态特性。 关键词：感应电机 ；直接转矩控制；Matlab/Simulink 仿真Study of the induction motor direct torque control systemABSTRACTAbbreviation for DTC direct torque control technology, which is after the vector control technology, developed a kind of new,High dynamic performance of frequency control technology. Have control structure is simple, fast torque response and easy to realize the fully digital, etc.But due to the large torque ripple, the start current is too large, such as insufficient, hinder its development and application. Therefore, in this paper should be motor direct torque control system about the performance of the corresponding theory and experimental research, the main research content is as follows:(1) to establish the mathematical model of three-phase asynchronous motor, the motor is obtained by transformation matrix under the second phase stationary and two phase rotating coordinate system mathematical model.(2) in this paper, the three-phase asynchronous motor direct torque control principle, using Matlab/Simulink simulation software, design the model of the direct torque control.(3) the analysis of direct torque control system, including the static 武汉大学珞珈学院本科毕业论文2characteristic and dynamic characteristic of the system.目 录第一章 绪论1.11.2 之间转矩控制技术发展状况以及研究1.2.1 直接转矩控制技术的发展1.2.2 直接转矩控制（DTC）1.2.3 直接转矩额定特点1.2.4 直接转矩控制技术热门研究1.2.5 定子电阻辨识和磁链补偿1.2.6 低速转矩脉动大和开关频率不固定的研究第 2 章 感应电机数学模型及其原理2.1 异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型2.1.1 变换关系2.1.2 变换过程2.1.3 转矩和运动方程2.1.4 异步电机在 上地数学，2.1.5 异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型2.1.6 两相静止坐标系下的异步电动机方程第 3 章 传统直接转矩控制的仿真3.1 异步电动机数学仿真模型的建立3.2 六边形磁链轨迹直接转矩控制系统仿真3.2.1 仿真模块的建立3.2.2 开环仿真3.2.3 闭环仿真3.3.1 仿真模块的建立3.3.2 仿真结果与分析3.4 全速范围内直接转矩控制系统仿真研究3.4.2 仿真结果结论后记参考文献第 1章 绪论武汉大学珞珈学院本科毕业论文3随着现代化的工厂、企业的自动化，微电子技术以及集成化程度的逐步上升，高速微处理器的应用日益普及。目前电气传动设备能够实现良好的速度控制精度和高稳态精度等比较优秀的性能。电气传动往大多都已以电动机作为它的控制对象，采用电力电子功率变换装置来做为它的执行部分，以此来作为自动控制系统。因此交流伺服系统所拥有的市场相当的广阔，而且其研究也具有非凡的意义，相信不久之后，它将在现代工业上崭露头角，广泛应用。变频调速系统是工业自动化必不可少的基础技术。感应电机其价格低、高性高、容量大的特点，使其在工业，企业中都具有相当广阔的发展空间。感应电机不仅在变频调速系统中应用非常广泛，而且在伺服运用控制系统中也占相当大的比例。 1.1 直接转矩控制技术发展状况以及研究1.1.1 直接转矩控制技术的发展20 世纪 80 年代之前，由于直流电机调速性能非常优异，控制起来也很简单、所以直流电机调速在调速领域长期坐拥着主导地位。但是由于直流电机上存在电刷和机械换向器等一些硬件结构，导致其在转动惯量、单机容量等多方面受到了一定的程度的限制，使它不能满足向大型化，可靠性、快速性等方面提高的目的，严重的限制了它的应用范围。与直流电机相对比，交流电机就拥有了很多非常明显的优点。比如它的结构简单、制造成本很低、运行比较可靠和能够在恶劣工况下工作，在一定的工业领域同时也拥有相应的广泛应用。但是异步电机本身是高阶、强藕合、非线性、多变量的一种复杂系统，想要实现其控制则有一定的难度。异步电机的控制技术中，具有一定代表性的有两种：矢量控制技术跟直接转矩控制技术。它们的控制性能比较优越，特别是直接转矩控制技术，由于它简单高效，因此在现代的交流电气传动领域中拥有了一席之地。1.1.2 直接转矩控制(DTC)由于矢量控制在实践上存在不足之处，1985 年德国鲁尔大学 DePenbrock 教授发现直接控制异步电动机的电磁转矩和电机定子磁链，而删去电流闭环环节将能得到更好的动态性能。特别是在大功率机车中，若定子磁链控制成六边形，则能减少功率管的切换次数，大大改善了电力电子器件的发热性能。这种控制方法称为直接自控制(DirectSelf Control, DSC)。定子磁链六边形方案虽然控制简单，但它使电机的电磁转矩脉动加大。在大功率的牵引机车中，由于有很大的惯性，这中转矩脉动能被大惯量滤去，转速不会出现明显波动。但是在中小功率系统中，这种转矩脉动会使转速武汉大学珞珈学院本科毕业论文4波动到不允许的地步，因此希望定子磁链控制成圆形而不是六边形。于是，1986 年日本 LTakahashi 教授提出了定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制方案。定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制常称为 DTC(Direct Torque Control，直接转矩控制)。不同于矢量控制，直接转矩控制克服了矢量控制中计算复杂、受电动机参数的影响、实际性能不佳等缺点。因此，直接转矩一诞生，便受到了普遍的关注，并得到了迅速的发展1.1.3 直接转矩的特点直接转矩控制的变频调速系统，可以使电机的磁场接近于圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机要小得多。直接转矩控制系统具有如下特点:(1)直接转矩控制直接在定子坐标系下来分析交流电动机的模型，直接控制电动机的磁链和转矩。省去了复杂的坐标变换和计算，信号处理工作比较简单。(2)采用定子磁链定向，只需知道定子电阻便可以观测出定子磁链。而矢量控制采用转子磁链定向，磁链的观测需要依据数值会发生变化的转子侧电阻。所以直接转矩控制减少了矢量控制中对电动机转子电阻的依赖性。(3)直接转矩控制引入了空间矢量的概念，使得交流电动机数学模型的分析过程变得简单明了。(4)直接转矩控制不是通过控制电流、磁链来间接控制转矩的，而是直接将转矩作为控制量，因此控制效果不取决于电动机的数学模型是否得到简化，而是取决于转矩的实际情况，1.2.2 直接转矩的基本思想直接转矩控制将电动机与逆变器视为一个整体，通过空间矢量和定子磁链定向的分析方法，在定子坐标下观察分析电机的数学模型，直接计算与控制电机的转矩，借助于离散的两点式调节器(Band-Band 控制 ，12比较检测转矩值和指令转矩值的大小，产生 PWM 脉宽调制信号，对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而获得较高的动态该控制即直接又简单。性能。它省略了矢量变换方式的坐标变换及电动机数学模型的简化过程，控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调。因此它是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的 Bang-Bang 控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速下开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大等问题，限制了直接转矩控制在低速区的应用。直接转矩控制控制技术简称 DTC，是新型的，具有高性能的交流调速技术。它是继矢量控制技术发展起来的。它通过利用定子磁场定向、空间矢量的分析，在定子交武汉大学珞珈学院本科毕业论文5流直流坐标系下，直接分析电机的数学模型，计算出定子磁链跟转矩值，把转矩的命令值和估算值，磁链指令值和估算值进行差值比较，限制输出转矩跟定子磁链的波动在允许的误差范围内。与矢量控制技术不同，直接转矩控制技术有着其自身的相关特点。1985 年，直接转矩控制理论由德国鲁尔大 DePenbrock 教授第一次提出。过了两年，就把它推广到了弱磁调速范围。直接转矩控制理论的提出很快就受到了众多学者的普遍关注。在不同的年代，调速技术也得到了一些较快发展:070 年代：以控制直流电机与晶闸管(SCR)直流供电作为调速执行部件，直流调速系统占据了一定的主导地位。 80 年代： 伴随着电子器件 GTR、GTO 等的发展，以 VVVF 为基本控制方式，交流异步电动变频调速开始其发展路程。 90 年代: 电力电子器件 IGBT，IGCT 等数字化技术得到了利用和开发，其中特别是矢量控制技术的发展，让变频器的应用发展达到了质的飞跃。 2000 年：随着能源及环保问题的提出，节能成为异步电机的研究主题。其中，中大容量永磁式电机开发跟其价格比与性能控制都受到特别的关注。 2010 年：环保型变频器的开发跟应用，变频器需要适用于新能源的使用。并且要求交流电机具备一定的高效率。 直接转矩控制是基于电机定子磁链变量，直接控制转矩的一种非线性控制方式，并被看作与 FOC 并列的控制策略。DTC 摒弃了解藕的思想，取消掉了旋转坐标变换，只检测电机的定子电流、电压，定子磁链以及转矩的计算则根据瞬时空间矢量理论来进行，最后把它们的值于它们各自的给定值相互比较之后来获得相应差值，从而实现了磁链、转矩的相关控制。表 1.1 是两种控制方案的性能与特点比较。表 1.1特点、性能 矢量控制 直接转矩控制磁链控制 转子磁链 定子磁链闭环控制转矩控制。 连续控制，比较平滑 Bang-bang 控制，有转矩脉动武汉大学珞珈学院本科毕业论文6坐标变换 旋转坐标变换，较复杂 静止坐标变换，较简单 转子参数变化影响 有 电流模型估计磁链时有调速范围 宽 逐步改进式转矩动态响应 不够快 比较快从上所述来看，直接转矩控制技术表现出的特征是：控制定子磁链，在定子静止坐标系下，通过空间矢量的概念，通过检测定子电压、电流得出相应的电磁转矩、磁链，PWM 信号则由离散滞环调节器来得到，实现直接对逆变器开关状态的最佳控制，以此来实现转矩的高性能控制。同矢量控制比较，它省去了电机数学模型的相应处理与矢量变换的复杂度。 虽然直接转矩控制具有众多的优点，但由于其还是一种新技术，在理论上的不够完善和控结构上的缺陷使本身存在许多不足之处。如低速时转矩脉动比较严重；定子电阻的变化会引起磁链畸变和电流的脉动；使用零矢量引起开关频率低；速度传感器影响其系统的稳定性等问题，限制了其控制性能，这些存在的问题阻碍了其进一步的发展与应用。因此怎样才能行之有效的解决这些问题已经成为了目前的热门研究。 1.2.4 直接转矩控制技术热门研究经过一系列良好的发展，控制技术其各方面的性能都得到了较大的提升，并且已经进入到了实际应用阶段，目前国外己成功的将该技术应用于大功率高速电力机车的主传动系统当中。德国和日本在这方面的研究也居于遥遥领先的地位。直接转矩转矩动态响应快、想法新颖、对参数依赖性不高并且结构简单等优点，但是因其建立在单一的矢量控制、磁链和转矩的滞环控制基础之上，难以避免的产生了低速转矩脉动大、速度传感器昂贵还影响其控制性能等方面的缺陷，为此，该控制技术成为了当武汉大学珞珈学院本科毕业论文7今社会研究探索的热点。下面介绍了直接转矩控制技术目前的几个热点研究： 1.2.5 定子电阻辨识和磁链补偿 直接转矩控制技术中还存在许多的难解之题，特别是在定子电阻的辨识问题，己经阻碍了它的进一步发展，各国学者都为之困扰。定子电阻的参数在定子磁链观测和电机转速辨识等方面尤为重要，特别在低速状态下的准确辨识会直接影响磁链观测和转速辨识的精度，受电机运行温度、集肤效应和电压频率等多方面因素影响，定子电阻具有时变性、非线性等特点。定子电阻的变化会带来相应的很多问题，尤其是定子磁链跟电流的畸变，已经达到了十分严重的程度。要能够辨识的了定子电阻，则能够从本质上消除电流与定子磁链方面的变形，随之的问题就可以得到很好的解决。但实践表明，从电机自身为出发点来改善直接转矩控制技术是不可能的了，必须要再想良方。各国研究者地把现代控制技术越来越多的应用于交流电机的调速系统当中。直接转矩控制技术作为一种新兴的先进技术，需各种相关的辅助技术来作为其技术支撑，各种新技术的应用推广也给直接转矩控制技术带来了新的动力，使得它得到不断的完善与发展。最近，人工神经网络已经开始应用在直接转矩控制的定子电阻辨识当中了，这是一个很好的开端。将现代控制理论应用到直接转矩控制技术研究之中，绝对是当代学者们值得深入研究1.2.6 低速转矩脉动大和开关频率不固定的研究 直接转矩控制中，由于转矩和磁链的控制建立在两个滞环比较器的基础上，两点式控制通过滞环比较器的容差范围设定来控制，由于离散电压矢量所能够提供的数量有限，因此肯定会产生转矩脉动。与此同时，因为使用了过多的零矢量在低速控制时，因此致使逆变器开关频率不能够保持固定，再加上滞环比较器，因此产生了一定的电流谐波进而影响了它的控制性能。为改善直接转矩控制低速转矩脉动大