基于SVPWM的异步电机变频调速系统的研究.doc

江苏大学京江学院毕业设计基于SVPWM的异步电机变频调速系统的研究专业班级：J电气1001 学生姓名：王荀 指导老师：乔薇 职称：摘要: 关键词:矢量控制; 变频调速; MATLAB; SVPWMResearch on Variable Frequency Speed Regulating System of Asynchronous Motor Based on SVPWMAbstract: In recent years, with the development of power electronics,micro-processor of motor control and the new theory of motor control, the control technology of asynchronous motor is highly promoted. Asynchronous motor has simple structure, low cost, comparable to DC motor control performance when using the vector control technology. Moreover, vector control of asynchronous motor has higher precision wider peed-regulating range and faster response. After in-depth study on the principle of asynchronous motor vector control system based on Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM).Vector Control System(VC) is one of the advanced theories,which is based on motor unification Principle,energy conversion and vector coordinate transformation theory.It has many advantages such as novelty, practicability and advancement.By transforming the model of AC motor to DC motor, the stator current is decomposed into two DC parts which are orientated towards the rotor magnetic field and controlled respectively.Thus the magnetic flux and torque are decoupled.In which way,It controls the asynchronous motor in a synchronous way.This thesis introduces the correlative information of variable frequency speed regulating, vector control system of asynchronous motor,and expatiates Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM).By using MATLAB dynamic simulation software,through the principle of the vector control system,get the structure model of variable frequency speed regulating system of asynchronous motor based on SVPWM,given all the detailed subschema and plan all the data,using the algorithm for SVPWM,the simulated model of variable frequency speed regulating system fed by SVPWM inverter is set up for asynchronous machine.Through the simulated model,get the result and analyzed it in detail.Key Words: Vector Control; Variable Frequency Speed Regulating;MATLAB;Space Vector Pulse Width Modulation目录第1章绪论11.1 交流电动机的发展概况11.2交流调速系统的特点11.3交流调速系统的发展历史21.4电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术31.4.1电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的原理31.4.2传统的正弦脉宽调制(SPWM)技术31.4.3电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展41.5本章小结4第二章 电压空间矢量脉宽调制技术52.1 SVPWM的主要思想52.2电压空间矢量62.2.1电压空间矢量的原理62.2.2 空间矢量的定义72.3 SVPWM的实现方式132.3.1 零矢量集中的实现方式132.3.2 零矢量分散的实现方法142.4 SVPWM控制的定子磁链152.4 SVPWM 控制模式的特点19第三章 直接转矩控制技术203.1直接转矩控制系统的特点与存在的问题203.1.1 直接转矩控制系统的特点203.1.2 直接转矩控制系统存在的问题213.2基于SVPWM的直接转矩控制系统213.2.1SVPWM控制直接转矩系统的原理213.2.3 PI 转矩控制233.2.4 参考电压的计算243.2.5 坐标变换243.3基于SVPWM 的直接转矩控制系统结构25第四章 仿真建模以及结果分析274.1Matlab/Simulink仿真工具箱的简介274.2异步电机直接转矩控制的仿真284.2.1 坐标变换模块294.2.2 磁链和转矩观测模块304.3 SVPWM模块304.3.1 电压矢量所处扇区判断模块304.3.2 扇区基本电压矢量工作时间计算模块314.3.3 开关时间切换模块324.3.4 PWM波生成模块图334.3.5 SVPWM模块图344.4 基于SVPWM 的直接转矩控制系统仿真354.4.1直接转矩控制系统仿真模型354.4.2直接转矩控制系统仿真结果35结论37致谢38参考文献385第1章绪论随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，以电动机速度控制为中心的电动机控制系统已经得到了广泛应用。在各个工业部门及日常生活中，电动机控制系统展示了高效率的驱动性能，良好的控制特性。1.1 交流电动机的发展概况电机作为主要传动装置在现代社会生活中的作用极其重要，电机传动又分为直流传动和交流传动。在20世纪上半叶前，因为直流传动具有优越的调速性能，高性能的传动基本都使用直流调速。尽管直流调速具有优越的性能，但是因为直流电机本身存在着明显问题。所以，当时80 %以上的不变速传动系统却都采用交流电机。与直流电机相比，交流电机具有无须换向，避免电刷换向火花造成的使用范围受限以及安装维修频繁等种种优势。这些促使人们把眼光转向交流电机。交流电机具有成本低、安装环境要求低、结构简单，适于易燃、易爆、多尘的场所。特别是在大容量、高转速应用领域，备受人们青睐。但是交流调速系统直到近几年才开始取代直流调速的统治地位。交流电机在1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动领域。21世纪30年代起，不少国家才开始提出各种交流电机调速的原始方案，晶闸管元件的出现使交流电机调速的发展出现了一个飞跃，使得采用半导体交流技术的交流调速得以实现。国际上在60年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70年代就开始实现了产品的高压、大容量、小型化，且已经逐渐代替大部分传统的直流电动机领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有电刷和换向器，结构简单，坚固而寿命长。近年来大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机技术的发展，加上交流电机本身的优越性，为交流调速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及可以四象限运行等优异性能，它的静态、动态特性都可以与直流电机拖动系统相媲美。1.2交流调速系统的特点交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下的特点：（1） 容量大。这是由电动机本身的容量决定的。直流电动机的单机容量一般能达到1214MW，而交流电动机容量却可以远远高于这个值。（2） 转速高且耐高压。直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到1000多伏，而交流电动机容量容易达到610KV甚至更高。一般直流电动机最高转速只能达到3000r/min左右，而交流电动机则可高达每分钟几万转，这使得交流电动机的调速系统具有耐高压、转速高的特点。（3） 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且交流电动机构造简单、坚固耐用、经济可靠、惯性小，成了交流调速系统的一大特点。（4） 交流电动机特别是笼型异步电机的调速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受很多环境限制。而交流电动机却可以在十分恶劣的环境下不知损坏。（5） 由于高性能、高精度新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达到与同直流拖动系统一样的性能指标。（6） 交流调速装置能显著的节能。1.3交流调速系统的发展历史交流调速系统已从中小容量等级发展到大容量、特大容量等级。交流调速系统的性能指标问题已经被解决了，这填补了直流调速系统在特大容量调速时的空白。交流调速系统具有高的可靠性和长期连续运行能力，从而满足有些场合长期不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。交流调速系统已经实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点又使整个控制系统得到更好的动态性能。交流调速系统已经从发直流电机的补充手段发展到能与直流电机媲美，并将逐渐取代直流电机。我国在变频调速和矢量控制领域的研究相对较晚,1982年湖南大学卢骥教授发表一些相关的学术论文和1983年四川大学刘竞成教授发表一些相关的学术论文。1990年后,国内掀起了研究热潮,主要对无速度传感器的矢量控制、电机参数识别与跟踪等相关领域进行深入研究,但是实际工程应用较少,在矢量控制在大功率场合中应用领域的研究则很少，主要是仿真方面的研究工作。研制新型的开关元件和储能元件。80年代以来，各种具有自关能力的全控型、高速型功率开关器件相继研制成功，使得交流调速跨入了电力电子技术的新时代。引入新的控制思想、理论和技术，改善交流调速系统的性能。进一步改进现有交流调速装置的可能性，彻底解决瞬时停电后的装置安全及恢复正常工作问题。推广微型计算机在交流调速系统中的应用，充分体现现代控制手段的优越性。研制大容量、特大容量调速系统理想的新型交流电动机。1.4电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术1.4.1电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的原理电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是目前比较理想的调制方式，它从电机的角度出发，以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生理想的磁链圆为基准，通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆来产生。1.4.2传统的正弦脉宽调制(SPWM)技术传统的正弦脉宽调制(SPWM)技术是从电源的角度出发的,其着眼点是如何生成一个可以调频调压的三相对称正弦波电源。常规SPWM法已被广泛地应用于逆变器中,然而常规SPWM不能充分利用馈电给逆变器的直流电压,逆变器最大相电压基波幅值与逆变器直流电压比值为1/2,即逆变器输出相电压峰值最大为0.5Ud(Ud为逆变器的直流电压),直流利用率低。John采用谐波失真的方法来增加三相PWM逆变器的输出电压,可以使PWM逆变器最大相电压基波幅值增加约巧%,但该方法的效果并不理想,因此它的实际应用受到很大的限制。并且SPWM逆变器是基于调节脉冲宽度和间隔来实现接近于正弦波的输出电流,这种调节会产生某些高次谐波分量,引起电机发热,转矩脉动过大甚至会造起系统振荡。一些学者在此基础上提出了选择谐波消除法和梯形脉宽调制法(TPWM),但指定谐波消除法运算量大,且占用相当大的内存,实现起来比较困难;TPWM逆变器输出波形中谐波分量比SPWM逆变器还多,结果并不理想。而且,传统的高频三角波与调制波比较生成PWM波的方式适合模拟电路,不适应于现代化电力电子技术数字化的发展趋势。因此,常规SPWM法不能适应高性能全数字控制的交流伺服驱动系统的发展趋势。80年代中期,德国学者在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想,又在基础上进一步产生了电压空间矢量脉宽调制的概念。SVPWM,又称磁链追踪型PWM法,它是从电动机的角度出发,其着眼点是如何使电机获得圆磁场。具体地说,它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想磁链圆为基准,由三相逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆,在追踪的过程中,逆变器的开关模式作适当的切换,从而形成PWM波。1.4.3电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展SVPWM法最早是被应用于交流变频调速系统中,采用SVPWM模式的交流变频调速系统较之采用常规SPWM模式的交流调速系统,不仅电机转矩脉动减小了,馈电给逆变器的直流电压利用率提高了;同时定子相电流更接近于正弦波,谐波更少,且采用SVPWM模式的交流变频调速系统其动态性能非常优良。目前SVPWM法广泛应用在有源滤波器中,它把三相变流器作为一个整体来控制,很好地协调了PWM主电路各相间的相互作用。这种控制策略可有效地跟踪指令电流,抑制了负载谐波,显著减小了电源侧电流的电流总畸变率,是一种有效的电流跟踪控制方案。SVPWM法应用于整流控制系统中,系统具有良好的动态性能,易于数字化实现,既能实现高功率因数,又能使能量双向流动。其最突出的优势是直流利用率较之常规的SPWM控制方法提高了约15.47%,而且,不同的调制方法将使开关损耗得到不同程度的减小。正是基于上述优点,空间矢量PWM法越来越广泛地应用于整流控制系统中。1.5 本文主要内容第1章 绪论，首先介绍了交流电动机的发展概况、交流调速系统的特点、交流调速系统的发展历史和空间矢量脉宽调制技术。重点比较了传统的正弦脉宽调制(SPWM)技术与电压空间矢量脉宽调制技术的差距，从而凸显出来电压空间矢量脉宽调制技术的优点。第2章 ，主要介绍了电压空间矢量脉宽调制技术。点出了SVPWM的主要思想和SVPWM技术的实现方式和特点。第3章 ，主要介绍了基于SVPWM的直接转矩控制系统。重点介绍了SVPWM技术是如何实现直接转矩系统的控制的。第四章，给出了基于SVPWM技术的直接转矩控制系统的仿真和仿真结果。构建出各个功能实现的子模块,并设计了各个子模块的参数,得到基于SVPWM的异步电机变频调速仿真模型,进行了仿真实验,得出实验结果。第二章 电压空间矢量脉宽调制技术2.1 SVPWM的主要思想SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来（同一个桥臂的上下半桥的信号相反）共有8种安全的开关状态. 其中000、111（这里是表示三个上桥臂的开关状态）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流。因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度内的任何矢量。当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这两个基本矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。用电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量。从而保证生成电压波形近似于正弦波。在变频电机驱动时，矢量方向是连续变化的，因此我们需要不断的计算矢量作用时间。为了计算机处理的方便，在合成时一般是定时去计算。这样我们只要算出两个基本矢量作用的时间就可以了。由于计算出的两个时间的总合可能并不是规定的，而那剩下的时间就按情况插入合适零矢量。 由于在这样的处量时，合成的驱动波形和PWM很类似。因此我们还叫它PWM，又因这种PWM是基于电压空间矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。2.2电压空间矢量2.2.1电压空间矢量的原理电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系,如图2.1。图2.1 电压空间矢量这是一个特殊的坐标系,A、B、C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线,它们在空间互差,三相定子相电压、分别加在三相绕组上,可以定义三个电压空间矢量、,它们的方向始终在各相的轴线上,而大小则随时间按正弦规律做变化,时间相位互差。假设为相电压有效值,为电源频率,则有: （2-1）假设单位方向矢量， 则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量就可以表示为: （2-2）可见是一个旋转的空间矢量,它的幅值不变,为相电压峰值;当频率不变时,以电源角频率为角速度做恒速同步旋转,合成电压矢量就落在相电压为最大值相的轴线上。定子电压方程： （2-3）当转速正常时,定子电阻的压降相对很小,式(2-3)可以简化： （2-4）或： （2-5）这表明电压空间矢量的方向与磁链的运动方向一致。在变频调速系统中,逆变器为电动机提供的是经过调制的PWM电压.图2.2是三相电压源型逆变器示意图,由六个功率开关器件组成图2.2 三相PWM逆变器.异步电机原理图SVPWM的理论基础是平均值等效原理,即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。相邻两非零矢量和零矢量在时间上的不同组合,可以得到该扇区内的一组等幅不同相的空间电压矢量U。三个矢量的作用时间可以一次施加,也可以在一个采样周期内分多次施加,这样更有利于消除电机转矩脉动。通过控制各个电压矢量的作用时间,使空间电压矢量接近圆轨迹旋转,就可以便电机磁通也逼近圆轨迹。2.2.2 空间矢量的定义交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在图2.3中，、分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差，三相定子相电压、分别加在三相绕组上。可以定义三个定子电压空间矢量、,如图2.3所示。当时，与轴同向，时，与反向，、两相也同样如此。 （2-6）其中，为待定系数。图2.3 电压空间矢量的合成三相合成矢量 (2-7)图2.3为 某一时刻、时的合成矢量。与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量和分别为： (2-8) （2-9）根据公式（2-8）和公式（2-9）可得到空间矢量功率表达式为： (2-10)因为和是一对共轭矢量，、，所以-三相瞬时功率，。 按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则，应使，即。空间矢量表达式为： (2-11) (2-12) （2-13）当定子相电压、为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量 （2-14）是一个以电源角频率为角速度做恒速旋转的空间矢量，它的幅值是相电压幅值的倍，当某一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量和的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间做恒速旋转。2.2.3电压空间矢量的合成由于变换器实际所能产生的矢量有限,不可能输出角度连续变化的空间矢量。为获得旋转的电压空间矢量,只有利用各矢量的作用时间的不同来等效合成所需要的矢量。在一个正弦周期内所产生的合成矢量越多,意味着开关频率越高。按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWM(SVPWM)的基本思想。如图2.4所示，按六个有效工作矢量将电压空间矢量分为对称的六个扇区，每个扇区对应，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的两个有效工作矢量等效的合成期望输出矢量。所谓等效是指在一个开关周期内，产生的定子磁链的增量近似相等。图2.4 电压空间矢量的六个扇区以第一扇区为例，如图2.5所示，基本电压空间矢量和线性组合成电压矢量，为期望输出电压矢量与扇区起始边的夹角。在一个开关周期中，的作用时间为，的作用时间为，按矢量合成法则可得： （2-15）由正弦定理可得： （2-16）所以： （2-17） （2-18） 图2.5期望输出电压矢量的合成一般来说：,其余的时间可以用零矢量或来填补，零矢量的作用时间为： （2-19）两个基本矢量作用时间之和应满足 （2-20）根据式（2-20），当时，最大，输出电压矢量最大幅值为： （2-21）当定子相电压、为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值是相电压幅值的倍，所以基波相电压最大幅值： （2-22）基波线电压最大幅值为： （2-23）SPWM的基波线电压最大幅值为 （2-24）因此，SVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比SPWM逆变器输出电压最多提高了15%。由于扇区的对称性，以上的分析可以推广到其他扇区。2.3 SVPWM的实现方式由期望输出电压矢量的幅值及位置可确定相邻的两个基本电压矢量以及它们作用时间的长短，并由此得出零矢量的作用的大小，但尚确定它们的作用顺序。这就给SVPWM的实现留下了很大余地，通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波形对称，以减少谐波分量。2.3.1 零矢量集中的实现方式按照对称原则，将两个基本电压矢量、的作用、平分为二后，安放在开关周期的首端和末端，把零矢量的作用时间放在开关周期德尔中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。零矢量集中的SVPWM的实现：图5的作用顺序为、，在中间选用零矢量。图2.6 零矢量集中的SVPWM实现由图2.5可知，在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，始终为“1”或“0”，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而开关次数少，开关损耗小。用于电机控制的DSP集成了SVPWM方法，能根据基本矢量的作用顺序和时间，按照开关损耗最小原则，自动选取零矢量，并确定零矢量的作用时间，大大减少了软件的工作量。2.3.2 零矢量分散的实现方法将零矢量平均分为四分，在开关周期的首、尾各放一份，在中间放两份，将两个基本电压矢量、的作用、平分为二后，插在零矢量间，按开关损耗较小的原则，首、尾的零矢量取，中间的零矢量取。SVPWM的顺序和作用时间为：、，如图2.6所示： 图2.6 零矢量分布的SVPWM实现这种实现方式的特点是：每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，但是一个开关周期内，三相状态均各变化，开关损耗大于零矢量集中的方法。2.4 SVPWM控制的定子磁链将占据的定子磁链矢量轨迹等分为个小区间，每个小区间所占的时间为,则定子磁链矢量轨迹为正6N边形，与正六边形的磁链轨迹相比较，正6N边形轨迹更接近圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。图2.7是时期望的定子磁链矢量轨迹在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为,由于不是基本电压矢量,必须用两个基本矢量合成。图中在定子磁链矢量顶端有六个工作电压空间矢量，可以看出，施加不同的电压矢量将产生不同的磁链增量，由于六个电压矢量的方向不同，不同的电压作用后产生的磁链变化也不一样。 图2.7 N=4时期望的定子磁链矢量轨迹由图2.7可以看出，当，为了产生，可以用和合成： （2-25）则定子磁链矢量的增量为 （2-26）采用零矢量分布的实现方法，按开关损耗较小的原则，各基本矢量作用的顺序和时间为：、。磁链矢量的运动轨迹分7步完成： （2-27）由式（2-27）可知，当时，定子磁链矢量停留在原地，时，定子磁链矢量沿着电压矢量的方向，如图2.8所示。对于的分析方法与相同，对于和，需用和合成。图2.9是在弧度内实际的定子磁链矢量轨迹。图2.8 定子磁链矢量的运动的7步轨迹图2.9 N=4时实际的定子磁链矢量轨迹当磁链矢量位于其他的区域内时，可用不同的基本矢量合成期望的电压矢量。实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链元周五波动。N越大，越小，磁链轨迹越接近于院，但开关频率随之变大。由于N是有限的，所以磁链轨迹只能近似圆。如图2.10 所示。图 2.9 定子磁链矢量轨迹2.4 SVPWM 控制模式的特点（1） 逆变器共有八个基本输出矢量，有六个有效工作矢量和两个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁链，谐波分量大，将导致转矩脉动。（2） 用相邻的两个有效工作矢量，可合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期T0越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率越高。（3）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。第三章 直接转矩控制技术直接转矩控制的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。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。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。把逆变器、电机当作一个整体对象来加以控制就是直接转矩控制,逆变器的各种开关组态切换的基础是电机的电磁过程。该方法通过估算定子磁链进行,因为定子磁链只涉及定子电阻,所以可以大大减少对电机参数的依赖性。3.1直接转矩控制系统的特点与存在的问题3.1.1 直接转矩控制系统的特点（1）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。（2）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。（3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。直接转矩控制系统采用和双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取输出电压矢量，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。3.1.2 直接转矩控制系统存在的问题（1） 缺少电流闭环,从而给电流饱和控制、保护带来不便;（2） 这种估算定子磁链的方法一般都是纯积分或者LPF运算,当异步电机的同步转速非常低时,因确切磁链值的估算非常困难直接导致这种方法在低速运行时性能比较差。（3） 此策略下系统运行时一般伴有大的噪音和转矩脉动。3.2基于SVPWM的直接转矩控制系统3.2.1SVPWM控制直接转矩系统的原理异步电机是由三相正弦电压供电，这三相正弦电压相位相差 。由其合成定子磁链幅值是恒定的。用来表示电源角频率，则定子磁链为： （3-1) 由前面的异步电机电压方程式可得，定子电压方程： (3-2)电机转速不是很低的情况下，则由定子电阻产生的压降可以忽略，即得 (3-3)由式(3-3)可看出电压相位与定子磁链相位相差，即沿着定子磁链的切线方向。当电机中的磁链在空间旋转一周，也可以看成是电压矢量沿磁链切线方向在空间中旋转一周。这样研究定子磁链问题实际就转化成研究电压矢量的选择。可以通过控制电压运动轨迹来形成圆形磁链。具体过程如下：它是将一个周期内的电压矢量用几个电压矢量来等效，也就是首尾端相等，本来是一个电压，现在由八个基本电压中的矢量中的三个（包括一个零矢量），它们可以陆续相加结合成这个电压矢量，也可以分次多批加入。通过控制各个电压矢量的作用时间使其成为圆形。图3.1 合成电压矢量图 逆变器能提供八种空间电压矢量。它包括六个电压矢量和两个零矢量。在一个周期内分配这八个电压矢量，能合成任意所需的电压矢量。如果所给的给定电压。如图 3.1 设、是任意一个扇区的相邻两个电压矢量。根据电压的伏秒平衡方程式： (3-4) 其中、是作用在上的时间、， 是作用在零矢量上的时间, 是一个PWM 周期。则可得： (3-5)根据这种控制方式，在下一个周期内，合成电压虽然仍然是由、的线性时间组合，但是作用的时间和已经改变，又必须保证所合成的新电压空间矢量幅值与原来的电压空间矢量的幅值相等。所以，在每一个周期，都改变相邻的基本电压矢量的作用时间，并确定合成的电压空间矢量的幅值都相等。如果，周期取越小时，电压空间矢量的运行轨迹越趋向于近似圆形的正多边形。根据图 3.1所示的合成电压矢量图，可得如下关系： (3-6)把给定电压分解到、轴上： （3-7）因为任何非零电压矢量幅值都是，是直流母线电压，作用在、的时间和为： （3-8）其中零矢量有两个选择、，在选的过程中要遵循逆变器开关动作最少的原则。这样可以计算出一个PWM周期的、，就可以合成所给定的参考电压。3.2.3 PI 转矩控制转矩 Te 和转差角频率的关系： （3-9）是转差角频率，由（3-11）式可知是时间常数，在稳定状态时定子磁链保持恒定，、如其它与电机相关的参数都为常数，所以动态转矩的变化取决于转差角频率,在稳态时呈线性关系。3.2.3 参考定子磁链计算定子磁链控制环节主要是解耦定子磁链幅值和定子磁链角。定子磁链可以表示成极坐标形式： （3-10）其中是定子磁链角。通过算出参考的定子磁链旋转角速度就可以算出： （3-11）定子磁链旋转角速度是由即时的转差角频率和转子旋转角速度决定的。由转子旋转角速度和转矩控制器得出转差角频率，所以定子磁链角为： （3-12）把参考定子磁链分解到、轴上： （3-13） （3-14）3.2.4 参考电压的计算在采样时间内将定子磁链误差为零，才能获得，坐标系下的参考电压。下个时刻采样所需的电压为： （3-15） （3-16）3.2.5 坐标变换在直接转矩控制系统中，采用空间矢量的数学分析方法，在静止两相定子坐标系下对异步电动机进行分析22。异步电动机三相原始数学模型相当复杂，需通过坐标变换简化为静止两相坐标系下的动态数学模型，以便于进行分析和计算。异步电动机的定子绕组是静止的，只需进行坐标变换，即三相静止坐标系变换到两相静止坐标系(3s/2s 变换)，而转子绕组是旋转的，需要通过 3s/2s 变换和 2r/2s 变换(两相旋转坐标到两相静止坐标变换)，得到静止两相坐标系。坐标变换必须在功率不变的条件下，按照磁动势相等的原则进行。(1)变换在功率不变的条件下，三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵为： (3-17)(2)变换令静止两相坐标系中、绕组与旋转两相坐标系中绕组匝数相同，磁动势矢量 相等。如图所示，两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵为：图3.2 坐标变换 （3-18）3.3基于SVPWM 的直接转矩控制系统结构在直接转矩控制系统中应用 SVPWM 技术，关键点是确定需要调制的控制量。美国学者提出的无差拍控制技术在一个控制周期内根据磁链和转矩的误差计算出能使误差为零的定子电压矢量，并在下一个控制周期中使用 SVPWM 技术将其合成来实现控制19。无差拍技术虽然能在理论上完美解决 ST-DTC 存在的问题，但实际计算量较大，不易实现。本文采用PI调节器获得可以补偿磁链和转矩误差的参考电压量，再由SVPWM技术合成目标电压矢量来控制逆变器，这种方法直接简单，利于实现。定子磁链矢量相对于静止轴的旋转角速度，轴与定子磁链矢量方向一致定子电压矢量方程式可以写成: （3-19） （3-20） （3-21）电磁转矩方程式可以转化为： (3-22)根据式（3-21）和式（3-22）可得： （3-23）由式（3-20）可知，定子电压矢量的 轴分量可以影响定子磁链的变化；从式（3-23）可见，在恒定的情况下，定子电压矢量的轴分量可以用来产生电磁转矩的控制量，也就是说，在一个控制周期内，通过调节器可以得到消除磁链和转矩误差的电压空间矢量。基于SVPWM 的直接转矩控制系统结构图如图3.2所示，包括定子磁链闭环控制、电磁转矩闭环控制和速度闭环控制。根据和之间的偏差，和 之间的偏差，经过两个控制器得到旋转参考坐标系下的参考定子电压矢量分量、，再经反旋转坐标变换得到静止坐标系下的分量、，作为SVPWM模块的参考电压矢量，最终得到恒定开关频率的开关信号控制逆变器。图 3.2基于SVPWM 的直接转矩控制系统结构图第四章 仿真建模以及结果分析 电机系统日渐复杂，控制算法不断更新，而 MATLAB 集自动控制、信号处理、图像处理等于一身，因此 MATLAB 仿真软件被广泛应用电机控制系统的仿真。其中的simulink 提供各种基本模块以及通用电气模块库。直接利用模块库搭建模型具有简单直观，并能进行输入和仿真计算，为研究开发提供一条捷径。4.1Matlab/Simulink仿真工具箱MATLAB是Math Works公司开发的用于数学计算的工具软件。它具有非常强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能和可视化的仿真环境simulink 。simulink 可以对通信系统、非线性控制、电力系统等进行深入的建模、仿真和研究。它由棋块库、模型构造及分析指令、演示程序Demo三部分组成。SimuIink仿真工具箱包括了专门用于电力电子、电气传动学科进行仿真的电气系统模块库，打开模块库就能调出电气系统模块库的子模块。电气系统模块库主要包括电源模块、基本元件模块、电力电子器件模块、电机模块、连接模块、测量模块、附加电气系统模块共7个子模块库。在以上模块库的基础上，根据需要可以组合封装成常用的较复杂的模块，添加到所需的模块库中去，能够给系统的建模带来很大的方便。Simulink具有以下的特点:（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的柜图表示系统，点击模块就可以输入模块参数。（2）完成系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。（3）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察。（4）仿真所得数据可以用作文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。（5）若系统框图不完整或仿真的计算不收敛，会提示出错，便于用户修改。4.2异步电机直接转矩控制的仿真这个系统以转矩的控制器得到的转差角频率后用来确定定子磁链角，再根据给定的磁链幅值，进行直接的定子磁链控制所获得控制电压驱动 SVPWM。用以取代传统的转矩磁链滞环控制以及开关表来获得逆变器电压的直接转矩控制策略。为此对应的模块也有不同,有PI 转矩控制模块、参考电压计算模块、 参考定子磁链计算模块、SVPWM 模块、磁链和转矩计算模块。4.2.1 坐标变换模块图4.1 3/2坐标变换仿真图图4.2 2r/2s坐标变换仿真图4.2