基于MATLAB的直接转矩控制系统的仿真研究

本科毕业设计论文题 目基于 MATLAB 的异步电机直接转矩系统的仿真研究 专业名称学生姓名指导教师毕业时间 毕业 任务书1、题目基于 MATLAB 的异步电机直接转矩控制系统的仿真研究2、指导思想和目的要求通过毕业设计，加深对所学自动控制原理，电力电子，电机学等的基本原理的掌握及应用，了解异步电机直接转矩控制系统的仿真研究以及 MATLAB 相关工具箱进行建模仿真等方面知识，掌握异步电机直接转矩控制系统的仿真研究的工作原理及构成，为今后的学习工作打下一定的基础。三、主要技术指标重点分析掌握异步电机直接转矩控制系统，然后对其进行 MATLAB 的仿真，通过修改系统各部分的参数，可以输出稳定的波形。根据示波器输出结果，对系统的性能进行分析。四、进度和要求1. 准备阶段；完成开题报告与外文翻译 第 1 周 第 2 周 2. 完成总体设计方案的论证并撰写开题报告 第 3 周 第 4 周3. 分析异步电机直接转矩控制系统 第 5 周 第 7 周 4. 提出异步电机直接转矩控制系统的性能指标、控制原则和控制要求，制定控制系统的控制策略和方法 第 8 周 第 9 周5. 建立系统的数学模型及仿真模型，系统运行性能仿真分析 第 10 周第 12 周6. 完成论文撰写 第 13 周第 15 周7. 准备答辩 第 16 周五、主要参考书及参考资料1卢京潮自动控制原理西安：西北工业大学出版社，20102谢鸿鸣，陈伯时.异步电机定子磁链的间接观测方法J.电气传动，19993刘贤兴等电力拖动与控制北京：机械工业出版社，20044程宪平机电传动与控制武汉：华中科技大学出版社，20035罗飞等电力拖动与运动控制系统北京：化工工业出版社，20076洪乃刚电力电子和电力拖动系统的 MATLAB 仿真北京：化工工业出版社，2007设计论文 7李夙异步电动机直接转矩控制.北京：机械工业出版社，19948别红波，徐中基于 MATLAB 的异步电机无速度传感器直接转矩控制的仿真研究.9李永东交流电机数字控制系统.M北京：机械工业出版社，200210薛定宇，陈阳泉基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社，200211孟庆春，叶锦娇，郭凤仪异步电动机直接转矩控制系统的改进方案. J中国电机工程学报，2005，25（13）：11812212陈伯时.交流调速系统.M.电气自动化新技术丛书.北京:机械工业出版社 200513尔桂花，窦曰轩编著 .运动控制系统.M.北京:清华大学出版社，200214王君艳.交流调速 .M.北京:高等教育出版社，200315王康.异步电动机直接转矩控制系统的研究与实现.沈阳: 东北大学，200416甄鹏.异步电机直接转矩控制系统改善低速性能的研究.湖南: 中南大学，200517李武君，阮毅 .异步电机直接转矩控制系统中的定子磁链观测模型.J.上海市电机工程学会，2006学生 指导教师 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 I摘 要在交流调速中，直接转矩控制以思想新颖、结构简单、控制手段直接和动态特性优良的特点成为了该领域的研究热点。其基本思想是通过电压控制定子磁链，达到直接控制转矩的目的，从而实现转速的控制和调节。本文从异步电机数学模型出发，系统阐述了异步电机直接转矩控制的基本原理，详细分析空间电压矢量与定子磁链、电动机转矩的关系。根据定子磁链的不同控制策略，首先介绍传统的六边形磁链轨迹直接转矩控制的原理和结构，为了克服六边形磁链控制中的转矩脉动等问题，引入圆形磁链轨迹 DTC 建立模型并仿真。仿真结果表明圆形 DTC 转矩脉动小，磁链轨迹光滑，但磁链开关频率较高。根据两种控制方法在低高速域内不同的控制性能，建立低速域采用圆形磁链控制，结果表明在低速范围两模型之间过渡平滑，速度响应及时，且有效降低磁链开关频率。关键词：直接转矩控制，六边形磁链轨迹，圆形磁链轨迹 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 IIABSTRACTIn the field of AC machines control, Direct Torque Control (DTC) has become a focus which has many advantages such as new control method, simple structure, direct control means and fast torque response. The basic idea of DTC is to control the motor torque directly through the voltage that acts on the stator flux, so as to control and regulate the rotational speed of the motor.This paper described the DTC basic theory of asynchronous motor systematically from mathematical model of asynchronous motor and analyzed the relationship of space voltage vector and stator flux, motor torque. According to different control strategies based on the stator flux, this article intruducs the principle and stucture of the the hexagonal flux trajectory firstly. Based on the simulation software- Matlab/Simulink, the models of the hexagonal flux trajectory DTC are build. The results are obtained through simulation studies that it has low flux switching frequency with large torque ripple especially in the low speed range. In order to improve the performance of the hexagonal flux DTC at low-speed, a circular flux stajectory is analyzed and the simulation model of circular flux trajectory control DTC is build. It can be seen from the simulation result that the torque ripple is smaller with smoth flux path, but the flux switching frequency is much high. Based on the two different control methods with their own control performance at low speed range, a model of full speed range is build which uses circular flux control methods at low speed range .The simulation studies show that these two models can complete the conversion smothly and reduce the switching frequecy of the flux effectively.Keywords: Direct Torque Control , hexagonal flux trajectory , circular flux trajectory 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 III目录第一章 绪论 .11.1 电机调速技术的发展概述 .11.2 直接转矩控制国内外研究现状 .31.2.1 磁链观测 .31.2.2 控制策略 .41.3 论文工作及结构安排 .5第二章 直接转矩控制原理 .62.1 异步电机数学模型 .62.1.1 三相静止坐标系下的异步电机方程 .62.1.2 两相静止坐标系下的异步电动机方程 .82.1.3 坐标转换 .92.2 直接转矩控制的基本原理 .122.2.1 电压空间矢量的概念 .122.2.2 电压空间矢量对定子磁链的控制 .142.2.3 电压空间矢量对转矩的控制 .152.3 六边形磁链轨迹直接转矩控制系统 .162.3.1 六边形磁链的控制策略 .162.3.2 六边形磁链直接转矩控制系统结构 .192.4 圆形磁链轨迹的直接转矩控制系统 .222.4.1 圆形磁链的控制策略 .222.4.2 圆形磁链直接转矩控制系统的结构 .232.5 本章小结 .24第三章 直接转矩控制的仿真 .253.1 异步电动机数学仿真模型的建立 .253.2 圆形磁链轨迹直接转矩控制系统仿真 .263.2.1 仿真模块的建立 .263.2.2 开环仿真 .293.2.3 闭环仿真 .343.3 本章小结 .37第四章 结论与展望 .384.1 总结 .384.2 展望 .39致谢 .40参考文献 .41毕业设计小结 .42 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1第一章 绪论电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业、国防、科技及社会生活等各个方面。直流电动机和交流电动机分别为电动机的两大类。其中大部分的工业生产电量都是通过交流电动机应用到各个生产领域的。电动机在完成电能到机械能转换的同时需满足其生产要求。一方面为了充分利用资源，需要保证电动机具有较高的电机能量转换效率；另一方面为了达到生产机械的工艺要求，需要对电动机的旋转速度进行控制和调节。电动机的调速性能对如何提高产品质量、如何提高劳动生产率和节省电能起着直接的决定性影响。1.1 电机调速技术的发展概述自十九世纪后半期，电机发明以来已经经历了一个多世纪，电力拖动已渗透到人类活动每一领域，为社会发展做出了不可磨灭的贡献，从人们日常生活的办公楼到冶金、化工、轻工等各行各业。上世纪九十年代以前，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速拖动系统，因此直流调速拖动系统一直在调速领域占居重要位置。如五十年代到六十年代用磁放大机控制发电机电机机组，七十年代到九十年代晶闸管直流电机调速系统占主要地位，主要是直流调速控制相对较方便，调速精度高，所以在冶金轧钢、轻工造纸等动静态指标要求高的场合得到广泛应用。随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件不断出现，使交流传动调速在近十年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。这时，直流电机和交流电机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等。于是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传动控制系统己经成为电气传动控制的主要发展方向。1971 年，德国学者 F.Blaschke 提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是把交流电机模拟成直流电机， 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2通过坐标变换来实现电机定子电流的激磁分量，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用何种方式，转子磁通的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般的，转子磁通检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电机内部埋设感应线圈以检测电机磁通，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁通的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是应用中实现磁通检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态重构的方法来观测电机的磁通。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统复杂化。1985 年，德国鲁尔大学的 M. Depenbrock 教授提出了一种新型交流调速理论-直接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。调速技术发展划分为五个阶段：第一阶段 6070 年代：以控制晶闸管(SCR)直流供电与直流电机为调速执行机构，直流调速系统占据主导地位。第二阶段 80 年代：交流异步电动变频调速问世，随着 GTR、GTO 电力电子器件发展，以 VVVF 为基本控制方式，变频调速开始发展。第三阶段 90 年代：IGBT、IGCT 电力电子器件如微机控制数字化技术得到了开发和利用，特别是矢量控制技术发展，使变频器应用产生了一个新飞跃。第四阶段 2000 年：变频器具有节能功能已众所周知，但随着环保及能源问题深入提出，交流电机进一步节能己成为研究主题。特别注重是中大容量永磁式电机开发和其性能、价格比控制。第五阶段 2010 年：即环保型变频器开发和应用，变频器必须适用新能源(太阳 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3能、风力发电等)的使用，并要求交流电机具有更高效率。 1.2 直接转矩控制国内外研究现状 直接转矩控制技术诞生之初就以其优良的性能受到了普遍的关注，并得到了迅速的发展。目前，国外对直接转矩控制技术的研究已经比较成熟并产品化。1995 年瑞士 ABB 公司首次在通用化变频器上引入直接转矩控制技术，并推出基于该技术的变频器 ACS6000。另外，日本和德国也有了相对成熟的基于直接转矩控制系统的理论研究成果，早已推出直接转矩控制的相关产品。目前，国内对直接转矩控制的研究与国外相比还存在着较大的差距，对其在实际应用方面仍处于理论研究阶段。针对其研究现状，以下从磁链观测和控制策略两个方面加以阐述。1.2.1 磁链观测在直接转矩的控制中，不论是按圆形轨迹控制还是六边形轨迹控制，都需要已知定子磁链。由于定子磁链的观测是直接转矩控制系统的重要组成部分，观测的准确性直接影响系统的性能。由于直接检测方法存在不少工艺和技术上的问题，受气隙齿谐波磁场的影响，测量误差大，故实际运用中多采用简洁观测的方法，即利用容易检测的电压、电流和转速等电机的物理量，建立定子磁链的观测模型。根据异步电机定子电压和定子磁链之间的积分关系得到以定子电压和电流表示的磁链观测 模型。此观测模型只用到一个电机参数是定子电阻，而电机的iu定子电阻也是易于测量的，所以电压模型观测法一直受到人们的重视。但是模型的值比较大的时候才能提供正确的结果，其误差是有定子电阻的存在引iu起的。由于这个原因， 模型 只有在 30%额定转速以上时才能对定子磁iuSRIU链进行较准确的观测。当电机在 30%额定转速以下范围内低速运行时，由定子参数变化和测量所带来的误差使得观测结果偏差大，从而无法有效使用 模型。iu基于定子电流和转速的磁链观测 模型，克服了积分器的不良影响，但需)(ni要电机转子电阻、漏电感、主磁通电感和转速信息，而速度传感器的安装又大大降低了传动系统的可靠性。综合以上 模型和 模型的特点，可以采用两种iuui 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4模型结合的方法即在全速范围内使用的 模型。但该模型结构复杂，实现较困u难，目前用的较少。为了克服电压模型中由于定子参数观测和电压电流测量带来的直流漂移问题，采用多种磁链估计法，利用低通滤波器取代理想积分器。该方法抑制了理想积分器的直流漂移，但其对门槛值的调节较为复杂；采用的多阶层叠式可编程低通滤波算法消除了低通滤波算法带来的误差，但其动态性能较差且存在系统无法自启动等问题;一种改进的低通滤波器算法，其主要思想是根据定子频率对滤波器的增益和相位进行调节，该方法算法简单，具有较强的抗干扰能力。针对电压模型中受电机参数影响大的问题，一种基于神经网络的磁链观测法，虽然降低了观测器对电机参数的依赖性，但运算量大，在实际应用当中有一定的局限性。一种基于非线性反馈补偿的定子磁链观测新方法，利用扩张状态观测器对电机参数的变化进行估计并给予补偿，提高了磁链观测的性能。针对 模型存在的电机参数多且速度检测问题，采用了基于模型参考自适iu应的方法估计转速和定子磁链，并对定子电阻进行了在线辨识。采用自适应全阶磁链观测器方法，准确观测定子磁链并对转速进行了辨识。1.2.2 控制策略异步电机直接转矩控制有着结构简单、动态响应快等优点，因而日益受到重视。但是，在传统的直接转矩控制中其逆变器开关频率相对较低，尤其在电动机低速运行时容易导致较大转矩脉动和磁链畸变等问题。为了减小磁链和转矩的脉动，一种有效方法是缩短其控制周期。ABB 就是利用该方法研发出了世界首台基于直接转矩控制的变频器。另一个途径是改进直接转矩控制系统的控制策略。电压矢量的时间分配在直接转矩控制中起着重要的作用，时间控制的不合理是传统直接转矩控制产生脉动的一个主要原因。通过对控制周期内电压矢量作用时间的深入研究减小了转矩脉动。一种精细开关表的直接转矩控制法，在传统 DTC 基础上对其开关表进行了细化，从而减轻了转矩脉动。在大动态时采用传统直接转矩控制方法，但在稳态或小动态状态下，为了减小转矩脉动，采用了类似矢量控制的方法，在选定适当的旋转坐标系中，分别求取对应转矩的电压分量和对应磁链的电压分量，变换到静止坐标系统中，再合成参考电压矢量，采用电压矢量调制算法(SVM)，但偏离了 DTC 思想。将 DTC 与 SVM 结合来改进 DTC 的算法即基 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5于空间矢量调制的直接转矩控制 SVM-DTC 控制策略可以大大减小电机磁链和转矩脉动，电流波形正弦度好，有助于提高电机运行效率。1.3 论文工作及结构安排全文共分四章，具体章节安排如下：第一章：首先介绍了直接转矩控制研究的背景和意义、特点及国内外研究现状。第二章：介绍了直接转矩控制的基本原理、异步电机的数学模型、坐标变换。在此基础上介绍了两种不同控制策略的直接转矩控制方法，并分析了其原理和组成结构。第三章：在 Matlab/Simulink 的仿真环境下，根据直接转矩控制的结构原理构建其仿真模型，在六边形磁链转矩控制系统的基础之上，运用其的原理结果并对其的性能加以改善，引入了圆形磁链控制系统并且对其进行仿真分析和研究，分析其应用范围及静动态性能。第四章：对本文主要工作进行总结和展望。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6第二章 直接转矩控制原理本章首先分析异步电机在定子坐标系下的数学模型，在此基础上着重从磁链和转矩的控制方面分析直接转矩控制的基本原理。最后，引入两种不同控制策略的直接转矩控制系统并分别进行叙述。2.1 异步电机数学模型直接转矩控制的对象是异步电机，建立一个适当的数学模型和状态空间方程是研究异步电动机直接转矩控制系统的动、静态性能特性的理论基础。2.1.1 三相静止坐标系下的异步电机方程三相交流电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了搭建起三相异步电动机的数学模型，需要作如下假设：（1）三相绕组对称分布，空间谐波忽略不计，且磁势沿气隙圆周按正弦分布；（2）忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的；（3）忽略铁耗；（4）不考虑频率和温度变化对绕组的影响。无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，按照折算前后的转子每相匝数都相等的原则折算到定子侧。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7图 2.1 三相异步电动机物理模型在上述条件下可以得到异步电动机三相静止坐标系下的方程：（1）电压方程= + ucubaCBA RssRcbaCBAiiipba（2.1）为定子各相绕组电阻， 为转子各相绕组电阻， 为对时间的Rsrp微分算子。（2）磁链方程= cbaCBAcbcaCcBAbacaCbCaCBBcBAAALLLLbiii（2.2）其中 、 、 、 、 、 是各相绕组的自感，其余为互感。ALBabc式（2.2）可以表示为如下形式 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8srrsLM（2.3）其中 Ls= =rLSSrrrrrLM= rMcos)120cos()120cos( )120(m分别表示定、转子每相绕组的自感； 分别表示定、转子三相绕组各L, rm,相间的互感大小； 是定、转子绕组间互感的幅值。sr（3） 转矩方程)120sin()( )120sin()(i bCaBcA aCcBbAcsrrsei iPMiTpi（2.4）其中， 为电动机极对数。p（4）运动方程(2.5)dtPJTLe式中， 为负载转矩， 为电动机额定输出转矩， 为电动机的角速度， 为机TL J电系统转动惯量。2.1.2 两相静止坐标系下的异步电动机方程为了方便对异步电动机进行直接转矩控制，需要分析其在两相静止坐标系下的电动机模型。通过对三相静止坐标系下的电动机数学模型进行坐标变换，可以建立起 参考坐标下的电机模型，如图 2.2 所示。直接转矩控制就是在定子的静止两相坐标系下分析电机的。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9图 2.2 异步电动机在三相坐标系和两相坐标系下的数学模型两相静止坐标下的方程式如下：（1）电压方程坐标系下定子电压为 assaiRu*（2.6） 坐标系下定子电压为 ssi（2.7） (2)电流方程坐标系下定子电流为 rsssaLi1*（2.8）坐标系下定子电流为 rsssi1*（2.9）（3）磁链方程坐标系下定子磁链为 dtRiusassa*（2.10）坐标系下定子磁链为 tLrrasrs （2.11） 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10坐标系下转子磁链为 dtLRrrsrra *（2.12）坐标系下转走磁链为 dtrrsrr *（2.13）（4）转矩方程电流与磁链形式 sspeiinT*（2.14）式（2.14）还可以写成如下形式sin23rpeLT（2.15）（5）转速方程 dtTJnLep)(（2.16） 其中， 转子和定子电流 电机转矩sri, e转子和定子电压 电机负载转矩uLT转子和定子磁链 J 电机的转动惯量rs,定子和转子电阻 电机级数Rpn定子和转子电感 电机转速rsL, 定子和转子间的互感 漏感m L2.1.3 坐标转换直接转矩控制是在两相静止坐标系下分析电机的，然而从电机端检测到的定子电压、电流信号均是三相静止坐标系下的值。为了实现检测信号由三相静止坐标系向两相静止坐标系的变换，需要对电压、电流进行坐标变换。(1）变换原则在异步电动机直接转矩控制中矢量的坐标变换是实现电机进行控制的关键， 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11在变换的前后需要遵守以下的原则：首先，应按照变换前后所产生的旋转磁场等效的原则来确定电流变换矩阵，电机的气隙是电机能量转换的枢纽。电机各绕组中的电流作用产生合成磁势，且气隙合成磁势决定着气隙磁场，所以要想使电流变换方程成立，必须遵守变换前后气隙中旋转磁场相同的原则；其次要遵守变换前后电机功率不变的原则，只要遵守了功率不变原则就能从电流变换矩阵推出电压变换矩阵和阻抗变换矩阵。（2）电流变换矩阵的确定三相电动机绕组 A、B、C 的磁势矢量和两相电动机绕组 的磁势矢量位置,关系如图 2.2 所示。设三相系统每相绕组匝数 N3，两相系统每相绕组匝数为 N2。根据变换前后磁场完全等效的原则，也就是说合成磁势矢量分别在两个坐标系坐标轴上的投影应该相等，故(2.17) )120sin(120sin0coco332 CBsANiN整理后得)23(23CBsAs iiNi（2.18）将上式表示成矩阵形式CBAs iiNi 230123（2.19）由于变换矩阵是奇异矩阵，不存在逆矩阵，设 K 为待定系数，则变为： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12CBAs iikNii 2301230（2.20）kC230123（2.21）是定子电流从三相变换到两相的变换矩阵，对式（2.21）分别求逆矩阵和转23C置，并且根据电流变换矩阵的原则，要求 C-1=CT，可以得到k= 23N21（2.22）于是电流变换矩阵方程式为 CBAs iiii 23011230（2.23）对于三相绕组不带零线的星型接法，有 ，代入式（2.23）为BAciiBsii203（2.24）然后，根据变换前后电机功率不变的原则，可以确定电压变换矩阵如下： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13CBAs uu230132（2.25）2.2 直接转矩控制的基本原理由运动系统的运动方程式得， 其中 为电磁转矩， 为负载dtnGDTLe2375eTLT转矩， 为系统惯性常数。若改变 的大小，则可以改变加速度的大小，从而2GDe改变速度的大小。由此可知，调速系统究其根本是控制转矩。由式(2.14) 知，其中 均为常数，转子磁链 的幅值由负载决定， 受定Lnp, rr子磁链平均速度的约束，在一定条件下恒速旋转。由此可知，要想改变转矩 的eT大小，只能改变定子磁链 的幅值和相位。s综上所述，直接转矩控制的重点是如何控制定子磁链的幅值和相位，从而达到控制转速的目的。2.2.1 电压空间矢量的概念一般三相电压型逆变器是由三组、六个开关组成，其拓扑图如图 2.3 所示。在图 2.3 中上下两个开关之间按 180 导通模式，即一个导通(状态为 1)，另一个断开(状态为 0)。所以三组开关有 8 种开关组合，对应 8 种电压状态如表 2-1 所示。这 8 种状态可以分为两类：一类是工作状态 16，不同状态输出的电压均不相同，如果接三相电机负载的话，就可以产生旋转磁场及转矩。另一类是零状态 7 和 8，对应上下半桥臂模式为开关全开或全关，相应的三相输出电位都相同(为正或为负)，三相异步电动机无法产生旋转磁场及转矩。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14图 2.3 三相电压型逆变器表 2-1 逆变器的 8 种开关状态状态 工作状态 零状态Sa 0 0 1 1 1 0 0 1Sb 1 0 0 0 1 1 0 1Sc 1 1 1 0 0 0 0 1电压状态 u3 u1 u5 u4 u6 u2 u0 u7为了使得逆变器的各种电压状态具有空间的概念，引入 Park 矢量，实现三维标量到二维矢量的变换。图 2.4 所示为异步电动机中三相对称的物理量，三相定子坐标系中的 A 轴与 Park 矢量复平面的实轴 重合，则其三相物理量的 Park 矢量 X (t)为：)(,)(tXtcba(2.26)()(322tttcba式中 为复系数、旋转因子， 。3/je图 2.4 空间矢量分量的定义 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15旋转空间矢量 X (t)的某一时刻在 A、B、 C 轴上的投影即为其此时的瞬时值。就图 2.3 所示的电压型逆变器来说，若将 A、B、 C 三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压空间矢量 的 Park 矢量的表达式为)(tus(2.27)3/43/2jCjBAs eu式中 是三相定子绕组的相电压。CBAu,按照表 2.1 给出电压状态的顺序，通过式(2.27)可以计算出相应的空间位置，其结果如图 2.5 所示。电压空间信号矢量的幅值不变，周期性出现，相邻两个矢量之间相差 。六种状态依次沿逆时针方向旋转，零状态位于六边形的中心。60图 2.5 空间电压矢量图2.2.2 电压空间矢量对定子磁链的控制根据 2.1.2 节两相静止坐标下的电压方程可以得到定子磁链与定子电压之间的关系为：dtRtiutsss )*()( （2.28） 在上式中，如果忽略定子电阻对定子磁链的影响，则dtutss)(（2.29）式中表示定子磁链空间矢量与其电压空间矢量构成一种积分关系。图 2.6 中， 表示电压空间矢量， 表示磁链空间矢量， S1, S5, S4, S6, )(tsu)(ts 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16S2,S3 是正六边形的六条边。当电压矢量按 作用时，定子磁链矢量沿264513,uu六边形的六条边 运动。如图 2.6 所示，磁链空间矢量 在图中所642513,ss )(ts示位置时(其顶点在边 S4 上)，如果施加的电压空间矢量为 u4 定子磁链将沿着 S4 边的运动。当 运动到 S4 与 S6 的交点时如果给出电压空间矢量 u6 定子磁链将沿)(ts着边 S6 的轨迹运动。磁链轨迹(S4 或 S6)总与所加的电压矢量(u 4 或 u6)的方向平行。依次类推，在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量 u3-u1-u5-u4-u6-u2，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿着边 S3-S 1-S5-S4-S6-S2 运动，就可以得到六边形的定子磁链轨迹。图 2.6 定子磁链与电压空间矢量的关系2.2.3 电压空间矢量对转矩的控制由式(2.14) 知，电机转矩的大小除了与定子磁链和转子磁链的幅值有关之外，也由它们的夹角来决定。如果保持磁链幅值保持为恒值，但是其夹角从 变化到0，此时的电磁转矩就会从最初的零逐渐变化到一个最大值。综上所述，直接转90矩控制的基本思想就是一方面控制磁链的幅值大小，另一方面控制定、转子磁链的夹角，以此来达到控制电机转矩的目的。如果运用在实际当中，需要使定子磁链的幅值保持为额定值，这样就可以充分利用电动机的铁芯。由于转子磁链幅值的大小是由负载来决定，所以可以通过 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17改变磁通角来达到改变转矩的目的。为了达到改变磁通角大小的目的，需要施加不同的电压矢量。施加工作电压矢量则是定子磁链，如果要实现定子磁链停止则选择施加零电压矢量，而转子磁链矢量受定子磁链的平均转速约束，在一定条件下恒速旋转。这样通过控制定子磁链的走走停停来就控制了磁通角的大小，进而完成控制转矩的任务。如图 2.7 所示， 为定子磁链在 t1 时刻的值，且此时转子磁链为 磁通)(1ts )(1tr角为 ；到了 t2 时刻，定子磁链在工作电压矢量 的作用下旋转到 ，形)(1t 6u2s成了沿着 S6 区段的运动轨迹，与 平行，转子磁链转到 ，磁通角为 。6u)(2tr)(t在从 t1 时刻到 t2 时刻这段时间内，转子磁链的转速小于定子磁链的旋转速度，增大，进而转矩增大。如果在 t2 时刻施加零电压矢量，定子磁链停止，)(t保持原状，s然而转子磁链仍旋转，为此导致磁通角减小，转矩则随之减小。图 2.7 电压矢量对转矩的影响综上所述，如果加载工作电压空间矢量，定子磁链的转速就会大于转子磁链，进而增加转矩大小；相反，若加载零电压空间矢量，就会使得定子磁链停止旋转，导致转矩减小。且由以上分析知，定子磁链空间矢量的运动轨迹由定子电压空间矢量的加入模式来决定。通过对电压空间矢量的顺序和其给出时刻的正确选择，就能产生六边形磁链轨迹和近似圆形磁链轨迹。2.3 六边形磁链轨迹直接转矩控制系统 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 182.3.1 六边形磁链的控制策略由 2.2 节可知通过对电压空间矢量的给出顺序和给出时刻的正确选择，则可得到六边形磁链轨迹直接转矩控制系统。（1）电压空间矢量给出顺序的确定如图 2.8 为电压矢量按一定规律作用得到的六边形磁链运动轨迹，若将定子磁链空间矢量投影在 三相坐标系 、 和 轴上，即可得到三个的梯形波，两ABC两之间相差 ，称为定子磁链的 、 、 分量，如图 2.9 所示。在 S3 区120段内，定子磁链在 轴上的投影 保持不变，为正的最大值，对应在 轴上的AA B投影 从负的最大值变到零，而在 轴上的投影 变化规律与其相反，同理得BCC到其他区段的磁链分量。图 2.8 六边形磁链级 三相坐标系 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19图 2.9 DTC 控制开关信号图 2.10 为一个施密特触发器，其容差为 ， 作为磁链给定值，它等于sgsg图 2.8 中的 。当其输入值下降到负的磁链给定值 时，施密特触发器输出为0s高电平。若三相磁链分量分别经过三个相同容差的施密特触发器，与磁链给定值进行比较，则得到如图 2.9(b)所示的磁链开关信号。sg图 2.10 施密特触发器为了得到磁链开关与电压开关信号之间的关系，将输出的磁链开关信号作用于图 2.3 所示的电压型逆变器， 、 、 分别对应于逆变器的上桥臂，其取ASBC反为相应的下桥臂。图 2.11 为得到的相电压输出波形，由此可以方便地得出磁链开关信号 、 、 与电压开关信号 、 、 的关系，如式(2.30)所ASBCAUBSC示。图 2.9(c)即为电压开关信号。把电压开关信号反相便直接得到了电压状态信号、 ,、 如图 2.9(d)所示。AUB（2.30） BCAUS 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20图 2.11 6 个区间段内磁链分量作用于逆变器开关时输出电压波形对比图 2.9(a)和(d)便可得到六边形磁链轨迹的电压开关状态顺序的正确选择。所得到的电压开关状态的顺序是 011-001-101-100-110-010，正好对应于六边形磁链的六个区段 S3-S1-S5-S4-S6-S2。则按顺序给出电压空间矢量 - )01(su- - - - 就可以得到按逆时针旋转的正六边形磁)01(su)(s)10(su)(s)01(su链轨迹。（2）电压空间矢量给出时间的确定由图 2.9(a)-(d)的分析已经解决了电压空间矢量的给出时刻问题。这个时刻就是磁链分量 、 、 到达磁链给定值 的时刻。电压空间矢量的切换时ABCsg间是由磁链给定值 决定的。当磁链分量变化到 时，切换电压状态信号。图sg s2.8 中 为磁链给定值，由六边形磁链的边到中心的距离决定。0s综上所分析，通过检测得到定子磁链的 分量，并将其投影到 三相坐标系、 和 轴上得到磁链分量 、 、 ，且分别与磁链给定值 进行比ABCABCsg较，使得施密特触发器输出磁链开关信号，由式(2.30)可得到电压开关信号进而控制逆变器的输出电压，产生期望的六边形磁链。以上整个过程称为磁链自控制过程，由施密特触发器组成的单元称为磁链自控单元。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 212.3.2 六边形磁链直接转矩控制系统结构六边形磁链控制系统的基本组成包括逆变器、电压电流变换器、磁链和转矩估计模块、磁链 2/3 变换、磁链和转矩滞环调节器以及逻辑换相单元，如图 2.12所示。在六边形磁链直接转矩控制中，逆变器的 6 种工作电压矢量根据一定顺序分别作用于异步电动机，即可生成六边形定子磁链轨迹。将零电压矢量根据转矩调节结果实时插入到控制过程中可实现对电磁转矩的控制。图 2.12 六边形磁链控制系统结构图（1）电压电流 CLARK 变换CLARK 变换的作用是将三相静止坐标系变换为两相静止坐标系。为了便于后续磁链、转矩和区间的判断，需要将检测到三相电压和电流通过 CLARK 变换将其变换为两相电压和电流。具体转换过程如 2.1.3 节所示。转换公式如下：23013uiC（2.31）（2）磁链和转矩计算直接转矩控制是在 两相静坐标下分析电机的，为了实现对磁链和转矩的控制需要计算出磁链和转矩的两相坐标值。根据电压方程式(2.9)和式(2.10)可以计算出定子磁链 和 ，由此构造出观测磁链的电压电流 模型，如图 2.13 所示。ss )(iu 西北工业大学明德