毕业设计论文异步电机的直接转矩控制仿真研究

PAGE华中科技大学文华学院毕业设计（论文）I华中科技大学文华学院毕业设计（论文）题目：异步电机的直接转矩控制仿真研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日PAGE2教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日

目录摘要……………1关键词…………1Abstract……………………1Keywords……………………2前言…………31.绪论…………41.1课题背景……………41.2异步电机发展概况………………41.3直接转矩控制的产生与概况……51.4国内外研究现状……………………62.电动机直接转矩控制的基本原理………72.1异步电动机的数学模型…………72.1.1异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型………82.1.2异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型…………92.1.3异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型…………102.1.4仿真结果分析…………………112.2直接转矩控制的基本原理……132.3定子磁链的估计模型……………172.3.1定子磁链估计的u-i模型…………………172.3.2定子磁链估计的i-n模型…………………172.3.3定子磁链估计的u-n模型…………………183.直接转矩控制系统的仿真研究………193.1系统的总体构成……………………193.2仿真模型的建立……………………193.3仿真结果及分析……………………25总结与展望……………………27参考文献………………………28致谢……………29华中科技大学文华学院毕业设计（论文）PAGE33异步电机的直接转矩控制仿真研究摘要本文先简单介绍了该研究的背景和发展概况，随即又介绍了异步电机直接转矩控制的生产概况和国内外的研究现状，最后对异步电机的直接转矩控制仿真进行了研究。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统，本文分别对负载转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真验证，并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形，本文运用三种不同的直接转矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统在弱磁调速范围内依然优于传统直接转矩控制系统，依然能够减小转矩脉动和转速的稳态误差。关键词：异步电动机；直接转矩控制AsynchronousmotordirectlytothecontrolofsimulationstudyABSTRACTThispaperfirstintroducedtheresearchbackgroundanddevelopmentsituation,andimmediatelyandinvolvesasynchronousmotordirecttorquecontrolofproductionsituationanddomesticandforeignresearchpresentsituation,finallybegantoasynchronousmotordirecttorquecontrolsimulation.AsfortheDTCsystembasedondutycyclecontrolandtheDTCsystembasedonslidingmodecontrol，thispaperdiscussesfourinstancoftheloadtorquewithdisturbanceandnodisturbance，theconstantandvariablassignedrev．SimulationshowsthatbothimprovedDTCmethodsCanreductorquerippleandthesteady—stateerrorofreveffectively．Fortheopptunityabovebase-frequency，threedifferentDTCmethodsareutilized．SimulatioshowsthatbothimprovedDTCsystemsaresuperiortothetraditionaloneinabovebase-frequencyoperation．Keywords：asynchronousmotors；direttorquecontrol前言直接转矩控制系统简称DTC（DirectTorqueControl）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机的电磁转矩，因而得名。直接转矩控制(DTC)交流调速技术是继矢量控制变频之后发展起来的一种新型的具有高性能的变频调速技术。DTC借助瞬时空间矢量理论在定子静止坐标系下计算电动机的磁链和转矩，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与给定值做滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，其控制效果取决于转矩的实际状况，具有结构简单和动态响应快的优点。从算法分析和系统仿真分析讨论的结果，可以得出扩展卡尔曼算法在无速度传感器应用中的优点是：利用扩展卡尔曼滤波器可以不必了解电机的机械参数知识(可以克服电机参数反应灵敏的问题)，在电机启动过程中不必知道电机转子初始位置(可以解决电机的启动问题)，此外，EKF算法可以确保系统的全局稳定性(其他一些通过状态观测器实现电机无速度传感器控制的方法，通常仅在标称状态的轨迹上将电机非线性化，不能保证系统的全局稳定性)，而且整个系统易于数字化实现。但是扩展卡尔曼算法复杂，需要矩阵求逆运算，计算量大，为满足实时控制的要求，需要高速，高精度的数字信号处理器。另一方面，扩展卡尔曼滤波器要用到很多随机误差的统计参数，由于模型复杂，涉及因素多，使得分析这些参数的工作比较困难，需要通过大量调试才能确定合适的随机参数，而且调速范围有一定的局限性，只适合中高速调速系统。随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的进步，交流电动机调速技术发展到现在，有了长足的进步。特别是20世纪70年代出现的矢量控制技术和80年代出现的直接转矩控制技术，使交流电动机调速系统的性能可以与直流电动机调速系统的性能相媲美。而交流电动机尤其是鼠笼异步电动机由于其自身结构和运行特性的优点，使得交流电动机调速系统的优势强于直流电动机调速系统。在交流电动机控制技术中枪挑调频控制、矢量控制以及直接转矩控制（DirectTorqueControl简称DTC）具有代表性。其中应用直接转矩控制技术是一种高性能的控制调速技术，直接转矩控制对交流传动来说是一种最优的电动机控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。1绪论1.1课题背景运动控制系统包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统。相比直流拖动，交流拖动省去了电刷和换向器的经常维修带来的成本。同时，由于电力电子技术的飞速发展，大规模集成电路和计算机控制技术的出现，以及交流拖动在节能减耗方面的优势，交流拖动在异步电动机和同步电动机控制系统中得到了广泛的应用，这些应用包括风机、造纸厂、地铁和机车牵引、电动汽车、机床和机器人、家用电器和风力发电系统等。交流电机的各种控制方法，包括标量控制、向量控制（磁场定向控制）、直接转矩控制和自适应控制等。标量控制只对变量的幅值进行控制，忽略电机的耦合效应，其动态性能较差，但实现起来较为方便。与标量控制不同，向量控制中变量的幅值和相位都被控制。采用向量控制可以使异步电动机像他励直流电动机那样实现高性能的解耦控制，因此向量控制也被称为解耦控制或向量变换控制。向量控制既可以应用于异步电动机控制系统，也可以应用于同步电动机控制系统H1。向量控制在交流拖动中的优势是明显的，然而也存在一系列不能忽视的问题。在向量控制过程中，转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用向量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的程度。直接转矩控制解决了上述一系列问题，在交流拖动控制系统中发挥着举足轻重的作用。直接转矩控制于1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，并获得了令人满意的控制效果。不同于向量控制，直接转矩控制不需要估计转子磁链，只需要估计定子磁链，涉及到的电动机参数只有定子电阻，因而对电动机参数的依赖性大大减弱。相比向量控制，直接转矩控制省去了复杂的向量旋转变换，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，因而是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。目前广泛应用于三相异步电动机、单相异步电动机、开关磁阻电动机和永磁同步电动机中，在家用电器、汽车工业、电力机车牵引等工业生产中也发挥着巨大的作用。1.2异步电机发展概况电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统。调速拖动系统又可分为直流调速系统和交流调速系统。用直流电机可方便地进行调速，其具有优良的转矩控制性能，但由于本身结构特点，直流调速有几个主要缺点：(1)直流电动机容易出现故障，维修困难。(2)使用场合受到限制，在易燃易爆以及环境恶劣的地方不能采用。(3)由于直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。(4)直流电动机的价格高于交流电动机。随着现代科技的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展，采用交流电机拖动方式逐步占据了主要地位。异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系，还随着负载的大小发生变化。负载转矩越大，转子的转速越低。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。异步电机具有下面几个优点：(1)异步电动机特别是鼠笼型异步电动机的价格远低于直流电动机。(2)异步电动机不易出现故障，维修简单。(3)异步电机使用场合没有限制。(4)电动机的单机容量远大于直流电动机。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种不同型式，以适应不同环境条件的需要。异步电机运行时，必须从电网吸取无功功率，使电网的功率因子变坏。因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系，其调速性能较差，对要求较宽广和平滑调速范围的设备采用直流电机较经济、方便。但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展，目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。1.3直接转矩控制的产生与概况自从20世纪70年代向量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓向量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速回应特性。尽管向量控制从理论上可以使交流拖动控制系统的动态特性得到改善，但是在向量解耦时需要用到电动机参数。在电动机运行过程中，随着电动机温度的升高和磁路的饱和，这些参数可能在大范围内变化，而使用不精确的参数则难以实现动态过程的完全解耦。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数的补偿算法和在线辨识，但这些算法使得系统复杂化，并且由于向量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果很难达到理论分析的程度，这是向量控制在实践上的不足之处。直接转矩控制（Direct Torque Control——DTC）是在向量控制基础之上发展起来的，是继向量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压向量分析方法直接在静止坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出ＰＷＭ逆变器的开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩。与向量控制相比，直接转矩控制的主要优点是：在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了向量控制中的解耦思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数（转子电阻）。由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小。此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压向量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接、计算过程简化的优点。因此，直接转矩控制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。1.4国内外研究现状直接转矩控制虽然有以上诸多优点，但目前在理论上尚不成熟，不够完善，其经典模型固有的缺陷一直阻碍着直接转矩控制的进一步发展。其主要问题是：定子磁链的准确估计，电磁转矩脉动较大，逆变器开关频率不恒定等。围绕直接转矩控制存在的问题，国内外学者做了大量工作。2应电动机直接转矩控制的基本原理2.1异步电动机的数学模型认真研究异步电动机的动态数学模型，是实现高性能的异步电动机直接转矩控制系统的保证。异步电动机的动态数学模型和直流电动机的动态数学模型相比有着本质上的区别，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的动态数学模型时，常作如下的假设：(1)忽略空间谐波；(2)忽略磁路饱和；(3)忽略铁心损耗；(4)忽略频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；无论异步电动机的转子是绕线型还是鼠笼型，都将它等效成三相绕线型，并折算到定子侧，折算后的定、转子绕组匝数相等。这样，电机绕组就等效成图２-１所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线A,B,C在空间是固定的，A轴与参考坐标轴的X轴重合；转子三相绕组轴线a,b,c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图2-1三相异步电动机的物理模型直流电动机的数学模型比较简单，其主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电动机的动态数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。为了能将异步电动机的动态数学模型等效变换成类似直流电动机的形式，需要引入坐标变换。坐标变换包括三相-两相变换和两相-两相旋转变换。不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下所产生的磁动势完全相同。(a)三相交流绕组(b)两相交流绕组(c)旋转的直流绕组图2-2等效的电动机绕组物理模型图2-2等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型以产生相同的旋转磁动势为原则，图2-2中的三种物理模型彼此等效。通过坐标变换，可以得到异步电动机在两相任意速旋转坐标系、两相静止坐标系、两相同步坐标系三种不同坐标系下的数学模型。2.1.1异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型设两相坐标d轴与三相坐标A轴的夹角为，而为两相任意速旋转坐标系（dq坐标系）相对于定子的角转速，数学模型由以下方程表述：(1)磁链方程(2-1)式中，，，——dq坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量；,,,——dq坐标系下定子电流与转子电流的两个分量；——定子与转子同轴等效绕组间的互感——定子等效两相绕组的自感；——转子等效两相绕组的自感；(2)电压方程(2-2)式中，，，dq坐标系下定子电压与转子电压的两个分量；,定子电阻与转子电阻,dq坐标系分别相对于定子、转子的角转速(3)转矩方程(2-3)式中——电动机转矩——电动机极对数；(4)运动方程(2-4)——负载转矩；——电动机转速；J——电动机转动惯量；以上构成异步电动机在两相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型。它比异步电动机在三相以任意转速旋转的坐标系上的数学模型简单，阶次有所降低，但是其非线性、多变量、强耦合的性质没有改变。2.1.2异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型异步电动机在两相静止坐标系（坐标系）下的数学模型是在任意速旋转坐标系下数学模型当转速等于零时的特例。当=0时,=,即转速的负值。数学模型由以下方程表述(1)磁链方程(2-5)式中，，，——dq子磁链的两个分量；,,,——dq系下定子电流与转子电流的两个分量；——定子与转子同轴等效绕组间的互感；——定子等效两相绕组的自感；——转子等效两相绕组的自感；(2)电压方程(2-6)式中，，，——dq坐标定子电压与转子电压的两个分量；,——电阻；,——dq坐标系分别相对于定子,转子的角速度(3)转矩方程(2-7)式中——电动机转矩——电动机极对数；(4)运动方程(2-8)式中——负载转矩——电动机转速——电动机转动惯量；以上构成异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。这种模型又称为Kron的异步电动机方程式或双轴原型电机（TwoAxisPrimitiveMachine）基本方程式。2.1.3异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型此模型的坐标轴用d’q’表示，只是坐标系相对于定子的旋转速度等于定子频率（旋转磁场）的同步角速度，而转子的转速为，因此坐标系相对于转子的角速度＝-＝，即转差频率。数学模型由以下方程表述：磁链方程(2-9)式中,,,——d’q’坐标系下定子磁链与转子磁链的两个分量；,,,——d’q’坐标系下定子电流与转子电流的两个分量；——定子与转子同轴等效绕组间的互感；——定子等效两相绕组的自感；——转子等效两相绕组的自感；电压方程(2-10)式中，，，——d’q’坐标定子电压与转子电压的两个分量；,——定子电阻与转子电阻——定子同步角转速,——转差频率转矩方程(2-11)式中——电动机转矩——电动机极对数；（4）运动方程(2-12)式中——负载转矩——电动机转速——电动机转动惯量；以上构成异步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型。这种坐标系的突出特点是：当三相坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到两相同步旋转坐标系上就成为直流量.异步电动机直接转矩控制系统所用到的数学模型，是异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。2.1.4两相静止坐标系下的动态数学模型的仿真本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的动态数学模型进行了仿真验证Matlab仿真环境下模块化的方法。采用模块化的方法构建的异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型的总的结构图2-3所示。图2-3异步电动机在两相静止坐标系下的总结构图在图2-3中，Subsystem1表示三相交流电源模块，Subsystem2表示三相-相变换模块，Subsystem3表示异步电动机模块，三部分的具体结构图如图2-4，图2-5，图2-6所示：图2-4三相交流电源模块结构图图2-5三相-相变换模块结构图图2-6异步电动机模块结构图仿真所用到的电机参数如下：额定电压u=220v，频率f=50Hz，额定转速v=1480r/min，定子电阻＝，转子电阻＝，定子等效两相绕组的自感＝0.666H，转子等效两相绕组的自感＝0.671H，定子与转子同轴等效绕组间的互感＝0.651H，极对数，转动惯量。仿真时间。分别对负载转矩为零和负载转矩为10nm两种情形对恒电压作用下电机的运行情况进行了仿真，仿真结果如图2-7，图2-8，图2-9，图2-10所示。图2-7转速曲线（负载转矩为零）图2-8转矩曲线（负载转矩为零）图2-9转速线(负载转矩为10n·m)图2-10转矩曲线(负载转矩为10n·m)仿真结果表明：当负载转矩为零时，电机可以达到额定转速1480r/min，电磁转矩在0.2s以后稳定为零；当负载转矩为10n·m时，电机只能达到转速，电磁转矩在以后稳定为10n·m。2.2直接转矩控制的基本原理直接转矩控制是为电压源型ＰＷＭ逆变器传动系统提出的一种先进的标量控制技术，基于该技术的传动系统性能可与矢量控制的异步电动机传动系统性能相媲美。该控制方案的原理是通过查表的方法以选择合适的电压空间矢量，从而实现异步电动机传动系统转矩和磁链的直接控制。其控制原理如下：首先，在三相静止坐标系下，将电磁转矩表示为电动机定子磁链和转子磁链的函数：（2-13）式中,——定子磁链、转子磁链,,——定子电感、转子电感、定子转子之间的互感——电动机极对数——电磁转矩——转矩角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角在电动机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角即转矩角可以控制电动机的转矩。在直接转矩控制中，其基本控制方法就是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。直接转矩控制采用两个滞环控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值，然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量，最后通过ＰＷＭ逆变器来实现对异步电动机的控制。整个控制系统框图如图2-11所示：图2-11直接转矩控制系统框图磁链滞环控制器为两电平输出，原理图如图2-12所示：图2-12磁链滞环控制器数学表达式如下：（2-14）式中，为磁链控制器的总滞环带宽。转矩滞环控制器为三电平输出，原理图如图2-13所示图2-13转矩滞外控制器数学表达式如下：（2-15）式中，2为转矩控制器的总滞环带宽给定定子磁链矢量·的圆形轨迹在滞环内沿逆时针方向旋转，如图2-14所示。实际的定子磁链矢量被控制在滞环带内并以之字形轨迹跟踪给定定子磁链矢量。图2-11中的信号计算模块根据电机端电压和电流信号计算出磁链和转矩反馈信号，还计算出定子磁链矢量所在的扇区S(k)。如图2-14所示，共有6个扇区(每个扇区占60。)。图2-11中的电压矢量表模块输入信号、和S(k)，通过查表方式得到需要加在逆变器上的适当的电压矢量，如表2-1所示。图2-15表示了逆变器的8个电压矢量(6个非零电压矢量和2个零矢量)和典型的矢量。如果忽略定子电阻，可得下式：(2-16)或者(2-17)上式表明，定子磁链矢量的增量为电压矢量K与时间增量出的乘积，也就是说它与逆变器的六个非零电压矢量之间存在着一定的对应关系，如图2-14，2-15所示。图2-14DTC控制下定子磁链矢量的轨迹图2-15逆变器电压矢量及时间段内相应定子磁链的变化表2-1给出了磁链滞环控制器的输出、转矩滞环控制器的输出、定子磁链所在扇区S(k)三者与所加在逆变器上的电压矢量之间的关系。通过查表2-1，可以选择适当的电压矢量作用于电机，其电压矢量实际上同时对电机的转矩和磁链进行控制。表2-1逆变器电压矢量开关表 110-1-110-1表2-2归纳了图2-15中各个电压矢量作用下，定子磁链和转矩变化量大小和方向。可见，电压矢量、和作用时，磁链会增大；而当、和作用时，磁链会减小。同样的，电压矢量、和作用时，转矩会增大；、和作用时，转矩会减小。零矢量(或)使电机终端短路，此磁链和转矩保持不变。但是由于存在一定的定子电阻压降，转矩和磁链在电机终端短路时会略有减小。表2-2电压矢量引起的磁链和转矩的变化电压矢量0例如，当系统运行在图2-14中扇区s(2)的B点，此时磁链过高，转低，即=-1，=1，由此查表2-1，可知下一步电压矢量将作用变器，即产生轨迹BC段。在点c，=1，=1，又查表可知为电压矢量由此类推，系统很容易在四个象限运行。如果需要，系统还可以加上速度控制环节和弱磁控制。以上详细讨论了在三相静止坐标系下异步电动机直接转矩控制的基本原理，因为三相-两相变换不改变转矩的计算方法和控制方法，所以在两相静止坐标系下同样适用。2.3定子磁链的估计模型在异步电动机直接转矩控制系统中，在电动机全速运行范围内准确无误地估计定子磁链是实现控制系统高动态性能的前提和保证。定子磁链估计的基本模型分为电压-电流模型(u-i模型)、电流-转速模型(i-n模型)和电压-转速模型(u-n模型)三种。2.3.1定子磁链估计的u-i模型u-i模型是用定子电压和定子电流来确定定子磁链的模型。这种模型最简单，在计算过程中所唯一需要知道的电机参数是易于确定的定子电阻。这种模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果，只有在10％额定转速以上，特别是在30％额定转速以上时，才能够非常准确地估计定子磁链。模型的基本方程式如下：(2-18)2.3.2定子磁链估计的i-n模型i-n模型是用定子电流和转速来确定定子磁链的模型。在30％额定转速下范围内，由于定子电阻压降不可忽略，故定子磁链只能根据转速来计算。这种方法受转子电阻、漏电感和定子电感变化的影响，观测方法的鲁棒性较低。模型的基本方程式如下：(2-19)(2-20)2.3.3定子磁链估计的u-n模型u-n模型是u-i模型和i-n模型的综合。将30％额定转速定为切换点于此转速用u-i模型，低于此转速用i-n模型。由i-n模型向u-i模型切换需要一个电流PI调节器，它的作用是强迫电动机模型电流与实际的电动机电流相等，这样可以提高电动机模型的仿真精度。模型的基本方程式是u-i模型和i-n模型基本方程式的综合。为了表达清楚，重列u-n模型的基本方程如下：(2-21)(2-22)(2-23)(2-24)3直接转矩控制系统的仿真研究3.1系统的总体构成异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型总体结构图如图2-36所示。图2-36异步电动机直接转矩控制系统仿真模型总体结构图整个仿真模型由以下模块构成：Subsystem1表示异步电动机Subsystem2和Subsystem3表示定子磁链估计模块；Subsysteml4表示定子磁链控制器模块，Subsystem5表示电磁转矩控制器模块，制器模块；Subsystem6和表示定子磁链所在扇区判别模块；；Subsystem8和Subsyste9表示电压开关矢量选择模块，Subsysteml0表示三相逆变器模块；Subsystem11表示三相-两相变换模块。3.2仿真模型的建立根据异步电动机直接转矩控制系统仿真模型总体结构图，逐步建立每一个模块，然后整合在一起，就可以得到完整的控制系统仿真模型。下面逐一介绍每一模块仿真模型的建立。(1)异步电动机模块异步电动机模块采用异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型。模块输入为定子电压的两个分量，，输出为定子电流的两个分量、，电磁转矩和转速。此模块已在本章第1节做了详细介绍，此处不再赘述。(2)定子磁链估计模块定子磁链估计模块采用u-i模型。模块输入为定子电压的两个分量、和定子电流的两个分量、，输出为定子磁链的幅值。此模块己在本章第3节做了详细介绍，此处不再赘述。(3)定子磁链控制器模块定子磁链控制器模块采用双电平模式，根据Matlab模块建立。当给定磁链大于实际磁链时，选择适当的电压矢量以增大磁链；当给定磁链小于实际磁链时，选择适当的电压矢量以减小磁链。模块输入为给定定子磁链幅值和实际定子磁链幅值，输出为。->,=1（2-25）-<,=0（2-26）模块框图如图2-37所示：图2-37定子磁链控制器模块框图参数设置如下：Switchonpoint：0.05Switchoffpoint：-0.05Outputwhenon：1Outputwhenoff：0(4)电磁转矩控制器模块电磁转矩控制器模块采用双电平模式，根据Matlab模块建立。当给定转矩大于实际转矩时，选择适当的电压矢量以增大转矩；当给定转矩小于实际转矩时，选择适当的电压矢量以减小转矩。模块输入为给定电磁转矩幅值和实际电磁转矩幅值，输出为->2,=1;（2-27）-<,=0（2-28）模块框图如图2-38所示：图2-38电磁转矩控制器模块框图参数设置如下：Switchonpoint：2Switchoffpoint：-2Outputwhenon：1Outputwhenoff：0(5)定子磁链所在扇区的判别模块定子磁链所在扇区判别模块根据定子磁链的两个分量、和给定定子磁链幅值三者之间的相互关系建立。三者之间的关系见下表：表2-4定子磁链所在扇区判别表S 126435模块输入为定子磁链的两个分量、，输出为定子磁链所在扇区S。模块框图如图2-39所示。图2-39定子磁链所在扇区判别模块框图1图2-39定子磁链所在扇区判别模块框图2该模块通过逻辑值1(二进制)-逻辑值2(二进制)-真实值(十进制)之间的转换，最后得出定子磁链所在的扇区。转换过程如图2-40所示：图2-40逻辑值1到逻辑值2的转换原理111101110011001010转换为如下表格001010110100011101其中(2-29)(2-30)(2-31)(6)电压开关矢量选择模块电压开关矢量选择模块根据电压开关矢量表建立。表2-5电压开关矢量表000000001231564100000001623145模块输入为定子磁链控制器模块的输出、转矩控制器模块的输出定子磁链所在扇区判别模块的输出S，输出为电压开关矢量的二进制表示。模块框图如图2-41所示。图2-41电压开关矢量选择模块框图a图2-41电压开关矢量选择模块框图b模块框图的第一部分的输出是电压开关矢量的十进制表示，第二部分通过十进制-二进制转换，得到电压开关矢量的二进制表示。参数设置如下：Look-UpTable(2-D)Rowindexinputvalues：[1，2，3，4]；Columnindexinputvalues：[1，2，3，4]；Matrixofoutputvalues：[，0，0，0，0，0；2，3，1，5，4，0，0，0，0，0，0；6，2，3，1，4，5](7)三相逆变器模块三相逆变器模块根据三相逆变器供电的工作原理建立，其基本方程式如下：(2-32)(2-33)(2-34)其中，,,为三相交流电压，为直流电压，、、表示三相桥臂所接电平的高低，高电平为1，低电平为0，共同构成电压开关矢量的二进制表示。模块输入为电压开关矢量的二进制表示，输出为相位互差的三相交流电压。模块框图如图2-42所示：图2-42三相逆变器模块框图(8)三相-两相变换模块三相-两相变换模块根据三相-两相变换的基本方程式建立。(2-35)模块输入为定子三相交流电压分量,,,输出为定子两相交流电压分量,。模块框图如图2-43所示：图2-43三相-两相变换模块框图至此，异步电动机直接转矩控制系统仿真模型所需要的独立模块已经搭建完毕，利用Matlab的封装技术，可以把上述8个模整合，得到完整的异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。3.3仿真结果及分析为了验证所建立的异步电动机直接转矩控制系统模型的合理性和有效性，本文对控制系统进行了仿真验证。仿真所用到的电机参数如下：额定电u=500v,频率f=50Hz,额定转速v=,，转子电阻,定子电感,,定、转子之间的互感,极对数,,仿真时间t=2s.仿真结果如图2-44，图2-45，图2-46，图2-47所示。图2-44定子磁链曲线图2-45电磁转矩曲线图2-46负载转矩曲线图2-47电机转速曲线图2-44至图2-47给出了异步电动机直接转矩控制系统的仿真结果。0～0.5S为电机启动过程，0.5S以后，进入直接转矩控制方式，给定定子磁值为1.2Wb，定子磁链滞环比较器带宽为-0.05Wb～0.05Wb。图2-44仿真结果表明，定子磁链幅值被控制在1.15Wb～1.25Wb之间。0.5～1.5s，给定电磁转矩幅值为20N·m。1.5～2.0s，给定电磁转矩幅值为10N·m,电磁转矩滞环比较器带宽为-2N·m～2N·m。图2-45所示仿真结果表明，0.5～1.5s，电磁转矩被控制在18N·m～22N·m之间。1.5～2.0s,电磁转矩被控制在8N·m～12N·m之间。图2-47所示仿真结果表明，电机启动以后上升到额定转速，0.5s以后下降到1170，1.5s以后又到1290。仿真结果表明，定子磁链幅值和电磁转矩幅值均被控制在给定值的一定范围以内，转速响应快速且平稳，证明了本文所设计的异步电动机直接转矩控制系统的合理性和有效性。总结与展望此设计首先分析了异步电动机在两相任意速旋转坐标系、两相静止坐标系和两相同步坐标系三种不同坐标系下的动态数学模型，并就异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型在Matlab仿真环境下进行了仿真后分析了异步电动机直接转矩控制的基本原理，介绍了异步电动机定子磁链估计的电压-电流模型、电流-转速模型和电压-转速模型3种基本模型，在此基础上设计了定子磁链估计的加权模型，并就上述4种模型在Matlab仿真环境下进行了仿真验证；分析了电压空间矢量对定子磁链幅值和电磁转矩的影响，在分析对电磁转矩影响时，考虑了定子磁链幅值的变化；最后就异步电动机直接转矩控制系统在Matlab仿真环境下进证。仿真结果验证了所设计的控制系统的正确性和有效性。在传统异步电动机直接转矩控制中，电机输出转矩脉动过大、逆变器开关频率不恒定、电机全速运行范围内定子磁链的准确估计等问题，在很大程度上限制了直接转矩控制在交流调速运动控制系统中的广泛应用。针对上述问题，本文设计了一种新的定子磁链估计模型，总结如下，异步电动机全速运行范围内定子磁链的准确估计是实现高性能的直接转矩控制系统的关键。本文通过对传统直接转矩控制中定子磁链估计的三种基本模型的分析，设计了一种新的定子磁链估计的加权模型，来代替基本模型中的电压-转速模型，从而改善了电压-转速模型中电压-电流模型和电流-转速模型之间的平滑切换问题。针对异步电动机直接转矩控制理论和技术的研究，本文还有许多尚未完成的工作，还有待于进一步研究，且本文所设计的直接转矩控制系统只是在Matlab得到了验证，距离实际的工业现场应用还会面临一些问题。如何把已有的解决方案运用到工业现场中，实现运动控制的简单化、经济化和最优化，将是一个更为艰巨的任务。参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2005,190-216[2]高景德.交流电机及其系统分析[M].北京：清华大学出版社，1993，469-486[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：机械工业出版社，2005，197-211[4]张燕宾.实用变频调速技术培训教程[M].北京：机械工业出版社,2003[5]藏英杰.交流电机的变频调速[M].北京：中国铁道出版社，1984[6]阎国华.三相异步电动机经济运行速查表[M].北京：机械工业出版社,1993[7]王琰.一种改进的直接转矩控制电压矢量调制方法[J].微特电机，2006，(3):28-31[24][8]王斌.异步电机直接转矩控制系统的探讨与分析[硕士学位论文].西安：西安交通大学，2001[9]黄国治.Y2系列三相异步电动机技术手册[M].北京：机械工业出版社,2004[10]谢宝昌.异步电动机直接转矩控制新方法[J].微特电机，2001，(3)：9-11[11]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1994.1-15[12]王沫然.simulink4建模及动态仿真[M].北京:电子工业出版社,2002.15-82.

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致谢从论文准备工作开始到至今，我的论文已经接近尾声。感谢我的论文指导老师—张亚兰老师，本课题在选题及研究过程中得到了张老师的悉心指导。张老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。张老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，对张老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢进入大学以来对我有所帮助的所有老师，他们细心指导我的学习。在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。

感谢我的同学们，在生活学习上对我的关心和帮助。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。感谢李老师和唐老师在组后时期对我工作上和生活上的帮助和教导，从你们身上我学会了很多，谢谢你们！也很感谢我的室友和朋友们，谢谢你们与我相伴同行，与你们的每一天我都很开心快乐！感谢文华学院在这三年以来对我的栽培！

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

学位论文原创性声明学位论文作者（本人签名）：年月日学位论文出版授权书论文密级：□公开 □保密（___年__月至__年__月）(作者签名：_______导师签名：______________年_____月_____日_______年_____月_____日

独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:二〇一〇年九月二十日

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作者签名:二〇一〇年九月二十日

致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多