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第1页（共28页）一、绪论1、电机调速技术的发展概况电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在工农业生产、国防、科技及社会生活等各个领域发挥着重要的作用。根据采用电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。历史上最早出现的是直流电动机，并且由于直流电动机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，直流传动系统一直在变速传动系统中占主导地位。但是由于直流电动机本身结构上具有的机械换向器和电刷而使这种传动存在如下缺点：①、直流电机的机械换向器由很多铜片组成，铜片之间有云母片隔离绝缘，因此制造工艺复杂，费时费料，增加了直流电机的成本。②、换向器的换向能力限制了直流电机的容量和速度。③、电刷火花和环火限制了直流电机的安装环境，易燃、易爆、多尘以及环境恶劣的地方不能使用直流电机。④、直流电机的大部分功率（除励磁以外）都是通过换向器流入电枢的，转子发热多，电机效率低。⑤、换向器和电刷易于磨损，需要经常更换。这样就降低了系统的可靠性，增加了维修和保养的工作量。虽然存在以上的缺点，但是在19世纪80年代以前直流传动是唯一的传动方式。1885年随着交流鼠笼型异步电动机问世，虽然控制比较复杂，但其结构简单、成本低、安装环境要求低，适于易燃、易爆、多尘的条件。尤其是在大容量、高转速应用领域，备受人们青睐。改变异步电动机转速有以下三种方法：①、改变电机本身的参数，极对数来调速，由于制造工艺和本身结构所限一般情况下只有两三种极对数变换，不能做到连续的调速，调速范围有限。②、改变定子电压(改变电源电压或定子串阻抗)，或绕线型电动机转子串电阻，或带转差离合器地异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。但是电机地损耗与转差率s成比例地增大，效率随转速的降低而讲的，山于电机在高转差低转速卜运行特性恶化，使实际可行地调速范围受到限制。③、连续地改变电源频率，虽然可以十分理想地实现交流电动机地无级调速，但这要有一套变频电源，在60年代大功率半导体变频装置问世之前，代价很大。第2页（共28页）在过去几十年里，交流电动机控制技术取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。20世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦。从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。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。但无论采用哪种方式，转子磁链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。继矢量控制技术之后，20世纪80年代中期由德国鲁尔大学德彭布罗克教授首先取得了转矩控制技术实际应用的成功。它采用空间矢量的方法，在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳选择，以获得转矩的高动态性能控制。它省去了复杂的矢量变换，没有通常的PWM调制器。在很大程度上解决了矢量控制中运算、控制复杂，特性易受交流电动机参数变化影响的缺点。2、直接转矩控制的发展及现状直接转矩控制技术，德语称为DSR（DirekteSelb-Regellung,DSR）。英语称之为DTC（DirectTorqueControl）或为DSC（Directself-control），直接译为直接自控制。直接转矩变频调速技术是自七十年代发展起来的矢量控制技术后又一新型高性能的交流变频调速技术。1981年，日本学者Y.Murai等人将瞬时空间电压矢量理论应用于PWM逆变器感应电动机传动系统中，基于电压、磁链空间矢量概念，成功地解决了瞬时主磁通的计算问题，并且较方便地控制其幅值在整个调速范围内近似保持不变，使其轨迹接近于圆形。1985年，德国鲁尔大学的狄普布洛克（M.Depenbrock）教授通过对瞬时空间理论的研究，首次提出了直接转矩控制的理论，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。随后日本学者I.Takahashi也提出类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。直接转矩控制技术一经诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁的结构，优良的静、动态性能受到普遍的关注，并得到迅速的发展。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电动机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，在很大程度解决了矢量控制方法中计算复杂、调速特性易受电动机参数变化的影第3页（共28页）响等一些问题。现在直接转矩控制系统，大多是采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采用转子磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者观测转子磁链，作为直接转矩控制系统的校正。3、直接转矩控制技术的特点随着电力电子技术、微电子科技和现代电机调速理论的快速发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利的条件，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能。直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点：①、直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。②、直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机的转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。③、直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。④、转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。⑤、控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。4、本文的主要工作感应电动机的直接转矩控制是目前交流驱动控制领域中最新的也是最有前途的控制方法，以其简单的控制算法、对电机参数依赖性小、鲁棒性好等特点深受该领域学者专家的青睐。本文主要包括以下内容：①、介绍了直接转矩控制的起源、特点和基本思想，在定子坐标系内建立数学模型，包括电磁转矩模型和定子磁链模型。第4页（共28页）②、引出电压空间矢量的概念，采用空间矢量数学方法，在定子坐标系内分析电压空间矢量与定子磁链和电磁转矩的关系，建立异步电机直接转矩控制系统基本架构。③、用Matlab仿真软件中的Simulink环境建立一个异步电动机直接转矩控制系统仿真模型，详细说明主系统仿真模型和各子系统仿真模型。④、根据各种仿真算法的特点选取仿真算法对系统进行仿真⑤、根据电机参数选取仿真参数并通过电磁转矩、定子磁链和电机转速的仿真曲线研究分析异步电动机直接转矩控制系统的动静态性能、特点及适用场合。二、异步电动机直接转矩控制的基本理论1、逆变器和电压空间矢量直接转矩控制系统它把电动机和逆变器看作一个整体进行分析，这样就把空间矢量的概念引入。直接转矩控制系统中采用三相两点式电压逆变器向异步电动机供电，逆变器的每个桥臂有两个开关元件，如图2.1所示。在图2.1所示的逆变器中，如果采用正弦波脉宽调制(SPWM)技术，可输出三相对称电流，在电机的气隙里产生圆形旋转磁场。在直接转矩控制方式里，逆变器都是由自由关断器件(如GTO,GTR，IGBT等)构成的，为此可用三个单刀双掷开关状态Sa,Sb,Sc表示，当Sa＝1时，表示逆变器a相上桥臂的开关闭合，下桥臂的开关断开；当Sb＝0时，表示逆变器a下桥臂的开关闭合，上桥臂的开关断开。其中同一相上、下桥臂的两个开关元件是互补动作的，即任一时刻它们总是一个断开，一个闭合。这样一来，根据Sa,Sb,Sc为0或1可以组合328＝个状图2.1逆变器－电动机传动系统主电路简图第5页（共28页）态，详情见表2-1。表2－1逆变器开关的8种组合状态状态01234567Sa01010101Sb00110011Sc00001111以上8种开关状态可以分为两类:一类称为工作状态，即表2-1的状态“1”到“6，它们的特点是三相负载并不接到相同的电位上；另一类称为零开关状态，如表2-1中的“0”和“7，它们的特点是三相负载被接到相同的电位上。对于电压逆变器，输入为恒定直流电压dU，那么其三相输出电压瞬时值为：dUUaSaSbSc3＝（2－－）（2－1）dUUbSa+2SbSc3＝（－－）（2－2）dUUcSaSb+2Sc3＝（－－）（2－3）将3组开关状态对应的Sa,Sb,Sc的8种编码，代入式((2-1)和(2－2)和(2－3))就得到8组三相相电压。利用Park矢量可把这8种电压变换成8个电压空间矢量01234567uuuuuuuu，，，，，，，.在幅值不变的原则下，三相电压的Park矢量表示式:2jj3sabc2uu+ue+ue34－3＝（）(2－4)用027uuuu－－－－1，，,表示八种开关组合状态下的电压矢量，以SaSbSc＝011为例，此时有:adbdcd21uUuUuU331＝－，＝，＝3由此可得：2jjd3s1dU2uu[U+e+e]34－－32（011）＝＝（－）（）33＝jd2Ue3上式说明，开关组合(011)状态下电压矢量1u－的幅值等于d2U3，与轴夹角第6页（共28页）为0180。依次求出其它各开关状态下的电压矢量如下:4j3s2d2uuUe3－－（001）＝＝，5j3s3d2uuUe3－－（101）＝＝，s4d2uuU3－－（100）＝＝1j3s5d2uuUe3－－（110）＝＝，2j3s6d2uuUe3－－（010）＝＝，s0uu0－－（000）＝＝s7uu0－－（111）＝＝不难看出，在这8个电压空间矢量中，有6个非零矢量，其幅值均为d2U3，角度依次相间060。这样8个开关状态对应如图2.2所示的8个电压空间矢量0u——7u，其中0u和7u为零电压空间矢量，位于原点。图2.2电压空间矢量2、异步电动机直接转矩控制系统的基本原理在一些交流传动应用的场合，要求实现快速的转矩控制，显然直接转矩控制非常适合这一类控制系统的应用。即使在转速是重要控制目标的场合，转矩控制也仍然显得非常重要，因为只有转矩才能影响转速。如果转矩控制性能良好，则不难设计出一个速度调节器，使速度环具有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好，响应慢，相应的调节性能也好不了。因此调速的关键在于转矩控制。除了使系统具有较高的转矩动态性能外，还应使生产出来的设备经济、实用。根据这些原则，一个良好的系统应具有如下的特性:①、具有高可靠性由于系统要用于现场，和经济效益直接相联系，系统如（100）（110）（010）（011）（001）（101）3u4u5u6u1u2u第7页（共28页）果运行不可靠，将会对用户造成很大的经济损失，因此系统在运行时，必须能够保证有很高的可靠性。②、满足实时性在很多的场合，异步电动机在运行过程中，希望在转矩或磁链等量发生变化时能够及时对其进行调节，这就要对电动机进行闭环制。在控制系统对各种数据的检测及运算进行实时处理的同时，要给电动机提供相应的控制信号，以满足实时性的要求。③、获得转矩的高动态性能异步电动机转矩的动态响应好与否直接影响着直接转矩控制系统的应用范围，因此开发高动态响应的直接转矩控制系统，使其应用范围更广是有重大意义的。直接转矩控制的基本原理是：充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从而使异步电机的磁链和转矩控制只是通过定子电阻及能够方便测量得到的电压及电流值就能把磁链、转矩估算出来，所以相比而言，直接转矩控制转矩响应迅速，实现起来方便。经典结构框图如图2.3：（1）相电