【正文】 ystem. The fourth part of the simulation using MATLABSIMULINK tool for the design of threephase asynchronous motor direct torque control system and dynamic analysis of simulation results, static control effect. Keywords: Asynchronous motors, DTC, System Simulation, MTBLAB, Flux calculation 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 4 1 緒論 課題研究的背景、目的及其意義 在我們的日常生活中，電機(jī)傳動設(shè)備已經(jīng)深入到社會生活的各個領(lǐng)域。在能源開采、工業(yè)生產(chǎn)以及交通物流等等領(lǐng)域中，電機(jī)傳動設(shè)備更是必不可少的，可以說它與我們的生活息息相關(guān)。在這些電機(jī)傳動設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域中，比如風(fēng)機(jī)水泵、港口起重設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等等還有對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的需求。交流異步感應(yīng)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉以及維護(hù)簡單的特點(diǎn)，在其中占據(jù)了絕大多數(shù)。統(tǒng)計表明，我國 60％的發(fā)電量是通過各類電動機(jī)消耗的。而在使用的所有電機(jī)中，80％以上為功率在 220KW 以下的中小 型交流感應(yīng)異步電機(jī)。就交流調(diào)速系統(tǒng)本身來說，在很多港口碼頭、工廠車間、大型電站和大型船舶航天器的制造場所，對調(diào)速性能有著很高的要求，不僅要求速度精度高，還要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精確迅速。目前，我國在相關(guān)技術(shù)的研究和產(chǎn)品化上跟國外先進(jìn)水平還相去甚遠(yuǎn)。更重要的是，統(tǒng)計表明，在我國電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的能源利用率極低，與國外平均水平相比要低 20％，存在非常嚴(yán)重的電能浪費(fèi)情況，這對我國本來就十分嚴(yán)峻的用電現(xiàn)狀可以說更加不利。 因此，為了滿足不斷發(fā)展的實際需求，同時減小能源損耗，延長電機(jī)壽命，必須不斷發(fā)展高性能、高精度的交流電機(jī)調(diào)速技 術(shù)。這不僅關(guān)乎我們當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更重要的，因為它與能源開發(fā)和節(jié)約息息相關(guān)，還對我們未來的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。 但是，由于交流感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有多變量、高階數(shù)、強(qiáng)耦合以及非線性等等特點(diǎn)，使得對其進(jìn)行高效和精確的調(diào)速控制非常困難。近年來，隨著電力電子技術(shù)、各種傳感技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能數(shù)字信號處理器 (DSP)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速的研究進(jìn)入了一個高速發(fā)展的階段，涌現(xiàn)出了很多卓有成效的調(diào)速控制算法。其中比較有代表性的幾種調(diào)速控制方法如下。 (1)基于恒壓頻比的標(biāo)量控制技術(shù)，也稱Ⅵ控制。 (2)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩完全解耦的矢量控制技術(shù)，也稱矢量控制。 (3)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的矢量控制技術(shù)，也稱直接轉(zhuǎn)矩控制。 在這些方法中，尤其以直接轉(zhuǎn)矩控制最為引人注目。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼Ⅵ控制和矢量控制之后發(fā)展起來的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法，最早是由德國教三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 5 授 Depenbrock 和日本學(xué)者 Takahashi 提出的。它的主要思想是利用滯環(huán)比較器實現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制，結(jié)合扇區(qū)信息，通過一個開關(guān)表有選擇地輸出基本空間電壓矢量，來控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈按要求快速變化。相比于開環(huán)的Ⅵ控制，采取閉 環(huán)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制具有不可比擬的控制精度，具有更好的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。相比于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制采用了定子坐標(biāo)系，摒棄了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦過程，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)也更好。 但是，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法也存在一些明顯的不足，主要有以下幾條。 (1)由于在控制過程中只考慮了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的方向性，而忽略了誤差的大小，這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過程中誤差超過滯環(huán)比較的帶寬，從而使實際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動，影響實際性能。 (2)由于采取根據(jù)控制信號選取開關(guān)表控制逆變器開關(guān)的方法，必然導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率 不能固定，變化較大，導(dǎo)致電流脈動大且會影響逆變器的使用壽命。 (3)在定子磁鏈觀測時采用了 U． I 模型，導(dǎo)致在低速運(yùn)行區(qū)間，由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響，使得定子磁鏈觀測結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴(yán)重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。 雖然直接轉(zhuǎn)矩控制存在上述缺點(diǎn)，但是由于它較之其他算法的確存在巨大優(yōu)勢，而且其缺點(diǎn)可以隨著新的控制技術(shù)以及高性能的數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展被不斷克服，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究成為目前交流調(diào)速研究領(lǐng)域最大的熱點(diǎn)。 目前，國外的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功地實現(xiàn)了產(chǎn)品化，瑞典 的 ABB 公司、Emtron 公司等都有相關(guān)的變頻器問世。而在國內(nèi)，清華大學(xué)的李永東教授在低頻區(qū)間性能改善和死區(qū)補(bǔ)償方面提出了很多好的解決方案；上海大學(xué)的陳伯時教授也對直接轉(zhuǎn)矩算法有非常深入和有成效的研究；四川工業(yè)大學(xué)在直接轉(zhuǎn)矩控制用于電力機(jī)車方面有比較深入的研究。但是總體來說，我國針對直接轉(zhuǎn)矩控制算法的研究目前還停留在理論研究和仿真實驗的階段，與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，要想拿出有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)產(chǎn)品，還有很遠(yuǎn)的路要走。 鑒于以上所述，對于直接轉(zhuǎn)矩控制的研究以及盡早地產(chǎn)品化具有非常重要的實際意義和良好 的經(jīng)濟(jì)前景?？梢灶A(yù)見，具備寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速產(chǎn)品是未來發(fā)展的主流。因此，研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制算法是大勢所趨，非常必要。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 6 直接轉(zhuǎn)矩控制算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 針對直接轉(zhuǎn)矩控制算法的種種不足，世界各國的研究者就進(jìn)行了大量的工作，也取得了相當(dāng)多的成果。各種研究和改進(jìn)主要集中在以下幾點(diǎn)： (1)電機(jī)參數(shù)的辨識。在控制算法中，電機(jī)參數(shù)是必不可少的量。傳統(tǒng)的測量電機(jī)參數(shù)的方式是進(jìn)行堵轉(zhuǎn)實驗和空載實驗，但是這需要專門的實驗平臺，造價昂貴，不利于大范圍的實 際應(yīng)用。電機(jī)參數(shù)的辨識包括啟動前的離線辨識和電機(jī)運(yùn)行過程中的在線辨識，離線辨識用于為控制算法的計算提供原始數(shù)值，在線辨識是為了適應(yīng)實際運(yùn)行中電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化的情況，進(jìn)行實時的參數(shù)修正，以保證對電機(jī)控制性能的優(yōu)良。 (2)磁鏈觀測器的設(shè)計。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的觀測準(zhǔn)確與否直接決定了控制性能，精度高同時簡單易行的磁鏈觀測方法具有非常重要的意義。 (3)無速度傳感器的算法研究。在直接轉(zhuǎn)矩控制中需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速這個參數(shù)，通常情況下是采用加裝速度傳感器的方法來獲取速度信息，但是在復(fù)雜的實際情況中，加裝傳感器不僅非 常麻煩，而且會帶來額外的成本，因此，采用一定的算法來估計電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常有必要。 (4)控制器的設(shè)計。經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制中對磁鏈和轉(zhuǎn)矩采取滯環(huán)比較器進(jìn)行控制，它只考慮了誤差的方向而忽略了大小，會造成很大的脈動，影響系統(tǒng)性能。 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ) 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 本文的主要目的是研究對交流三相異步電機(jī)的控制。不論是對于經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，研究的對象都是被控對象的數(shù)學(xué)模型。在建立三相交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，需要做出以下假設(shè) ： (1)忽略空間諧 波，假設(shè)三相定轉(zhuǎn)子繞組在空間上互相相差 1200 電角度，它們產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布； (2)渦流、磁飽和鐵芯損耗忽略不計，各相繞組的自感和互感都是線性的； 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 7 (3)不考慮溫度和頻率變化對電機(jī)參數(shù)的影響。 異步電動機(jī)的空間矢量等效電路圖如圖 u sΨ s Ψ ri sR sL σ i s 圖 異步電動機(jī)空間矢量等效電路圖 將旋轉(zhuǎn)空間矢量在 α 軸上的投影稱為 α 分量，在正交的 β 軸上的投影稱為 β 分量，則有電壓公式 ： s s s ss s s su R iu R i????? ? ? ???? ? ??? (21) 其中，下標(biāo) α ,β 分別表示對應(yīng)空間 α 矢量和 β 分量和分量。移項并積分可得定子磁鏈公式 ： ()()s s s ss s s su R i dtu R i dt? ? ?? ? ??? ? ???? ? ????? (22) 轉(zhuǎn)矩公式： ()e p s s s sT n i i? ? ? ?? ? ? ? (23) 式中 —— 電磁轉(zhuǎn)矩（ N ） —— 電機(jī)極對數(shù) —— 磁通角（ rad） 電機(jī)運(yùn)動公式 1 weL ptdT T J nd?? (24) 式中 —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ N ） 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 8 J —— 轉(zhuǎn)動慣量（ kg ） 上述三式就是三相交流異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓公式、磁鏈公式以及轉(zhuǎn)矩公式，它們共同組成了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，這就是本文接下來進(jìn)行控 制系統(tǒng)分析和研究的基礎(chǔ)。 電壓空間矢量對定子磁鏈的影響 對于式 (23)，若忽略定 子電阻壓降的影響，則有 : ssssu dtu dt??????????????? (25) 所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關(guān)系，該關(guān)系見圖 。 圖 ， (x=1～ 6)表示電壓空間矢量， 表示定子磁鏈空間矢量， 、 、 、 、 表示正六邊形的六條邊，也表示等分的六個區(qū)間。當(dāng)定子磁鏈空間矢量 ，在圖 24所示位置時，其頂點(diǎn)在邊 上，如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為 (011)，根據(jù)式 (25)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關(guān)系，定子磁鏈空間矢量的頂點(diǎn)將沿著 邊的軌跡，朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運(yùn)動，到達(dá) 和的交點(diǎn)時，這時如給逆變器加上電壓空 間矢量 (001)，則定子磁鏈空間矢量 ，頂點(diǎn)會按照與 (001)平行的方向，沿著邊 的軌跡運(yùn)動。到達(dá) 和 的交點(diǎn)時，若給逆變器加上電壓空間矢量 (101)，則定子磁鏈空間矢量 頂點(diǎn)會按照與 (101)平行的方向，沿著邊 的軌跡運(yùn)動。同樣如依次給出 (100) , (110), (010)，定子磁鏈空間矢量 ，將依次沿著 、 、 的軌跡運(yùn)動。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 9 U s 3 （ 0 0 1 ） U s 2 （ 0 1 1 ）U s 4 （ 1 0 1 ）U s 1 （ 0 1 0 ）U s 5 （ 1 0 0 ）U s 6 （ 1 1 0 ）s 6s 1s 5s 4s 3s 2βΨ s 圖 電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量間的關(guān)系 至此可以得到如下結(jié)論 : 頂點(diǎn)的運(yùn)動方向和軌跡對應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量 的作用方向，只要定子電阻壓降影響相對較小， 的運(yùn)動軌跡近似平行 指示的方向 。 ，比如在圖 ，依次給出定子電壓空間矢量 u1u2u3u4u5u6，則定子磁鏈的運(yùn)動軌跡依次沿邊 ，形成正六邊形定子磁鏈軌跡 。 ，母殺邊代表看一個 周期定子磁鏈軌跡的 1/6 ，稱之為一個區(qū)段。 直接利用逆變器的六種工作開關(guān)狀態(tài)，簡單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用于控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。這種方法是最初的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。 電壓空間矢量對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角 有關(guān)。在實際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分發(fā)揮電動機(jī)的性能，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定，要改變電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，可以通過改變磁通角 來實現(xiàn)。在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其基本控制方法就是通 過電壓空間矢量 來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈斷續(xù)旋轉(zhuǎn)，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角，以達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 10 電壓空間矢量對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響如圖 。在 時刻，磁通角為 ( )，此時施加電壓空間矢量 (110)，定子磁鏈 將從 ( )旋轉(zhuǎn)到 ( )，運(yùn)動軌跡為 (t)，平行于 (110)。而轉(zhuǎn)子磁鏈不直接跟隨定子磁鏈，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角由 ( )增加到 ( )，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。如果在 時刻，施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量，則定子磁鏈靜止不動或反向旋轉(zhuǎn)，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。 U s 6 （ 1 1 0 ）αβΨ s ( t 2 )? Ψ s ( t )Ψ s ( t 1 )Ψ r ( t 2 )Ψ r ( t 1 )θ ( t 2 )θ ( t 1 )ω s 圖 電壓空間矢量對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 逆變器以及基本空間矢量的概念和原理 在三相異步交流電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器是非常重要的一個組成部分，它的主要功能是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電。一個電壓型三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)如圖 所示。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 11 圖 電壓型三相逆變器模型 在圖 中，直流側(cè)為電壓源，是由市電經(jīng)過整流提供的。它主要由六個開關(guān)組成，可以分為三組，每個橋臂上兩個。逆變器的一個最主要的特點(diǎn)是：單橋臂的上下兩個開關(guān)不能同時導(dǎo)通，即 Sa 和 Sa’在同一時刻若一個為