【正文】 Key words： asynchronous motors ； diret torque control 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 前 言 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC（ Direct Torque Control）系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)交流調(diào)速技術(shù)是繼矢量控制變頻之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的變頻調(diào)速技術(shù)。 DTC 借助瞬時空間矢量理論在定子靜止坐標(biāo)系下計 算電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與給定值做滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，具有結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點。 從算法分析和系統(tǒng)仿真分析討論的結(jié)果，可以得出擴(kuò)展卡爾曼算法在無速度傳感器 應(yīng)用中的優(yōu)點是：利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器可以不必了解電機(jī)的機(jī)械參數(shù)知識 (可以克服電機(jī)參數(shù)反應(yīng)靈敏的問題 )，在電機(jī)啟動過程中不必 知道電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置 (可以解決電機(jī)的啟動問題 )，此外， EKF 算法可以確保系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性 (其他一些通過狀態(tài)觀測器實現(xiàn)電機(jī)無速度 傳感器 控制的方法，通常僅在標(biāo)稱狀態(tài)的軌跡上將電機(jī)非線性化，不能保證系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性 )，而且整個系統(tǒng)易于數(shù)字化實現(xiàn)。但是擴(kuò)展卡爾曼算法復(fù)雜，需要矩陣求逆運算，計算量大，為滿足實時控制的要求，需要高速，高精度的數(shù)字信號處理器。另一方面，擴(kuò)展卡爾曼濾 波器要用到很多隨機(jī)誤差的統(tǒng)計參數(shù)，由于模型復(fù)雜，涉及因素多，使得分析這些參數(shù)的工作比較困難，需要通過大量調(diào)試才能確定合適的隨機(jī)參數(shù)，而且調(diào)速范圍有一定的局限性，只適合中高速調(diào)速系統(tǒng)。 隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，有了長足的進(jìn)步。特別是 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和 80 年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能可以與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美。而交流電動機(jī)尤其是鼠籠異步電動機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)和運行特性的優(yōu)點，使得交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢 強于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 在交流電動機(jī)控制技術(shù)中槍挑調(diào)頻控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩 控制（ Direct Torque Control 簡稱 DTC）具有代表性。其中應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種高性能的控制調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一種最優(yōu)的電動機(jī)控制技術(shù)，它可以對所有交流電動機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 1 緒論 課題背景 運動控制系統(tǒng)包括直流拖動控制系統(tǒng)和交流拖動控制系統(tǒng)。相比直流拖動，交流拖動省去了電刷和換向器的經(jīng)常維修帶來的成本。同時，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成 電路和計算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)，以及交流拖動在節(jié)能減耗方面的優(yōu)勢，交流拖動在異步電動機(jī)和同步電動機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括風(fēng)機(jī)、造紙廠、地鐵和機(jī)車牽引、電動汽車、機(jī)床和機(jī)器人、家用電器和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。交流電機(jī)的各種控制方法，包括標(biāo)量控制、向量控制（磁場定向控制）、直接轉(zhuǎn)矩控制和自適應(yīng)控制等。標(biāo)量控制只對變量的幅值進(jìn)行控制，忽略電機(jī)的耦合效應(yīng)，其動態(tài)性能較差，但實現(xiàn)起來較為方便。與標(biāo)量控制不同，向量控制中變量的幅值和相位都被控制。采用向量控制可以使異步電動機(jī)像他勵直流電動機(jī)那樣實現(xiàn)高性能的解耦控 制，因此向量控制也被稱為解耦控制或向量變換控制。向量控制既可以應(yīng)用于異步電動機(jī)控制系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于同步電動機(jī)控制系統(tǒng) H1。向量控制在交流拖動中的優(yōu)勢是明顯的，然而也存在一系列不能忽視的問題。在向量控制過程中，轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，以及在模擬直流電動機(jī)控制過程中所用向量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難以達(dá)到理論分析的程度。直接轉(zhuǎn)矩控制解決了上述一系列問題，在交流拖動控制系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。直接轉(zhuǎn)矩控制于 1985 年由德國魯爾大學(xué)的 教授首次提 出，并獲得了令人滿意的控制效果。不同于向量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制不需要估計轉(zhuǎn)子磁鏈，只需要估計定子磁鏈，涉及到的電動機(jī)參數(shù)只有定子電阻，因而對電動機(jī)參數(shù)的依賴性大大減弱。相比向量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制省去了復(fù)雜的向量旋轉(zhuǎn)變換，其控制思想新穎、控制結(jié)構(gòu)簡單、控制手段直接、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，因而是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。目前廣泛應(yīng)用于三相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)中，在家用電器、汽車工業(yè)、電力機(jī)車牽引等工業(yè)生產(chǎn)中也發(fā)揮著巨大的作用。 異步電機(jī)發(fā)展概況 電力拖動系統(tǒng)分為恒速 拖動系統(tǒng)和調(diào)速拖動系統(tǒng)。調(diào)速拖動系統(tǒng)又可分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。用直流電機(jī)可方便地進(jìn)行調(diào)速，其具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制性能，但由于本身結(jié)構(gòu)特點，直流調(diào)速有幾個主要缺點： (1)直流電動機(jī)容易出現(xiàn)故障，維修困難。 (2)使用場合受到限制，在易燃易爆以及環(huán)境惡劣的地方不能采用。 (3)由于直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)因素使單機(jī)容量及轉(zhuǎn)速受到限制。 (4)直流電動機(jī)的價格高于交流電動機(jī)。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，近年來交流調(diào)速獲得飛躍的發(fā)展，采用交流電機(jī)拖動方式逐步占據(jù)了主要地位。異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，其負(fù)載時的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系，還隨著負(fù)載的大小發(fā)生變化。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低。異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下， 一 般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。 異步電機(jī)具有下面幾個優(yōu)點： (1)異步電動機(jī)特別是 鼠 籠型異步電動機(jī)的價格遠(yuǎn)低于直流電動機(jī)。 (2)異步電動機(jī)不易出現(xiàn)故障，維修簡單。 (3)異步電機(jī)使用場合沒有限制。 (4)電動機(jī)的單機(jī)容量遠(yuǎn)大于直流電動機(jī)。 異步電機(jī)有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運行，能滿足大多數(shù)工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動要求。異步電機(jī)還便于派生成各種不同型式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。異步電機(jī)運行時，必須從電網(wǎng)吸取無功功率，使電網(wǎng)的功率因子變壞。因此，對驅(qū)動球磨機(jī)、壓縮機(jī)等大功率、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，常采用同步電機(jī)。由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速有一定的轉(zhuǎn)差關(guān)系，其調(diào)速性能較差，對要求較寬廣和平滑調(diào)速范圍的設(shè)備采用直流電機(jī)較經(jīng)濟(jì)、方便。但隨著大功率電子器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前適用于寬調(diào)速的異步電機(jī)的調(diào)速性能及經(jīng)濟(jì)性已可與直流電機(jī)的相媲美。 直接轉(zhuǎn)矩控制的產(chǎn)生與概況 自從 20 世紀(jì) 70 年代向量控制 技術(shù)發(fā)展以來，交流拖動技術(shù)就從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的問題。所謂向量控制，就是將交流電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)來控制，通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)電機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，然后分別獨立控制，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速回應(yīng)特性。盡管向量控制從理論上可以使交流拖動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性得到改善，但是在向量解耦時需要用到電動機(jī)參數(shù)。在電動機(jī)運行過程中，隨著電動機(jī)溫度的升高和磁路的飽和，這些參數(shù)可能在大范圍內(nèi)變化，而使用不精確的參數(shù)則難以實現(xiàn)動態(tài)過程的完全解耦。為補償參數(shù)變化的影響， 人們又引入了各種參數(shù)的補償算法和在線辨識，但這些算法使得系統(tǒng)復(fù)雜化，并且由于向量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果很難達(dá)到理論分析的程度，這是向量控制在實踐上的不足之處。直接轉(zhuǎn)矩控制（ Direct Torque Control—— DTC）是在向量控制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，是繼向量控制以后提出的又一種異步電動機(jī)控制方法。其思路是把異步電動機(jī)和逆變器看成是一個整體，采用電壓向量分析方法直接在靜止坐標(biāo)系下分析和計算電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，通過磁鏈跟蹤得出ＰＷＭ逆變器的開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)從而直接控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。與向量控 制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制的主華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 要優(yōu)點是：在定子坐標(biāo)系下對電動機(jī)進(jìn)行控制，摒棄了向量控制中的解耦思想，直接控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并用定子磁鏈的定向代替轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，避開了電動機(jī)中不易確定的參數(shù)（轉(zhuǎn)子電阻）。由于定子磁鏈的估算只與相對比較容易測量的定子電阻有關(guān)，所以使得磁鏈的估算更容易、更精確，受電動機(jī)參數(shù)變化的影響也更小。此外，直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差來確定電壓向量，與以往的調(diào)速方法相比，它具有控制直接、計算過程簡化的優(yōu)點。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制一問世便受到廣泛關(guān)注，目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究 十分活躍。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 直接轉(zhuǎn)矩控制雖然有以上諸多優(yōu)點，但目前在理論上尚不成熟，不夠完善，其經(jīng)典模型固有的缺陷一直阻礙著直接轉(zhuǎn)矩控制的進(jìn)一步發(fā)展。其主要問題是：定子磁鏈的準(zhǔn)確估計，電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大，逆變器開關(guān)頻 率不恒定等。圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2 應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 認(rèn)真研究異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，是實現(xiàn)高性能的異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的保證。異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和直流電動機(jī)的動態(tài) 數(shù)學(xué)模型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別，是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型時，常作如下的假設(shè)： (1)忽略空間諧波； (2)忽略磁路飽和； (3)忽略鐵心損耗； (4)忽略頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響； 無論異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是繞線型還是鼠籠型，都將它等效成三相繞線型，并折算到定子側(cè)，折算后的定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。這樣，電機(jī)繞組就等效成圖 ２ １ 所示的三相異步電動機(jī)的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線 A,B,C 在空間是固定的， A 軸與參考坐標(biāo)軸的 X 軸重合；轉(zhuǎn)子三相繞組軸線 a,b,c 隨 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a 軸和定子 A 軸間的電角度 ? 為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正 方向符合電動機(jī)慣例和右手螺旋定則。 ωYθaXBbcC 圖 21 三相異步電動機(jī)的物理模型 直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較簡單，其主磁通基本上唯一地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。為了能將異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型等效變換成類似直流電動機(jī)的形式，需要引入坐標(biāo)變換 。坐標(biāo)變換包括三相 兩相變換和兩相 兩相旋轉(zhuǎn)變換。不同電動機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動勢完全相同。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 odαABCFωoFωβoβαFω (a)三相交流繞組 (b)兩相交流繞組 (c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組 圖 22 等效的電動機(jī) 繞組物理模型 圖 22 等效的交流電動機(jī) 繞組和直流電動機(jī)繞組物理模型以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為原則，圖 22 中的三種物理模型彼此等效。通過坐標(biāo)變換，可以得到異步電動機(jī)在兩相任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、兩相靜止坐標(biāo)系、兩相同步坐標(biāo)系三種不同坐標(biāo)系下的 數(shù)學(xué)模型。 異步電動機(jī)在任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 設(shè)兩相坐標(biāo) d 軸與三相坐標(biāo) A 軸的夾角為 S? ，而 S dqsp??? 為兩相任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ dq 坐標(biāo)系）相對于定子的角轉(zhuǎn)速，數(shù)學(xué)模型由以下方程表述： (1)磁鏈方程 00000000sd sdSmsq sqSmrd rdmrrq rqmriLLiLLiLLiLL????? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? (21) 式中 sd? ， sq? ， rd? ， rq? —— dq坐標(biāo)系下定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的兩個分量； sdi , sqi , rdi , rqi —— dq坐標(biāo)系下定子電流與轉(zhuǎn)子電流的兩個分量； mL —— 定子 與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感 SL —— 定子等效兩相繞組的自感； rL —— 轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感； (2)電壓方程 s d S S d q s m d q s m s ds q d q s s S S d q s m m s qr d m d q r m r r d q r r r dr q d q r m m d q r r r r r qU R L P L p L iU L R L P L L p iU L p L R L P L iU L L p L R L P i????????? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (22) 式中 sdU ， sqU ， rdU ， rqU dq 坐標(biāo)系下定子電壓與轉(zhuǎn)子電壓的兩個