【正文】 L? —單相轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感之和 由圖 21 可以得出定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程： sssS dU R i dt??? （ 21） 0 r rtrr jdRi d ?? ?? ? ? （ 22） 而定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈： S s m rs LiLi? ?? （ 23） rrr m sLiLi? ?? （ 24） 轉(zhuǎn)矩方程：消去電壓方程和磁鏈方程中的 si 和 ri ，可以得到以定子磁鏈 s? 、 r? 為狀態(tài)變量的異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 8 10s s mrrSSssrmr rRrrrSSR R LL L L LdRLd RjL L LU???? ??????????? ?????? ???????? ???? ???? ???????? （ 25） 其 中 電 機(jī) 漏 感 系 數(shù) 21 mrSLLL? ?? （ 26） 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的形式 : | || |33 s in22mme s r s rs r s rPPLLT L L L L? ? ? ? ???? ? ? （ 27） 此外電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示成定子磁鏈和定子電流形式： ()32e ssssPT i i???????? （ 28） 運(yùn)動(dòng)方程： ( / )erLnJT T d d tP ??? （ 29） 式 27 中， ? 為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。 在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電機(jī)，而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定。式 (213)表明，當(dāng)維持定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值都恒定不變時(shí)，只要改變它們兩者之間的夾角就可以改變轉(zhuǎn)矩，這實(shí)際上就是直接轉(zhuǎn)矩控制之所以簡單的根本所在。 逆變器的數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量 逆變器如圖 22 所示，每一組的上下兩個(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)相反，這樣逆變器共有 8種開關(guān)狀態(tài)組合。逆變器上、下橋臂的開關(guān)器件在任一時(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通，一個(gè)處于開通的狀態(tài)另一個(gè)必須處于斷開的狀態(tài)，兩者處于開關(guān)互逆狀態(tài)。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 MEEV 1V 2V 3V 4V 5V 6U aU cbU 圖 22 電壓型逆變器原理圖 由于同一相上下橋臂的兩個(gè)開關(guān)器件一個(gè)導(dǎo)通，則另一個(gè)關(guān)斷，所以三組開關(guān)器件有八種可能的開關(guān)組合。分別用 aS 、 bS 、 cS 來表示三相上橋臂的開關(guān)狀態(tài)，以 a 相為例，當(dāng) a 相上橋臂導(dǎo)通時(shí)，記作 aS =1， 當(dāng) a 相上橋臂關(guān)斷時(shí)，記作 aS =0。這樣八種可能的開關(guān)狀態(tài)如表 21 所示： 表 21 逆變器的開關(guān)狀態(tài) 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 aS 0 0 0 0 1 1 1 1 bS 0 1 1 0 0 0 1 1 cS 0 0 1 1 1 0 0 1 八種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài) ―1‖到 ―6‖，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都是接到相同的電位上去；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài) ―0‖和狀態(tài) ―7‖，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。對(duì)于逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)外部負(fù)載來說，逆變器輸出七種不同的電壓狀態(tài)。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類：一類是六種工作電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于開關(guān)狀態(tài) ―1‖至 ―6‖，分別稱為逆變器的電壓狀態(tài) ―1‖至 ―6‖；另一類是零電壓狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài) ―0‖和 ―7‖，由于對(duì)外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。 逆變器輸出電壓狀態(tài)的空間矢量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ( 2 )13 acba Es ssu ??? ( 2 )13 bacb Es ssu ??? 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 10 ( 2 )13 c a bc Es ssu ??? （ 212） 式 212 為逆變器的數(shù)學(xué)模型 把逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量來表示，則逆變器的各種電壓狀態(tài)和次序就有了空間的概念。在這里我們引入 Park 矢量變換，選三相定子坐標(biāo)系中的 a 軸和 Park 矢量復(fù)平面正交的實(shí)軸重合，則其三相物理量 aU 、 bU 、 cU 的 Park 矢量 ()stu 為： 2433() 23 jjacbstu u u e u e????????? ?? （ 213） 從而我們可以得到逆變器的 7 個(gè)電壓狀態(tài)， (000 和 111 為零狀態(tài) )六個(gè)為有效電壓矢量，幅值均為 23dcu ，相鄰矢量相差 60 度，把整個(gè)平面均勻的劃分成六個(gè)扇區(qū)如圖 23 所示。 ( 010)SU (110 )SU( 011 )SU (100 )SU( 001 )SU (10 1 )SU?123 456000111b 圖 23 電壓空間矢量在坐標(biāo)系里的離散位置 本章小結(jié) 本章介紹了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理，并闡述了通過調(diào)節(jié)空間電壓矢量的方法來控制異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。 第 3章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成 直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，通過不斷變化電壓狀態(tài)使定子磁鏈軌跡為六邊形或近似圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的變化，從而控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求快速變化。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)速的主題就是在于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩完全是按照輸入轉(zhuǎn)矩的設(shè)定。 M速 度 P I調(diào) 節(jié) 器磁 鏈 滯 環(huán)轉(zhuǎn) 矩 滯 環(huán)開 關(guān)狀 態(tài)選 擇扇 區(qū) 判 斷磁 鏈 觀 測(cè)轉(zhuǎn) 矩 計(jì) 算逆變器3 / 2 相坐 標(biāo)變 換速 度 檢 測(cè)（ 速 度 傳 感 器 ）*s?*r?,ii??, buu??? ???? *eTNs? ,a b ci i i, bcu u u?r?F?TFeT 圖 31 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型框圖 圖 31 為典型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)磁鏈轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)系統(tǒng)。速度給定 *r? 與電機(jī)的速度觀測(cè)值 r? 進(jìn)行比較后經(jīng)過一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)*eT 。另一方面系統(tǒng)檢測(cè)三相定子電流和電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到靜止坐標(biāo)系，由此計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 eT 、磁鏈幅值 e? 和磁鏈所在的扇區(qū) N。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定和反饋信號(hào)送入轉(zhuǎn)矩和磁通比較器，其差值經(jīng)控制器輸出轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)。開關(guān)狀態(tài)選擇器根據(jù)不同的扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)確定下一個(gè)時(shí)刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而確定電機(jī)的端電壓，保證電機(jī)在定子磁通不變情況下轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載的要求。 從圖中可看到，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成 : (l)磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器 :由電流、電壓的采樣值經(jīng)過 3/2 變化按照電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩 。 (2)磁鏈調(diào)節(jié)器 :為了控制定子磁鏈在給定值的附近變化，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用兩點(diǎn)式控制，輸出磁鏈控制信號(hào) 。 (3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 :利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的給定轉(zhuǎn)矩，也是采用兩點(diǎn)式滯環(huán)控制，輸出轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 12 (4)開關(guān)狀態(tài)選擇單元 :根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制信號(hào)以及定子磁鏈位置，輸出合適的開關(guān)狀態(tài) abcS 來控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是建立在靜止定子坐標(biāo)系下的，首先異步電機(jī)定子相電壓、相電流的采樣值經(jīng) 3/2 坐標(biāo)變換，得到 ??? 坐標(biāo)下的分量，再按照異步電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)矩 eT 和定子磁鏈 s? 的兩個(gè)分量 s?? 、 s?? ，這樣就可以計(jì)算出定子磁鏈幅值 ||s? 和磁鏈位置 ||n? 。將測(cè)量得到實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值輸出給定轉(zhuǎn)矩 *eT 。將給定轉(zhuǎn)矩 *eT 和T 送入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，得到轉(zhuǎn)矩控制信號(hào) tF ，磁鏈調(diào)節(jié)器根據(jù)給定子磁鏈幅值 *||s? 和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值 ||s? 的差值輸出磁鏈控制信號(hào) F? 。最后開關(guān)狀態(tài)選擇單元根據(jù)磁鏈控制信號(hào) F? 、轉(zhuǎn)矩控制信號(hào) tF 和磁鏈位置 ||n? ，查逆變器開關(guān)狀態(tài)表，輸出正確合理的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正確運(yùn)行。 下面簡要地分析一下這些基本組成部分。 (l)速度 PI 調(diào)節(jié)器單元 由圖 31 可知，給定轉(zhuǎn)矩 *eT 由給定轉(zhuǎn)速 *r? 和實(shí)際轉(zhuǎn)速 r? 。偏差經(jīng)過速度 PI 調(diào)節(jié)器得到。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程 r eLdJ TTp dt? ??可知電磁轉(zhuǎn)矩與速度偏差之間是比例積分的關(guān)系。因此，通過速度調(diào)節(jié)器能獲得理想中的轉(zhuǎn)矩值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。而公式中的字母所代表的參數(shù)通常根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行整定。 (2)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較單元 定子磁鏈計(jì)算采用較為簡單的 UI 模型，磁鏈與定子電壓之間的關(guān)系為： ()ss Ss u i R dt? ??? （ 31） 由于定子電阻通常比較小，在分析時(shí)忽略釘子電阻壓降的影響，則有： ss u dt? ?? （ 32） 式 (32)表明單位時(shí)間內(nèi)的定子的電壓矢量實(shí)際上就是磁鏈?zhǔn)噶康脑隽浚ㄗ与妷旱拇笮『头较驔Q定了磁鏈軌跡的運(yùn)行速度和方向。由此可知控制異步電機(jī)的輸入電壓矢量，就可以控制定子磁鏈的大小、旋轉(zhuǎn)方向和速度。 磁鏈調(diào)節(jié) 磁鏈的調(diào)節(jié)通過磁鏈滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)比較器如圖 32 所示。磁鏈誤差為*| | | |s s s? ? ????，將誤差進(jìn)行滯環(huán)比較，當(dāng)誤差超過允許值就進(jìn)行電壓切換，使誤差控制在滯環(huán)寬度內(nèi)。調(diào)制規(guī)則為 : 當(dāng) s ????? 時(shí)， 1F?? ，此時(shí)選擇電壓矢量使 ||s? 增加 。當(dāng) s ?????? 時(shí)0F?? ，此時(shí)選擇擇電壓矢量使得 ||s? 減小 。當(dāng) || s ????? 時(shí)， F? 不變，此時(shí)電安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 壓矢量不變。 0 ??????||s? *|| s?? F ? 圖 32 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 磁鏈位置檢測(cè)單元 : 為了檢測(cè)定子磁鏈的位置，將 ??? 坐標(biāo)系分為六個(gè)區(qū)域： ( 2 3 ) ( 2 1 )()66nnn??????? （ 34） 其中 N=1,2,3,4,5,6，每個(gè)區(qū)域占 3? 角度，定子磁鏈 s? 在第 n 區(qū)域，我們就稱其在n 區(qū)域。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)一樣，也采用滯環(huán)比較器 (見圖 33)輸入量為轉(zhuǎn)矩給定值 *eT 及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值 eT ，輸出量為 TF ， 2T? 為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備兩個(gè)功能 :(l)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 。(2)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。通過電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，用定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠e來表達(dá)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 ( ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ( ) , ( ) ) ( ) ( ) ()s i n s i nt t t t t t t te m s s m s r s s m s r tT K K K? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??（ 33） 在實(shí)際運(yùn)行中要確保要保證定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐槎ㄖ?，使電?dòng)機(jī)的鐵芯得到充分的利用；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆涤呻妱?dòng)機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載決定?？梢酝ㄟ^改變磁通角 ()t? 的大小來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。通過加載有效空間電壓矢量，改變空間電壓矢量，使空間電壓矢量的幅值更合理，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速的大小使磁通角增大，從而增加轉(zhuǎn)矩；加載零電壓矢量，控制定子磁鏈停止運(yùn)行使磁通角變小，從而使轉(zhuǎn)矩減小。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制規(guī)