【正文】 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 1 引 言 隨著微電子技術、電力電子技術、計算機控制技術的進步，交流電 動機 調速技術發(fā)展到 現(xiàn)在 ，有了長足的進步。特別是 20 世紀 70 年代出現(xiàn)的矢量控制技術和 80 年代出現(xiàn)的直接轉矩控制技術，使交流電 動機 調速系統(tǒng) 的 性能可以與直流電 動機 調速系統(tǒng) 的性能 相媲美。而交流電 動機 尤其是鼠籠異步電動機由于其自身結構和運行特性的優(yōu)點，使得交流電 動機 調速系統(tǒng)的優(yōu)勢 強于 直流電 動機 調速系統(tǒng)。 在 交流電動機控制技術 中 調壓調頻控制、矢量控制以及直接轉矩控制（ Direct Torque Control 簡稱 DTC） 具有代表性 。其中應用直接轉矩控 制技術是一種高性能的控制調速技術，直接轉矩控制對交流傳動來說是一種最優(yōu)的電動機控制技術，它可以對所有交流電動機的核心變量進行直接控制。 直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 2 第 1章 緒論 異步電動機調速系統(tǒng)的發(fā)展狀況 在異步電動機調速系統(tǒng)中變頻調速技術是目前應用最廣泛的調速技術，也是最有希望取代直流調速的調速方式。就變頻調速而言，其形式也有很多。傳統(tǒng)的變頻調速方式是采用 v/f 控制。這種方式控制結構簡單，但由于它是基于電 動機 的穩(wěn)態(tài)方程實現(xiàn)的，系統(tǒng)的動態(tài)響應指標較差，還無法完全取代 直流調速系統(tǒng)。 1971 年，德國學者 EBlaschke 提出了交流電動機的磁場定向矢量控制理論，標志著交流調速理論 有了 重大突破。所謂矢量控制，就是交流電 動機 模擬成直流電 動機 來控制，通過坐標變換來實現(xiàn)電動機定子電流的勵磁分量和轉矩分量的解藕，然后分別獨立調節(jié)，從而獲得高性能的轉矩 特性 和轉速響應特性。 矢量控制主要有兩種方式 :磁場定向矢量控制和轉差頻率矢量控制。無論采用哪種方式，轉子磁鏈的準確檢測是實現(xiàn)矢量控制的關鍵，直接關系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。一般地，轉子磁鏈檢測可以采用直接法或間接法來實現(xiàn)。 直接法就是 通過在電動機內部埋設感應線圈以檢測電 動機的 磁鏈，這種方式會使簡單的交流電 動機 結構復雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁鏈的檢測精度也不能得到長期的保證。因此，間接法是實際應用中實現(xiàn) 轉子 磁鏈檢測的常用方法。這種方法通過檢測電機的定子電壓、電流、轉速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構的方法來觀測電 動機 的磁鏈。這種方法便于實現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測 的 精度，但由于在異步電動機直接轉矩調速系統(tǒng)的設計與仿真研究 在狀 態(tài)重構過程中使用了電 動機 的參數，如果環(huán)境變化引起電 動機 參數 的 變化，就會影響到 定子 磁鏈的準確觀測。為補償參數變化的 影響，人們又引入了各種參數在線辨識和補償算法，但補償算法的引入也會使系統(tǒng)算法復雜化。 1985 年，德國魯爾大學的 DePenbrock 教授提出了一種新型交流調速理論一一直接轉矩控制。這種方法結構簡單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大、控制結構復雜、系統(tǒng)性能受電 動機 參數影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調速方案。因此，直接轉矩控制理論一問世便受到廣泛關注。目前國內外圍繞直接轉矩控制的研究十分活躍。 直接轉矩控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望 十幾年來，在國 內外直接轉矩控制不斷得到發(fā)展和完善，許多文章從不同的角度提出了新的見解和方法，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)出了許多基于模糊控制和人工神經網絡的 DTC 系統(tǒng)，控制性能得到了進一步的改善和提高。對于研究直接轉矩控制系統(tǒng)的人們來說了解直接轉矩控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀有助于他們更好的改進直接轉矩控制系統(tǒng)的性能，以便于用自己的研究更好服務社會。 直接轉矩控制系統(tǒng)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的，改善和優(yōu)化各個環(huán)節(jié)的結構，必然有利于控制系統(tǒng)性能的提高。下面簡要介紹一些對直接轉矩控制中各控制環(huán)節(jié)安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 3 的改進研究情況。 (l)磁鏈調節(jié)器和轉矩調節(jié)器的細化改進 傳統(tǒng)直接轉矩控制一般對轉矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據各滯環(huán)的輸出結果來確定當前的電壓矢量。因為不同的電壓矢量在不同的瞬間對轉矩和定子磁鏈的調節(jié)作用互不相同，所以，只有根據當前轉矩和磁鏈的實時偏差合理地選擇電壓矢量，才有可能使轉矩和定子磁鏈的調節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。有人提出 了 通過改進轉矩調節(jié)器和磁鏈調節(jié)器的結構，細化了轉矩和定子磁鏈的偏差區(qū)分，提高了系統(tǒng)的性能。磁鏈調節(jié)器和轉矩調節(jié)器在結構上相同。 (2)新型開關狀態(tài)選擇器的研究 用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)直接轉矩控制的轉矩調節(jié)和 磁鏈調節(jié)時，需要人為設定觸發(fā)器的容差，其大小與系統(tǒng)的性能密切相關。為減少人為因素對系統(tǒng)性能的影響，有文章提出了將各種先進的智能控制理論應用于直接轉矩控制的新方案，通過應用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經網絡等來選擇開關狀態(tài)，異步電動機直接轉矩調速系統(tǒng)的設計與仿真研究完全抵消了觸發(fā)器的容差影響，使性能改善更加明顯。 (3)電壓矢量選擇方式的改進 直接轉矩控制通過定子磁鏈定向對轉矩進行 直接控制從而 選擇電壓矢量，雖然在各控制周期的開始時刻控制效果最佳，但是整個控制周期內的效果卻未必最好。為了改善這種情況，減小 轉矩的脈動，一些研究者提出了一種新的電壓矢量選擇方法 —預期電壓法 :首先根據轉矩偏差、磁鏈偏差和轉速計算出一個能達到最佳控制的預期電壓，然后用電壓型逆變器的 6 個工作電壓中與之相鄰的兩個電壓矢量來合成它，計算出各自的工作時間 ,然后用零電壓補足采樣周期 ’。 (4)低速性能的改善 傳統(tǒng)的直接轉矩控制系統(tǒng)中，低速時定子磁鏈的觀測受定子電阻影響較大，因此如何準確地檢測定子電阻的實時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問題。近來人們設計了多種定子電阻觀測器來解決這個問題。在一些文獻里提到了一種基于模糊控制的定子電阻在線觀 測器。該觀測器把對定子電阻值影響比較大的三個因素 —定子電流、轉速和運動時間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設計了模糊觀測器。定子電阻初值與變化值相加就是控制中的定子電阻。這種觀測方法能比較準確地觀測電阻的變化，低速性能有了比較好的改善。最近又有人提出了用神經網絡來實現(xiàn)定子電阻觀測器，實驗結果也證明是可行的，但具體的網絡結構還有待研究完善。 (5)無速度傳感器理論 在速度檢測方面，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求有速度傳感器，存在成本高、安裝維護困難、系統(tǒng)易受干擾、可靠性降低、不適于惡劣環(huán)境等弊端。采用無速度傳感器技 術是當今交流傳動發(fā)展的趨勢。 等人首次報道了無速度傳感器矢量控制的異步電動機調速系統(tǒng) 。 首次提出了理論意義上的轉速辯識方法 。1987 年， Tamaishinzo 采用模型參考自適應 (MARS) 的方法實現(xiàn)了對電動機轉速的自適應辯識。后來， Kubotahisao.， MatsuseKouki 又在電動機全階觀測器的基礎上分別采用李亞普諾夫理論和波波夫理論推導出了電動機轉速以及電動機定轉子電阻的磁鏈觀測器，我國也有這方面的論文發(fā)表。 上述方法均是針對矢量控制系統(tǒng)設計的，采用的狀態(tài)變 量是定子電流和轉子磁鏈。目前，我國學者胡育文等也在其文章中提出了新型自適應速度觀測器的理論，直接將閉環(huán)觀測器觀測的定子磁鏈應用于直接轉矩控制系統(tǒng)中，同時能夠辯識出電動機的轉速及電動機參數。 總之，直接轉矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學技術的進步，科技的進步又進一步促進直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 4 了直接轉矩控制技術的迅猛的發(fā)展，相信在不久的將來應用了高科技的直接轉矩控制技術會給社會帶來巨大的生產力。 問題的提出與解決問題的途徑 在感應電動機直接轉矩控制系統(tǒng)中電路模型采用的是空間矢量等效電路模型，并且利 用矢量變換將三個電壓標量三維變換為一個電壓矢量二維，這樣可得到七個電壓狀態(tài)。通過轉矩調節(jié)器來控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均角速度的大小，從而控制轉矩。正確選擇電壓空間矢量，可以形成六邊形定子磁鏈。從轉矩控制的角度來看，只關心轉矩的大小，即電流和磁鏈的乘積，但從電動機合理運行的角度出發(fā)，仍希望磁鏈幅值不變。 為了得到高動態(tài)性能的轉矩特性，還應使定子磁鏈的平均值盡可能為恒定值，這就需要對最初提出的直接轉矩控制系統(tǒng)進行改進，最為理想的情況當然是采用三相正弦波給感應電動 機供電，定子磁鏈軌跡為圓形，諧波、噪音及轉矩脈動最小，這需要增加開關數量及其切換頻率。這對直接轉矩控制提出了更高的要求，也說明研究高性能的直接轉矩控制系統(tǒng)是非常必要的。 為了減小直接轉矩控制系統(tǒng)中的轉矩脈動，提高感應電動機的調速性能，采用了定子磁鏈軌跡近似為圓形的控制方法，也就是將定子磁鏈的幅值限定在一個比較小的范圍內，而不是使定子磁鏈按照六邊形軌跡運動，定子磁鏈的幅值一旦超出這個范圍，相應改變定子電壓向量，控制其回到限定的范圍內。 為實現(xiàn)這一控制，并且考慮到逆變器件所能承受的開關頻率，將定子磁鏈的軌跡分為 六個區(qū)，對定子磁鏈實行分區(qū)控制，不同區(qū)域采用不同定子電壓切換向量，使得定子磁鏈的軌跡近似為一圓形。對于轉矩調節(jié)采用三值調節(jié)器，可以控制定子磁鏈正轉、反轉或靜不動，從而控制轉矩，以實現(xiàn)轉矩的快速調節(jié)。 本章小結 本章介紹了交流調速技術的發(fā)展與應用，闡述了直接轉矩控制技術的優(yōu)點，并介紹了直接轉矩控制技術的發(fā)展。 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 5 第 2章 直接轉矩控制的基本原理 自從 70 年代矢量控制技術發(fā)展以來，交流傳動技術就從理論上解決了交流調速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術模仿直流電 動機 的控制方法，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全 控制 。它的提出具有 跨 時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難于準確觀測、系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大以及在模擬直流電動機過程中所用矢量旋轉變化的復雜性，使得實際的控制效果難以達到理論分析的結果。直接轉矩控制針對電 動機 的核心變量作直接控制。本章從異步電動機的數學模型入手，闡述了直接轉矩控制系統(tǒng)的基本原理，對系統(tǒng)的各部分結構進行了介紹和分析。 異步電動機的數學模型 交流異步電機的數學模型相當復雜，它是一個 高階，非線性，強禍合的多變量系統(tǒng)，坐標變換的目的就是要簡化數學模型。在討論交流異步電機的數學模型前假設電機有如下特性 : (l)電 動機 三相定、轉子繞組完全對稱。 (2)電 動機 定、轉子表面光滑，無齒槽效應。 (3)電 動機 氣隙磁動勢在空間正弦分布。 (4)鐵心渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計。 在滿足上述理想電 動機 假設條件下，經推導可得異步電 動機 在靜止坐標系下的數學模型。對于分析直接轉矩控制系統(tǒng)，采用空間矢量的數學分析方法，以定子磁鏈定向，建立在靜止 ??? 正交定子坐標系上，圖 21 是異步電 動機 的等效電路。 直接轉矩控 制的異步電機調速系統(tǒng)仿真研究 6 susi sRs? Li?riRRJ?? 圖 21 電動機空間矢量等效電路圖 圖 21 中各變量的意義如下： ? —電角速度（機械角速度與極對數的積） SU —定子電壓空間矢量 si 、 ri —定子、轉子電流空間矢量 s? 、 r? —定子、轉子磁鏈空間矢量 sR 、 L —單相定子電阻、電感 rR —折算到定子側的單相轉子電阻 L? —單相轉子漏感與定子漏感之和 由圖 21 可以得出定子電壓方程轉子電壓方程： sssS dU R i dt??? （ 21） 0 rrtrr jdRi d ?? ?? ? ? （ 22） 而定子磁鏈與轉子磁鏈： S s m rs LiLi? ?? （ 23） rrr m sLiLi? ?? （ 24） 轉矩方程：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)變量的異步電動機的狀態(tài)方程。 安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 7 10s s mrrSSssrmr rRrrrSSR R LL L L LdRLd RjL L LU???? ??????????? ?????? ???????? ???? ???? ???????? （