【正文】 研究現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞： 異步電機(jī) 、直接轉(zhuǎn)矩 控制 、 系統(tǒng)仿真 、 磁鏈計算 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 2 Abstract: For threephase asynchronous motor direct torque control (DTC) is a high performance frequency control. The threephase asynchronous motor direct torque control following the vector control technology developed a new, highperformance frequency control technology. Use of space vector analysis method, directly in the stator coordinate system and control the torque of the AC motor stator flux orientation control of torque and flux hysteresis PWM signal directly to the inverter switching state the optimal control, in order to obtain high dynamic performance of the system. Direct Torque Control with fast torque response, the control structure is simple, easy to implement fully digital features, are widely used. With economic development, the use of highperformance AC speed gradually to replace higherpriced DC speed in many areas is a trend. Direct Torque Control is the greatest potential for a highperformance AC variable speed, and the control method is very suitable for alldigital, so its indepth study has a good practical significance. 1985 German scholar Depenbrock and Japanese scholars Takahashi have put forward the idea of induction motor direct torque control (DTC). Direct Torque Control technology was born, novel control their own thoughts, concise system structure, excellent static performance by the general concern and has been a rapid development. The DTC study has been made a lot of progress, but it also in theory and practice is not mature enough, such as lowspeed performance, torque ripple, limiting the speed range of the system. Threephase induction motor speed control system of this thesis direct torque control scheme. Related to the multidisciplinary field of motor drives, power electronics, automatic control theory, the direct torque control system, including torque calculation, flux, torque, flux linkage hysteresis regulator and speed PI regulator, mainly includes the following four parts: First part of introducing the subject of research background and domestic research status quo. The second part of the establishment of a mathematical model of the threephase 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 3 asynchronous motor, clear basic principle of direct torque control. The third part, a detailed analysis of the position of the various parts of the direct torque control system. 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。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。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。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。 (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。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)。 (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。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。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。傳統(tǒng)的測量電機(jī)參數(shù)的方式是進(jìn)行堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和空載實(shí)驗(yàn)，但是這需要專門的實(shí)驗(yàn)平臺，造價昂貴，不利于大范圍的實(shí) 際應(yīng)用。 (3)無速度傳感器的算法研究。 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。移項(xiàng)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)。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。 ，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。在實(shí)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(shí)現(xiàn)。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。 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。 8 種不同的開關(guān)狀態(tài)組合下，輸出的相電壓和線 電壓如表 所示。在感應(yīng)電動機(jī)矢量控制中，基本的控制思想是將定子電流作為控制變量，通過控制定子電流勵磁分量來控制轉(zhuǎn)子磁通、定子磁通或者氣隙磁通，在此基礎(chǔ)上，通過控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量使可控制電磁轉(zhuǎn)矩。正因如此，雖然直接轉(zhuǎn)矩控制從理論提出到實(shí)際應(yīng)用都滯后于矢量控制，但由于該方法本身固有的優(yōu)勢，使直接轉(zhuǎn)矩控制的理論研究和技術(shù)開發(fā)越來越受到重視，進(jìn)展的步伐也越來越快。將定子磁鏈?zhǔn)噶繉?shí)際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環(huán)比較器，同時將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與 給定值比較厚的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，根據(jù)兩個滯環(huán)比較器的輸出，由表 22給出的開關(guān)電壓矢量查詢表，可以確定開關(guān)電壓矢量的選擇。 QDρjs ψjψe s +=Ψ=Ψ s （ 31） 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 14 DQs ψψnrctρ aa= （ 32） sDs ψrcρ Ψco sa= （ 33） sQsψrcρΨsina= （ 34） 式中 22 +=Ψ QDs ψψ （ 35） 這樣。例如，對于區(qū)間 ① ， Dψ 0，但這時可能存在 Qψ 0，也可能存在 Qψ 0這兩種情況。所以定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測是異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要組成部分，起著決定性作用。其誤差是由定子電阻的存在引起的。 在 30%額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)，電壓 u 較小， uRi 較小，定子電阻壓降的影響很大，由此引起的誤差較大，此時磁鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計算。但是 in 模型受轉(zhuǎn)子電阻 、漏電感 ,主電感 L 變化的影響。如圖 所示 : 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 17 R SIIP IR SIIP IR rL σR rL σi s αi s α+? i+’Ψ s αΨ s β++++1L σ1L σ1L1L++Ψ r αΨ r αΨ r βΨ r βΨ s αΨ r α++++++i s β’i s βω 圖 un 模型 圖 29 中，電流調(diào)節(jié)“ PI”單元的作用是強(qiáng)迫電動機(jī)模型電流和實(shí)際的電動機(jī)電流相等 .如果電動機(jī)模型得到的電流 與實(shí)際測量到的電動機(jī)電流 不相等 .就會產(chǎn)生一個差值 送入到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。高速時，電動機(jī)模型實(shí)際工作在 ui 模型下，磁鏈實(shí)際上只是由定子電壓與定子電流計算得到。 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制 在 DTC 控制理論中，核心就是通過選擇合理的電壓空間矢量，控制定子磁鏈的幅值保持在給定值附近，保持圓形的磁鏈軌跡，在此基礎(chǔ)上保持電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值變化。 ?? 和 T? 分別表示定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的最大允許偏差。以此類推，如圖中虛線箭頭所示，就保證了 s?的幅值一直被限定在希望的范圍內(nèi)。當(dāng)施加零電壓矢量時，定子磁鏈?zhǔn)噶勘３植蛔?。另一種形式是 PI 調(diào)節(jié)，如圖 b)所示。轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)輸出的是與定子磁鏈空間矢量垂直方向上的所需電壓空間矢量，用以調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。如此，逆變器只能在這個規(guī)則下一次選擇非零開關(guān)電壓矢量，