【正文】 （ 29） 式 27 中， ? 為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。 (4)鐵心渦流、飽和及磁滯損耗忽略不計(jì)。 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，它是一個(gè) 高階，非線性，強(qiáng)禍合的多變量系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的目的就是要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。它的提出具有 跨 時(shí)代的意義。對(duì)于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)采用三值調(diào)節(jié)器，可以控制定子磁鏈正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或靜不動(dòng)，從而控制轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)。 為了得到高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性，還應(yīng)使定子磁鏈的平均值盡可能為恒定值，這就需要對(duì)最初提出的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，最為理想的情況當(dāng)然是采用三相正弦波給感應(yīng)電動(dòng) 機(jī)供電，定子磁鏈軌跡為圓形，諧波、噪音及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，這需要增加開(kāi)關(guān)數(shù)量及其切換頻率。 問(wèn)題的提出與解決問(wèn)題的途徑 在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)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(gè)電壓標(biāo)量三維變換為一個(gè)電壓矢量二維，這樣可得到七個(gè)電壓狀態(tài)。后來(lái)， Kubotahisao.， MatsuseKouki 又在電動(dòng)機(jī)全階觀測(cè)器的基礎(chǔ)上分別采用李亞普諾夫理論和波波夫理論推導(dǎo)出了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻的磁鏈觀測(cè)器，我國(guó)也有這方面的論文發(fā)表。采用無(wú)速度傳感器技 術(shù)是當(dāng)今交流傳動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)。定子電阻初值與變化值相加就是控制中的定子電阻。 (4)低速性能的改善 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，低速時(shí)定子磁鏈的觀測(cè)受定子電阻影響較大，因此如何準(zhǔn)確地檢測(cè)定子電阻的實(shí)時(shí)變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問(wèn)題。 (2)新型開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇器的研究 用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和 磁鏈調(diào)節(jié)時(shí)，需要人為設(shè)定觸發(fā)器的容差，其大小與系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。 (l)磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的細(xì)化改進(jìn) 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制一般對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)各滯環(huán)的輸出結(jié)果來(lái)確定當(dāng)前的電壓矢量。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望 十幾年來(lái)，在國(guó) 內(nèi)外直接轉(zhuǎn)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(jiàn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 DTC 系統(tǒng)，控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高。 1985 年，德國(guó)魯爾大學(xué)的 DePenbrock 教授提出了一種新型交流調(diào)速理論一一直接轉(zhuǎn)矩控制。因此，間接法是實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)子 磁鏈檢測(cè)的常用方法。 矢量控制主要有兩種方式 :磁場(chǎng)定向矢量控制和轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式是采用 v/f 控制。 在 交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù) 中 調(diào)壓調(diào)頻控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制（ Direct Torque Control 簡(jiǎn)稱 DTC） 具有代表性 。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引 言 隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，交流電 動(dòng)機(jī) 調(diào)速技術(shù)發(fā)展到 現(xiàn)在 ，有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。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(duì)交流傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一種最優(yōu)的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，它可以對(duì)所有交流電動(dòng)機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。這種方式控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于它是基于電 動(dòng)機(jī) 的穩(wěn)態(tài)方程實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)較差，還無(wú)法完全取代 直流調(diào)速系統(tǒng)。無(wú)論采用哪種方式，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。這種方法通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等可以直接檢測(cè)的量，采用狀態(tài)重構(gòu)的方法來(lái)觀測(cè)電 動(dòng)機(jī) 的磁鏈。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計(jì)算量大、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)性能受電 動(dòng)機(jī) 參數(shù)影響較大等缺點(diǎn)，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。對(duì)于研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的人們來(lái)說(shuō)了解直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀有助于他們更好的改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，以便于用自己的研究更好服務(wù)社會(huì)。因?yàn)椴煌碾妷菏噶吭诓煌乃查g對(duì)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用互不相同，所以，只有根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實(shí)時(shí)偏差合理地選擇電壓矢量，才有可能使轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)過(guò)程達(dá)到比較理想的狀態(tài)。為減少人為因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，有文章提出了將各種先進(jìn)的智能控制理論應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新方案，通過(guò)應(yīng)用各種智能控制理論如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來(lái)選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)，異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。近來(lái)人們?cè)O(shè)計(jì)了多種定子電阻觀測(cè)器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這種觀測(cè)方法能比較準(zhǔn)確地觀測(cè)電阻的變化，低速性能有了比較好的改善。 等人首次報(bào)道了無(wú)速度傳感器矢量控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 。 上述方法均是針對(duì)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，采用的狀態(tài)變 量是定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈。通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器來(lái)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(zhuǎn)矩。這對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制提出了更高的要求，也說(shuō)明研究高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是非常必要的。 本章小結(jié) 本章介紹了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測(cè)、系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大以及在模擬直流電動(dòng)機(jī)過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。在討論交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前假設(shè)電機(jī)有如下特性 : (l)電 動(dòng)機(jī) 三相定、轉(zhuǎn)子繞組完全對(duì)稱。 在滿足上述理想電 動(dòng)機(jī) 假設(shè)條件下，經(jīng)推導(dǎo)可得異步電 動(dòng)機(jī) 在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 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。 直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 8 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(kāi)關(guān)器件一個(gè)導(dǎo)通，則另一個(gè)關(guān)斷，所以三組開(kāi)關(guān)器件有八種可能的開(kāi)關(guān)組合。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(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài) ―0‖和 ―7‖，由于對(duì)外來(lái)說(shuō)，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)。 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 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 10 直接轉(zhuǎn)矩控制充分利用電壓型逆變器的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，通過(guò)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(guò)零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來(lái)改 變轉(zhuǎn)差頻率，以控制電機(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。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。 (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)采用兩安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 點(diǎn)式控制，輸出磁鏈控制信號(hào) 。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 。 (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? 。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。滯環(huán)比較器如圖 32 所示。當(dāng) || s ????? 時(shí)， F? 不變，此時(shí)電壓矢量不變。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 ?？梢酝ㄟ^(guò)改變磁通角 ()t? 的大小來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。 若 * 0eeTT??時(shí)，則 0TF ? ； 若 * 0eeT TT?? ? ? ?時(shí)，則 TF 保持不變 *eTe?? TFT?T??10 1? 圖 33 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 空間電壓矢量對(duì)定子磁鏈的影響 與磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡成 60 度和 120 度的兩種空間電壓矢量的電壓狀態(tài)可以讓定子磁鏈的幅值增大，我們稱在這兩種電壓狀態(tài)的電壓為定子磁鏈電壓。如果需要 s? 作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可選擇電壓矢量 2U 。因此， 磁鏈調(diào)節(jié)使得定子磁鏈空間矢量在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，其幅值始終在系統(tǒng)允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)變化。因此直接轉(zhuǎn)矩控制就是讓工作電壓矢量和零電壓矢量交替作用，這樣就可以控制定子磁鏈走走停停，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁鏈的相位和幅值的控制。 空間電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn) 矩的影響 從前面的分析可知，轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速起決定性的影響作用，轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性能。 在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心 。從 1t時(shí)刻考察到 2t 時(shí)刻，若此時(shí)給出的定子電壓空間矢量 ( ) (010 )ssu t u? ，則定子磁鏈空間矢量由 1()st? 的位置旋轉(zhuǎn)到 2()sut 的位置。因此，通過(guò)合理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速度的大小。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 PI 調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個(gè)分量，合成所需要的參考的空間電壓矢量。 雖然在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中我們對(duì)異步電動(dòng)機(jī)在中速（正常的運(yùn)行速度）的研究投入了巨大的精力，但其他情況的研究也要投入我們的研究。為此要求在控制方法上做相應(yīng)的考慮。 四 .用符號(hào)比較器確定區(qū)段。在低速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可以采用 0o 電壓矢量、 60o ―電壓矢量、 +60o 電壓矢量和 120o 電壓矢量協(xié)調(diào)控制。高速范圍的調(diào)節(jié)方案有以下幾個(gè)特點(diǎn) : 一 .用電動(dòng)機(jī)模型檢測(cè)計(jì)算電動(dòng)機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 四 .磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩。其次，弱磁范圍是工作在基速以上，全電壓工作，沒(méi)有零狀態(tài)電壓工作的時(shí)間，工作電壓在整個(gè)區(qū)段中起作用。轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率就 是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。 四 .用功率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)器的輸出作為磁鏈給定值，以控制磁鏈自控制單元。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 本章小結(jié) 本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。 MATLAB的兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，即強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力 和完美的圖形可視化功能，使得它成為國(guó)際控制界應(yīng)用最廣泛的首選計(jì)算機(jī)工具。 MATLAB 的程序與科技人員的書(shū)寫(xiě)習(xí)慣相近，因此，它易讀易寫(xiě)，易于科技人員的交流。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條命令即可繪出圖形。各領(lǐng)域的科技人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)專業(yè)的知識(shí)編寫(xiě)出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務(wù)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（ M 文件）后再一起運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開(kāi)發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫(xiě)代碼 。 （ 5）出色的圖形處理功能 MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。允許用戶編寫(xiě)可以和MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語(yǔ)言程序。它支持連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，也支持具有多種采用速率的系統(tǒng)仿真。這種方法使得用戶可以深入的立即模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用的。 case 1 sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Rr,Ls,Lr,Lm)。Unhandled flag=39。 = 0 = 5。 sys=simsizes (sizes)。 0]。 sys(1)=(Rs*Lr*a*x(1)+Lm*Lm*u(3)*x(2)+Rr*Lm*a*x(3)+Lr*Lm*u(3)*x(4)+Lr*u(1))/2 sys(2)=(Lm*Lm*u(3)*x(1)Rs*Lr*a*x(2)Lr*Lm*u(3)*x(3)+Rr*Lm*a*x(4)+Lr*u(2))/2。 sys(2)=u(2)。 定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的模塊 磁鏈模塊的輸入是電機(jī)的定子電壓、電流和定子電阻，輸出是電子磁通和電磁轉(zhuǎn)矩，其仿真模塊的建立是根據(jù)第二章定子磁鏈電壓模型。 磁鏈幅值計(jì)算與區(qū)域判定可用 S 函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下 : Function[sys,x0,str,ts]=sector(t,x,u,flag) 直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 26 Switch flag Case 0, [sys,x0,str,ts] =mdllnitializesize Case 3, Sys=mdloutputs(u) 。 =2。 xo=[]。 if faial=0 Sal=O。 end sys(l)=4*Sal+2*Sbl+Sel。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 +S i n g l e +S i n g l e +S i n g l e 1 12 23 3VAVBVCAB