【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 述理想電機(jī)假設(shè)條件下，經(jīng)推導(dǎo)可得 感應(yīng) 電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，采用矢量的數(shù)學(xué)模型分析方法，以定子磁鏈定向，建立在靜止 dq 正交定子坐標(biāo)系下，圖 21（ a）是異步電機(jī)的等效電路。 [5] 圖 （ a）異步電機(jī)空間矢量等效電路圖 電磁轉(zhuǎn)矩可 為： ssne iPT ?? ? （ ） 式中， s? 是定子磁鏈空間矢量； si 是定子電流空間矢量。兩者都是以定子三相軸系表示的矢量。 同樣，在定子三相軸系中定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量都可表示為： s s s m rL i L i? ?? （ ） 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 r m s r rL i L i? ?? （ ） 由式（ ）可 得： 1 ()r r m sri L iL ??? （ ） 將式（ ）代入（ ），可將定子電流空間矢量表示為： smsrs r sLi L L L? ????? （ ） 式中， sL? 為定子瞬態(tài)電感， 2mssrLLLL? ??。 將（ ）代入（ ）可得：| || | s i n ( ) | || | s i nm m me n r s n s r s r n s r s rs r s r s rL L LT P P PL L L L L L? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? （ ） 式中， s? 和 r? 分別是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶肯鄬?duì)與 A 軸的空間電角度； sr? 是兩者間的空間電角度， sr s r? ? ???，稱其為負(fù)載角。 式（ ）表明 ，電磁轉(zhuǎn)矩決定于定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康氖噶糠e，即決定于兩者幅值和期間的空間電角度。 若 ||s? 和 ||r? 保持不變則由式（ ）可得： | || | c o semn s r srsr srd t LPd LL ? ? ?? ? ? 通常，在穩(wěn)態(tài)情況下， sr? 的值較小，顯然 sr? 對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制作用是明顯的。 在動(dòng)態(tài)控制中，只要控制的響應(yīng)時(shí)間 比較子時(shí)間常數(shù)快得多，那么在這短暫的過(guò)程中就可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴遣蛔兊?，進(jìn)而只要保持定子磁鏈的幅值不變，通過(guò)改變 sr? 就可以迅速地改變和控制電磁轉(zhuǎn)矩這就是感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩。 [2] 定子電壓矢量的作用與定子磁鏈 軌跡 當(dāng)存在定子電壓矢量作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖辔环派兓?，如果第二? 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 8 忽略定子電阻的影響，則兩者具有微分關(guān)系。 如果逆變器開(kāi)關(guān)順序按 001， 110， ? 101 的狀態(tài)一次變化，每次變化的間隔時(shí)間相同，就可得到如圖 22（ a）所示的六個(gè)以步進(jìn)形式輸出的電 壓矢量 1su ， 2su … . 6su ，這六個(gè)電壓矢量的一次作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓壽E為一正六邊形如圖 21（ b）。圖中的虛線軌跡表示計(jì)及了定子電阻影響后，定子磁鏈?zhǔn)噶康膶?shí)際軌跡。 圖 22（ a）逆變器開(kāi)關(guān)電壓矢量 假如定子磁鏈?zhǔn)噶康某跏贾?s OM? ? ,那么在定子 電壓矢量 1su （ 100）作用下，定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 一定沿著 MN 的軌跡變化，因?yàn)?s?? 的方向要與 1su 一致，變化的速率則等于 1||su ，當(dāng) s? 運(yùn)動(dòng)到 N 的位置時(shí)， 1su （ 100）轉(zhuǎn)化為 2su （ 110），在 2su （ 110）作用下， s? 將沿著 NP 的軌跡變化，一次下去，便得到 s? 正六邊形的運(yùn)動(dòng)軌跡 MNPQRS。 [13] 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 22（ b）定子磁 鏈軌跡 但是，由圖 22（ b）可以看出，定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 的幅值不是恒定的，七仔正六邊形的拐點(diǎn)處達(dá)到最大值，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到與正六邊形某條邊垂直的位置時(shí)幅值最小。由矢量 s? 在三相繞組 ABC 軸線上的投影可得到鏈過(guò)每相繞組的磁鏈值。顯然，每相繞組的磁鏈值不會(huì)是時(shí)間的正弦函數(shù)。由定子每相磁鏈變化可知，定子每相電流波形將是非正弦的。 [13] 式（ ）表明希望 s? 的幅值能基本 保持恒定，這樣將有利于轉(zhuǎn)矩的控制和減小脈動(dòng)，并是定子每相磁通基本按正弦規(guī)律變化。為此，希望定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)行軌跡為圓行。 定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡決定于定子電壓空間矢量的選擇。反之，根據(jù)希望或設(shè)定的定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)行軌跡，可以選擇合適的定子電壓空間矢量來(lái)予以實(shí)現(xiàn)。這就需要對(duì)定子電壓空間矢量進(jìn)行調(diào)制，以獲得正弦分布的定子磁場(chǎng)。 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通常設(shè)定 s? 的參考值（指令值）， sref? 的運(yùn)行軌跡為一圓形，如圖 22（ c）然后對(duì) s? 采取滯環(huán)控制。 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 10 圖 22（ c） 圓形軌跡 與矢量控制中對(duì)定子電流的滯環(huán)控制一樣需要始終將 s? 的幅值控制在滯環(huán)的上下帶寬內(nèi)，滯環(huán)的總帶寬為 2| |s?? ，其上限值為 | | | |sref s???? ，下限值為 | | | |sref s???? 。然后，將空間復(fù)平面分成六個(gè)區(qū)間，對(duì)照?qǐng)D 22（ c）和圖22（ a）可以 看出，每個(gè)區(qū)間的范圍是以定子電壓矢量空間為中線，各向前后擴(kuò)展了 30 電角度，因此區(qū)間的跨度是 60 電角度，區(qū)間的序號(hào) K=1,2,3…… 6 與定子電壓空間矢量的序號(hào)相同，例如區(qū)間（ 1）就是在 1su 所在的區(qū)間。 [14] 由圖 22（ c）可知，如果定子磁鏈?zhǔn)噶课挥诘?K 個(gè)區(qū)間，那么可以選擇定子電壓矢量 sku 、 ( 1)sku? 、 ( 1)sku? 、使其幅值增大，也可以選擇 ( 2)sku? ， ( 2)sku? ， ( 3)sku?使其幅值減小，下標(biāo)括號(hào)內(nèi)“ +”表示往前旋（逆時(shí)針），“ ”表示往后旋（順時(shí)針），亦即，若使 s? 的幅值增大，應(yīng)選擇 s? 所在區(qū)間和相鄰 兩個(gè)區(qū)間內(nèi)的定子電壓矢量，因?yàn)檫@些電壓矢量的作用方向都是轉(zhuǎn)子圓心向外；若使 s? 的幅值減小，應(yīng)選擇另外三個(gè)電壓矢量，因?yàn)檫@些電壓矢量的作用方向是由外指向圓心。例如定子磁鏈?zhǔn)噶?s? 若在區(qū)間（ 1）內(nèi)，可選擇 1su ， 6su 和 2su 使其幅值增大，還可選擇 3su ， 5su 和 4su 使其幅值減小。除了六個(gè)電壓矢量外，還可以選擇零電壓矢量 7su 和 8su ，當(dāng)選擇零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓蕿榱悖ㄒ蚰暇┕I(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 定子電阻的影響還要有些變化），以后統(tǒng)一稱電壓矢量 1 2 6, ....s s su u u 為開(kāi)關(guān)電壓矢量。 [6] 開(kāi)關(guān)電壓矢量的合理選擇 如圖 21（ d）給出了定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在區(qū)間（ 1）的情形，在次區(qū)間內(nèi)選擇 1su 和 4su 是不合適的，因?yàn)闀?huì)使 s? 幅值急劇變化，而難以將其控制在滯環(huán)帶寬內(nèi)，可選擇的電壓矢量有 2 3 5 6, , ,s s s su u u u 以及 78,ssuu。由每個(gè)電壓矢量在定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)軌跡徑向和切向方向的投影可以判斷出改開(kāi)關(guān)電壓矢量對(duì) 磁鏈和轉(zhuǎn)矩所起的作用。前四個(gè)開(kāi)關(guān)電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的作用分別用 ,????和,tt??來(lái)表示，下表“ +”號(hào)表示增加，“ — ”號(hào)表示減小。于是可根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)來(lái)合理選擇其中的開(kāi)關(guān)電壓矢量。對(duì)于其它區(qū)間可做出同樣的合理選擇。表 1 給出了六個(gè)區(qū)間的開(kāi)關(guān)電壓矢量查詢表，其中（ 1），（ 2） …… （ 6）來(lái)表示區(qū)間。 開(kāi)關(guān)電壓矢量查詢表 ?? T? 1 2 3 4 5 6 1 1 2su 3su 4su 5su 6su 7su 0 7su 8su 7su 8su 7su 8su 1 6su 5su 4su 3su 2su 1su 1 1 3su 4su 5su 6su 1su 2su 0 8su 7su 8su 7su 8su 7su 1 5su 6su 1,su 2su 3su 4su 表中 ?? 的正負(fù)是根據(jù)滯環(huán)比較器的數(shù)字輸出來(lái)確定的，即有： 第二章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 12 若 | | | |s sref s? ? ?? ? ?，則輸出為 1， ?? 取 1。 若 | | | |s sref s? ? ?? ? ?，則輸出為 0， ?? 取 — 1。 表中， T? 符號(hào)由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的三個(gè)輸出信號(hào)來(lái)確定，當(dāng)需要定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚯靶D(zhuǎn)時(shí)，即有： 若 | | | |e eref eT T T? ? ?，則輸出為 1， T? 取 1。 若 e erefTT? ，則輸出為 0， T? 取 0。 當(dāng)需要定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚝笮D(zhuǎn)時(shí)，即有： 若 | | | |e eref eT T T? ? ?，則輸出為 1 ， T? 取 1。 若 ||e erefTT? ，則輸出為 0， T? 取 0。 同定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂撇煌氖牵姶呸D(zhuǎn)矩控制中采用了零電壓矢量 78,ssuu，主要是為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如圖 所示當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)際值達(dá)到滯環(huán)比較器下限值后，即 | | | |e eref eT T T? ? ?，選擇合適的開(kāi)關(guān)電壓矢量使定子磁鏈?zhǔn)噶肯蚯翱焖傩D(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大，當(dāng)轉(zhuǎn)矩由圖 中 A 點(diǎn)升高到 ||e erefTT? 時(shí)，開(kāi)始采用零電壓矢量，此時(shí)轉(zhuǎn)矩不會(huì)即刻停止變化。當(dāng) ||e erefTT? 時(shí)，零電壓矢量仍要起作用，在它的作用下可使轉(zhuǎn)矩變化放緩。反之當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限值后，即 | | | | | |e eref eT T T? ? ?，在選擇合適開(kāi)關(guān)電壓矢量迫使轉(zhuǎn)矩下降的過(guò)程中也采用了零電壓矢量。可以看出零電壓矢量能夠“緩和”電磁轉(zhuǎn)矩的急劇變化。通過(guò)利用零電壓矢量的這種作用，來(lái)進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)電壓矢量的選擇進(jìn)行優(yōu)化，可以次來(lái)減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。 [15] 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 C Te? Te 圖 零電壓矢量 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 圖 圖 24 為 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)原理框圖 。圖中 電壓源逆變器能提供 8 個(gè)開(kāi)關(guān)電壓矢量 ， 將定子磁鏈實(shí)際值與給定值比較后的差值輸入磁鏈滯環(huán)比較器，同時(shí)將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與給定值比較后的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，根據(jù)兩個(gè)滯環(huán)比較器的輸出，通過(guò)查表，可以選擇到合適的開(kāi)關(guān)電壓矢量。但在查詢前，需要提供定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯畔ⅲ瑘D中的 S? 表示的是扇區(qū)順序號(hào)。 [9] 速 度 調(diào) 節(jié) 器M3~逆 變 器 定 子 磁 鏈和 電 磁 轉(zhuǎn) 矩估 計(jì)轉(zhuǎn) 矩 滯 環(huán) 磁 鏈 滯 環(huán)開(kāi) 關(guān)電 壓矢 量選 擇*r?r?*eTs??*s? ?ST??? ???? aScSbSaibi??eT? 圖 24 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)原理框圖 根據(jù)定子三相電壓和電流的檢測(cè)值可估計(jì)出定子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖辔?，第二? 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 14 同時(shí)給出轉(zhuǎn)矩值。圖中，僅給出了速度控制環(huán)節(jié)，也可在此基礎(chǔ)上構(gòu)成位置系統(tǒng)。作為速度控制系統(tǒng)，還可以進(jìn)行弱磁控制。 滯環(huán)控制屬于 BangBang 控制，滯環(huán)控制器相當(dāng)于兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，也可看成是具有高增益的 P 調(diào)節(jié)器，雖然能使磁鏈和轉(zhuǎn)矩快速調(diào)節(jié)，但是磁鏈和轉(zhuǎn)矩不可避免地會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，若使脈動(dòng)減小，可以減小滯 環(huán)比較器帶寬，但會(huì)增大逆變器的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗，降低了運(yùn)行效率，也提高了對(duì)電子開(kāi)關(guān)的 技術(shù)要求。 本章小結(jié) 本章首先介紹了感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后從定子電壓矢量的 作用 與定子磁鏈軌跡、開(kāi)關(guān)電壓表的選擇等方面介紹直接轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的原理，最后介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng)原理框圖，為下章節(jié)作好準(zhǔn)備。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第三章 在線搜索 控制效率優(yōu)化 的方法 單調(diào)遞減法 在忽略逆變器損耗的前提上，異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的輸入功率實(shí)際上就是電機(jī)運(yùn)行時(shí)消耗的功率。電機(jī)的輸入功率可以表示為 [i2]： sqsqsdsd iuiuP ?? () 檢 測(cè) 當(dāng) 前 輸 入 功 率 為 P 1檢 測(cè) 當(dāng) 前 輸 入 功 率 為 P 2開(kāi) 始P 1 P 2Wbs * ??*1 s?? ?TT s t e ps )1( m i n1* ??? ???1* ?? ?s21 PP ? 圖 31 單調(diào)遞減搜索法流程圖 單調(diào)遞減搜索法是將給定定子磁鏈 *s? 逐步減小，相應(yīng)的檢測(cè)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率，當(dāng)輸入功率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的時(shí)候，停止磁鏈遞減