【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 某一時(shí)刻磁鏈所在位置，綜合計(jì)算得到的該時(shí)刻的磁鏈幅值與給定值比 較結(jié)果來(lái)選擇電壓矢量以及持續(xù)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制。 提出了一種預(yù)前控制，即固定開(kāi)關(guān)周期條件下，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下電機(jī)的磁鏈誤差 、 轉(zhuǎn)矩和反電勢(shì)，通過(guò)計(jì)算和比較選擇出可以滿足下一狀態(tài)的空間電壓矢量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒逆變開(kāi)關(guān)頻率控制。 最近研究出一種更新型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，為了解決超大功率傳動(dòng)的問(wèn)題，其逆變器采用軟件開(kāi)關(guān)式，這使得開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到幾千 Hz。系統(tǒng) 整體上采用諧振式逆變器構(gòu)成，摒棄了滯環(huán)并使用純 BandBand 的 控制方式，使控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。 有學(xué)者提出利用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈定向的解耦模型，首先通過(guò)求出的 d、q 軸的定子電流得到 d、 q 軸定子電壓指令，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得出靜止坐標(biāo)下對(duì)應(yīng)的定子電壓矢量，即利用定子磁通定向的新型控制方案。 近幾年來(lái)，國(guó)外常常用具有高速運(yùn)算功能的數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）來(lái)解決高性能交流電氣傳動(dòng)數(shù)字控制中測(cè)量及控制的速度問(wèn)題，以彌補(bǔ)單片機(jī)運(yùn)算速度慢的缺點(diǎn)，這是隨著 DSP 技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的 。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 直接轉(zhuǎn)矩因?yàn)橄到y(tǒng)簡(jiǎn)單和性能優(yōu)良被廣泛運(yùn)用，但是在理論和應(yīng)用實(shí)踐方面重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 5 還存在許多需要進(jìn)一步研究和解決的技術(shù)問(wèn) 題。 (1)控制系統(tǒng)的的性能擺脫了電機(jī)參數(shù)的影響，但受定子電阻影響還是很大，因此需要考慮在不同頻率時(shí)的變化。在超低頻時(shí)，定子電阻上的電壓降較大，對(duì)系統(tǒng)影響比較明顯，因此在超低速時(shí)，需要解決定子電阻的正確辨識(shí)和偏差補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，這是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要研究的。 (2)直接轉(zhuǎn)矩控制是一種無(wú)需速度直接反饋的控制技術(shù)，由于算法的不同，其基本控制系統(tǒng)只需要兩個(gè)電流傳感器，可靠性高，但是速度辨認(rèn)方法還不明確，系統(tǒng)模型也需進(jìn)一步研 究改良 。這使 無(wú)速度傳感器研究逐漸興起，并成為當(dāng)前交流傳動(dòng)中的熱門(mén)話題。 (3)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)形成 PWM 脈沖的目的是產(chǎn)生圓形氣隙磁場(chǎng)。通過(guò)控制主回路中電壓型逆變器，對(duì)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間作出正確選擇，可以獲得近似圓形的磁場(chǎng)，從而降低電機(jī)的諧波損耗、溫度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音。直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵在于根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和開(kāi)關(guān)頻率選擇合適的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這需要很高的要求。所以如何選擇最佳開(kāi)關(guān)控制策略還需要進(jìn)一步的研究 。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制思路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，便于數(shù)字化。因此實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直接轉(zhuǎn)矩控制的 交流調(diào)速系統(tǒng)具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和跨時(shí)代的意義。然而高速 DSP 價(jià)格昂貴，普通單片機(jī)運(yùn)行較慢，這對(duì)數(shù)字化來(lái)說(shuō)是個(gè)急需解決的問(wèn)題。 論文主要內(nèi)容 本文主要介紹了高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，并用MATLAB/SUMILINK 軟件根據(jù)高速電主軸內(nèi)置的異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，從而進(jìn)一步組建異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。在這基礎(chǔ)上，改變控制系統(tǒng)中直接影響異步電動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)，得到仿真結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行分析，驗(yàn)證高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制的有效性和可行性 。 本章小結(jié) 本章詳細(xì) 介紹 了高速電主軸的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 及差距 ， 并分析了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ，最后給出了論文的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 6 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 引言 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)變頻調(diào)速系統(tǒng) [6]是近十幾年來(lái)繼矢量變頻調(diào)速技術(shù)后發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能的控制方式。運(yùn)用空間矢量的分析法，采用定子磁場(chǎng)定向，之后在定向的坐標(biāo)系中計(jì)算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（ BangBang 控制）產(chǎn)生 PWM 信號(hào)直接控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式直接，控制過(guò)程中省掉了復(fù)雜的矢量變換運(yùn)算，并且將電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化處理，使信號(hào)處理的物理概念明確，因此是一種具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的新型交流調(diào)速技術(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)理想數(shù)學(xué)模型 交 流異步電機(jī) [7]的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，它是一個(gè)高階，非線性的多變量系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的目的就是要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型 [8]。 為了能夠根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立理想的電機(jī)模型，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理想化設(shè)定： （ 1）電 動(dòng)機(jī) 氣隙 均勻； （ 2） 磁路線性； （ 3） 電機(jī) 有效導(dǎo)體沿氣隙空間呈正弦狀態(tài)分布，定子、轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱 （ 4） 磁場(chǎng)正弦分布，磁場(chǎng)諧波忽略不計(jì)。 (21) 上式中 ：、、 — 依次 為定子和轉(zhuǎn)子相電壓 、、 — 依次為定子和轉(zhuǎn)子相電流； 、、 — 依次為定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈； 微分算子。 ： (22) 上式中：、、 依次為為各相定子、轉(zhuǎn)子自感，其他元素依次為定子、轉(zhuǎn)子或定、轉(zhuǎn)子間的互感。 3．轉(zhuǎn)矩方程 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 7 由能量守恒定理，在多繞組電機(jī)中，其磁場(chǎng)儲(chǔ)能方程為 : （ 23） 上式中 : 由 能量守恒 定 理，異步電機(jī) 在 運(yùn)行時(shí)，其電磁力矩 的大小相當(dāng)于在 電流不變時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能對(duì) 機(jī)械角位移的偏導(dǎo) 數(shù)，即： 上式中： — 電機(jī)磁極對(duì)數(shù) — 電角位移， = （ 24） 上式中； — 定轉(zhuǎn)子間的互感。 交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 是 一組非線性的微分方程式 ，這是 由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 使 定、轉(zhuǎn)子繞組 間 的互感 為 定 、 轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的函數(shù)。 所以需要對(duì)變量進(jìn)行 2/3 坐標(biāo)變換，這是 為了解除定、轉(zhuǎn)子 之 間非線性的耦合關(guān)系需要 。即在 建立參考坐標(biāo)系內(nèi)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 ， 三相靜止繞組 A、 B、 C 變換為兩相靜止繞組， 從而將 三相靜止坐標(biāo)系 變換成兩 相靜止坐標(biāo)系 。 異步電動(dòng)機(jī)空間矢量等效電路 將控制系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量電路進(jìn)行等效變換后，得到等效電路，即： 圖 異步電動(dòng)機(jī) 空間矢量等效電路 該等效電路是將異步電動(dòng)機(jī)分解到正交定子坐標(biāo)系（ αβ坐標(biāo)系）下，各元素的意義如下： — 定子電壓空間矢量； 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 8 — 定子電流空間矢量； — 轉(zhuǎn)子電流空間矢量； — 定子磁鏈空間矢量； — 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量； — 電角速度（機(jī)械角速度與極對(duì)數(shù)的積）。 并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量分解的到 參考坐標(biāo)系 中，其中 在 α軸上的投影稱為 α分量，在的 β軸上的投影稱為 β分量。 根據(jù)上述規(guī)定，在定子坐標(biāo)系下，可推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的方程 : （ 25） （ 26） 根據(jù)上述方程，可推導(dǎo)出定子磁鏈 、轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： （ 27） （ 28） （ 29） 逆變器的開(kāi)頭狀態(tài)及電壓空間矢量 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 逆變器（見(jiàn)圖 22）由三組、六個(gè)開(kāi)關(guān)（、、）組成。根據(jù)與、與、與之間接通一個(gè)就會(huì)斷開(kāi)一個(gè)邏輯特點(diǎn)，三組開(kāi)關(guān)可以組成 23=8 種可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)方式。 圖 22 逆變器等效電路 為了更好的討論開(kāi)關(guān)狀態(tài)，作如下規(guī)定： a、 b、 c 三相負(fù)載的其中一相與“ +”極接通時(shí)，則該相開(kāi)關(guān)狀態(tài)記為“ 1”；與“ ”級(jí)接通時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)記為“ 0”。根據(jù)這個(gè)規(guī)則可得到 8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，見(jiàn)表 21。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 9 表 21 逆變器的 8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài) 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 Sa 0 0 0 0 1 1 1 1 Sb 0 1 1 0 0 0 1 1 Sc 0 0 1 1 1 0 0 1 在 外部負(fù)載 作用下，這 8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài) 中逆變器可 輸出 7 種不同的電壓狀態(tài)。而 這 7 種不同的電壓狀態(tài) 又有 兩 種情況 ：一 種 是 相當(dāng) 于開(kāi)關(guān)狀態(tài) “ 1” 至 “ 6” ，分別 被 稱為逆變器的電壓狀態(tài) “ 1” 至 “ 6” 的 6種工作電壓狀態(tài) ； 另一種 是 相當(dāng)于零開(kāi)關(guān)狀態(tài) “ 7” 和 “ 8” 的 零電壓狀態(tài)，對(duì)外 部電路 來(lái)說(shuō)， 由于其 輸出的電壓都為零 ， 因此 把這兩種狀態(tài) 統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài) （見(jiàn)表 22） 。 表 22 逆變器的電壓狀態(tài)與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)照表 狀態(tài) 工作狀態(tài) 零狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 7 8 開(kāi)關(guān)狀態(tài)Sabc 011 001 101 100 110 010 000 111 電 壓 狀 態(tài) （ 011） （ 001） （ 101） （ 100） （ 110） （ 010） （ 000） （ 111） us1 us2 Us3 Us4 Us5 Us6 Us7 1 2 3 4 5 6 7 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 10 電壓空間矢量 由于對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析和控制時(shí)，為了使這過(guò)程更方便，引入 PARK 矢量變換 [9]來(lái)對(duì)三相進(jìn)行分析和控制。 PARK 矢量變換的作用是把三個(gè)標(biāo)量（三維）轉(zhuǎn)換成為一個(gè)矢量（二維）。三相定子繞組相三相電壓、進(jìn)行 PARK 矢量變換后，得到合成量。 （ 210） 其中， 、分別是三相定子負(fù)載繞組的相電壓。 代表著三相電磁量的電壓空間矢量。逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向并且呈周期性地順序出現(xiàn)電壓空間矢量，兩兩相差 600，因此六個(gè)電壓空間矢量正好構(gòu)成了了一個(gè)正六邊形 。其空間電壓矢 量狀態(tài)為 ,對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是 011001101100110010其中 零電壓矢量 位于正六邊形中心?？臻g電壓矢量狀態(tài)圖如下圖示。 圖 25電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系 異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈模型 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的實(shí)際值通常是根據(jù)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)值以及電動(dòng)機(jī)參數(shù)通過(guò)估計(jì)求得。常用的磁鏈估計(jì)方法有：電壓 電流模型法，電流 速度法，電壓 轉(zhuǎn)速法。 電流模型法 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 11 一般在高速段，采用電壓 電流模型法 。 對(duì)于定子磁鏈?zhǔn)噶?，根?jù)定子電壓矢量方程，有： （ 211） 通過(guò)該公式確定異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)來(lái)確定定子電阻 ， 如果檢測(cè)出的定子電壓與定子電流足夠精確，那么通過(guò)這個(gè)方法估計(jì)磁鏈就會(huì)很方便。通過(guò)此方法估計(jì)定子磁鏈，其誤差同定子電阻引起的。在 上 30%額定轉(zhuǎn)速以上范圍內(nèi)，采用電壓 電流模型法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，優(yōu)于其他的方法。在定子頻率接近零時(shí)，此方法不適用，理由是作用在定子電壓和定子電阻間的差值消失，導(dǎo)致只有誤差被積分。以下為電壓 電流模型法的原理圖。 圖 24 電壓 電流模型法原理圖 速度模型法 在低速段，可利用電流 速度模型法來(lái)估計(jì)定子磁鏈。在此模型中定子磁鏈由定子電流與轉(zhuǎn)速來(lái)確定。定子磁鏈方程如下所示： (212) (213)