【正文】 謹(jǐn)向 王曉晨 導(dǎo)師致以最衷心的感謝 ！ 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 31 [參考文獻(xiàn) ] [1] 韓安太 ,劉峙飛 ,黃海 .DSP 控制器原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [M].清華大學(xué)出版社 ,. [2] 陳伯時(shí) . 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) (第 3 版 )[M]. 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,. [3] 王成元 ,電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù) [M],北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,. [4] 吳守箴 ,臧英杰 . 電氣 傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù) [M].北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2022. [5] 馬小亮 . 大功率交－直－交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù) (第二版 )[M].北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,1996. [6] 洪乃剛 . 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 [M].機(jī)械工業(yè)出版社 [7] 李夙 ,異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 [M],北京 機(jī)械工業(yè)出版社 ,— 14. [8] 薛定宇 ,陳陽(yáng)泉 .基于 MATLABISIMULINK 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用 [J]，清華大學(xué)出版社 ,2022:6. [9] 蘇奎峰 ,呂強(qiáng) ,耿慶峰 .TMS320F2812 原理與開發(fā) [M].電子工業(yè)出版社 ,. [10] 葉錦嬌 .基于十二電壓矢量的異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究 [D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士論文 ,2022. [11] 王偉 ,金新民 ,童亦斌 .基于空間矢量調(diào)制的感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 [J].電力機(jī)車與城軌車輛， 2022. 28(4): 22. [12] 姚俊 ,馬松輝 .SIMULINK 建模與仿真 [M].西安電子科技大學(xué)出版社 ,. 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[14] 張森 ,張正亮 .MATLAB 仿真技術(shù)與實(shí)例應(yīng)用教程 [M].機(jī)械工業(yè)出版社 ,. 。 他 在我學(xué)習(xí)期間在學(xué)術(shù)和生活等方面的給予了無(wú)微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)。 “ 厚德 篤學(xué) 崇實(shí) 尚新 ”，是我們的校訓(xùn)，此時(shí)已深深的印刻到我的心里，相信它也將影響和指引我以后的生活，至此第一聲感謝說(shuō)給我的母校 —— 合肥工業(yè)大學(xué) 。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 30 謝辭 轉(zhuǎn)眼之間，四年的大學(xué)生活接近了尾聲，當(dāng)埋頭于畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)時(shí)，隨著論文的尾聲將至，一種傷感 悄 然來(lái)臨。 DSP 器件的進(jìn)一步發(fā)展也為 DTC 技術(shù)難題突破提供了可能。而全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將使采樣精度更高，誤差率更小，更易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。如智能 IPM 整合了 DSP控制器，將電機(jī)控制的大部分電路集成到標(biāo)準(zhǔn)封裝的模塊中，集成了 IGBT 模塊，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流反饋、保護(hù)模塊和 DSP 控制模塊，使得控制結(jié)構(gòu)愈發(fā)簡(jiǎn)單，控制性能與控制精度、響應(yīng)速度均得到提高?，F(xiàn)代控制理論和智能控制理論應(yīng)用于 DTC 技術(shù)，為改進(jìn) DTC 系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)；同時(shí)高性能的數(shù)字處理器（ DSP）的出現(xiàn)，為改進(jìn) DTC 系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。今后可以對(duì)無(wú)速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)加以研究。 受本人研究水平和研究時(shí)間的限制，對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，本文還有很多工作尚未完成，許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，下一步工作可以從以下幾個(gè)方面展開 : 平臺(tái)已經(jīng)搭建，但由于時(shí)間倉(cāng)促，只進(jìn)行了控制算法和控制信號(hào)的調(diào)試，今后應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。但是在低速時(shí)為了準(zhǔn)確計(jì)算磁鏈采用的 in 模型需要受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。 經(jīng) 研究 還 得出結(jié)論如下 : ，理論清晰，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，響 應(yīng)迅速。接下來(lái)，本文根據(jù)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引出 了空間矢量的概念，介紹了 8 個(gè)基本的空間電壓矢量，并詳細(xì)介紹了基本空間電壓矢量對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響作用。為了避開對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩分量解藕的繁瑣運(yùn)算，更好地提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，出現(xiàn)了利用轉(zhuǎn)矩反饋控制電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，分析得出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及其缺點(diǎn)。采用矢量細(xì)分法，消除所選矢量在某些區(qū)域的不對(duì)稱作用而使磁通的軌跡得到改善，并且在磁通旋轉(zhuǎn)速度上也提高了對(duì)稱性，消除了電流的畸變。（ 3）引入模糊控制和智能控制，用軟件來(lái)解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。 改進(jìn)方案主要有 四 個(gè) ： （ 1） 使用改進(jìn)的開關(guān)表，改進(jìn)控制參數(shù)與開關(guān)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使之產(chǎn)生更優(yōu)的控制電壓波形。 (3)在定子磁鏈觀測(cè)時(shí)采用了 UI 模型，導(dǎo)致在低速運(yùn)行區(qū)間，由于死區(qū)效應(yīng)、定子電阻壓降以及采樣噪聲的影響，使得定子磁鏈觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴(yán)重影響直接轉(zhuǎn)矩控制在低速區(qū)間的控制性能。 當(dāng)然，作為一種在近年來(lái)才逐步發(fā)展起來(lái)的控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制自身還存三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 27 在很多問(wèn)題，具體表現(xiàn)在下面三個(gè)方面： (1)由于在控制過(guò)程中只考慮了轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的方向性，而忽略了 誤差的大小，這經(jīng)常導(dǎo)致在控制過(guò)程中誤差超過(guò)滯環(huán)比較的帶寬，從而使實(shí)際的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，影響實(shí)際性能。 (2)DTC 算法直接對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，并采用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙閉環(huán)的控制策略，可以使得被控制量快速準(zhǔn)確地跟隨給定值變化，動(dòng)態(tài)性能良好。 但是，從圖 和圖 也要看到，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法下定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)于給定值的脈動(dòng)仍然比較大，電流波形不夠圓滑。對(duì)于轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩，黃三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 26 色的表示實(shí)際值，紫色的表示給定值。圖 表示的是定子磁鏈在兩相靜止坐標(biāo)系下的形狀，可以看到，直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)磁鏈的閉環(huán)控制，使定子磁鏈?zhǔn)噶康氖割^保持圓形的運(yùn)動(dòng)軌跡 ，保持了定子磁鏈的幅值在給定值 附近。 圖 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型 電機(jī)模型主要參數(shù)： PN=， UN=460V， fN=60Hz， RS= ， J=在控制算法模型中，主要包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、磁鏈和計(jì)算控制模塊、區(qū)間選擇模塊以及開關(guān)表選擇模塊等。 直接轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)的 Matlab／ Simulink 仿真 根據(jù)前面所述，在 Matlab／ Simulink 環(huán)境下建立了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 25 型。它包括了被稱為工具箱的各類應(yīng)用問(wèn)題的解求工具。另外 MATLAB和其他高級(jí)語(yǔ)言也具有良好的接口，可以很方便地與其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)混合編程，這都進(jìn)一步拓寬了它的應(yīng)用范圍和 使用領(lǐng)域。由于它能非常快的實(shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大的節(jié)約了科研人員的時(shí)間，受到了大多科研人員的重視與青睞。 最早開發(fā) MATLAB軟件的目的就是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。由于使用 MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式一直，所以不像學(xué)習(xí)其他高級(jí)語(yǔ)言那樣難于掌握，用 MATLAB編寫程序有如在演算紙上排列出公式與求解問(wèn)題。 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 MATLAB軟件是由美國(guó)公司 MATH WORKS公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法，可以使復(fù)雜的電力電子電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加容易和有效。最后對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要總結(jié)。簡(jiǎn)要介紹了電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)方法。 綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制在很大程度上克服了矢量控制的復(fù)雜性，它 采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，是一種具有高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。 ，而不是像矢量控制那樣，通過(guò)控制定子電流的兩個(gè)分量間接地控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，它追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準(zhǔn)確性，并不刻意追求圓形磁鏈軌跡和正弦波電流。 直接轉(zhuǎn)矩控制利用空間電壓矢量的概念，對(duì)逆變器的六個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行綜合控制，在相同的控制效果下 ，可以降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗 DTC 與矢量控制的比較 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）技術(shù)與傳統(tǒng)的矢量控制相比，具有以下的主要特點(diǎn)： 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 23 。而直接轉(zhuǎn)矩控制更進(jìn)一步，它不是通過(guò)控制電流，磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此，它并不過(guò)于追求圓磁鏈軌跡，只追求對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的快速和準(zhǔn)確性。 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用離散的電壓空間矢量來(lái)描述逆變器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制，這既合 乎實(shí)際，又特別簡(jiǎn)單明了。它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要利用矢量旋轉(zhuǎn)變換對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的 數(shù)學(xué)模型解耦簡(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)單明了，物理概念清楚。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩 控制的 算法框圖如圖 所示。 解決這一問(wèn)題的方法是，在起動(dòng)期間想轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸入載波信號(hào)，例如方波信號(hào)，頻率控制在 500 zH ，這樣既能有效利用零電壓開關(guān)矢量，又能改善定子磁鏈和電流的波形。如此，逆變器只能在這個(gè)規(guī)則下一次選擇非零開關(guān)電壓矢量，在這種情況之下，既不能選擇零電壓開關(guān)矢量，又沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈的調(diào)制，這樣的結(jié)果是定子磁鏈?zhǔn)噶康能壽E呈靈變形，而不是圓形。 由于定子歷次需要一個(gè)過(guò)程，定子磁場(chǎng)是逐步建立起來(lái)的，所以定子磁鏈?zhǔn)噶康姆翟?t = 1t 這個(gè)時(shí)刻之前，甚至過(guò)了 1t 時(shí)刻可能都還沒(méi)有達(dá)到參考值。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。 圖 磁鏈調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)類似，也分為施密特兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)和 PI 調(diào)節(jié)，如圖 a),圖 b)所示。另一種形式是 PI 調(diào)節(jié)， 如圖 b)所示。 表 空間電壓矢量選擇表 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 20 磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 磁鏈調(diào)節(jié)有兩種形式，第一種是施密特兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)，或稱 BangBang調(diào)節(jié)，如圖 a) 為給定的定子磁鏈幅值， 為觀測(cè)到的定子磁鏈幅值，將兩者做差，得到的差值送入滯回比較器 :當(dāng)差值大于設(shè)定容差時(shí)，輸出信號(hào) 為“ 1”，說(shuō)明需要增大定子磁鏈 。當(dāng)施加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶勘３植蛔?。假設(shè)此時(shí)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出 1，表示應(yīng)該適當(dāng)增大電磁轉(zhuǎn)矩，則選擇 U120(010)，使 s? 加速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以增大 ? ，從而增大電磁轉(zhuǎn)矩。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)。假設(shè)此時(shí) s? 的幅值已經(jīng)達(dá)到了上限，應(yīng)該減小 s? 的幅值。 ?? 和 T? 分別表示定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的最大允許偏差。其中，對(duì)定子磁鏈采取兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩采取三點(diǎn)式的調(diào)節(jié)，如式 ()和式 ()所示。 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(guò)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。低速時(shí)，電動(dòng)機(jī)模型實(shí)際工作在in 模型下。高速時(shí)，電動(dòng)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(jì)算得到。由此可見，由于引入了電流 調(diào)節(jié)器，使得電動(dòng)機(jī)模型的仿真精度大大提高了。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