【正文】 說(shuō)明書(shū) 5 2 直接轉(zhuǎn)矩控制 機(jī)理分析 概述 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)變頻調(diào)速系統(tǒng)是近十幾年繼矢量變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能的 控制方式。通過(guò)改變控制系統(tǒng)中直接影響電動(dòng)機(jī)性能的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器和 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，通過(guò)仿真得到仿真圖，對(duì)仿真進(jìn)行分析，驗(yàn)證直接轉(zhuǎn)矩控制方法的有效性和可靠性 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 4 論文工作內(nèi)容 本文工作主要在于介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，并利用 MATLAB/SIMULINK 軟件根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型。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)值和世紀(jì)意義。所以最佳開(kāi)關(guān)策的研究是需要探討的問(wèn)題。 （ 3）直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)形成 PWM脈沖是以產(chǎn)生圓形氣隙磁場(chǎng)為目的，通過(guò)優(yōu)選主回路中電壓型逆變器開(kāi)關(guān)切換時(shí)間，使磁場(chǎng)近似圓形， 使電機(jī)的諧波損耗、溫升、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲降低。 （ 2）無(wú)速度傳感器研究是當(dāng)前交流傳動(dòng)中比較熱的話(huà)題 。 （ 1） 控制系統(tǒng)的的性 能基本上不受電機(jī)參數(shù)的影響，但是定子電阻在不同頻率時(shí)的變化需要考慮。 近幾年發(fā)展起來(lái)的數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）具有高速的運(yùn)算 功能， 國(guó)外常用 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)算速度太慢的缺點(diǎn)。采用軟件開(kāi)關(guān)式逆變器，其開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到幾十個(gè)千 Hz，它著眼于超大功率傳動(dòng)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)恒逆變開(kāi)關(guān)頻率控制。這是一種磁鏈的實(shí)時(shí)控制，通過(guò)比較實(shí)時(shí)計(jì)算所得的實(shí)際磁鏈幅值與給定值相比較，并同時(shí)考慮此時(shí)磁鏈所處的位置來(lái)選擇電壓矢量及持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。 根據(jù) 所提出的直接轉(zhuǎn)矩控制理論所實(shí)現(xiàn)的系 統(tǒng)中，其磁鏈的軌跡是按正六邊形運(yùn)動(dòng)，其六邊分別有相應(yīng)的六個(gè)非零電壓矢量與之對(duì)應(yīng)，可簡(jiǎn)單的切換六個(gè)工作狀態(tài)直接由六個(gè)非零電壓矢量完成六邊形磁鏈軌跡，磁環(huán)控制簡(jiǎn)單。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 1985 年，德國(guó)人 提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，在實(shí)現(xiàn)磁鏈的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)直接轉(zhuǎn)矩的控制。由于微機(jī)控制技術(shù)，尤其是以單片機(jī)與 DSP 為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)，促使交流調(diào)速系統(tǒng)走向數(shù)字化控制 ，對(duì)信息的處理量的增大，可以實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的控制方式。繼矢量控制后直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的運(yùn)用，可獲得更大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 （ 3） 矢量變換控制的發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速高性能的基礎(chǔ)。脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使得變頻裝置的性能的到優(yōu)化，適 用于各類(lèi)交流調(diào)速系統(tǒng)。電力電子器件主要用于電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。 20世紀(jì) 60年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展需要，交流調(diào)速的到發(fā)展 。 然而交流電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生改善了調(diào)速領(lǐng)域的發(fā)展，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用，轉(zhuǎn)動(dòng)量小，運(yùn)行可靠，維修量小，適用于各種環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)使其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 但是，由于直流電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)存在機(jī)械換向和電刷，使得直流調(diào)速的發(fā)展受到一定的限制。在上世紀(jì) 80 年代以前，直流調(diào)速占據(jù)著主導(dǎo)地位 ，原因在于直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速容易 控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵(lì)磁電流不變，可通過(guò)改變電樞電壓實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓不變，可通過(guò)改變勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。是用電量最多的電氣設(shè)備。 通過(guò)直接改變影響電動(dòng)機(jī)性能的磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的 直接轉(zhuǎn)矩的控制，通過(guò)仿真得到仿真圖，對(duì)仿真圖進(jìn)行分析，驗(yàn)證直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的有效性和可靠性。 本 文 介紹了 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 的基 本 原理 和系統(tǒng)的基本構(gòu)成 ， 利用 MATLAB/SIMULINK 工具 ，構(gòu)建了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 仿真模型 。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) i 摘 要 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型、高性能變頻調(diào)速技術(shù)。它省去了復(fù)雜的矢量變化、克服了矢量控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴(lài)性特點(diǎn)，響應(yīng)快、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 利用 空 間矢量的分析方法， 直接在定 子 坐標(biāo)系下計(jì)算和控制交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩 ，直接跟蹤定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn) 式 （ BandBand 控制）產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 關(guān)鍵詞 ： 異步電機(jī)， 直接轉(zhuǎn)矩控制 ，磁鏈，仿真 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) ii ABSTRACT The Direct Torque Control(DTC)following the Vector Control is a new type and highperformance technology. Compare with Vector Control Which has plicated coordinate transformation and strong dependency of parameters, the DTC technique of induction motors is known to have a simple control structure,fast torque responses and easy to implement. The basic principle and structure of DTC have been intoduced. Using Matlab/Simulink build the DTC simulation system modle. Using the method of Park vector. The signal of PWM is bulit by dint of the discrete bandband adjustment in order to control optimally the state of the switches of inverter and get dynamic and static response of the optimal system. Controling the motor by changing the parameters of flux chain hysteresis regulartor and torque hydteresis regular to achieve and analysing the chart by simulating to confirmation the validity and reliability of DTC. Keywords: Asynchronous Motor， Direct Torque Control， Flux link， Simulation 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) I 目 錄 摘 要 ........................................................i ABSTRACT .....................................................ii 1 緒論 ........................................................1 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展和現(xiàn)狀 ............................. 1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) ...................... 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 ...................... 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) .......................... 3 論文工作內(nèi)容 .......................................... 4 2 直接轉(zhuǎn)矩控制機(jī)理分析 ........................................5 概述 .................................................. 5 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 .................................... 5 異步電動(dòng)機(jī)理想數(shù)學(xué)方程 .......................... 5 異步電動(dòng)機(jī)空間矢量等效電路 ....................... 7 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量 .................... 8 逆變器輸出電壓狀態(tài) .............................. 8 電壓空間矢量 .................................... 9 異步電動(dòng)機(jī)磁鏈模型 .................................... 10 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 ............. 12 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈影響 ..................... 12 電壓空間矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響 ....................... 13 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器原理 ........................... 14 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 ................................. 16 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 ................................. 16 3 直接轉(zhuǎn)矩控制的 SIMULINK 仿真 ................................18 MATLAB/SIMULINK 介紹 .................................. 18 仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)置 ............................... 21 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) II 仿真結(jié)果及分析 ....................................... 24 改變磁鏈滯環(huán)容差 ............................... 24 突加轉(zhuǎn)矩 ....................................... 32 改變轉(zhuǎn)矩滯環(huán)容差 ................................ 34 改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ................................... 36 4 總結(jié) .......................................................39 參考文獻(xiàn) .....................................................40 致謝 .........................................................42 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 1 1 緒論 交流 電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展 和現(xiàn)狀 在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)采用電流方式的不同可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。這就使得調(diào)速簡(jiǎn)便、容易。它的機(jī)械換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修量大，維修費(fèi)高，還容易產(chǎn)生火花等等因素，使得直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也受到了限制。 但是交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速比較困難 ，只有一些性能差，并且低效耗能的調(diào)速方法。20 世紀(jì) 70 年代后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得交流調(diào)速有了質(zhì)的發(fā)展飛躍，主要有以下四個(gè)階段： （ 1） 電力電子器件的發(fā)展促進(jìn)了交流調(diào)速的發(fā)展。 （ 2） 脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)。其克服了相控原理的所有弊端，使得交流電機(jī)定 子電壓電流接近正弦波形，提高了 電機(jī)的功率因素和輸出功率 。此類(lèi)調(diào)速河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 2 采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制的理論實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的耦合，實(shí)現(xiàn)了等效于直流調(diào)速的控制過(guò)程，使得交流調(diào)速性能得到改善和提高?，F(xiàn)如今得到廣泛應(yīng)用 （ 4） 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與大規(guī)模集成電路的發(fā)展為現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要技術(shù)手段。提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作設(shè)置的多樣性和靈活性，降低交流調(diào)速裝置的成本和體積。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)性能受到了普遍的注意和得到了迅速的發(fā)展。 日本東芝公司的 Takahashi 教授于 1986 年提出了磁鏈軌跡的園形方案，即讓磁鏈?zhǔn)噶炕旧涎貓@形軌跡運(yùn)動(dòng)。 提出了一種預(yù)前控制法，即依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差和反電勢(shì)，在一固定的開(kāi)關(guān)周期 條件下選擇和計(jì)算下一個(gè)狀態(tài)所需要的空間電壓矢量。 最近出現(xiàn)了諧振式逆變器構(gòu)成的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，摒棄了滯環(huán)，采河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 3 用純 BandBand 控制，使得系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。 有的學(xué)者提出定子磁通定向的新型控制方案，即采用了感應(yīng)電機(jī)定子磁鏈定向的解耦模型，首先求出所需的 d、 q 軸定子電流，然后得