【正文】 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。 (3)電壓矢量選擇方式的改進(jìn) 直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)定子磁鏈定向?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行 直接控制從而 選擇電壓矢量，雖然在各控制周期的開(kāi)始時(shí)刻控制效果最佳，但是整個(gè)控制周期內(nèi)的效果卻未必最好。 (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)。有人提出 了 通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，細(xì)化了轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的偏差區(qū)分，提高了系統(tǒng)的性能。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 4 (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)的性能是借助于控制環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，改善和優(yōu)化各個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，必然有利于控制系統(tǒng)性能的提高。 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。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問(wèn)世便受到廣泛關(guān)注。 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。這種方法便于實(shí)現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測(cè) 的 精度，但由于在異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究 在狀 態(tài)重構(gòu)過(guò)程中使用了電 動(dòng)機(jī) 的參數(shù)，如果環(huán)境變化引起電 動(dòng)機(jī) 參數(shù) 的 變化，就會(huì)影響到 定子 磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)。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。一般地，轉(zhuǎn)子磁鏈檢測(cè)可以采用直接法或間接法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 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。 1971 年，德國(guó)學(xué)者 EBlaschke 提出了交流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制理論，標(biāo)志著交流調(diào)速理論 有了 重大突破。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式是采用 v/f 控制。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 1章 緒論 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中變頻調(diào)速技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速技術(shù)，也是最有希望取代直流調(diào)速的調(diào)速方式。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。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。而交流電 動(dòng)機(jī) 尤其是鼠籠異步電動(dòng)機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的優(yōu)點(diǎn)，使得交流電 動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 強(qiáng)于 直流電 動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)。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。特別是 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)的矢量控制技術(shù)和 80 年代出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使交流電 動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的 性能可以與直流電 動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的性能 相媲美。 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 。 張偉：直接轉(zhuǎn)矩控 制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 2 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文（設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為 。就變頻調(diào)速而言，其形式也有很多。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)。所謂矢量控制，就是交流電 動(dòng)機(jī) 模擬成直流電 動(dòng)機(jī) 來(lái)控制，通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕，然后分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩 特性 和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。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。 直接法就是通過(guò)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部埋設(shè)感應(yīng)線圈以檢測(cè)電 動(dòng)機(jī)的 磁鏈，這種方式會(huì)使簡(jiǎn)單的交流電 動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁鏈的檢 測(cè)精度也不能得到長(zhǎng)期的保證。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。為補(bǔ)償參數(shù)變化的影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識(shí)和補(bǔ)償算法，但補(bǔ)償算法的引入也會(huì)使系統(tǒng)算法復(fù)雜化。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。目前國(guó)內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn)矩控制的研究十分活躍。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)。下面簡(jiǎn)要介紹一些對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制中各控制環(huán)節(jié)的改進(jìn)研究情況。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)。磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上相同。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。為了改善這種情況，減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，一些研究者提出了一種新的電壓矢量選擇方法 —預(yù)期電壓法 :首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差、磁鏈偏差和轉(zhuǎn)速計(jì)算出一個(gè)能達(dá) 到最佳控制的預(yù)期電壓，然后用電壓型逆變器的 6 個(gè)工作電壓中與之相鄰的兩個(gè)電壓矢量來(lái)合成它，計(jì)算出各自的工作時(shí)間 ,然后用零電壓補(bǔ)足采樣周期 ’。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。該觀測(cè)器把對(duì)定子電阻值影響比較大的三個(gè)因素 —定子電流、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)時(shí)間作為輸入量，以定子阻值的變化作為輸出，設(shè)計(jì)了模糊觀測(cè)器。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。 (5)無(wú)速度傳感器理論 在速度檢測(cè)方面，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求有速度傳感器，存在成本高、安裝維護(hù)困難、系統(tǒng)易受干擾、可靠性降低、不適于惡劣環(huán)境等弊端。 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) 。1987 年， Tamaishinzo 采用模型參考自適應(yīng) (MARS) 的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)辯識(shí)。 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。 總之，直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展得益于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科技的進(jìn)步又進(jìn)一步促進(jìn)安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的迅猛的發(fā)展，相信在不久的將來(lái)應(yīng)用了高科技的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)會(huì)給社會(huì)帶來(lái)巨大的生產(chǎn)力。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。從轉(zhuǎn)矩控制的角度來(lái)看，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，即電流和磁鏈的乘積，但從電動(dòng)機(jī)合理運(yùn)行的角度出發(fā)，仍希望磁鏈幅值不變。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。 為實(shí)現(xiàn)這一控制，并且考慮到逆變器件所能承受的開(kāi)關(guān)頻率，將定子磁鏈的軌跡分為六個(gè)區(qū)，對(duì)定子磁鏈實(shí)行分區(qū)控制，不同區(qū)域采用不同定 子電壓切換向量，使得定子磁鏈的軌跡近似為一圓形。 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。矢量控制技術(shù)模仿直流電 動(dòng)機(jī) 的控制方法，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全 控制 。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。本章從異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，闡述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理，對(duì)系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分析。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。 (3)電 動(dòng)機(jī) 氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間正弦分布。 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。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 susi sRs? Li?riRRJ?? 圖 21 電動(dòng)機(jī)空間矢量等效電路圖 圖 21 中各變量的意義如下： ?—電角速度（機(jī)械角速度與極對(duì)數(shù)的積） SU —定子電壓空間矢量 si 、 ri —定子、轉(zhuǎn)子電流空間矢量 s? 、 r? —定子、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量 sR 、 L —單相定子電阻、電感 rR —折算到定子側(cè)的單相轉(zhuǎn)子電阻 L? —單相轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感之和 由圖 21 可以得出定子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程： sssS dU R i dt??? （ 21） 0 r rtrr jdRi d ?? ?? ? ? （ 22） 而定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈： S s m rs LiLi? ?? （ 23） rrr m sLiLi? ?? （ 24） 轉(zhuǎn)矩方程：消去電壓方程和磁鏈方程中的 si 和 ri ，可以得到以定子磁鏈 s? 、 r? 為狀態(tài)變量的異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程。 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。 逆變器的數(shù)學(xué)模型與電壓空間矢量 逆變器如圖 22 所示，每一組的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)相反，這樣逆變器共有 8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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。這樣八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表 21 所示： 表 21 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 aS 0 0 0 0 1 1 1 1 bS 0 1 1 0 0 0 1 1 cS 0 0 1 1 1 0 0 1 八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以分成兩類(lèi)：一類(lèi)是六種所謂的工作狀態(tài)，即如上表中的狀態(tài) ―1‖到 ―6‖，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都是接到相同的電位上去；另一類(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)是零開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即表中的狀態(tài) ―0‖和狀態(tài) ―7‖，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。這七種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類(lèi)：一類(lèi)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(lèi)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)。在這里我們引入 Park 矢量變換，選三相定子坐標(biāo)系中的 a 軸和 Park 矢量復(fù)平面正交的實(shí)軸重合，則其三相物理量